【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 件設(shè)計(jì)和HMI的畫(huà)面組態(tài)三大部分。西門子S7200PLC經(jīng)由STEP 7 MicroWIN ，工控機(jī)由Visual C++，HMI由西門子WinCC flexible 2008進(jìn)行畫(huà)面組態(tài)。第2章 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 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，其中軸向/徑向各有一臺(tái)伺服電機(jī)進(jìn)行位置控制，m，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)。 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)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21所示。圖21 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。：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、溫度及各類報(bào)警信號(hào)，用途是用于現(xiàn)場(chǎng)操作。：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，故選用西門子公司研發(fā)的ProfibusDP總線進(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就屬于這一類別。選用西門子的PLC和西門子的HMI，可以進(jìn)行PPI通信，且編程和使用都非常方便。 ：根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，此高速軸承疲勞監(jiān)控系統(tǒng)選用的是西門子S7200系列PLC中的CPU 224XP。該系列CPU是性價(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)RS485通信端口，支持PPI、MPI、ProfibusDP和工業(yè)以太網(wǎng)等多種通信方式?，F(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)，各類閥門開(kāi)關(guān)等，均由PLC進(jìn)行控制。 PLC和HMI的選型 S7200CPU和拓展模塊 1. S7200CPU S7200的CPU模塊包括一個(gè)中央處理單元、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。S7200CPU外形如圖22所示。圖22 S7200 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S7200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)，西門子提供直流（24V）和交流（120240V）兩種電源供電的CPU。如CPU224 DC/DC/DC和CPU224 AC/DC/Relay。每個(gè)類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)的類型。 2. S7200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，它有三種類型:8點(diǎn)DC24V輸入、8點(diǎn)AC輸入、16DC點(diǎn)24V。輸出擴(kuò)展模塊EM222有五種類型:8點(diǎn)DC24V晶體管輸出，；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ProfibusDP現(xiàn)場(chǎng)總線連接時(shí)，就需要EM277 ProfibusDP模塊，在這里主要介紹數(shù)字量輸入輸出模塊EM22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(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ProfibusDP從站模塊，它是一種智能模塊，用于S7200PLC的通信接口。該模塊帶有一個(gè)RS485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 ProfibusDP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)S7200CPU基本單元安裝EM277 ProfibusDP擴(kuò)展模塊后，它便成為ProfibusDP網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)從站。EM277 ProfibusDP一方面經(jīng)過(guò)串行I/O總線與S7200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S7200CPU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，用戶必須重新啟動(dòng)CPU電源才能使新的從站地址起作用。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]。 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)選用西門子S7200PLC中的CPU 224XP CN DC/DC/DC,訂貨號(hào)為：6ES7 2142AD230XB8。其技術(shù)指標(biāo)如表21所示。表21 CPU224XP部分技術(shù)指標(biāo)[8]外形尺寸（W*H*D）mm140*80*62數(shù)字量輸入DI14功耗 W8數(shù)字量輸出DO10輸入電壓V DC模擬量輸入AI2輸入電流A120 mA（僅CPU）900 mA（最大負(fù)載）模擬量輸出AO1程序存儲(chǔ)器bytes12288 在線編輯16384 非在線編輯模擬量輸入電壓范圍177。10V數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器bytes10240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)RS485接口最大拓展模塊數(shù)7PID指令8條高速脈沖輸出2路（） 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本功能，并且價(jià)格合理。正如西門子產(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)RS422/485接口，支持PPI協(xié)議，可用DB9針連接線直接與S7200PLC連接通信，為節(jié)約成本本監(jiān)控系統(tǒng)選用Smart700觸摸屏。 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)方案高速軸承疲勞測(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23 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信簡(jiǎn)化圖 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)選用的控制器均為西門子S7200 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）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)總線有控制權(quán)，從站只是響應(yīng)主站的請(qǐng)求，它們對(duì)總線沒(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ProfibusDP主站。其中C