基于三菱FX2N PLC的 空压站计算机监控系统设计毕业设计.doc

1 基于三菱基于三菱FX2N PLC的的 空压站计算机监控系统设计毕业设计空压站计算机监控系统设计毕业设计 目录目录 第一章第一章 概述概述 1 1 1 1空压机概述 1 1 1 1空气压缩机简介及其工作原理 1 1 1 2活塞式空气压缩机的工作原理 2 1 1 3国内外空压机的发展状况 8 1 2 电气控制技术发展概况 9 1 3三菱FX2N系列PLC概述 10 1 3 2 FX系列PLC型号的说明 11 1 3 3 FX2N系列的工作原理 12 1 4 PROFIBUS DP现场总线概述 12 1 4 1 现场总线的概念 12 1 4 2 PROFIBUS简介 13 1 4 3 PROFIBUS现场总线结构 13 1 4 4 PROFIBUS 现场总线系统的优点 15 第二章空压机工作过程第二章空压机工作过程 1717 2 1 启动过程 18 2 2 运行过程 21 2 3 停机过程 22 第三章第三章 空压机控制系统技术原理空压机控制系统技术原理 2525 3 1技术原理 27 3 2 实现功能 27 3 3 操作方式 27 3 4 技术特点 28 2 第四章第四章 空压机控制系统硬件配置空压机控制系统硬件配置 2929 4 1 上位机硬件配置 29 4 2 下位PLC硬件配置 29 4 3 检测 执行元件 29 4 2 1温度变送器 29 4 2 2 压力变送器 30 4 2 3 电流变送器 31 4 2 4执行器 32 第五章第五章 空压站监控系统下位机程序设计空压站监控系统下位机程序设计 3333 5 1 程序设计环境 33 5 1 1 STEP7 Micro WIN32与PC硬件连接 33 5 1 2 SWOPC FXGP WIN C功能介绍 34 5 2 PLC接线原理图 35 5 2 PLC程序输入 输出 I O 定义 36 5 3 PLC梯形图 36 5 3 1 启动过程 36 5 3 2 停机过程 45 第六章第六章 空压机控制系统的上位机监控软件设计空压机控制系统的上位机监控软件设计 4848 6 1 开发环境 48 6 2 开发步骤 49 6 2 1建立工程 49 6 1 2 在工程浏览器中设计画面 51 6 1 3定义外部设备和数据变量 52 6 3监控软件开发 56 6 3 1动画连接 56 6 3 2命令语言 57 6 3 3运行结果 61 3 第七章第七章 专专题题 组组态态王王中中数数据据库库和和W WE EB B技技术术应应用用 6767 7 1数据库技术应用 67 7 1 1 SQL访问管理器 67 7 1 2建立Ms Acess 数据库 68 7 1 3对数据库的操作 70 7 2WEB技术应用 71 7 2 1 网络设置 71 7 2 3 Web Sever发布设置 73 7 2 4 基于Web的远程监控 74 结论结论 7777 总结与体会总结与体会 7878 谢辞谢辞 7979 参考文献参考文献 8080 附录附录 PLCPLC程序 指令表 程序 指令表 8181 1 第一章第一章 概述概述 1 11 1空压机概述空压机概述 1 1 11 1 1空气压缩机空气压缩机简介简介及其工作原理及其工作原理 空气具有可压缩性 不燃烧 不凝结 一般无毒 无害等特点 将它压缩到一 定压力后 作为一种动力源 它不仅输送 使用方便 安全 也不存在资源不足和 污染环境的问题 使用压缩空气的机械 虽然利用率较低 噪声也较大 但它不产 生火花 不怕超负荷 无触电危险 特别能适应温度大 粉尘多 高温 易燃 易 爆等特殊 恶劣环境及冲击性和负荷变化大的场合 具有使用其他动力 电力 热 力等 的机械所不能具有的许多优点 因此 被国内 外各种工业 矿山 科研等 部门所采用 空气压缩机既是为满足动力或工艺上不同要求而生产压缩空气的机械 同时又 是要由原动机驱动而大量消耗动力的机械 具有合理使用 精心维护 及时调试 正确修理 才能保证空气压缩机持续 安全地运转 按照GB4976 85标准 空气压缩机可以分为以下几类 图 1 0 压缩机分类 活塞式空压机是一种技术含量高 关键件加工困难的新型机器 广泛应用于塑 料工业 石油化工 电力等国民经济各部门 特别是近年来 随着我国塑料工业的 2 快速发展以及应用领域的扩大 要求活塞式空压机具有更高的压力 更大的容积流 量 迫切需要压力为3 OMPa 4 OMPa 排气量为0 8 1 5 m3 min的空压机 而日前国内尚无合适机型 该产品在国内属空档 为填补这一空 白 提高我国塑料等工业整体质量水平 我们设计一种性能好 可靠性高的活塞式 空压机的计算机监控系统 以满足工业生产的需要 本设计中所选空气压缩机均为活塞式 故就活塞式空气压缩机工作原理进行一序 列介绍 1 1 2活塞式空气压缩机的工作原理活塞式空气压缩机的工作原理 一 工作过程 活塞式空气压缩机 以下简称空压机 压缩空气的过程 主要是通过活塞在汽 缸内不断地往复运动来完成的 活塞在汽缸内一次往复的全过程分为吸气 压缩和 排气三个过程 和称为一个工作过程 为了叙述方便 现将单级单作用和双作用式 空压机的一个汽缸分别简化 如图所示 图1 1 单级压缩机的汽缸简图 a 单作用式 b 双作用式 1 汽缸 2 活塞 3 进气阀 4 排气阀 5 活塞杆 它们的工作过程都是一样的 所不同的是 单作用式当活塞在汽缸内往复运动 一次 只有一次吸气 压缩和排气过程 即曲轴旋转一周只完成一个工作过程 双 作用式由于汽缸两端都装有进 排气阀 因此 在相同时间里 不论活塞想右或向 左运动 都能在其前方完成压缩和排气过程 在其后方完成吸气过程 即曲轴旋转 一周能完成两个工作过程 1 单作用式空压机的工作过程 3 1 吸气过程 当活塞2向右边移动时 汽缸左边的容积增大 压力下降 当压力降到稍低于进气管 中空气压力 即大气压力 时 管内空气便顶开进气阀3进入汽缸 并随着活塞的向 右移动继续进入汽缸 直到活塞移至右边的末端为止 该端点称为内止点 根据汽 缸排列形式的不同 又可称为后止点或下止点 2 压缩过程 当活塞向左移动时 汽缸左边容积开始缩小 空气被压缩 压力随之上升 由于进 气阀的止逆作用 是缸内空气不能倒流回进气管中 同时 因排气管内空气压力又 高于汽缸内空气压力 空气无法从排气阀4流出缸外 排气管中空气也因排气阀的止 逆作用而不能流回汽缸内 所以 这时汽缸内形成一个封闭容积 当活塞继续向左 移动 缸内容积缩小 空气体积也随之缩小 压力不断提高 3 排气过程 随着活塞的不断左移压缩缸内空气 使压力继续升高 当压力稍高于排气管中空气 压力时 缸内空气便顶开排气阀而排入排气管中 并继续排出到活塞移至左边末端 该端点称为外止点 又可以称为前止点或上止点 为止 然后 活塞又向右移动 重复上述的吸气 压缩 排气这三个连续的工作过程 2 双作用空压机的工作过程 当活塞2 图B 向右边移动时 空气顶开左边进气阀3被吸入汽缸内 同时 在缸内右腔中的空气被压缩 待排气阀4打开后 便把压缩空气由汽缸的右腔内排到 排气管中 当活塞从右向左移动时 空气经右边进气阀3被吸入汽缸内 而左腔中的 压缩空气便经过排气阀4排出 由此可见 双作用式空压机的活塞在缸内往复一次 曲轴正好旋转了一周 便完成两次吸气 压缩和排气过程 由于活塞在汽缸内的不断地往复运动 汽缸便循环地吸气 压缩和排气 活塞 的每一次往复称为一个工作循环 即一个工作过程 活塞每往复一次所经过的距离 称为行程 活塞面积与活塞行程相乘即为汽缸工作容积 活塞在曲轴旋转一周所扫 过的容积称为汽缸全容积 二 理论示功图 空压机是通过消耗机械功来达到压缩与输送空气的目的 空气在汽缸内压力P与 体积V的变化情况 可以从示功仪描绘的示功图 即以P为纵坐标 V为横坐标的函 4 数关系的P V图上看出 还可以根据示功图的面积计算出压缩机所消耗的指示功率 因此 在 所述空压机的工作原理时 是离不开示功图的 下图即为一单级作用式压缩机的汽 缸示意图及理论示功图 图1 2 单级单作用式压缩机的汽缸示意图及理论示功图 1 汽缸 2 活塞 3 近气阀 4 排气阀 在分析这种活塞式压缩机的理论工作过程前 必须做如下假设 汽缸中没有余 隙容积 被压缩气体能全部排出汽缸 进 排气管中气体状态相同 即无阻力 无 气流脉动 无热交换 气阀启闭及时 气体无阻力损失 压缩容积绝对密封 无 任何泄露 气体压缩过程中 不论有无热交换 其过程指数为定值 上述假设 实 际上是不可能存在 但它对掌握压缩机原理和其工作特点是十分重要的 当活塞2按a方向向右移动时 汽缸I内的容积增大 压力稍低于进气管中空气压 5 力为P1 则活塞由外止点移至内止点时所进行的吸气过程 在示功图中 可用一段 平行于V轴 并相距为P1的直线AB来表示 线段AB称为吸气线 它说明 在整个吸 气过程中 缸内空气的压力P1保持不变 体积V1却在不断地增加 V2为吸气终了时 空气的体积 当活塞按 b方向向左移动时 缸内I的容积缩小 同时进气阀关闭 空气开始被 压缩 并随着活塞的左移 压力逐渐升高 此过程为压缩过程 在示功图中用曲线 BC表示 称为压缩曲线 在压缩过程中 随着空气压力的不断升高 其体积是逐渐 缩小的 当缸内空气的压力升高到稍大于排气管中空气的压力P2时 排气阀4被顶开 排 气过程开始 在示功图中用一段平行于V周 并相距为P2的直线段CD 称为排气线 表示 在排气过程中 缸内压力一直保持不变 容积逐渐缩小 当活塞移动大汽 缸外止点时 排气过程便结束 此时 压缩机的曲轴正好旋转一周而完成一个工作 循环 当活塞在外止点改向右移时 缸内压力下降 吸气过程又重新开始 缸内空气 压力从P2降到P1的过程 在示功图中以垂直于V轴的直线段DA 纵坐标 来表示 在理论示功图中 以AB BC CD 和DA线为界的ABCDA图形的面积 表示 完成一个工作过程所消耗的功 也就是推动活塞所必需的理论是 压缩功 其面积 愈小 则将空气压缩到所需压力时消耗的理论功就愈少 三 压缩气体的三种过程 空气在汽缸内被压缩时会产生大量的热 这是因为活塞对它作了功 功的符号 为W 单位为J或Kw H 压缩机常用kW h 空气受压缩时所产生的热量 大部分将留在空气中 使本身温度升高 并增加 了空气的内能 空气分子运动的动能与分子相互作用的位能的总和 它只与空气的 温度有关 还有一部分传给汽缸 使其温度升高 尚有少部分热量则通过汽缸壁 传到大气中 空压机在一个工作循环内所消耗的全功 是吸气过程功 压缩过程功 排气过 程功的总和 称为循环压缩功 简称压缩功 它分为理论压缩功和实际压缩功 通常规定 活塞对空气所做的功 即空气吸收热量 为正值 空气对活塞所做的功 即空气放出热量 为负值 6 工作过程中所需的压缩功以及温度变化 均与空气的受压程度成正比 即取决 于气体状态的改变过程 消耗的大小 则与除去压缩过程中所产生的热量 即冷却 密切相关 由于压缩机的冷却情况不同 通常可分为等温 绝热 多变三种压缩 过程 多变压缩过程界于等温和绝热压缩过程之间 等温和绝热压缩过程是多变压 缩过程的两种特殊过程 P V图上多变压缩过程指数n值一般取1 25 1 3 等温压缩n 1 绝热压缩n k 空气的 绝热指数k值为1 40 图3为压缩气体时三种过程的示功图 图中曲线BC2表示等温过程 称为等温压 缩线 曲线BC表示绝热过程 称为绝热压缩线 曲线BC1表示多变过程 称为多变 压缩线 图1 3 压缩其他时的三种过程示功图 1 等温压缩过程 它能将与压缩功相当的热量由冷却截止带走 使缸内空气温度保持不变 不因压力 增加而升高 故称等温压缩过程 其一个工作循环的总功等于理论压缩功 由于 故 hkWmkgf 1072 2 1 6 kW h 1 2 11 6 ln1072 2 p p VpW 等 7 压缩终了温度T2 吸入温度 式中 p1 p2 吸气 排气压力 绝对压力Pa V1 压缩开始时气体体积 m3 等温压缩是实际生产中难以办到的一种理想过程 但可用冷却来尽量接近它 2 绝热压缩过程 在压缩过程中所产生的热量全部留在汽缸内的空气中 所消耗机械功全部用来增加 空气的内能 结果使空气的温度升得很高 这种既不向外界传热 也不从外界吸热 的过程 称为绝热压缩过程 它也是一种理想过程 实际上很难做到无丝毫的热交 换 其一个工作循环的理论压缩功为 1 1 1072 2 1 1 2 11 6 hkW p p Vp k k W k k 绝 压缩终了温度 1 1 2 12 K P P TT k k 3 多变压缩过程 它是不全等温 也绝不全绝热 即介于等温和绝热压缩之间的过程 故称多变压缩 过程 实际生产中的压缩机的工作过程大都属于这种过程 其一个工作循环的理论 压缩功为 hkW p p Vp n n W n n 1 1 1072 2 1 1 2 11 6 多 压缩终了温度 1 1 2 12 K p p TT n n 从图1 3不难看出 等温压缩图形ABC2DA的面积最小 所消耗压缩功也最少 且压缩前后 8 的温度不变 绝热压缩图形ABCDA的面积最大 所消耗压缩功最多 压缩终了的温 度也最高 多变压缩则介于二者之间 由此可见 当多变压缩线偏近等温压缩线时 不仅省功 温度也能降低 若偏近绝热压缩线 则不但费功 温度也会升高 因 此 在实际工作中为了节省压缩功和降低温度 应使多变压缩过程接近于等温压缩 过程 就必须加强对空压机的冷却 冷却的效果愈好 散除热量愈多 耗功就愈少 愈经济 在大 中型空压机中 大多采用水冷却的方式来冷却汽缸和压缩后的高 温空气 通过中间冷却器和后冷却器 1 1 31 1 3国内外空压机的发展状况国内外空压机的发展状况 1 国外概况 国外空压机厂家对空压机产品进行了多次脱胎换骨的技术创新 它们已经生产 出了具有高效率 高技术含量的滑片式 螺杆式以及离心式的空压机 国外对船用 活塞式空气压缩机的研究较早 始于60年代 但真正发展较快的是在80年代以后 到目前为止 中压往复活塞式空压机在工业中的应用还很少 以船用空压机为主 代表公司有英国Hamworthy工程公司 德国绍尔公司 哈拉帕有限公司 日本田边空 气机械制作所等 具体机器的型号 规格如表1 1所示 厂家名称绍尔公司哈拉帕公司田边公司 型号 WP80LWP100LW80WHOVLHH64VLHH64 压力 MPa 3 03 03 03 03 03 0 排气量 m 3 min 1 11 31 331 401 31 67 转速 r m in 11701170145011509001200 功率 kW 13161731621522 近10年来 空压机产品技术发展动向为 提高气阀等易损件的使用寿命 向全自 动控制方向发展 设有启动 停车 运行的自控装置和参数失常的保护措施 降低 噪声 配置压缩空气干燥净化装置 以提高压缩空气品质 9 2 国内概况 中国空压机厂几十年都在生产同一种产品 导致了中国空压机只是在低层次上的发展 而没有取得根本技术上的突破 国内 对陆用空压机的研究较晚 目前生产的空压机也较少 且品种单一 主要为排气量0 6m3 min以下 排气压力为2 5MPa以下的微型机它们主要是在排气压力为1 25MPa的 微型机基础上改进而获得的 一般为两级压缩 可靠性差 每年产量仅为1000台左 右 中国现在仍在大规模生产的活塞式空压机在发达国家已经早已淘汰 随着塑料 制品行业的迅猛发展 对空压机要求具有更高压力 更大气量才能使生产出来的产 品质量好 成本低 同时 对空压机的可靠性与运行的经济性也提出了更高的要求 就国内现有生产企业的产品技术水平无论在品种上 还是在可靠性方面都难以满 足 1 21 2 电气控制技术发展概况 电气控制技术发展概况 电气控制技术是随着科学技术的不断发展 生产工艺不断提出新的要求而迅速 发展的 从最早的手动控制到自动控制 从简单的控制设备到复杂的控制系统 从 有触点的硬接线控制系统到以计算机为中心的存储控制系统 现代电气控制技术综 合应用了计算机 自动控制 电子技术 精密测量等许多先进的科学技术成果 作 为生产机械动力的电机拖动 已由最早的采用成组拖动方式至单独拖动方式 至生 产机械的不同运动部件分别由不同的电机拖动的多电机拖动方式 发展到今天无论 是自动化功能还是生产安全性方面都相当完善的电气自动化系统 继电接触式控制系统主要由继电器 按钮 行程开关等组成 其控制方式是断 续的 所以又称为断续控制系统 由于这种系统具有结构简单 价格低廉 维护容 易 抗干扰能力强等优点 至今仍是机床和其他机械设备广泛采用的基本电气控制 形式 也是学习先进电气控制的基础 这种控制系统的缺点是采用规定的接线方式 灵活性差 工作频率低 触点易损坏 可靠性差 从20世纪30年代开始 生产企业为了提高生产效率 采用机械化流水作业的生 产方式 对不同类型的产品分别组成生产线 随着产品类型的更新换代 生产线承 担的加工对象也随之改变 这就需要改变控制程序 使生产线的设备按新的工艺过 程允许 而继电接触器控制系统采取规定接线方式 很难适应这个要求 大型生产 线的控制系统使用的继电器数量很多 这种有触点的电器工作频率很低 在频繁动 10 作的情况下寿命较短 从而造成系统故障 使生产线的允许可靠性降低 为了解决 这个问题 20世纪60年代初期利用电子技术研制出矩阵式顺序控制器和晶体管逻辑 控制系统来代替继电接触式控制系统 对复杂的自动控制系统则采用计算机控制 由于这些控制装置本身存在某些不足 因此均未能获得广泛应用 1968年美国最大的汽车制造商通用汽车 GM 公司 为适应汽车型号不断更新 提出把计算机的完备功能以及灵活性 通用性等优点和继电接触器控器系统的简 单易懂 操作方便 价格底等优点结合起来 做成一种能适应工业环境的通用控制 装置 并把编程方法及程序输入方法简化 使不熟悉计算机的人员也能很快掌握其 使用技术 根据这一设想 美国数字设备公司 DEC 于1969年率先研制出第一台 可编程控制器 简称PLC 并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功 从此以 后 许多国家的著名厂家竞相研制 各自成为系列 而且品种更新很快 功能不断 增加 从最初的逻辑控制为主发展到能进行模拟量控制 具有数字运算 数字处理 和通信联网等许多功能 PLC另一个突出的优点是可靠性很高 平均无故障运行时 间可达10万个小时以上 可以大大减少设备维修费用和停产造成的经济随时 当前P LC已经成为电气自动化控制系统中应用最为广泛的核心控制装置 自20世纪70年代以来 电气控制相继出现了直接数字控制系统 DDS 柔性 制造系统 FMS 计算机集成制造系统 CIMS 智能机器人 集散控制系统 DCS 现场总线控制系统等多项高技术 形成了从产品设计及制造生产管理的智 能化生产的完整体系 将自动化生产技术推进到更高的水平 1 31 3三菱三菱FX2NFX2N系列系列PLCPLC概述概述 1 3 11 3 1 FX2NFX2N系列的特点系列的特点 FX2N系列PLC可以应用在大多数单机控制或简单的网络控制中 是FX系列中规格 最大 性能最高 功能最强的一个系列 它兼容了FXIS IN系列的全部功能 该系列 使用了比FXIS IN系列性能更高的CPU CPU运算速度与运算性能得到了提高 I O点 增加了 扩展功能模块也更多 编程功能与通信功能更强 主要体现在以下几个方 面 1 FX2N系列基本逻辑控制指令的执行时间由FXIS IN系列的每条0 55 0 7us提高到了每条0 8us 速度提高了近10倍 应用指令的执行时间由FXIS IN系列 的每条3 7us到几百微秒提高了每条1 5us到几百微秒 速度也提高了两倍以上 11 2 FX2N系列采用了基本单元加扩展的结构形式 基本单元本身具有固定I O 点 可以作为独立的PLC使用 FX2N系列也有扩展I O模块 最大I O点数可以达到25 6点 与FXIN相比 在输入 输出扩展功能上 FX2N系列主要增加了模拟量输入 输出 模块 而开关量的输入 输出扩展模块与FXIN系列基本相同 3 FX2N系列的应用指令大为增加 达到132种 309条 主要增加的是传送 移位 求补和代码转换等应用指令 PLC的编程元及用户程序存储器容量也比FXIN大 大增加 可以实用的内部继电器 定时器 技数器数据存储器 用户程序存储器的 容量等为FXIN系列的2 3倍 4 FX2N系列PLC可以使用较多的特殊功能模块 如温度传感器输入模块 温 度调节模块 脉冲输出模块 轴定位模块 高速计数模块和转角检测模块等外部模 块 以适应温度控制和位置控制的应用场合 5 在通信功能方面 FX2N在FXIN的基础上增加了M NET网络链接的通信模块 以适应网络链接的需要 FX2N系列PLC基本单元有6种规格 分别为16 32 48 64 80 128 基本单元 根据电源可以分为AC和DC两种 根据输出可以分为继电器 晶体管和双向晶闸管3种 1 3 21 3 2 FX系列系列PLC型号的说明型号的说明 FX系列PLC是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器 以逐步替代 三菱公司原F F1 F2系列PLC产品 其中FX2是1991年推出的产品 FX0是在FX2 之后推出的超小型PLC 近几年来又连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的F X0S FX1S FX0N FX1N FX2N FX2NC等系列PLC 具有较高的性能价格比 应用广泛 它们采用整体式和模块式相结合的叠装式结构 FX系列PLC型号的含义如下 12 其中系列名称 如0 2 0S 1S ON 1N 2N 2NC等 单元类型 M 基本单元 E 输入输出混合扩展单元 Ex 扩展输入模块 EY 扩展输出模块 输出方式 R 继电器输出 S 晶闸管输出 T 晶体管输出 特殊品种 D DC电源 DC输出 A1 AC电源 AC AC100 120V 输入或AC输出模块 H 大电流输出扩展模块 V 立式端子排的扩展模块 C 接插口输入输出方式 F 输入滤波时间常数为1ms的扩展模块 如果特殊品种一项无符号 为AC电源 DC输入 横式端子排 标准输出 例如FX2N 32MT D表示FX2N系列 32个I O点基本单位 晶体管输出 使用 直流电源 24V直流输出型 1 3 31 3 3 FX2NFX2N系列系列的工作原理的工作原理 FX2N系列的采用循环扫描方式 一个扫描周期一般包括五个阶段 输入处理 执 行程序 处理通讯请求 执行CPU自诊断测试和写输出 输入处理阶段对个数字量输入点的当前状态进行输入扫描 并将各扫描结果分 别写入对应的映像寄存器中 在执行程序阶段 CPU从第一条指令开始顺序取指令并执行 直到最后一条指令 结束 执行指令时从映像寄存器中读取各输入点的状态 每条指令的执行是对各数 据进行算术或逻辑运算 然后将运算结果送到输出映像寄存器中 在CPU扫描周期的信息处理阶段 CPU自动检测并处理各通讯端口接收到的任何 13 信息 即检查是否有编程器 计算机等的通信请求 若有则进行相应处理 在这一 阶段完成数据通讯任务 CPU自诊断阶段 CPU检测主机硬件 同时也检查所有的输入输出模块的状态 在RUN模式下 还检测用户程序存储器 如果发现异常 则停机并显示出错 若自诊 断正常 继续向下扫描 写输出阶段 CPU用输出映像寄存器中的数据几乎同时集中对输出点进行刷新 通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号 以驱动被控设备 与计算机的循环取指令和执行指令的工作方式不同 循环扫描的工作方式执行 用户程序只是其中的一步 而且指令的执行结果并不立即传送到输出点 只是用它 改变内部的映像寄存器状态 当所有指令执行完成后 同时对各输出点刷新 1 41 4 PROFIBUS DPPROFIBUS DP现场总线概述现场总线概述 1 4 11 4 1 现场总线的概念现场总线的概念 所谓现场总线 是指将现场设备与工业过程控制单元 现场操作站等互连而成 的计算机网络 具有全数字化 分散 双向传输和多分支的特点 是工业控制网络 向现场发展的产物 它是用于支持现场装置 实现传感 变送 调节 控制 监督 以及各种装置之间透明通信等功能的通信网络 保证网内设备间相互透明有序地传 递信息是它的主要集成任务 1 4 21 4 2 PROFIBUSPROFIBUS简介简介 PROFIBUS Process Field Bus 1987年德国工业界开始启动了PROFIBUS联合 开发项目 由这个联合体开发的规则和标准成为德国工业标准 即DIN E 19245 2 PROFIBUS标准 于1996年 德国的国家现场总线标准成为国际性标准 即欧洲标准E N 50170 2000年3月 PROFIBUS标准被批准为国际 现场总线标准IEC61158的组成部分 TYPEIII PROFIBUS现场总线是一种国际化 开放式异步通讯标准 于1996年被批准为国 际标准 PROFIBUS主要由PROFIBUS FMS PROFIBUS PA和PROFIBUS DP等三部分组成 PROFIBUS已经广泛应用于制造业自动化 流程工业自动化等 PRO FIBUS DP是一种高速低成本通讯 主要应用于现场设备级传输介质为屏蔽双绞线 EIA RS4 85 使用PROFIBUS技术的核心公司有SIEMENS E H和SOFTING等 PROFIBUS 14 DP的实时性远高于其他局域网 因而特别适用于工业现场 它的缺陷是 若向网中 增删站点 就要重新初始化整个网络 并对各站重新排序 S7 200PLC只能作为PROFIBUS DP从站 但是S7 200PLC是可以独立编程和完成控制的 又把PROFIBUS DP技术的应用更扩展一步 1 4 31 4 3 PROFIBUSPROFIBUS现场总线结构现场总线结构 图1 4 现场总线结构图 从图中可以看出 采用PROFIBUS 现场总线的控制系统可以分成现场控制层 监控层和企业管理层三层 现场控制层现场控制层 现场控制层由现场智能设备 现场智能仪表 远程I O 和网络设备构成 现场控制涉及PROFIBUS 协议PROFIBUS DP 和PROFIBUS PA 两个部分 PROFIBUS DP 是高速网络 通讯速率达到12M PROFIBUS DP 可以连接远程I O 执行机构 智能马达控制器 人机界面HMI 阀门定位器 变频器等智能设备 一条PROFIBUS DP 总线可以最多连接123 个从站设备 PROFIBUS DP 的拓扑结构可以是总线型 星型和树型 通讯介质可以是屏蔽双绞线 光纤 也支 持红外传输 采用双绞线时 不加中继器最远通讯距离可达1 2 公里 最多可以采用9 个中继器 最远通讯距离可达9 公里 采用光纤时 最远通讯距离可达100 15 公里以上 其中采用多膜光纤 两点间最远距离可达3 公里 采用单膜光纤时 两点间最远距离可达3 公里 PROFIBUS PA 是低速现场级网络 通讯速率为31 25kb s 支持点对点连接 总线型 混合型 树 型拓扑结构 PROFIBUS PA 主要用于连接现场智能仪表 如压力 温度 液位 流量等变送器及其执行机构等 可以采用屏蔽双绞线电缆 也可采用非屏蔽双绞线电缆 可通过总线供电 监控层监控层 监控层由高速工业以太网以及连接在总线上的担任监控作务的工作站或显示操 作站 工程师站 PLC DCS 控制器组成 随着网络技术的不断发展 工业以太网的通讯速率也在不断提高 目 前工业级的千兆以太网已经在工业自动化领域大量应用 企业管理层企业管理层 企业管理层由各种服务器和客户机组成 主要由SIS MIS 和ERP 系统构成 其主要目的是在分布式网络环境下 将电厂各工艺段 例如DCS 系统 辅机程控系统等 的数据和信息 如过程数据 报警信息和设备状态等 进 行汇总 从而集成企业的各种信息 实现与Internet 的连接 完成管理 决策和商务应用的各种功能 通过管理层 公司和集团领导可 以实时监控现场设备 并通过授权还可以对各系统进行组态 1 4 41 4 4 PROFIBUSPROFIBUS 现场总线系统的优点现场总线系统的优点 1 开放性 PROFIBUS 是一个完全开放的 与制造商无关的 无知识产权保护的现场总线标准 全球有超 过250 家公司可以生产超过2000 种支持PROFIBUS 的系统和设备 PROFIBUS 的开放性保证了不同制造厂商的产品的互连 例如西门子公司的DCS 或PLC 可以通过PROFIBUS 连接第三方的远程I O 智能设备和仪表 这些连接只需要产品制造商提供相应的GS D 文件或EDD 文件 然后进行简单组态即可实现 目前国际知名的自动化系统制造商如 SIEMENS 16 ABB EMERSON 等和知名的仪表制造商如 SIEMENS EMERSON 等都可以提供丰富的支持PROFIBUS 的产品 在电力行业知名的DCS 制造商如 SIEMENS ABB EMERSON FOXBORO 等都支持PROFIBUS 现场总线 知名的PLC 品牌如 SIEMENS MODICON AB 也都可以支持PROFIBUS 总线 2 可靠性 PROFIBUS 现场总线已安装运行节点数超过1000 万个 大大高于其它现场总线系统 PROFIBUS 是IEC61158 的重要组成部分 并于2001 年成为中国的行业标准JB T 10308 3 2001 PROFIBUS 的可靠性表现在以下几个方面 PROFIBUS 总线上的数据传输是完全基于数字信号实现的 这样可以大幅提高信号传输过程中 的抗干扰能力 采用PROFIBUS 总线直接连接现场智能设备 可以减少大量接线点 减少了由于接线不牢或接线不 规范引起的故障 PROFIBUS 连接智能设备 减少了A D 转换的环节 提高了自动化系统的采集精度 为精确控制提供保障 PROFIBUS 上各设备的连接非常简单 并可以通过专用剥线工具和PROFIBUS 接头 减少接线风险 同时PROFIBUS 接头可以保证总线上任何一个节点故障不影响系统通讯 支持冗余总线系统 提高系统可靠性 3 灵活扩展 采用PROFIBUS 总线结构的控制系统 扩展非常方便灵活 主要表现在以下几个方面 拓扑结构灵活 可以支持总线型 星型 树型 冗余环型等多种拓扑结构 支持光纤和双绞线作为通讯介质 采用多模光纤时 两个光电模块间的距离可 达3KM 采用单模光纤时 两个光电模块间的距离可达26KM 采用双绞线不加中继的 最远通讯距离可达1KM 采用中继时最远可达9KM 17 一条PROFIBUS DP 总线最多可以连接123 个DP 从站 所有满足PROFIBUS DP 通讯规约的设备都可以连接到系统中 目前全球有超过1200 家公司可以生产超过2000 种支持PROFIBUS 的产品 因此具有很强的开放性和可扩展性 提供多种接口设备 用于将冗余DP 总线转换成单DP 总线和将冗余DP 总线转换成PA 总线 可以将DP 总线转换成Asi 总线等 非常便于扩展 PROFIBUS 同时可以支持PROFIsafe 协议 一条总线上既可以传输标准数字信号 也可以同时传输故障安全的信号 提供可用于危险领域的接口模块 可以支持在危险区域的应用 4 实时性 采用PROFIBUS 总线的系统具有很高的实时性 这是由PROFIBUS 总线系统的数据传输速率高所决定的 PROFIBUS DP 总线的传输速率可达12M 是目前通讯速率最高的现场总线 计算PROFIBUS DP 总线的响应时间可以按下面的计算公式进行计算 t Cycle DP 317 x nSlaves 11 x nBytes x Tbit 317 是一个常数 表示一个DP 从站建立通讯连接所需的数据位 第一个N 表示整个PROFIBUS DP 总线上的从站数量 第二个N 表示整个PROFIBUS DP 总线上传输的数据总数 单位为字节 如果总线系统中还有PA 总线 则PA 总线的响应时间为 t Cycle PA channel 317 x nSlaves 8 x nBytes x Tbit 整个PROFIBUS DP 系统的响应时间为 t Cycle t Cycle PA channel t Cycle DP t Acylic 从上面的公式可以看到 一个典型的通过PA 总线连接的智能仪表的响应时间为10ms 一个典型的通过PA 总线连接的执行机构的响应时间为15ms 一个PROFIBUS DP 从站的响应时间 0 2 一级排气压力 0 if 二级排气压力 0 2 二级排气压力 0 if 一级排气温度 160 一级排气温度 0 if 二级排气温度 160 二级排气温度 0 if 一级汽缸压力 0 5 一级汽缸压力 0 if 二级汽缸压力 0 5 二级汽缸压力 0 if 一级汽缸温度 160 一级汽缸温度 0 if 二级汽缸温度 160 二级汽缸温度 0 if 冷却水温度 160 冷却水温度 0 if 冷却水压力 1 冷却水压力 0 if 二级汽缸压力 0 4 排气阀 1 else 排气阀 0 if 冷却水阀 1 出气阀 1 进气阀 0 if 冷却水阀 1 出气阀 1 63 急停 1 if 冷却水阀 1 出气阀 1 一级排气压力 0 if 冷却水阀 1 出气阀 1 二级排气压力 0 if 冷却水阀 1 出气阀 1 一级排气温度 0 if 冷却水阀 1 出气阀 1 二级排气温度 0 if 冷却水阀 1 出气阀 1 冷却水压力 0 if 冷却水阀 1 出气阀 1 一级汽缸压力 0 if 冷却水阀 1 出气阀 1 一级汽缸温度 0 if 冷却水阀 1 出气阀 1 二级汽缸压力 0 if 冷却水阀 1 出气阀 1 二级汽缸温度 0 6 3 36 3 3运行结果运行结果 1 欢迎画面 64 这是上位监控画面的第一页 提供监控画面的主题与进入画面功能 2 整体结构方案 整体结构方案是与其他画面连接的窗口 通过它可以与任意控制画面进行监视 或控制 本设计设计了现场监控画面 实时曲线 实时报表等12个窗口分别对空压 机控制过程进行监控 3 按钮指示区 65 指示按钮区的主要功能就是组态控制的启动 即提供空压机组态启动 停止以 及紧急停机 开机启动 停止 紧急停机三个按钮互相制约 空压机运行只允许其 中一个状态存在 即三个按钮不能同时开 其中一个动作的时候其他两个必须停止 并且只要一个动作 其他两个必须立即关闭 4 现场监控画面 66 现场监控画面 顾名思义就是现场控制设备的运行情况 本设计设计了一台空 压机的稳定运行监控 现场设备的运行情况可以准确地在上位计算机上显示出来 设计主要要点是 1 进气阀动作则放空阀 冷却水阀 出气阀必须是关闭着的 反之则反 2 与止回阀相连的管道必须在一级气缸满足一定情况下才打开 与现场工业设 备所需压缩空气相对应 3 排气阀也是在二级气缸压力达到一定MPa 是才打开 也是为现场设备的稳定运行考虑 5 现场数据采集 67 现场数据采集是进行空压站计算机监控系统设计最主要的工序 现场数据能否 在上位计算机上及时准确地现实 是现代工业最重要 也是最关键的工段 本设计 主要对一级排气温度 压力 二级排气温度 压力 一级气缸压力 温度 二级气 缸压力 温度进行现场数据采集 并使他们在上位计算机以仪表 游标的形式现实 出来 6 空压机监控柜 空压机监控柜是针对各级设备的水压 温度高或者低进行现实报警 方便用户 68 及时对控制设备进行监视 控制 7 数据采集显示 数据采集显示系统主要是对一级排气温度 压力 二级排气温度 压力 一级 气缸压力 温度 二级气缸压力 温度 冷却水压力 温度值准确地进行显示 并 能对空气压缩机的进气阀 排气阀 放空阀 冷却水阀进行监视 8 实时报警与历史报警 69 实时报警与历史报警是对各控制对象进行高高 高 低 低低 死区或者是对 各阀门的打开 关闭进行报警 9 实时曲线与实时报表 70 实时曲线与实时报表是对现场数据实时地进行采集 显示 对现场设备进行监控最 重要的就是信息采集的准确性与控制的实时性 所以 做到实时控制是控制系统设 计最主要的关键 第七章第七章 专专题题 组组态态王王中中数数据据库库和和W WE EB B技技术术应应用用 7 17 1数据库数据库技技术术应应用用 组态王SQL访问功能实现组态王和其他外部数据库 支持ODBC访问接口 之间的数 据传输 它包括组态王的SQL访问管理器和SQL函数 本设计数据库采用MS Acess作为数据存储单元 对实时报表数据进行存储 以供查询 7 1 17 1 1 SQLSQL访问管理器访问管理器 SQL访问管理器用来建立数据库列和组态王变量之间的联系 包括表格模板和记 录体两部分功能 通过表格模板在数据库表中建立表格 通过记录体建立数据库表 格列和组态王之间的联系 允许组态王通过记录体直接操作数据库中的数据 表格 模板和记录体都是在工程浏览器中建立的 1 创建表格模板 在工程浏览器中左侧工程目录显示区中选择 SQL访问管理器 下的 表格模 板 项 在右侧目录内容显示区中双击 新建 弹出 创建表格模板对话框 如下图 71 2 创建记录体 在工程浏览器左侧的工程目录显示区中选择SQL访问管理器下的记录体 在右侧 的目录内容显示区中双击 新建 弹出 创建表格模板对话框 如下图 7 1 27 1 2建立建立MsMs AcessAcess 数据库数据库 1 建立一个空Acess文件 定名为KYJ mdb 2 定义数据源 双击控制面板下的 ODBC数据源 32位 选项 弹出 ODBC数据源管理器 对话框 72 选择 用户DSN 属性页 并单击 添加 按钮 在弹出的 创建新数据源 对话框中 选择 Mirosoft Access Driver 单击 完成 按钮 弹出 ODBC Microsoft Access安装 对话框 定义数据源名 mytest 点击 选取 按钮 从中选择相应路径下的数据库文件 KYJ mdb 单击 确定 按钮 完成对数据源的配置 73 7 1 37 1 3对数据库的操作对数据库的操作 1 连接数据库 在数据词典里定义新变量 变量名称 DeviceID 变量类型 内存整数 然后在脚本编辑器中 启动时 动画连接 SQLConnect SQLConnect DeviceID DeviceID dsn mytest uid pwd dsn mytest uid pwd 该命令用于和数据源名 dsn 为mytest的数据库建立连接 uid表示登录数据库的用户ID pwd是登录的密码 此处没有设置用户ID和密码 每 次执行SQLConnect 函数 都会返回一个DeviceID值 这个值在后面对所连接的数 据库的操作中都要用到 注 此时您不能在数据计算改变变量DeviceID的值 2 创建表格 同样 在脚本编辑器中 启动时 动画连接 SQLCreateTable DeviceID SQLCreateTable DeviceID 我的报表我的报表 数据记录数据记录 该命令用于以表格模板 数据记录 的格式在数据库中建立名为 我的报表 的表格 在生成的我的报表表格中 将生成五个字段 字段名称分别为 日期 时 间 原料油液位值 催化剂液位值 成品油液位值 每个字段的变量类型 变量长 度及索引类型与表格模板 数据记录 中的定义所决定 3 插入记录 接着在脚本编辑器中 运行时 动画连接 SQLInsert DeviceID KingTable bind1 SQLInsert SQLInsert DeviceID DeviceID 我的报表我的报表 数据记录数据记录 该命令使用记录体bind1中定义的连接在表格 我的报表 中插入一个新的记录 该命令执行后 组态王运行系统会将变量 日期的当前值插入到 Access数据库表格 我的报表 中最后一条记录的 日期 字段中 同理变量 时间 一级排气温度 压力等的当前值分别赋给最后一条记录的字段 时间 一级排气 压力 一级排气温度等值 运行过程中可随时点击该按钮 执行插入操作 在数据库中生成多条新的记录 74 将变量的实时值进行保存 本设计与Ac