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1、 黑龍江科技學院本科畢業(yè)設計終稿 高速軸承疲勞測試臺 監(jiān)控系統(tǒng)的設計 電氣工程及其自動化08-4班 of the people, "Da Yi Ju", big love Yi Ju "unite to society is the atmosphere of energy to accelerate the formation. At present, in the Countys recommended good in China has reached 16, Shandong good 23, at all levels of th

2、e moral model more than 200. More optimized development environment, perseverance deepen style construction, increase" Yong lazy slow hiding remediation efforts, window units in service quality, service efficiency significantly improved. While fully affirming our achievements, we also want to clearl

3、y see the majority control group The expectations of the public, control a city evaluation system standards, the county a city work, there still exist many weak links and the prominent question. Mainly in: 1, environmental sanitation, city back lane and rural road, bridge, village, ditches still exi

4、st health corner, Ji Cunla garbage is not completely clear, after the Qing chaos, while rebound phenomenon occur frequently., and the appearance of the order, city roads, key areas of illegal structures, unlicensed stalls, probe the market, Jeeves, running red lights, vehicle Luantingluanfang phenom

5、enon still exists, part of the urban road traffic order is chaotic; Street business operators to implement the "door 3 packets" is not in place, commercial street, residential areas and other shop management repeated, serious impact on the image of the city., "five small" industries management, some

6、 operating premises license, part of the practitioners no certificates. 4, community construction, community property management is not standardized, is not in place, public service space generally lack, the insufficient number of facilities of the public fire control community minors live Dynamic v

7、enues and other infrastructure facilities is not perfect, community volunteer service activities often cannot carry out53 摘 要 本論文以哈爾濱工業(yè)大學電磁驅(qū)動與控制研究所高速軸承實驗器的設計為工程背景，通過對高速軸承進行疲勞測試的技術要求進行詳細的分析后，并以此實際工程為設計依據(jù)，給出了高速軸承疲勞測試臺監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案。設計的監(jiān)控系統(tǒng)包括三個部分：下位機部分、網(wǎng)絡通信部分、上位機部分。下位機部分是以西門子S7-200PLC為控制器的控制系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)速控制、加載力

8、控制、溫度控制三大部分。網(wǎng)絡通信部分包括以S7-200PLC為從站經(jīng)由EM277模塊與工控機的Profibus-DP總線通信。上位機部分包括工控機和人機界面（HMI），工控機的主要作用是給定PLC速度譜、載荷譜、溫度譜。HMI的主要作用是現(xiàn)場實時顯示轉(zhuǎn)速、加載力、溫度及各類報警信號。 該設計系統(tǒng)主要從實際工程應用的角度出發(fā)，利用PLC技術、現(xiàn)場總線技術、傳感器檢測技術等對高速軸承進行在線監(jiān)測，由高速軸承設計人員利用檢測的數(shù)據(jù)進行高速軸承疲勞診斷，以提高高速軸承的質(zhì)量可靠性。 關鍵詞：高速軸承，S7-200PLC，現(xiàn)場總線，監(jiān)控系統(tǒng) Abstract

9、The engineering background is high-speed bearings experiments design of the electromagnetic drive and control research institute of Harbin Institute of Technology of this paper. Detailed analysis of the technical requirements for high-speed bearings monitoring system and the actual project design, g

10、iven the high-speed bearing fatigue testing and monitoring system design.The design of the monitoring system includes three parts: the lower machine part, the network communication part, the upper machine part. The lower machine part is based on Siemens S7-200PLC as the controller control system, in

11、cluding speed control, loading force control, temperature control three parts. The network communication part includes the S7-200PLC communication with the Industrial Personal Computer (IPC) via Profibus-DP bus from the station via the EM277 module. The upper machine part includes the IPC and human-

12、machine interface (HMI), the main role of the IPC is given PLC velocity spectrum, loading force spectrum, temperature spectrum and various of alarm signals. The design system starting from the point of view of practical engineering applications, the use of PLC technology, fieldbus technology, senso

13、r detection technology for high-speed bearings testing and monitoring system for online monitoring, detection data for high-speed bearing fatigue diagnosis by high-speed bearing designer in order to improve high-speed bearings quality and reliability. Key words: high-speed bearings, S7-200PLC, fi

14、eldbus, monitoring system 目 錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 III Contents V 第1章 緒論 1 1.1 論文的工程背景 1 1.2 PLC概述及其基本結(jié)構 2 1.2.1 PLC簡介 2 1.2.2 PLC的基本結(jié)構 3 1.3 典型現(xiàn)場總線簡介 5 1.3.1 基金會現(xiàn)場總線 5 1.3.2 LonWorks 6 1.3.3 HART 6 1.3.4 CAN 6 1.3.5 Profibus 7 1.4 本文的研究內(nèi)容 10 第2章 監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案 11 2.1 監(jiān)控系統(tǒng)的設計

15、要求 11 2.2 監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)構成 12 2.3 PLC和HMI的選型 13 2.3.1 S7-200CPU和拓展模塊 13 2.3.2 PLC的型號選擇 16 2.3.3 Smart Line精彩系列面板 17 2.4 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡通信的設計方案 18 2.4.1 PLC與工控機通信的設計方案 18 2.4.2 PLC與HMI的通信設計方案 20 2.4.3 網(wǎng)絡通信硬件 21 第3章 監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分的設計 22 3.1 PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構 22 3.2 主軸電機轉(zhuǎn)速控制的設計 23 3.2.1 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的結(jié)構 23 3.2.2 VACON變頻器接口電

16、路 24 3.2.3 倍頻及驅(qū)動電路的設計 25 3.3 加載力控制的設計 26 3.3.1 加載力控制系統(tǒng)的結(jié)構 26 3.3.2 加載力控制電路的設計 27 3.4 潤滑油溫度控制的設計 30 3.4.1 循環(huán)油溫度控制系統(tǒng) 30 3.4.2 潤滑油溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構 31 3.4.3 潤滑油溫度控制電路的設計 31 3.5 本章小結(jié) 33 第4章 監(jiān)控系統(tǒng)軟件部分的設計 35 4.1 PLC的軟件設計 35 4.1.1 STEP 7-MicroWIN軟件 35 4.1.2 PLC的軟件編程 36 4.2 工控機的軟件設計 39 4.2.1 設備數(shù)據(jù)庫文件 3

17、9 4.2.2 工控機的畫面組態(tài) 40 4.3 HMI的畫面組態(tài) 42 結(jié) 論 44 致 謝 45 參考文獻 46 附錄1 監(jiān)控系統(tǒng)主電路圖 48 附錄2 主要設備清單 49 附錄3 PLC+HMI+EM277連接實物圖 50 Contents ABSTRACT I ABSTRACT II CONTENTS III CONTENTS V CHAPTER 1 PERFACE 1 1.1 Engineering background of the paper 1 1.2 Overview of PLC and its basic stru

18、cture 2 1.2.1 PLC Introduction 2 1.2.2 The basic structure of the PLC 3 1.3 Profile of typical fieldbus 5 1.3.1 Foudation Fieldbus 5 1.3.2 LonWorks 6 1.3.3 HART 6 1.3.4 CAN 6 1.3.5 Profibus 7 1.4 The contents of this paper 10 CHAPTER 2 DESIGN PLAN OF THE MONITORING SYSTEM 11 2.1 Requireme

19、nts of the monitoring system 11 2.2 Components of the monitoring system 12 2.3 Selection of PLC and HMI 13 2.3.1 S7-200CPU and expansion modules 13 2.3.2 PLC model selection 16 2.3.3 Smart Line panel 17 2.4 The network communications design plan of monitoring system 18 2.4.1 PLC and IPC commu

20、nication design plan 18 2.4.2 PLC and HMI communication design plan 20 2.4.3 Hardware of network communications 21 CHAPTER 3 THE DESIGN OF HARDWARE SECTION OF MONITORING SYSTEM 22 3.1 PLC control system structure 22 3.2 Main spindle motor speed control design 23 3.2.1 The speed ??control syste

21、m structure 23 3.2.2 VACON frequency interface circuit 24 3.2.3 Frequency doubling and drive circuit design 25 3.3 The design of loading force control 26 3.3.1 The structure of loading force control system 26 3.3.2 The design of loading force control circuit 27 3.4 The design of the lube oil t

22、emperature control 30 3.4.1 Circulating oil temperature control system 30 3.4.2 The structure of the lube oil temperature control system 31 3.4.3 The design of lube oil temperature control circuit 31 3.5 Chapter Summary 33 CHAPTER 4 MONITORING SYSTEM SOFTWARE SECTION OF THE DESIGN 35 4.1 PLC s

23、oftware design 35 4.1.1 The STEP 7-MicroWIN software 35 4.1.2 PLC software programming 36 4.2 IPC software design 39 4.2.1 Generic Station Description 39 4.2.2 IPC screen configuration 40 4.3 HMI screen configuration 42 CONCLUSIONS 44 THANKS 45 REFERENCES 46 APPENDIX 1 MAIN CIRCUIT OF THE

24、MONITORING SYSTEM 48 APPENDIX 2 MAIN EQUIPMENTS LIST 49 APPENDIX 3 PICTURE OF PLC +HMI+EM277 50 第1章 緒論 傳統(tǒng)的判斷軸承是否疲勞的方法往往是經(jīng)驗法，例如判斷軸承表面是否有裂紋等。然而高速軸承因為其技術含量非常高，已經(jīng)不能使用經(jīng)驗法來判斷，常見的是使用金屬探傷儀檢查高速軸承是否有“傷口”。本論文的設計目的就是讓高速軸承在各種給定的極限條件或常規(guī)條件下運行，由高速軸承設計人員結(jié)合實驗中的各種檢測到的數(shù)判斷高速軸承是否疲勞和軸承的質(zhì)量可靠性。 1.1 論文的工程背景 隨著現(xiàn)代化工業(yè)的迅

25、速發(fā)展，高速軸承的應用越來越廣泛，但目前國內(nèi)大部分生產(chǎn)廠家對高速軸承疲勞壽命的檢測卻還沿用普通軸承疲勞壽命檢測系統(tǒng)。因此，迫切的需要開發(fā)出一套專適用于高速軸承疲勞壽命檢測的監(jiān)控系統(tǒng)。 高速軸承主要應用于航空高速電機主軸和高速加工技術中的高速電機。高速加工技術是繼數(shù)控加工技術之后，給機械制造業(yè)帶來革命性變化的又一項先進技術，而高速軸承是高速加工機床中的高速電機的核心功能部件。由于高速軸承性能的好壞在很大程度上決定了整臺機床的加工精度和生產(chǎn)效率，因此，各工業(yè)發(fā)達國家都十分關注高速軸承的研究與發(fā)展，紛紛投入巨資組建精良的加工和測試設備，建立恒溫、潔凈的裝配環(huán)境，形成了不少高速軸承的專業(yè)生產(chǎn)基地[1

26、]。 軸承檢測技術很大程度上決定軸承制造加工技術的發(fā)展程度。軸承檢測主要包括：軸承轉(zhuǎn)動速度、軸承溫度、徑/軸向壓力等。對這些參數(shù)的檢測手段在國內(nèi)軸承行業(yè)大多數(shù)采用的是儀表作業(yè)。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，這種檢測手段己經(jīng)越來越不能滿足企業(yè)的要求，而采用計算機檢測技術，則能使以上各種參數(shù)一次性的檢測到，并傳送到計算機（或微處理器）進行計算和處理。 本文以哈爾濱工業(yè)大學電磁驅(qū)動與控制研究所研制的高速軸承實驗器為設計背景。結(jié)合大學期間所學的PLC技術、現(xiàn)場總線技術、傳感器與檢測技術等知識從理論上設計一臺充分運用現(xiàn)代科技的高速軸承疲勞測試臺監(jiān)控系統(tǒng)，使之從技術上能更上一個臺階。 1.2 PLC概述

27、及其基本結(jié)構 1.2.1 PLC簡介 可編程序控制器（Programmable Controller），簡稱PC，因早期應用于開關量的邏輯控制，因此也稱為PLC（Programmable Logic Controller），即可編程序邏輯控制器。國際電工委員會(IEC)對PLC的定義是:可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴

28、充其功能的原則設計。在自動化控制領域，PLC是一種重要的控制設備。 可編程序控制器從1969年問世以來，日本、德國、美國、法國等工業(yè)發(fā)達國家已相繼開發(fā)了各自的可編程序控制器，這使可編程序控制器得到了快速的發(fā)展。特別是70年代中期，在可編程序控制器中全面引入微機技術，微處理器及其他大規(guī)模集成電路芯片成為其核心部分，這使可編程序控制器的性能價格比產(chǎn)生了新的突破。微處理器(CPU)、只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)等已成為PLC的核心。PLC不僅用邏輯編程取代了硬連線邏輯，還增加了運算、數(shù)據(jù)傳送和處理等功能，而且隨著其速度、容量、通信能力等的增強，它已真正成為一種電子計算機工

29、業(yè)控制設備。 近十年來可編程序控制器更是有了飛速的發(fā)展，16位甚至32位微處理器的引入大大加強了PLC數(shù)字運算、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示、聯(lián)網(wǎng)通信等功能，PLC已經(jīng)向過程控制滲透和發(fā)展。現(xiàn)PLC比較知名的有美國GE公司的GE PLC、羅克韋爾自動化公司的A-B PLC，德國西門子公司的SIMATIC系列，日本三菱、OMRON、日立等公司的PLC[2]。 1.2.2 PLC的基本結(jié)構 PLC的硬件系統(tǒng)與一般的工業(yè)控制計算機相類似。它主要由CPU模塊、輸入/輸出模塊以及編程器所組成。根據(jù)組裝方式的不同，PLC可以分為整體式和模塊式。整體式PLC的CPU模塊、I/O模塊和電源裝在一

30、個箱體內(nèi)，結(jié)構緊湊，小型PLC一般采用此種結(jié)構。整體式PLC由基本單元和擴展單元組成，兩單元之間用扁平電纜連接。模塊式PLC用類似搭積木的方式組成系統(tǒng)，它是由框架和模塊兩部分組成。框架上有總線連接板以及與總線連接的插座，模塊可以方便地插入插座。PLC的電源可能是單獨的模塊，也可能是包含在CPU模塊中。I/O模塊的個數(shù)由PLC所控制的系統(tǒng)的I/O通道數(shù)決定。PLC廠家備有不同槽數(shù)的框架供用戶選用。如果一個框架容納不下所選用的模塊，可以增設一個或幾個擴展框架，各框架之間用I/O擴展電纜相連。用戶可以選用不同檔次的CPU模塊，種類繁多的I/O模塊和特殊功能塊，對硬件配置的選擇余地較大，維修也十分方便

31、。 圖1-1 PLC控制系統(tǒng)示意圖 1. CPU模塊 CPU模塊主要由微處理器(CPU芯片)和存儲器組成。在PLC控制系統(tǒng)中CPU模塊相當于人的大腦和心臟，它不斷的采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲器用來存儲程序和數(shù)據(jù)。 2. 信號模塊 輸入（Input）模塊和輸出（Output）模塊簡稱為I/O模塊，開關量輸入輸出模塊簡稱為DI模塊和DO模塊，模擬量輸入、輸出模塊簡稱為AI模塊和AO模塊，它們統(tǒng)稱為信號模塊，簡稱為SM。信號模塊是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場設備和CPU模塊的橋梁。 CPU模塊內(nèi)部的工作電壓一般是DC5V，而P

32、LC的尾部輸入/輸出信號電壓一般較高，例如DC24V或AC220V。從外部引入的尖峰電壓和干擾噪聲可能損壞CPU模塊中的元器件，或使PLC不能正常工作。在信號模塊中，用光耦合器、光敏晶閘管、小型繼電器等器件來隔離PLC的內(nèi)部和外部電路的輸入、輸出電路。信號模塊除了傳遞信號外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。 3. 功能模塊 為了增強PLC的功能，擴大其應用領域，減輕CPU的負擔，PLC廠家開發(fā)了各種各樣的功能模塊（簡稱為FM）。它們主要用于完成某些對實時性和存儲容量要求很高的控制任務，例如高速計數(shù)、位置控制和閉環(huán)控制等。 4. 接口模塊 CPU模塊所在的機架稱為中央機架，如果一個機架

33、不能容納全部模塊，可以增設一個或多個拓展機架。接口模塊（簡稱為IM）用來實現(xiàn)中央機架與拓展機架之間的通信，有的接口模塊還可以為拓展機架供電。 5. 通信處理器 通信處理器(簡稱為CP)用于PLC之間、PLC與遠程I/O之間、PLC與計算機和其他智能設備之間的通信，例如可以將西門子S7-300/400接入工業(yè)以太網(wǎng)、MPI、Profibus-DP和AS-i，或者用于實現(xiàn)點對點通信等[3]。 6. 電源模塊 PLC一般使用AC220V電源或者DC24V電源，電源模塊（簡稱為PS）用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的DC24V電壓，供其它模塊和輸出模塊的負載使用。 1.3 典型現(xiàn)場總線簡介

34、 1.3.1 基金會現(xiàn)場總線 基金會現(xiàn)場總線，即Foudation Fieldbus，簡稱FF，這是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術。它以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。 基金會現(xiàn)場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。Hl的傳輸速率為3125Kbps，通信距離可達1900m(可加中繼器延長)，可支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境。 1.3.2 LonWorks LonWorks是又一具有強勁實力的現(xiàn)場總線技術，它是由美國Ecelon公司推出并由其與摩托羅拉、

35、東芝公司共同倡導，于1990年正式公布而形成的總線標準。它采用了ISO/OSI模型的全部七層通訊協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O計方法，通過網(wǎng)絡變量把網(wǎng)絡通信設計簡化為參數(shù)設置，其通訊速率從300bps至15Mbps不等，直接通信距離可達到2700m (78kbps，雙絞線)，支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)相應的本安防爆，被喻為通用控制網(wǎng)絡。 1.3.3 HART HART是Highway Addressable Remote Transduer的縮寫。最早由Rosemout公司開發(fā)并得到80多家著名儀表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金會

36、。這種被稱為可尋址遠程傳感高速通道的開放通信協(xié)議，其特點是現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中工業(yè)過程控制的過渡性產(chǎn)品，因而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭能力，得到了較好的發(fā)展。 1.3.4 CAN CAN是控制器局域網(wǎng)Controller Area Network的簡稱，最早由德國BOSCH公司提出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO國際標準組織制訂為國際標準，已廣泛應用在離散控制領域。 CAN協(xié)議也是建立在國際標準組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎上的，不過，其模型結(jié)構只有3層，只取OSI的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。其

37、信號傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信速率最高可達1Mbit/s，直接傳輸距離最遠可達10km/Kbit/s，可掛接設備最多可達110個。CAN信號傳輸采用短幀結(jié)構，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低。當節(jié)點嚴重錯誤時，具有自動關閉的功能以切斷該節(jié)點與總線的聯(lián)系，使總線上的其他節(jié)點及其通信不受影響，具有較強的抗干擾能力。CAN支持多站方式工作，網(wǎng)絡上任何節(jié)點均可在任意時刻主動向其他節(jié)點發(fā)送信息，支持點對點、一點對多點和全局廣播方式接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。它采用總線仲裁技術，當出現(xiàn)幾個節(jié)點同時在網(wǎng)絡上傳輸信息時，優(yōu)先級高的節(jié)點可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級低的節(jié)點則主動停止發(fā)送，從而避免了總線沖突[

38、4]。 1.3.5 Profibus 1. Profibus概述 Profibus (Process Fieldbus的縮寫)是一種國際化的、開放的、不依賴于設備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準。它廣泛應用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通、電力等其他自動化領域。1987年由德國SIEMENS公司等13家企業(yè)和5家研發(fā)研究機構聯(lián)合開發(fā)。1999年Profibus成為國際標準IEC61158的組成部分。2001年成為中國的機械行業(yè)標準JB/T 10308.3-2001。 Profibus主要由三個兼容的協(xié)議類型組成，分別是Profibus-FMS、Profibus-DP和Profib

39、us-PA，其中FMS (Field Message Specification)為現(xiàn)場總線報文規(guī)范的縮寫；DP(Decentralized Periphery)是分散化外圍設備的縮寫；PA (Process Automation)則代表過程自動化。 Profibus-FMS協(xié)議旨在解決車間級通用性通信任務，為用戶提供強有力的通信服務功能選擇，實現(xiàn)中等傳輸速度的周期性和非周期性數(shù)據(jù)傳輸。建立在該協(xié)議基礎上的網(wǎng)絡通信系統(tǒng)，每次數(shù)據(jù)傳輸量可達上千個字節(jié)，響應時間為毫秒級，主要用于電氣、樓宇、紡織等領域的一般自動化系統(tǒng)。 Profibus-DP協(xié)議是專為現(xiàn)場級控制系統(tǒng)與分散I/O

40、的高速通信而設計的，數(shù)據(jù)傳輸速率范圍在9.6Kbps-12Mbps之間，每次可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量多達244個字節(jié)，采用周期性通信方式，響應時間為毫秒級，可用于大多數(shù)工業(yè)領域。 Profibus-PA協(xié)議是需要本質(zhì)安全或總線供電的設備之間進行數(shù)據(jù)通信的解決方案，數(shù)據(jù)傳輸速率是固定的，其大小為31.25Kbps，每次可傳輸數(shù)據(jù)的最大長度為235個字節(jié)，采用周期性和非周期性通信方式，響應時間為毫秒級，用于化工、石油、冶金、發(fā)電等領域的過程工業(yè)自動化系統(tǒng)。 為了滿足苛刻的實時要求，Profibus協(xié)議具有如下特點： （1）不支持長信息段>235bit（實際最大長度255bit，數(shù)據(jù)最大長度244bit

41、，典型長度120bit）。 （2）不支持短信息組塊功能。由許多短信組成的長信息包不符合短信息的要求，因此Profibus不提供這一功能（實際使用中可通過應用層或用戶層的制定或擴展來克服這一約束）。 （3）網(wǎng)絡拓撲是總線型，兩端帶終端器或不帶終端器。 （4）介質(zhì)、距離、站點數(shù)取決于信號特性。例如，對屏蔽雙絞線，單段長度小于或等于1.2km，不帶中繼器，每段32個站點（網(wǎng)絡規(guī)模：雙絞線，最大長度9.6km；光纖，最大長度90km；最大站數(shù)，127個）。 （5）傳輸速率取決于網(wǎng)絡拓撲和總線長度，從9.6Kbit/s -12Mbit/s不等。 （6）地址定義范圍為：0-127（對廣播和群播而

42、言，127是全局地址），對區(qū)域地址、段地址的服務存取地址（服務存取點Ls"）的地址擴展，每個6bit。 （7）使用兩類站：主站（主動站，具有總線存取控制權）和從站（被動站，沒有總線存取控制權）。如果對實時性要求不苛刻，最多可用32個主站，總站數(shù)可達127個。 （8）總線存取基于混合、分散、集中三種方式:主站間用令牌傳輸，主站與從站之間用主一從方式。令牌在由主站組成的邏輯令牌環(huán)中循環(huán)。如果系統(tǒng)中僅有一主站，則不需要令牌傳輸。這是一個單主站多從站的系統(tǒng)。最小的系統(tǒng)配置由一個主站和一個從站或兩個主站組成。 （9）數(shù)據(jù)傳輸服務有兩類：非循環(huán)的—有/無應答要求的發(fā)送數(shù)據(jù)、有應答要求的發(fā)送和請求數(shù)據(jù)

43、；循環(huán)的（輪詢）—有應答要求的發(fā)送和請求數(shù)據(jù)。 2. Profibus的傳輸技術 （1）Profibus-DP/FMS的RS-485傳輸：對于屏蔽雙絞電纜的基本類型來說，Profibus的物理層實現(xiàn)對稱的數(shù)據(jù)傳輸，符合EIA RS-485標準（也稱為H2）。一個總線段內(nèi)的導線是屏蔽雙絞電纜，段的兩端各有一個終端器。 RS-485傳輸網(wǎng)絡拓撲采用線性總線，兩端有有源的總線終端電阻；傳輸速率為9.6Kbit/s-12Mbit/s；傳輸介質(zhì)采用屏蔽雙絞電纜；不帶中繼站點數(shù)為每分段32個站，帶中繼可多達127個站。插頭連接最好使用9針D型插頭。也可取消屏蔽，取決于環(huán)境條件。9針D型連接器針腳定義

44、如圖1-2所示。 圖1-2 9針D型連接器針腳定義 （2）Profibus-DP/FMS的光纖傳輸：Profibus系統(tǒng)可以使用光纖技術。光纖電纜不僅能夠抗電磁干擾、實現(xiàn)總線站之間的電氣隔離，也可以增加高速傳輸?shù)木嚯x。 （3）Profibus-PA的IEC61158.2傳輸：為了滿足化工行業(yè)的本質(zhì)安全要求，用了IEC61158.2同步傳輸技術，拓撲機構為總線型、樹型和星型，傳輸速率固定在31.25kbps，實現(xiàn)了總線供電[5]。 1.4 本文的研究內(nèi)容 針對高速軸承疲勞監(jiān)控系統(tǒng)控制精度不足等現(xiàn)存的問題，本設計采用工控測試領域的新模式，即倡導的PLC+工控機方案，以先

45、進的工控機為監(jiān)控平臺，以PLC為硬件控制核心，完成對高速軸承疲勞監(jiān)控系統(tǒng)的設計。 1.第2章首先介紹了監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構，對系統(tǒng)中使用的PLC和HMI進行了設備選型。綜合系統(tǒng)的控制要求給出了基于Profibus-DP總線的監(jiān)控系統(tǒng)的總體控制方案。 2.第3章介紹了監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分的設計。在主軸轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中介紹了PLC和VACON變頻器的接口電路，為了提高PLC轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度，設計了轉(zhuǎn)速脈沖倍頻及驅(qū)動電路。在加載力控制系統(tǒng)中，設計了PLC與松下伺服電機的接口連接電路。在潤滑油溫度控制系統(tǒng)中，設計了循環(huán)油溫度控制系統(tǒng)，其中油泵、加熱器和冷卻器開關等作為執(zhí)行設備。在第3章小結(jié)中給出了系

46、統(tǒng)的I/O配置表。 4.第4章介紹了監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設計。軟件設計分為PLC的軟件設計、工控機的軟件設計和HMI的畫面組態(tài)三大部分。西門子S7-200PLC經(jīng)由STEP 7 MicroWIN V4.0進行編程，工控機由Visual C++6.0進行可視化開發(fā)，HMI由西門子WinCC flexible 2008進行畫面組態(tài)。 5.論文最后對全文進行了總結(jié)并給出了結(jié)論。 第2章 監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案 2.1 監(jiān)控系統(tǒng)的設計要求 高速軸承疲勞測試臺監(jiān)控系統(tǒng)主要監(jiān)控的是高速軸承運行時主軸的轉(zhuǎn)速、軸承軸向/徑向加載力和潤滑油溫度，并對這幾個參數(shù)進行實時控制。因為軸承的轉(zhuǎn)速較高（最高轉(zhuǎn)速為

47、24000r/min），因此對監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性、安全性、精度等有較高要求。要求選用可靠性較高的PLC進行控制，工控機作為上位機對整個系統(tǒng)進行實時監(jiān)控顯示，并且向PLC給定主軸的速度譜、軸向/徑向加載力譜、潤滑油的溫度譜，PLC接收來自工控機的指令對系統(tǒng)進行實時控制。 主軸轉(zhuǎn)速的控制要求主軸電機按工控機預設速度譜運行，主軸由功率為50kW的交流高速電機拖動，電機本身自帶轉(zhuǎn)速編碼器（輸出高電平為5V），電機的速度控制為閉環(huán)控制，控制精度為100r/min。 軸向/徑向加載力的控制要求電機運行時，軸承的軸向/徑向加載力大小為工控機的給定值。為了提高控制精度，要求選用伺服電機進行位置的閉環(huán)控制，其

48、中軸向/徑向各有一臺伺服電機進行位置控制，控制精度均為0.5Nm，同時電動缸具有極限位置報警信號。 潤滑油溫度的控制要求為軸承內(nèi)潤滑油溫度的高低為工控機的給定值，從而使整個系統(tǒng)的運行不受潤滑油溫度的過高或者過低的影響。使用加熱器對潤滑油進行加熱，管式冷卻器對潤滑油進行冷卻后再循環(huán)利用，要求潤滑油溫度的控制精度為2℃，并能夠在顯示設備上實時顯示潤滑油的溫度和溫度報警信號。 2.2 監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)構成 高速軸承疲勞監(jiān)控系統(tǒng)是在計算機技術、PLC技術和網(wǎng)絡通信技術、傳感器與檢測技術等的基礎上，采用智能控制技術對測試臺進行控制和管理，不斷的監(jiān)測試驗機對軸承進行試驗時的各種數(shù)據(jù)，并根據(jù)

49、實時信息對試驗機進行故障診斷和處理。同時，高速軸承設計人員通過對試驗過程中所采集到的各種試驗數(shù)據(jù)進行分析，利用數(shù)據(jù)挖掘手段或先進的疲勞壽命理論進行軸承疲勞度壽命診斷。高速軸承疲勞監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構簡化圖如圖2-1所示。 圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構簡化圖 為了比較詳細的了解整個系統(tǒng)的構成、功能和實現(xiàn)過程，下面分別介紹系統(tǒng)的三大組成部分。 1.上位機監(jiān)控系統(tǒng)：上位機部分包括工控機和人機界面（HMI），工控機的主要作用是給定PLC速度譜、加載力譜和溫度譜，類似于工程師站。HMI的主要作用是現(xiàn)場實時顯示轉(zhuǎn)速、軸向/徑向加載力、溫度及各類報警信號，用途是用于現(xiàn)場操作。 2.網(wǎng)絡通信層

50、：為了方便集中控制和監(jiān)測，需要把部分控制信號通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡從控制器傳送到測試臺中的PLC中，以便對各種設備進行有效控制。同時需要把測試臺檢測到的各種數(shù)據(jù)傳送到控制室中的上位機，便于集中處理和進行有效的管理。由于選用的是西門子的PLC，且工控機需要與多個（6個）測試臺進行數(shù)據(jù)交換，故選用西門子公司研發(fā)的Profibus-DP總線進行工控機與PLC的通信。 在實際的系統(tǒng)運用中，不僅需要作為工程師站的工控機，也需要現(xiàn)場顯示設備，HMI就屬于這一類別。選用西門子的PLC和西門子的HMI，可以進行PPI通信，且編程和使用都非常方便。 3.PLC及現(xiàn)場執(zhí)行系統(tǒng)：根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的設計要求，此高速軸承

51、疲勞監(jiān)控系統(tǒng)選用的是西門子S7-200系列PLC中的CPU 224XP。該系列CPU是性價比很高的小型控制器，本身自帶14個數(shù)字量輸入（DI）點，10個數(shù)字量輸出（DO）點，2個模擬量輸入（AI）點，1個模擬量輸出（AO），2個RS-485通信端口，支持PPI、MPI、Profibus-DP和工業(yè)以太網(wǎng)等多種通信方式。 現(xiàn)場執(zhí)行器包括，變頻器，高速軸承拖動主軸電機，加載力伺服電機驅(qū)動器，加載力電機，各類閥門開關等，均由PLC進行控制。 2.3 PLC和HMI的選型 2.3.1 S7-200CPU和拓展模塊 1. S7-200CPU S7-200的CPU模塊包括一個中

52、央處理單元、電源以及數(shù)字I/O點，這些都被集成在一個緊湊、獨立的設備中。CPU負責執(zhí)行程序，輸入部分從現(xiàn)場設備中采集信號，輸出部分則輸出控制信號，驅(qū)動外部負載。從CPU模塊的功能來看，CPU模塊為CPU22*，它具有4種不同的結(jié)構配置的CPU單元。 S7-200CPU外形如圖2-2所示。 圖2-2 S7-200 CPU外形 (1)CPU221它有6輸入4輸出，I/O共計10點。無擴展能力，程序和數(shù)據(jù)存儲容量較小，有一定的高速計數(shù)處理能力，非常適合于少點數(shù)的控制系統(tǒng)。 (2)CPU222它有8輸入6輸出，I/O共計14點。和CPU 221相比，它可以進行一定的

53、模擬量控制和2個模塊的擴展，因此是應用更廣泛的全功能控制器。 (3)CPU224它有14輸入10輸出，I/O共計24點。和前兩者相比，存儲容量擴大了一倍，它可以有7個擴展模塊，有內(nèi)置時鐘，它有更強的模擬量和高速計數(shù)的處理能力，是使用得最多的S7-200產(chǎn)品。CPU224XP是其升級版本的產(chǎn)品,它相對于CPU224主要區(qū)別是CPU本身自帶有2個模擬量輸入、1個模擬量輸出端口。 (4)CPU226它有24輸入16輸出，I/O共計40點，和CPU224相比，增加了本機I/O數(shù)量、CPU程序存儲區(qū)以及CPU供電能力。它可用于點數(shù)較多、要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。 對于每個型號，西門子提供直流（

54、24V）和交流（120-240V）兩種電源供電的CPU。如CPU224 DC/DC/DC和CPU224 AC/DC/Relay。每個類型都有各自的訂貨號，可以單獨訂貨。 DC/DC/DC：說明CPU是直流供電，直流數(shù)字量輸入，數(shù)字量輸出點是晶體管直流電路的類型。 AC/DC/Relay：說明CPU是交流供電，直流數(shù)字量輸入，數(shù)字量輸出點是繼電器觸點的類型。 2. S7-200擴展模塊 當CPU的I/O點數(shù)不夠用或需要進行特殊功能的控制時，就要進行I/O擴展，I/O擴展包括I/O點數(shù)的擴展和功能模塊的擴展。典型的數(shù)字量I/O擴展模塊有輸入擴展模塊EM221，它有三種類型:8點DC

55、24V輸入、8點AC輸入、16DC點24V。輸出擴展模塊EM222有五種類型:8點DC24V晶體管輸出，每點0.75A；8點繼電器輸出，每點2A；8點AC120/230V輸出；4點DC24V輸出，每點5A；4點繼電器輸出，每點10A。輸入/輸出混合擴展模塊EM223有八種。 當需要完成某些特殊功能的控制任務時，CPU主機可以擴展特殊功能模塊。如要求進行Profibus-DP現(xiàn)場總線連接時，就需要EM277 Profibus-DP模塊，在這里主要介紹數(shù)字量輸入輸出模塊EM223、模擬量輸入輸出模塊EM235和通信模塊EM277。 (1)EM223模塊提供了數(shù)字量輸入和數(shù)字量輸

56、出通道，可根據(jù)不同的控制需求選擇輸入輸出端口數(shù)，西門子公司提供了4輸入/4輸出、8輸入/8輸出、16輸入/16輸出、32輸入/32輸出等端口數(shù)的拓展模塊，每種模塊又分為24V DC輸出和繼電器輸出，用戶根據(jù)實際的控制需求進行選擇。 (2)EM235模擬量輸入輸出擴展模塊提供了4通道電流/電壓輸入和1通道電壓/電流輸出。其內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、放大器等多種功能的電路，有很強的抗干擾性，可用于復雜的控制場合。它能夠不用放大器而與傳感器直接相連，可根據(jù)輸入模擬量的大小，通過其外置的DIP開關選擇不同檔位及分辨率。 （3）EM277是Profibus-DP從站模塊，它是一種智能模

57、塊，用于S7-200PLC的通信接口。該模塊帶有一個RS-485電氣性能接口，采用Profibus協(xié)議，波特率可根據(jù)通信距離長度設定，站點地址由旋轉(zhuǎn)開關設定[6]。 EM277 Profibus-DP擴展模塊已定義為DP標準協(xié)議從站。一個DP主站組態(tài)應包含從站地址、從站類型以及從站所需要的任何參數(shù)信息，主站應知道如何存儲來自從站讀入的數(shù)據(jù)以及從何處取得寫入從站的數(shù)據(jù)。一旦DP主站網(wǎng)絡建立后，主站就初始化其DP從站，將相關參數(shù)賦值信息和I/O配置寫入到從站，然后再與從站交換I/O數(shù)據(jù)，并驗證DP從站所接收的參數(shù)和I/O配置是否正確，若診斷正確，則主站開始與從站進行數(shù)據(jù)通信。 當S7-200C

58、PU基本單元安裝EM277 Profibus-DP擴展模塊后，它便成為Profibus-DP網(wǎng)絡中的一個從站。EM277 Profibus-DP一方面經(jīng)過串行I/O總線與S7-200基本單元連接，另一方面通過DP通信端口與Profibus網(wǎng)絡連接，它在S7-200CPU與Profibus網(wǎng)絡之間起橋梁作用。EM277模塊作為DP從站接收來自主站的多種不同的I/O配置，向主站發(fā)送和接收不同數(shù)量的數(shù)據(jù)。為了能將EM277作為一個DP從站使用，用戶為它所設定的端口地址必須與主站組態(tài)所設定的DP端口地址相匹配。從站地址由EM277模塊上的旋轉(zhuǎn)開關設定，改變設定地址，用戶必須重新啟動CPU電源才能使新的

59、從站地址起作用。工作時主站將其輸出區(qū)的信息發(fā)送到從站的輸入緩沖區(qū)，與每個從站交換數(shù)據(jù)。從站將其輸出緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)返回給主站的輸入?yún)^(qū)，以響應來自從站的信息[7]。 2.3.2 PLC的型號選擇 PLC是整個監(jiān)控系統(tǒng)最重要的組成部分,幾乎所有的網(wǎng)絡通信、硬件設計部分都是圍繞著PLC為核心而展開的。PLC的選擇是本監(jiān)控系統(tǒng)的重中之重，既要求滿足系統(tǒng)的控制需求，又要求經(jīng)濟可靠。 綜合系統(tǒng)的控制需求，本監(jiān)控系統(tǒng)選用西門子S7-200PLC中的CPU 224XP CN DC/DC/DC,訂貨號為：6ES7 214-2AD23-0XB8。其技術指標如表2-1所示。 表2-1 CPU224XP部分技術指

60、標[8] 外形尺寸 （W*H*D）mm 140*80*62 數(shù)字量輸入DI 14 功耗 W 8 數(shù)字量輸出DO 10 輸入電壓V 20.4至28.8 DC 模擬量輸入AI 2 輸入電流A 120 mA（僅CPU） 900 mA（最大負載） 模擬量輸出AO 1 程序存儲器 bytes 12288 在線編輯 16384 非在線編輯 模擬量輸入 電壓范圍 10V 數(shù)據(jù)存儲器 bytes 10240 模擬量輸入 分辨率 11位加一個 符號位 定時器總數(shù) 256 模擬量輸出 信號范圍 電壓：0至10 V 電流：0至20mA

61、計數(shù)器總數(shù) 256 高速計數(shù)器 6 數(shù)字I/O映象區(qū) 256 掉電保持時間 100小時/典型值 模擬I/O映象區(qū) 64 接口 2個RS-485接口 最大拓展模塊數(shù) 7 PID指令 8條 高速脈沖輸出 2路（Q0.0和Q0.1） 2.3.3 Smart Line精彩系列面板 如今，可視化是大多數(shù)機器標準功能的一部分。在這種情況下，成本因素就起著至關重要的作用，對于一些小型機器和簡單應用尤其如此。通常情況下，具有基本功能的HMI設備就可以完全滿足簡單應用的需要。這也正是Smart Panel的設計初衷。Smart系列的HMI設備關注于基礎，完全具備所需的這些基

62、本功能，并且價格合理。 正如西門子產(chǎn)品目錄中的所有設備一樣，新型Smart Panel具備經(jīng)證實的SIMATIC（Siemens Automatic，西門子自動化）質(zhì)量，并提供大量標準軟件功能，例如，報警系統(tǒng)、配方管理、趨勢功能及語言切換。因此，用戶能夠從可視化的優(yōu)勢中獲益，即便對于簡單應用也是如此[9]。 Smart Panel分為Smart700和Smart1000兩種型號，每種型號的HMI都自帶一個RS-422/485接口，支持PPI協(xié)議，可用DB9針連接線直接與S7-200PLC連接通信，為節(jié)約成本本監(jiān)控系統(tǒng)選用Smart700觸摸屏。 2.4 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡通信的設計方案 高速

63、軸承疲勞測試臺監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信層涵蓋到本系統(tǒng)的各個方面，是系統(tǒng)的重要組成部分。從作為上位機的工控機（工程師站）開始，再到PLC控制器，最后一直到底層執(zhí)行器為止，都離不開網(wǎng)絡通信，網(wǎng)絡通信參與到系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，將系統(tǒng)的各大組成部分有機的結(jié)合起來，構成一個統(tǒng)一的整體，使整個監(jiān)控系統(tǒng)能夠高效、有序的運行起來。 圖2-3 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡通信簡化圖 2.4.1 PLC與工控機通信的設計方案 整個系統(tǒng)包括1臺工控機，以及6個高速軸承疲勞測試臺，工控機需要與每個測試臺的控制器進行通信，其主要作用是給定PLC速度譜、載荷譜和溫度譜。各個測試臺之間不需要進行通信。6個測試臺選用的控制器

64、均為西門子S7-200 CPU224XP CN PLC，為了增加設計的側(cè)重性，本論文著重講述工控機對其中某一臺PLC的網(wǎng)絡通信以及PLC的硬件設計部分，其余5個測試臺的設計可依照本論文得出，不同點只是在工控機下面多下掛5個從站，但從站地址不同。 根據(jù)Profibus技術原理，一個最小系統(tǒng)至少由一個Profibus（1類）主站和若干Profibus從站組成。主站在一個限定時間內(nèi)（Token Hold Time）對總線有控制權，從站只是響應主站的請求，它們對總線沒有控制權。 本監(jiān)控系統(tǒng)采用PC機+CP5611網(wǎng)卡+控制軟件作為工控機即Profibus-DP主站。其中CP5611網(wǎng)卡負責計算機通

65、信信號與Profibus之間的信號轉(zhuǎn)換?？刂栖浖惭b在PC機上，負責對整個Profibus-DP網(wǎng)絡進行控制及組態(tài)。值得注意的是，對于這種結(jié)構類型，PC機故障將導致整個系統(tǒng)癱瘓，因此PC機應選用具有高可靠性、能長時間連續(xù)運行的工業(yè)級PC機。另外，通信模板廠商通常只提供一個模板的驅(qū)動程序，總線控制、從站控制程序、監(jiān)控程序可能要由用戶開發(fā)，因此應用開發(fā)工作量可能會比較大。 圖2-4 PLC與工控機網(wǎng)絡通信圖 2.4.2 PLC與HMI的通信設計方案 PPI（Point to Point Interface，點對點接口）是西門子專為S7-200PLC系統(tǒng)開發(fā)的通信協(xié)議。它

66、基于“令牌環(huán)”的工作機制。PPI是一種主-從協(xié)議，通信主站之間傳遞令牌，分時控制整個網(wǎng)絡上的通信活動。讀/寫從站數(shù)據(jù)。主站和從站都通過不同的網(wǎng)絡地址（站號）來分區(qū)。主站設備發(fā)送數(shù)據(jù)讀寫請求到從站設備，從站設備響應。從站不主動發(fā)信息，只是等待主站的請求，并且根據(jù)地址信息對請求做出響應。 PPI網(wǎng)絡中可以有多個主站。PPI并不限制與任意一個從站通信的主站數(shù)量，主站也可以響應其他主站的通信請求。S7-200CPU上集成的通信口支持RS-485網(wǎng)絡上的PPI通信。CPU通信口在電氣上與CPU的內(nèi)部電源不隔離，支持的通信距離為50m。PPI支持的通信速率為9.6K波特、19.2K波特和187.5K波特。 其他設備，如TD200文本顯示器和TP177 micro觸摸屏等人機操作界面設備，也可以通過RS-485網(wǎng)絡與S7-200CPU直接連接，以PPI協(xié)議和CPU通信。 此外，PPI通信還是最容易實現(xiàn)的S7-200CPU之間的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信。只需要編程設置主站通信端口的工作模式，然后就可以用網(wǎng)絡讀寫指令（NETR/NETW）讀寫從站的數(shù)據(jù)。 圖2-5 PLC與HMI連接