【文章內(nèi)容簡介】 件設計和HMI的畫面組態(tài)三大部分。西門子S7200PLC經(jīng)由STEP 7 MicroWIN ，工控機由Visual C++，HMI由西門子WinCC flexible 2008進行畫面組態(tài)。第2章 監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案 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，其中軸向/徑向各有一臺伺服電機進行位置控制，m，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。 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)是在計算機技術(shù)、PLC技術(shù)和網(wǎng)絡通信技術(shù)、傳感器與檢測技術(shù)等的基礎上，采用智能控制技術(shù)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)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(gòu)簡化圖如圖21所示。圖21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化圖 為了比較詳細的了解整個系統(tǒng)的構(gòu)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。：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。：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ProfibusDP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。 ：根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的設計要求，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(guān)等，均由PLC進行控制。 PLC和HMI的選型 S7200CPU和拓展模塊 1. S7200CPU S7200的CPU模塊包括一個中央處理單元、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(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S7200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（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. S7200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DC24V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，；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ProfibusDP現(xiàn)場總線連接時，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(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)通信距離長度設定，站點地址由旋轉(zhuǎn)開關(guān)設定[6]。EM277 ProfibusDP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(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S7200CPU基本單元安裝EM277 ProfibusDP擴展模塊后，它便成為ProfibusDP網(wǎng)絡中的一個從站。EM277 ProfibusDP一方面經(jīng)過串行I/O總線與S7200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S7200CPU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(guān)設定，改變設定地址，用戶必須重新啟動CPU電源才能使新的從站地址起作用。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]。 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S7200PLC中的CPU 224XP CN DC/DC/DC,訂貨號為：6ES7 2142AD230XB8。其技術(shù)指標如表21所示。表21 CPU224XP部分技術(shù)指標[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（最大負載）模擬量輸出AO1程序存儲器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)存儲器bytes10240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)機器標準功能的一部分。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(guān)注于基礎，完全具備所需的這些基本功能，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)絡通信的設計方案高速軸承疲勞測試臺監(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(gòu)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23 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡通信簡化圖 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均為西門子S7200 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(shù)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(quán)，從站只是響應主站的請求，它們對總線沒有控制權(quán)。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ProfibusDP主站。其中C