高速軸承疲勞測(cè)試臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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1、 黑龍江科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)終稿 高速軸承疲勞測(cè)試臺(tái) 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 電氣工程及其自動(dòng)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(xué)電磁驅(qū)動(dòng)與控制研究所高速軸承實(shí)驗(yàn)器的設(shè)計(jì)為工程背景，通過(guò)對(duì)高速軸承進(jìn)行疲勞測(cè)試的技術(shù)要求進(jìn)行詳細(xì)的分析后，并以此實(shí)際工程為設(shè)計(jì)依據(jù)，給出了高速軸承疲勞測(cè)試臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)包括三個(gè)部分：下位機(jī)部分、網(wǎng)絡(luò)通信部分、上位機(jī)部分。下位機(jī)部分是以西門(mén)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(luò)通信部分包括以S7-200PLC為從站經(jīng)由EM277模塊與工控機(jī)的Profibus-DP總線(xiàn)通信。上位機(jī)部分包括工控機(jī)和人機(jī)界面（HMI），工控機(jī)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(chǎng)實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)速、加載力、溫度及各類(lèi)報(bào)警信號(hào)。 該設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要從實(shí)際工程應(yīng)用的角度出發(fā)，利用PLC技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、傳感器檢測(cè)技術(shù)等對(duì)高速軸承進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，由高速軸承設(shè)計(jì)人員利用檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行高速軸承疲勞診斷，以提高高速軸承的質(zhì)量可靠性。 關(guān)鍵詞：高速軸承，S7-200PLC，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，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(gòu) 2 1.2.1 PLC簡(jiǎn)介 2 1.2.2 PLC的基本結(jié)構(gòu) 3 1.3 典型現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)簡(jiǎn)介 5 1.3.1 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn) 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?jī)?nèi)容 10 第2章 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 11 2.1 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

15、要求 11 2.2 監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)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(hào)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(luò)通信的設(shè)計(jì)方案 18 2.4.1 PLC與工控機(jī)通信的設(shè)計(jì)方案 18 2.4.2 PLC與HMI的通信設(shè)計(jì)方案 20 2.4.3 網(wǎng)絡(luò)通信硬件 21 第3章 監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì) 22 3.1 PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 22 3.2 主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的設(shè)計(jì) 23 3.2.1 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 23 3.2.2 VACON變頻器接口電

16、路 24 3.2.3 倍頻及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 25 3.3 加載力控制的設(shè)計(jì) 26 3.3.1 加載力控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 26 3.3.2 加載力控制電路的設(shè)計(jì) 27 3.4 潤(rùn)滑油溫度控制的設(shè)計(jì) 30 3.4.1 循環(huán)油溫度控制系統(tǒng) 30 3.4.2 潤(rùn)滑油溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 31 3.4.3 潤(rùn)滑油溫度控制電路的設(shè)計(jì) 31 3.5 本章小結(jié) 33 第4章 監(jiān)控系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì) 35 4.1 PLC的軟件設(shè)計(jì) 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(jī)的軟件設(shè)計(jì) 39 4.2.1 設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)文件 3

17、9 4.2.2 工控機(jī)的畫(huà)面組態(tài) 40 4.3 HMI的畫(huà)面組態(tài) 42 結(jié) 論 44 致 謝 45 參考文獻(xiàn) 46 附錄1 監(jiān)控系統(tǒng)主電路圖 48 附錄2 主要設(shè)備清單 49 附錄3 PLC+HMI+EM277連接實(shí)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(yàn)法，例如判斷軸承表面是否有裂紋等。然而高速軸承因?yàn)槠浼夹g(shù)含量非常高，已經(jīng)不能使用經(jīng)驗(yàn)法來(lái)判斷，常見(jiàn)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(shè)計(jì)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(yùn)行，由高速軸承設(shè)計(jì)人員結(jié)合實(shí)驗(yàn)中的各種檢測(cè)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(yīng)用越來(lái)越廣泛，但目前國(guó)內(nèi)大部分生產(chǎn)廠家對(duì)高速軸承疲勞壽命的檢測(cè)卻還沿用普通軸承疲勞壽命檢測(cè)系統(tǒng)。因此，迫切的需要開(kāi)發(fā)出一套專(zhuān)適用于高速軸承疲勞壽命檢測(cè)的監(jiān)控系統(tǒng)。 高速軸承主要應(yīng)用于航空高速電機(jī)主軸和高速加工技術(shù)中的高速電機(jī)。高速加工技術(shù)是繼數(shù)控加工技術(shù)之后，給機(jī)械制造業(yè)帶來(lái)革命性變化的又一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，而高速軸承是高速加工機(jī)床中的高速電機(jī)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(tái)機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)效率，因此，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都十分關(guān)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(cè)試設(shè)備，建立恒溫、潔凈的裝配環(huán)境，形成了不少高速軸承的專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)基地[1

26、]。 軸承檢測(cè)技術(shù)很大程度上決定軸承制造加工技術(shù)的發(fā)展程度。軸承檢測(cè)主要包括：軸承轉(zhuǎn)動(dòng)速度、軸承溫度、徑/軸向壓力等。對(duì)這些參數(shù)的檢測(cè)手段在國(guó)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，這種檢測(cè)手段己經(jīng)越來(lái)越不能滿(mǎn)足企業(yè)的要求，而采用計(jì)算機(jī)檢測(cè)技術(shù)，則能使以上各種參數(shù)一次性的檢測(cè)到，并傳送到計(jì)算機(jī)（或微處理器）進(jìn)行計(jì)算和處理。 本文以哈爾濱工業(yè)大學(xué)電磁驅(qū)動(dòng)與控制研究所研制的高速軸承實(shí)驗(yàn)器為設(shè)計(jì)背景。結(jié)合大學(xué)期間所學(xué)的PLC技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、傳感器與檢測(cè)技術(shù)等知識(shí)從理論上設(shè)計(jì)一臺(tái)充分運(yùn)用現(xiàn)代科技的高速軸承疲勞測(cè)試臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，使之從技術(shù)上能更上一個(gè)臺(tái)階。 1.2 PLC概述

27、及其基本結(jié)構(gòu) 1.2.1 PLC簡(jiǎn)介 可編程序控制器（Programmable Controller），簡(jiǎn)稱(chēng)PC，因早期應(yīng)用于開(kāi)關(guān)量的邏輯控制，因此也稱(chēng)為PLC（Programmable Logic Controller），即可編程序邏輯控制器。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)對(duì)PLC的定義是:可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存貯器，用來(lái)在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)

28、充其功能的原則設(shè)計(jì)。在自動(dòng)化控制領(lǐng)域，PLC是一種重要的控制設(shè)備。 可編程序控制器從1969年問(wèn)世以來(lái)，日本、德國(guó)、美國(guó)、法國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已相繼開(kāi)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(jī)技術(shù)，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(jià)格比產(chǎn)生了新的突破。微處理器(CPU)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)等已成為PLC的核心。PLC不僅用邏輯編程取代了硬連線(xiàn)邏輯，還增加了運(yùn)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(qiáng)，它已真正成為一種電子計(jì)算機(jī)工

29、業(yè)控制設(shè)備。 近十年來(lái)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(qiáng)了PLC數(shù)字運(yùn)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(guò)程控制滲透和發(fā)展?，F(xiàn)PLC比較知名的有美國(guó)GE公司的GE PLC、羅克韋爾自動(dòng)化公司的A-B PLC，德國(guó)西門(mén)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(gòu) PLC的硬件系統(tǒng)與一般的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相類(lèi)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(gè)箱體內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊，小型PLC一般采用此種結(jié)構(gòu)。整體式PLC由基本單元和擴(kuò)展單元組成，兩單元之間用扁平電纜連接。模塊式PLC用類(lèi)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(xiàn)連接板以及與總線(xiàn)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(dú)的模塊，也可能是包含在CPU模塊中。I/O模塊的個(gè)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(hù)選用。如果一個(gè)框架容納不下所選用的模塊，可以增設(shè)一個(gè)或幾個(gè)擴(kuò)展框架，各框架之間用I/O擴(kuò)展電纜相連。用戶(hù)可以選用不同檔次的CPU模塊，種類(lèi)繁多的I/O模塊和特殊功能塊，對(duì)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(chǔ)器組成。在PLC控制系統(tǒng)中CPU模塊相當(dāng)于人的大腦和心臟，它不斷的采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶(hù)程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。 2. 信號(hào)模塊 輸入（Input）模塊和輸出（Output）模塊簡(jiǎn)稱(chēng)為I/O模塊，開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊簡(jiǎn)稱(chēng)為DI模塊和DO模塊，模擬量輸入、輸出模塊簡(jiǎn)稱(chēng)為AI模塊和AO模塊，它們統(tǒng)稱(chēng)為信號(hào)模塊，簡(jiǎn)稱(chēng)為SM。信號(hào)模塊是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(hào)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(hào)模塊中，用光耦合器、光敏晶閘管、小型繼電器等器件來(lái)隔離PLC的內(nèi)部和外部電路的輸入、輸出電路。信號(hào)模塊除了傳遞信號(hào)外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。 3. 功能模塊 為了增強(qiáng)PLC的功能，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域，減輕CPU的負(fù)擔(dān)，PLC廠家開(kāi)發(fā)了各種各樣的功能模塊（簡(jiǎn)稱(chēng)為FM）。它們主要用于完成某些對(duì)實(shí)時(shí)性和存儲(chǔ)容量要求很高的控制任務(wù)，例如高速計(jì)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(jī)架稱(chēng)為中央機(jī)架，如果一個(gè)機(jī)架

33、不能容納全部模塊，可以增設(shè)一個(gè)或多個(gè)拓展機(jī)架。接口模塊（簡(jiǎn)稱(chēng)為IM）用來(lái)實(shí)現(xiàn)中央機(jī)架與拓展機(jī)架之間的通信，有的接口模塊還可以為拓展機(jī)架供電。 5. 通信處理器 通信處理器(簡(jiǎn)稱(chēng)為CP)用于PLC之間、PLC與遠(yuǎn)程I/O之間、PLC與計(jì)算機(jī)和其他智能設(shè)備之間的通信，例如可以將西門(mén)子S7-300/400接入工業(yè)以太網(wǎng)、MPI、Profibus-DP和AS-i，或者用于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(jiǎn)稱(chēng)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(fù)載使用。 1.3 典型現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)簡(jiǎn)介

34、 1.3.1 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn) 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，即Foudation Fieldbus，簡(jiǎn)稱(chēng)FF，這是在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。它以ISO/OSI開(kāi)放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶(hù)層。 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(dá)1900m(可加中繼器延長(zhǎng))，可支持總線(xiàn)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(qiáng)勁實(shí)力的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，它是由美國(guó)Ecelon公司推出并由其與摩托羅拉、

35、東芝公司共同倡導(dǎo)，于1990年正式公布而形成的總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。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(shè)計(jì)方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置，其通訊速率從300bps至15Mbps不等，直接通信距離可達(dá)到2700m (78kbps，雙絞線(xiàn))，支持雙絞線(xiàn)、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線(xiàn)、電源線(xiàn)等多種通信介質(zhì)，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的本安防爆，被喻為通用控制網(wǎng)絡(luò)。 1.3.3 HART HART是Highway Addressable Remote Transduer的縮寫(xiě)。最早由Rosemout公司開(kāi)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(huì)

36、。這種被稱(chēng)為可尋址遠(yuǎn)程傳感高速通道的開(kāi)放通信協(xié)議，其特點(diǎn)是現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線(xiàn)上實(shí)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(guò)程中工業(yè)過(guò)程控制的過(guò)渡性產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過(guò)渡時(shí)期具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(jiǎn)稱(chēng)，最早由德國(guó)BOSCH公司提出，用于汽車(chē)內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線(xiàn)規(guī)范現(xiàn)已被ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，已廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。 CAN協(xié)議也是建立在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的開(kāi)放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的，不過(guò)，其模型結(jié)構(gòu)只有3層，只取OSI的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。其

37、信號(hào)傳輸介質(zhì)為雙絞線(xiàn)，通信速率最高可達(dá)1Mbit/s，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km/Kbit/s，可掛接設(shè)備最多可達(dá)110個(gè)。CAN信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，因而傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉的功能以切斷該節(jié)點(diǎn)與總線(xiàn)的聯(lián)系，使總線(xiàn)上的其他節(jié)點(diǎn)及其通信不受影響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。CAN支持多站方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和全局廣播方式接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。它采用總線(xiàn)仲裁技術(shù)，當(dāng)出現(xiàn)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)則主動(dòng)停止發(fā)送，從而避免了總線(xiàn)沖突[

38、4]。 1.3.5 Profibus 1. Profibus概述 Profibus (Process Fieldbus的縮寫(xiě))是一種國(guó)際化的、開(kāi)放的、不依賴(lài)于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。它廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通、電力等其他自動(dòng)化領(lǐng)域。1987年由德國(guó)SIEMENS公司等13家企業(yè)和5家研發(fā)研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開(kāi)發(fā)。1999年P(guān)rofibus成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的組成部分。2001年成為中國(guó)的機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10308.3-2001。 Profibus主要由三個(gè)兼容的協(xié)議類(lèi)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(chǎng)總線(xiàn)報(bào)文規(guī)范的縮寫(xiě)；DP(Decentralized Periphery)是分散化外圍設(shè)備的縮寫(xiě)；PA (Process Automation)則代表過(guò)程自動(dòng)化。 Profibus-FMS協(xié)議旨在解決車(chē)間級(jí)通用性通信任務(wù)，為用戶(hù)提供強(qiáng)有力的通信服務(wù)功能選擇，實(shí)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(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，每次數(shù)據(jù)傳輸量可達(dá)上千個(gè)字節(jié)，響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，主要用于電氣、樓宇、紡織等領(lǐng)域的一般自動(dòng)化系統(tǒng)。 Profibus-DP協(xié)議是專(zhuān)為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制系統(tǒng)與分散I/O

40、的高速通信而設(shè)計(jì)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(dá)244個(gè)字節(jié)，采用周期性通信方式，響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，可用于大多數(shù)工業(yè)領(lǐng)域。 Profibus-PA協(xié)議是需要本質(zhì)安全或總線(xiàn)供電的設(shè)備之間進(jìn)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(zhǎng)度為235個(gè)字節(jié)，采用周期性和非周期性通信方式，響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，用于化工、石油、冶金、發(fā)電等領(lǐng)域的過(guò)程工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。 為了滿(mǎn)足苛刻的實(shí)時(shí)要求，Profibus協(xié)議具有如下特點(diǎn)： （1）不支持長(zhǎng)信息段>235bit（實(shí)際最大長(zhǎng)度255bit，數(shù)據(jù)最大長(zhǎng)度244bit

41、，典型長(zhǎng)度120bit）。 （2）不支持短信息組塊功能。由許多短信組成的長(zhǎng)信息包不符合短信息的要求，因此Profibus不提供這一功能（實(shí)際使用中可通過(guò)應(yīng)用層或用戶(hù)層的制定或擴(kuò)展來(lái)克服這一約束）。 （3）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫强偩€(xiàn)型，兩端帶終端器或不帶終端器。 （4）介質(zhì)、距離、站點(diǎn)數(shù)取決于信號(hào)特性。例如，對(duì)屏蔽雙絞線(xiàn)，單段長(zhǎng)度小于或等于1.2km，不帶中繼器，每段32個(gè)站點(diǎn)（網(wǎng)絡(luò)規(guī)模：雙絞線(xiàn)，最大長(zhǎng)度9.6km；光纖，最大長(zhǎng)度90km；最大站數(shù)，127個(gè)）。 （5）傳輸速率取決于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜涂偩€(xiàn)長(zhǎng)度，從9.6Kbit/s -12Mbit/s不等。 （6）地址定義范圍為：0-127（對(duì)廣播和群播而

42、言，127是全局地址），對(duì)區(qū)域地址、段地址的服務(wù)存取地址（服務(wù)存取點(diǎn)Ls"）的地址擴(kuò)展，每個(gè)6bit。 （7）使用兩類(lèi)站：主站（主動(dòng)站，具有總線(xiàn)存取控制權(quán)）和從站（被動(dòng)站，沒(méi)有總線(xiàn)存取控制權(quán)）。如果對(duì)實(shí)時(shí)性要求不苛刻，最多可用32個(gè)主站，總站數(shù)可達(dá)127個(gè)。 （8）總線(xiàn)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(gè)單主站多從站的系統(tǒng)。最小的系統(tǒng)配置由一個(gè)主站和一個(gè)從站或兩個(gè)主站組成。 （9）數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)有兩類(lèi)：非循環(huán)的—有/無(wú)應(yīng)答要求的發(fā)送數(shù)據(jù)、有應(yīng)答要求的發(fā)送和請(qǐng)求數(shù)據(jù)

43、；循環(huán)的（輪詢(xún)）—有應(yīng)答要求的發(fā)送和請(qǐng)求數(shù)據(jù)。 2. Profibus的傳輸技術(shù) （1）Profibus-DP/FMS的RS-485傳輸：對(duì)于屏蔽雙絞電纜的基本類(lèi)型來(lái)說(shuō)，Profibus的物理層實(shí)現(xiàn)對(duì)稱(chēng)的數(shù)據(jù)傳輸，符合EIA RS-485標(biāo)準(zhǔn)（也稱(chēng)為H2）。一個(gè)總線(xiàn)段內(nèi)的導(dǎo)線(xiàn)是屏蔽雙絞電纜，段的兩端各有一個(gè)終端器。 RS-485傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎镁€(xiàn)性總線(xiàn)，兩端有有源的總線(xiàn)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(diǎn)數(shù)為每分段32個(gè)站，帶中繼可多達(dá)127個(gè)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(shù)。光纖電纜不僅能夠抗電磁干擾、實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)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(mǎn)足化工行業(yè)的本質(zhì)安全要求，用了IEC61158.2同步傳輸技術(shù)，拓?fù)錂C(jī)構(gòu)為總線(xiàn)型、樹(shù)型和星型，傳輸速率固定在31.25kbps，實(shí)現(xiàn)了總線(xiàn)供電[5]。 1.4 本文的研究?jī)?nèi)容 針對(duì)高速軸承疲勞監(jiān)控系統(tǒng)控制精度不足等現(xiàn)存的問(wèn)題，本設(shè)計(jì)采用工控測(cè)試領(lǐng)域的新模式，即倡導(dǎo)的PLC+工控機(jī)方案，以先

45、進(jìn)的工控機(jī)為監(jiān)控平臺(tái)，以PLC為硬件控制核心，完成對(duì)高速軸承疲勞監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 1.第2章首先介紹了監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)中使用的PLC和HMI進(jìn)行了設(shè)備選型。綜合系統(tǒng)的控制要求給出了基于Profibus-DP總線(xiàn)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(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速脈沖倍頻及驅(qū)動(dòng)電路。在加載力控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了PLC與松下伺服電機(jī)的接口連接電路。在潤(rùn)滑油溫度控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了循環(huán)油溫度控制系統(tǒng)，其中油泵、加熱器和冷卻器開(kāi)關(guān)等作為執(zhí)行設(shè)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(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)分為PLC的軟件設(shè)計(jì)、工控機(jī)的軟件設(shè)計(jì)和HMI的畫(huà)面組態(tài)三大部分。西門(mén)子S7-200PLC經(jīng)由STEP 7 MicroWIN V4.0進(jìn)行編程，工控機(jī)由Visual C++6.0進(jìn)行可視化開(kāi)發(fā)，HMI由西門(mén)子WinCC flexible 2008進(jìn)行畫(huà)面組態(tài)。 5.論文最后對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)并給出了結(jié)論。 第2章 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 2.1 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 高速軸承疲勞測(cè)試臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)主要監(jiān)控的是高速軸承運(yùn)行時(shí)主軸的轉(zhuǎn)速、軸承軸向/徑向加載力和潤(rùn)滑油溫度，并對(duì)這幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。因?yàn)檩S承的轉(zhuǎn)速較高（最高轉(zhuǎn)速為

47、24000r/min），因此對(duì)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(jìn)行控制，工控機(jī)作為上位機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(rùn)滑油的溫度譜，PLC接收來(lái)自工控機(jī)的指令對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。 主軸轉(zhuǎn)速的控制要求主軸電機(jī)按工控機(jī)預(yù)設(shè)速度譜運(yùn)行，主軸由功率為50kW的交流高速電機(jī)拖動(dòng)，電機(jī)本身自帶轉(zhuǎn)速編碼器（輸出高電平為5V），電機(jī)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(jī)運(yùn)行時(shí)，軸承的軸向/徑向加載力大小為工控機(jī)的給定值。為了提高控制精度，要求選用伺服電機(jī)進(jìn)行位置的閉環(huán)控制，其

48、中軸向/徑向各有一臺(tái)伺服電機(jī)進(jìn)行位置控制，控制精度均為0.5Nm，同時(shí)電動(dòng)缸具有極限位置報(bào)警信號(hào)。 潤(rùn)滑油溫度的控制要求為軸承內(nèi)潤(rùn)滑油溫度的高低為工控機(jī)的給定值，從而使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行不受潤(rùn)滑油溫度的過(guò)高或者過(guò)低的影響。使用加熱器對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行加熱，管式冷卻器對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行冷卻后再循環(huán)利用，要求潤(rùn)滑油溫度的控制精度為2℃，并能夠在顯示設(shè)備上實(shí)時(shí)顯示潤(rùn)滑油的溫度和溫度報(bào)警信號(hào)。 2.2 監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成 高速軸承疲勞監(jiān)控系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)、PLC技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、傳感器與檢測(cè)技術(shù)等的基礎(chǔ)上，采用智能控制技術(shù)對(duì)測(cè)試臺(tái)進(jìn)行控制和管理，不斷的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)機(jī)對(duì)軸承進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)的各種數(shù)據(jù)，并根據(jù)

49、實(shí)時(shí)信息對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行故障診斷和處理。同時(shí)，高速軸承設(shè)計(jì)人員通過(guò)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中所采集到的各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用數(shù)據(jù)挖掘手段或先進(jìn)的疲勞壽命理論進(jìn)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(gòu)簡(jiǎn)化圖如圖2-1所示。 圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖 為了比較詳細(xì)的了解整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成、功能和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，下面分別介紹系統(tǒng)的三大組成部分。 1.上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)：上位機(jī)部分包括工控機(jī)和人機(jī)界面（HMI），工控機(jī)的主要作用是給定PLC速度譜、加載力譜和溫度譜，類(lèi)似于工程師站。HMI的主要作用是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)速、軸向/徑向加載力、溫度及各類(lèi)報(bào)警信號(hào)，用途是用于現(xiàn)場(chǎng)操作。 2.網(wǎng)絡(luò)通信層

50、：為了方便集中控制和監(jiān)測(cè)，需要把部分控制信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)從控制器傳送到測(cè)試臺(tái)中的PLC中，以便對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行有效控制。同時(shí)需要把測(cè)試臺(tái)檢測(cè)到的各種數(shù)據(jù)傳送到控制室中的上位機(jī)，便于集中處理和進(jìn)行有效的管理。由于選用的是西門(mén)子的PLC，且工控機(jī)需要與多個(gè)（6個(gè)）測(cè)試臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，故選用西門(mén)子公司研發(fā)的Profibus-DP總線(xiàn)進(jìn)行工控機(jī)與PLC的通信。 在實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)用中，不僅需要作為工程師站的工控機(jī)，也需要現(xiàn)場(chǎng)顯示設(shè)備，HMI就屬于這一類(lèi)別。選用西門(mén)子的PLC和西門(mén)子的HMI，可以進(jìn)行PPI通信，且編程和使用都非常方便。 3.PLC及現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行系統(tǒng)：根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，此高速軸承

51、疲勞監(jiān)控系統(tǒng)選用的是西門(mén)子S7-200系列PLC中的CPU 224XP。該系列CPU是性?xún)r(jià)比很高的小型控制器，本身自帶14個(gè)數(shù)字量輸入（DI）點(diǎn)，10個(gè)數(shù)字量輸出（DO）點(diǎn)，2個(gè)模擬量輸入（AI）點(diǎn)，1個(gè)模擬量輸出（AO），2個(gè)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(chǎng)執(zhí)行器包括，變頻器，高速軸承拖動(dòng)主軸電機(jī)，加載力伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，加載力電機(jī)，各類(lèi)閥門(mén)開(kāi)關(guān)等，均由PLC進(jìn)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(gè)中

52、央處理單元、電源以及數(shù)字I/O點(diǎn)，這些都被集成在一個(gè)緊湊、獨(dú)立的設(shè)備中。CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行程序，輸入部分從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中采集信號(hào)，輸出部分則輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。從CPU模塊的功能來(lái)看，CPU模塊為CPU22*，它具有4種不同的結(jié)構(gòu)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(jì)10點(diǎn)。無(wú)擴(kuò)展能力，程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量較小，有一定的高速計(jì)數(shù)處理能力，非常適合于少點(diǎn)數(shù)的控制系統(tǒng)。 (2)CPU222它有8輸入6輸出，I/O共計(jì)14點(diǎn)。和CPU 221相比，它可以進(jìn)行一定的

53、模擬量控制和2個(gè)模塊的擴(kuò)展，因此是應(yīng)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(jì)24點(diǎn)。和前兩者相比，存儲(chǔ)容量擴(kuò)大了一倍，它可以有7個(gè)擴(kuò)展模塊，有內(nèi)置時(shí)鐘，它有更強(qiáng)的模擬量和高速計(jì)數(shù)的處理能力，是使用得最多的S7-200產(chǎn)品。CPU224XP是其升級(jí)版本的產(chǎn)品,它相對(duì)于CPU224主要區(qū)別是CPU本身自帶有2個(gè)模擬量輸入、1個(gè)模擬量輸出端口。 (4)CPU226它有24輸入16輸出，I/O共計(jì)40點(diǎn)，和CPU224相比，增加了本機(jī)I/O數(shù)量、CPU程序存儲(chǔ)區(qū)以及CPU供電能力。它可用于點(diǎn)數(shù)較多、要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。 對(duì)于每個(gè)型號(hào)，西門(mén)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(gè)類(lèi)型都有各自的訂貨號(hào)，可以單獨(dú)訂貨。 DC/DC/DC：說(shuō)明CPU是直流供電，直流數(shù)字量輸入，數(shù)字量輸出點(diǎn)是晶體管直流電路的類(lèi)型。 AC/DC/Relay：說(shuō)明CPU是交流供電，直流數(shù)字量輸入，數(shù)字量輸出點(diǎn)是繼電器觸點(diǎn)的類(lèi)型。 2. S7-200擴(kuò)展模塊 當(dāng)CPU的I/O點(diǎn)數(shù)不夠用或需要進(jìn)行特殊功能的控制時(shí)，就要進(jìn)行I/O擴(kuò)展，I/O擴(kuò)展包括I/O點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展和功能模塊的擴(kuò)展。典型的數(shù)字量I/O擴(kuò)展模塊有輸入擴(kuò)展模塊EM221，它有三種類(lèi)型:8點(diǎn)DC

55、24V輸入、8點(diǎn)AC輸入、16DC點(diǎn)24V。輸出擴(kuò)展模塊EM222有五種類(lèi)型:8點(diǎn)DC24V晶體管輸出，每點(diǎn)0.75A；8點(diǎn)繼電器輸出，每點(diǎn)2A；8點(diǎn)AC120/230V輸出；4點(diǎn)DC24V輸出，每點(diǎn)5A；4點(diǎn)繼電器輸出，每點(diǎn)10A。輸入/輸出混合擴(kuò)展模塊EM223有八種。 當(dāng)需要完成某些特殊功能的控制任務(wù)時(shí)，CPU主機(jī)可以擴(kuò)展特殊功能模塊。如要求進(jìn)行Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)連接時(shí)，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(mén)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(hù)根據(jù)實(shí)際的控制需求進(jìn)行選擇。 (2)EM235模擬量輸入輸出擴(kuò)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(qiáng)的抗干擾性，可用于復(fù)雜的控制場(chǎng)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(guò)其外置的DIP開(kāi)關(guān)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(gè)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(zhǎng)度設(shè)定，站點(diǎn)地址由旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)設(shè)定[6]。 EM277 Profibus-DP擴(kuò)展模塊已定義為DP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議從站。一個(gè)DP主站組態(tài)應(yīng)包含從站地址、從站類(lèi)型以及從站所需要的任何參數(shù)信息，主站應(yīng)知道如何存儲(chǔ)來(lái)自從站讀入的數(shù)據(jù)以及從何處取得寫(xiě)入從站的數(shù)據(jù)。一旦DP主站網(wǎng)絡(luò)建立后，主站就初始化其DP從站，將相關(guān)參數(shù)賦值信息和I/O配置寫(xiě)入到從站，然后再與從站交換I/O數(shù)據(jù)，并驗(yàn)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(kāi)始與從站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 當(dāng)S7-200C

58、PU基本單元安裝EM277 Profibus-DP擴(kuò)展模塊后，它便成為Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)從站。EM277 Profibus-DP一方面經(jīng)過(guò)串行I/O總線(xiàn)與S7-200基本單元連接，另一方面通過(guò)DP通信端口與Profibus網(wǎng)絡(luò)連接，它在S7-200CPU與Profibus網(wǎng)絡(luò)之間起橋梁作用。EM277模塊作為DP從站接收來(lái)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(gè)DP從站使用，用戶(hù)為它所設(shè)定的端口地址必須與主站組態(tài)所設(shè)定的DP端口地址相匹配。從站地址由EM277模塊上的旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)設(shè)定，改變?cè)O(shè)定地址，用戶(hù)必須重新啟動(dòng)CPU電源才能使新的

59、從站地址起作用。工作時(shí)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(gè)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(yīng)來(lái)自從站的信息[7]。 2.3.2 PLC的型號(hào)選擇 PLC是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)最重要的組成部分,幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)通信、硬件設(shè)計(jì)部分都是圍繞著PLC為核心而展開(kāi)的。PLC的選擇是本監(jiān)控系統(tǒng)的重中之重，既要求滿(mǎn)足系統(tǒng)的控制需求，又要求經(jīng)濟(jì)可靠。 綜合系統(tǒng)的控制需求，本監(jiān)控系統(tǒng)選用西門(mén)子S7-200PLC中的CPU 224XP CN DC/DC/DC,訂貨號(hào)為：6ES7 214-2AD23-0XB8。其技術(shù)指標(biāo)如表2-1所示。 表2-1 CPU224XP部分技術(shù)指

60、標(biāo)[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(fù)載） 模擬量輸出AO 1 程序存儲(chǔ)器 bytes 12288 在線(xiàn)編輯 16384 非在線(xiàn)編輯 模擬量輸入 電壓范圍 10V 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 bytes 10240 模擬量輸入 分辨率 11位加一個(gè) 符號(hào)位 定時(shí)器總數(shù) 256 模擬量輸出 信號(hào)范圍 電壓：0至10 V 電流：0至20mA

61、計(jì)數(shù)器總數(shù) 256 高速計(jì)數(shù)器 6 數(shù)字I/O映象區(qū) 256 掉電保持時(shí)間 100小時(shí)/典型值 模擬I/O映象區(qū) 64 接口 2個(gè)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(jī)器標(biāo)準(zhǔn)功能的一部分。在這種情況下，成本因素就起著至關(guān)重要的作用，對(duì)于一些小型機(jī)器和簡(jiǎn)單應(yīng)用尤其如此。通常情況下，具有基本功能的HMI設(shè)備就可以完全滿(mǎn)足簡(jiǎn)單應(yīng)用的需要。這也正是Smart Panel的設(shè)計(jì)初衷。Smart系列的HMI設(shè)備關(guān)注于基礎(chǔ)，完全具備所需的這些基

62、本功能，并且價(jià)格合理。 正如西門(mén)子產(chǎn)品目錄中的所有設(shè)備一樣，新型Smart Panel具備經(jīng)證實(shí)的SIMATIC（Siemens Automatic，西門(mén)子自動(dòng)化）質(zhì)量，并提供大量標(biāo)準(zhǔn)軟件功能，例如，報(bào)警系統(tǒng)、配方管理、趨勢(shì)功能及語(yǔ)言切換。因此，用戶(hù)能夠從可視化的優(yōu)勢(shì)中獲益，即便對(duì)于簡(jiǎn)單應(yīng)用也是如此[9]。 Smart Panel分為Smart700和Smart1000兩種型號(hào)，每種型號(hào)的HMI都自帶一個(gè)RS-422/485接口，支持PPI協(xié)議，可用DB9針連接線(xiàn)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(luò)通信的設(shè)計(jì)方案 高速

63、軸承疲勞測(cè)試臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信層涵蓋到本系統(tǒng)的各個(gè)方面，是系統(tǒng)的重要組成部分。從作為上位機(jī)的工控機(jī)（工程師站）開(kāi)始，再到PLC控制器，最后一直到底層執(zhí)行器為止，都離不開(kāi)網(wǎng)絡(luò)通信，網(wǎng)絡(luò)通信參與到系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，將系統(tǒng)的各大組成部分有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的整體，使整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)能夠高效、有序的運(yùn)行起來(lái)。 圖2-3 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信簡(jiǎn)化圖 2.4.1 PLC與工控機(jī)通信的設(shè)計(jì)方案 整個(gè)系統(tǒng)包括1臺(tái)工控機(jī)，以及6個(gè)高速軸承疲勞測(cè)試臺(tái)，工控機(jī)需要與每個(gè)測(cè)試臺(tái)的控制器進(jìn)行通信，其主要作用是給定PLC速度譜、載荷譜和溫度譜。各個(gè)測(cè)試臺(tái)之間不需要進(jìn)行通信。6個(gè)測(cè)試臺(tái)選用的控制器

64、均為西門(mén)子S7-200 CPU224XP CN PLC，為了增加設(shè)計(jì)的側(cè)重性，本論文著重講述工控機(jī)對(duì)其中某一臺(tái)PLC的網(wǎng)絡(luò)通信以及PLC的硬件設(shè)計(jì)部分，其余5個(gè)測(cè)試臺(tái)的設(shè)計(jì)可依照本論文得出，不同點(diǎn)只是在工控機(jī)下面多下掛5個(gè)從站，但從站地址不同。 根據(jù)Profibus技術(shù)原理，一個(gè)最小系統(tǒng)至少由一個(gè)Profibus（1類(lèi)）主站和若干Profibus從站組成。主站在一個(gè)限定時(shí)間內(nèi)（Token Hold Time）對(duì)總線(xiàn)有控制權(quán)，從站只是響應(yīng)主站的請(qǐng)求，它們對(duì)總線(xiàn)沒(méi)有控制權(quán)。 本監(jiān)控系統(tǒng)采用PC機(jī)+CP5611網(wǎng)卡+控制軟件作為工控機(jī)即Profibus-DP主站。其中CP5611網(wǎng)卡負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)通

65、信信號(hào)與Profibus之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換。控制軟件安裝在PC機(jī)上，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制及組態(tài)。值得注意的是，對(duì)于這種結(jié)構(gòu)類(lèi)型，PC機(jī)故障將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，因此PC機(jī)應(yīng)選用具有高可靠性、能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的工業(yè)級(jí)PC機(jī)。另外，通信模板廠商通常只提供一個(gè)模板的驅(qū)動(dòng)程序，總線(xiàn)控制、從站控制程序、監(jiān)控程序可能要由用戶(hù)開(kāi)發(fā)，因此應(yīng)用開(kāi)發(fā)工作量可能會(huì)比較大。 圖2-4 PLC與工控機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信圖 2.4.2 PLC與HMI的通信設(shè)計(jì)方案 PPI（Point to Point Interface，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口）是西門(mén)子專(zhuān)為S7-200PLC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的通信協(xié)議。它

66、基于“令牌環(huán)”的工作機(jī)制。PPI是一種主-從協(xié)議，通信主站之間傳遞令牌，分時(shí)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的通信活動(dòng)。讀/寫(xiě)從站數(shù)據(jù)。主站和從站都通過(guò)不同的網(wǎng)絡(luò)地址（站號(hào)）來(lái)分區(qū)。主站設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)讀寫(xiě)請(qǐng)求到從站設(shè)備，從站設(shè)備響應(yīng)。從站不主動(dòng)發(fā)信息，只是等待主站的請(qǐng)求，并且根據(jù)地址信息對(duì)請(qǐng)求做出響應(yīng)。 PPI網(wǎng)絡(luò)中可以有多個(gè)主站。PPI并不限制與任意一個(gè)從站通信的主站數(shù)量，主站也可以響應(yīng)其他主站的通信請(qǐng)求。S7-200CPU上集成的通信口支持RS-485網(wǎng)絡(luò)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(shè)備，如TD200文本顯示器和TP177 micro觸摸屏等人機(jī)操作界面設(shè)備，也可以通過(guò)RS-485網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)的S7-200CPU之間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信。只需要編程設(shè)置主站通信端口的工作模式，然后就可以用網(wǎng)絡(luò)讀寫(xiě)指令（NETR/NETW）讀寫(xiě)從站的數(shù)據(jù)。 圖2-5 PLC與HMI連接