高速轴承疲劳测试台监控系统的设计

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1、黑龙江科技学院本科毕业设计终稿高速轴承疲劳测试台监控系统的设计电气工程及其自动化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 the moral model more than 200. More o

2、ptimized 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 clearly see the majority control group The

3、 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 exist health corner, Ji Cunla garbage i

4、s 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 phenomenon still exists, part of the urban

5、 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 operating premises license, part of the

6、 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 venues and other infrastructure facilitie

7、s is not perfect, community volunteer service activities often cannot carry out53摘 要本论文以哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所高速轴承实验器的设计为工程背景，通过对高速轴承进行疲劳测试的技术要求进行详细的分析后，并以此实际工程为设计依据，给出了高速轴承疲劳测试台监控系统的设计方案。设计的监控系统包括三个部分：下位机部分、网络通信部分、上位机部分。下位机部分是以西门子S7-200PLC为控制器的控制系统，包括转速控制、加载力控制、温度控制三大部分。网络通信部分包括以S7-200PLC为从站经由EM277模块与工控

8、机的Profibus-DP总线通信。上位机部分包括工控机和人机界面（HMI），工控机的主要作用是给定PLC速度谱、载荷谱、温度谱。HMI的主要作用是现场实时显示转速、加载力、温度及各类报警信号。该设计系统主要从实际工程应用的角度出发，利用PLC技术、现场总线技术、传感器检测技术等对高速轴承进行在线监测，由高速轴承设计人员利用检测的数据进行高速轴承疲劳诊断，以提高高速轴承的质量可靠性。关键词：高速轴承，S7-200PLC，现场总线，监控系统Abstract The engineering background is high-speed bearings experiments design o

9、f 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, given the high-speed bearing fatigue testing and monitoring system desi

10、gn.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, including speed control, loading force control, temperature control thre

11、e 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-machine interface (HMI), the main role of the IPC is given PLC velocit

12、y 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, sensor detection technology for high-speed bearings testing and monitoring sy

13、stem 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, fieldbus, monitoring system目 录摘 要IAbstractII目 录IIIContentsV第1章 绪论11.1 论文的工程背景1

14、1.2 PLC概述及其基本结构21.2.1 PLC简介21.2.2 PLC的基本结构31.3 典型现场总线简介51.3.1 基金会现场总线51.3.2 LonWorks61.3.3 HART61.3.4 CAN61.3.5 Profibus71.4 本文的研究内容10第2章 监控系统的设计方案112.1 监控系统的设计要求112.2 监控系统的系统构成122.3 PLC和HMI的选型132.3.1 S7-200CPU和拓展模块132.3.2 PLC的型号选择162.3.3 Smart Line精彩系列面板172.4 监控系统网络通信的设计方案182.4.1 PLC与工控机通信的设计方案182.

15、4.2 PLC与HMI的通信设计方案202.4.3 网络通信硬件21第3章 监控系统硬件部分的设计223.1 PLC控制系统的结构223.2 主轴电机转速控制的设计233.2.1 转速控制系统的结构233.2.2 VACON变频器接口电路243.2.3 倍频及驱动电路的设计253.3 加载力控制的设计263.3.1 加载力控制系统的结构263.3.2 加载力控制电路的设计273.4 润滑油温度控制的设计303.4.1 循环油温度控制系统303.4.2 润滑油温度控制系统的结构313.4.3 润滑油温度控制电路的设计313.5 本章小结33第4章 监控系统软件部分的设计354.1 PLC的软件设

16、计354.1.1 STEP 7-MicroWIN软件354.1.2 PLC的软件编程364.2 工控机的软件设计394.2.1 设备数据库文件394.2.2 工控机的画面组态404.3 HMI的画面组态42结 论44致 谢45参考文献46附录1 监控系统主电路图48附录2 主要设备清单49附录3 PLC+HMI+EM277连接实物图50ContentsABSTRACTIABSTRACTIICONTENTSIIICONTENTSVCHAPTER 1 PERFACE11.1 Engineering background of the paper11.2 Overview of PLC and it

17、s basic structure21.2.1 PLC Introduction21.2.2 The basic structure of the PLC31.3 Profile of typical fieldbus51.3.1 Foudation Fieldbus51.3.2 LonWorks61.3.3 HART61.3.4 CAN61.3.5 Profibus71.4 The contents of this paper10CHAPTER 2 DESIGN PLAN OF THE MONITORING SYSTEM112.1 Requirements of the monitoring

18、 system112.2 Components of the monitoring system122.3 Selection of PLC and HMI132.3.1 S7-200CPU and expansion modules132.3.2 PLC model selection162.3.3 Smart Line panel172.4 The network communications design plan of monitoring system182.4.1 PLC and IPC communication design plan182.4.2 PLC and HMI co

19、mmunication design plan202.4.3 Hardware of network communications21CHAPTER 3 THE DESIGN OF HARDWARE SECTION OF MONITORING SYSTEM223.1 PLC control system structure223.2 Main spindle motor speed control design233.2.1 The speed control system structure233.2.2 VACON frequency interface circuit243.2.3 Fr

20、equency doubling and drive circuit design253.3 The design of loading force control263.3.1 The structure of loading force control system263.3.2 The design of loading force control circuit273.4 The design of the lube oil temperature control303.4.1 Circulating oil temperature control system303.4.2 The

21、structure of the lube oil temperature control system313.4.3 The design of lube oil temperature control circuit313.5 Chapter Summary33CHAPTER 4 MONITORING SYSTEM SOFTWARE SECTION OF THE DESIGN354.1 PLC software design354.1.1 The STEP 7-MicroWIN software354.1.2 PLC software programming364.2 IPC softwa

22、re design394.2.1 Generic Station Description394.2.2 IPC screen configuration404.3 HMI screen configuration42CONCLUSIONS44THANKS45REFERENCES46APPENDIX 1 MAIN CIRCUIT OF THE MONITORING SYSTEM48APPENDIX 2 MAIN EQUIPMENTS LIST49APPENDIX 3 PICTURE OF PLC +HMI+EM27750第1章 绪论传统的判断轴承是否疲劳的方法往往是经验法，例如判断轴承表面是否有

23、裂纹等。然而高速轴承因为其技术含量非常高，已经不能使用经验法来判断，常见的是使用金属探伤仪检查高速轴承是否有“伤口”。本论文的设计目的就是让高速轴承在各种给定的极限条件或常规条件下运行，由高速轴承设计人员结合实验中的各种检测到的数判断高速轴承是否疲劳和轴承的质量可靠性。1.1 论文的工程背景随着现代化工业的迅速发展，高速轴承的应用越来越广泛，但目前国内大部分生产厂家对高速轴承疲劳寿命的检测却还沿用普通轴承疲劳寿命检测系统。因此，迫切的需要开发出一套专适用于高速轴承疲劳寿命检测的监控系统。高速轴承主要应用于航空高速电机主轴和高速加工技术中的高速电机。高速加工技术是继数控加工技术之后，给机械制造业

24、带来革命性变化的又一项先进技术，而高速轴承是高速加工机床中的高速电机的核心功能部件。由于高速轴承性能的好坏在很大程度上决定了整台机床的加工精度和生产效率，因此，各工业发达国家都十分关注高速轴承的研究与发展，纷纷投入巨资组建精良的加工和测试设备，建立恒温、洁净的装配环境，形成了不少高速轴承的专业生产基地1。轴承检测技术很大程度上决定轴承制造加工技术的发展程度。轴承检测主要包括：轴承转动速度、轴承温度、径/轴向压力等。对这些参数的检测手段在国内轴承行业大多数采用的是仪表作业。随着现代科学技术的发展，这种检测手段己经越来越不能满足企业的要求，而采用计算机检测技术，则能使以上各种参数一次性的检测到，并

25、传送到计算机（或微处理器）进行计算和处理。本文以哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所研制的高速轴承实验器为设计背景。结合大学期间所学的PLC技术、现场总线技术、传感器与检测技术等知识从理论上设计一台充分运用现代科技的高速轴承疲劳测试台监控系统，使之从技术上能更上一个台阶。1.2 PLC概述及其基本结构1.2.1 PLC简介 可编程序控制器（Programmable Controller），简称PC，因早期应用于开关量的逻辑控制，因此也称为PLC（Programmable Logic Controller），即可编程序逻辑控制器。国际电工委员会(IEC)对PLC的定义是:可编程控制器是一种数字运算

26、操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。 可编程序控制器从1969年问世以来，日本、德国、美国、法国等工业发达国家已相继开发了各自的可编程序控制器，这使可编程序控制器得到了快速的发展。特别是70年代中期，在可编程序控制器中全面引入微机技术，微处理器及其他大规模集成电路芯片成为其核心部分，这使可编程

27、序控制器的性能价格比产生了新的突破。微处理器(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)等已成为PLC的核心。PLC不仅用逻辑编程取代了硬连线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理等功能，而且随着其速度、容量、通信能力等的增强，它已真正成为一种电子计算机工业控制设备。 近十年来可编程序控制器更是有了飞速的发展，16位甚至32位微处理器的引入大大加强了PLC数字运算、数据处理、图形显示、联网通信等功能，PLC已经向过程控制渗透和发展。现PLC比较知名的有美国GE公司的GE PLC、罗克韦尔自动化公司的A-B PLC，德国西门子公司的SIMATIC系列，日本三菱、OMRON、日立等公司的

28、PLC2。1.2.2 PLC的基本结构 PLC的硬件系统与一般的工业控制计算机相类似。它主要由CPU模块、输入/输出模块以及编程器所组成。根据组装方式的不同，PLC可以分为整体式和模块式。整体式PLC的CPU模块、I/O模块和电源装在一个箱体内，结构紧凑，小型PLC一般采用此种结构。整体式PLC由基本单元和扩展单元组成，两单元之间用扁平电缆连接。模块式PLC用类似搭积木的方式组成系统，它是由框架和模块两部分组成。框架上有总线连接板以及与总线连接的插座，模块可以方便地插入插座。PLC的电源可能是单独的模块，也可能是包含在CPU模块中。I/O模块的个数由PLC所控制的系统的I/O通道数决定。PLC

29、厂家备有不同槽数的框架供用户选用。如果一个框架容纳不下所选用的模块，可以增设一个或几个扩展框架，各框架之间用I/O扩展电缆相连。用户可以选用不同档次的CPU模块，种类繁多的I/O模块和特殊功能块，对硬件配置的选择余地较大，维修也十分方便。图1-1 PLC控制系统示意图1. CPU模块CPU模块主要由微处理器(CPU芯片)和存储器组成。在PLC控制系统中CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来存储程序和数据。 2. 信号模块输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块，开关量输入输出模块简称为DI模块和DO模块，模拟量输入

30、、输出模块简称为AI模块和AO模块，它们统称为信号模块，简称为SM。信号模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。 CPU模块内部的工作电压一般是DC5V，而PLC的尾部输入/输出信号电压一般较高，例如DC24V或AC220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使PLC不能正常工作。在信号模块中，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部和外部电路的输入、输出电路。信号模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。 3. 功能模块为了增强PLC的功能，扩大其应用领域，减轻CPU的负担，PLC厂家开发了各种各样的功能模块（简称为

31、FM）。它们主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高的控制任务，例如高速计数、位置控制和闭环控制等。4. 接口模块CPU模块所在的机架称为中央机架，如果一个机架不能容纳全部模块，可以增设一个或多个拓展机架。接口模块（简称为IM）用来实现中央机架与拓展机架之间的通信，有的接口模块还可以为拓展机架供电。 5. 通信处理器通信处理器(简称为CP)用于PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，例如可以将西门子S7-300/400接入工业以太网、MPI、Profibus-DP和AS-i，或者用于实现点对点通信等3。6. 电源模块PLC一般使用AC220V电源或者DC2

32、4V电源，电源模块（简称为PS）用于将输入电压转换为稳定的DC24V电压，供其它模块和输出模块的负载使用。1.3 典型现场总线简介1.3.1 基金会现场总线 基金会现场总线，即Foudation Fieldbus，简称FF，这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。 基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。Hl的传输速率为3125Kbps，通信距离可达1900m(可加中继器延长)，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。1.3.2 LonWorks

33、LonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术，它是由美国Ecelon公司推出并由其与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的总线标准。它采用了ISO/OSI模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通讯速率从300bps至15Mbps不等，直接通信距离可达到2700m (78kbps，双绞线)，支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，并开发相应的本安防爆，被喻为通用控制网络。1.3.3 HART HART是Highway Addressable Remote Transduer的缩写。最早由Rose

34、mout公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。这种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议，其特点是现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发展。1.3.4 CAN CAN是控制器局域网Controller Area Network的简称，最早由德国BOSCH公司提出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准，已广泛应用在离散控制领域。CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，

35、不过，其模型结构只有3层，只取OSI的物理层、数据链路层和应用层。其信号传输介质为双绞线，通信速率最高可达1Mbit/s，直接传输距离最远可达10km/Kbit/s，可挂接设备最多可达110个。CAN信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总线上的其他节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。CAN支持多站方式工作，网络上任何节点均可在任意时刻主动向其他节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点

36、可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突4。1.3.5 Profibus 1. Profibus概述Profibus (Process Fieldbus的缩写)是一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产商的现场总线标准。它广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他自动化领域。1987年由德国SIEMENS公司等13家企业和5家研发研究机构联合开发。1999年Profibus成为国际标准IEC61158的组成部分。2001年成为中国的机械行业标准JB/T 10308.3-2001。 Profibus主要由三个兼容的协议类型组成，分别是Profibus-

37、FMS、Profibus-DP和Profibus-PA，其中FMS (Field Message Specification)为现场总线报文规范的缩写；DP(Decentralized Periphery)是分散化外围设备的缩写；PA (Process Automation)则代表过程自动化。 Profibus-FMS协议旨在解决车间级通用性通信任务，为用户提供强有力的通信服务功能选择，实现中等传输速度的周期性和非周期性数据传输。建立在该协议基础上的网络通信系统，每次数据传输量可达上千个字节，响应时间为毫秒级，主要用于电气、楼宇、纺织等领域的一般自动化系统。 Profibus-DP协议是专为现

38、场级控制系统与分散I/O的高速通信而设计的，数据传输速率范围在9.6Kbps-12Mbps之间，每次可传输的数据量多达244个字节，采用周期性通信方式，响应时间为毫秒级，可用于大多数工业领域。Profibus-PA协议是需要本质安全或总线供电的设备之间进行数据通信的解决方案，数据传输速率是固定的，其大小为31.25Kbps，每次可传输数据的最大长度为235个字节，采用周期性和非周期性通信方式，响应时间为毫秒级，用于化工、石油、冶金、发电等领域的过程工业自动化系统。为了满足苛刻的实时要求，Profibus协议具有如下特点：（1）不支持长信息段235bit（实际最大长度255bit，数据最大长度2

39、44bit，典型长度120bit）。（2）不支持短信息组块功能。由许多短信组成的长信息包不符合短信息的要求，因此Profibus不提供这一功能（实际使用中可通过应用层或用户层的制定或扩展来克服这一约束）。（3）网络拓扑是总线型，两端带终端器或不带终端器。（4）介质、距离、站点数取决于信号特性。例如，对屏蔽双绞线，单段长度小于或等于1.2km，不带中继器，每段32个站点（网络规模：双绞线，最大长度9.6km；光纤，最大长度90km；最大站数，127个）。（5）传输速率取决于网络拓扑和总线长度，从9.6Kbit/s -12Mbit/s不等。（6）地址定义范围为：0-127（对广播和群播而言，127

40、是全局地址），对区域地址、段地址的服务存取地址（服务存取点Ls）的地址扩展，每个6bit。（7）使用两类站：主站（主动站，具有总线存取控制权）和从站（被动站，没有总线存取控制权）。如果对实时性要求不苛刻，最多可用32个主站，总站数可达127个。（8）总线存取基于混合、分散、集中三种方式:主站间用令牌传输，主站与从站之间用主一从方式。令牌在由主站组成的逻辑令牌环中循环。如果系统中仅有一主站，则不需要令牌传输。这是一个单主站多从站的系统。最小的系统配置由一个主站和一个从站或两个主站组成。（9）数据传输服务有两类：非循环的有/无应答要求的发送数据、有应答要求的发送和请求数据；循环的（轮询）有应答要求

41、的发送和请求数据。2. Profibus的传输技术（1）Profibus-DP/FMS的RS-485传输：对于屏蔽双绞电缆的基本类型来说，Profibus的物理层实现对称的数据传输，符合EIA RS-485标准（也称为H2）。一个总线段内的导线是屏蔽双绞电缆，段的两端各有一个终端器。RS-485传输网络拓扑采用线性总线，两端有有源的总线终端电阻；传输速率为9.6Kbit/s-12Mbit/s；传输介质采用屏蔽双绞电缆；不带中继站点数为每分段32个站，带中继可多达127个站。插头连接最好使用9针D型插头。也可取消屏蔽，取决于环境条件。9针D型连接器针脚定义如图1-2所示。图1-2 9针D型连接器

42、针脚定义（2）Profibus-DP/FMS的光纤传输：Profibus系统可以使用光纤技术。光纤电缆不仅能够抗电磁干扰、实现总线站之间的电气隔离，也可以增加高速传输的距离。（3）Profibus-PA的IEC61158.2传输：为了满足化工行业的本质安全要求，用了IEC61158.2同步传输技术，拓扑机构为总线型、树型和星型，传输速率固定在31.25kbps，实现了总线供电5。1.4 本文的研究内容针对高速轴承疲劳监控系统控制精度不足等现存的问题，本设计采用工控测试领域的新模式，即倡导的PLC+工控机方案，以先进的工控机为监控平台，以PLC为硬件控制核心，完成对高速轴承疲劳监控系统的设计。1

43、.第2章首先介绍了监控系统的系统结构，对系统中使用的PLC和HMI进行了设备选型。综合系统的控制要求给出了基于Profibus-DP总线的监控系统的总体控制方案。2.第3章介绍了监控系统硬件部分的设计。在主轴转速控制系统中介绍了PLC和VACON变频器的接口电路，为了提高PLC转速闭环控制系统的精度，设计了转速脉冲倍频及驱动电路。在加载力控制系统中，设计了PLC与松下伺服电机的接口连接电路。在润滑油温度控制系统中，设计了循环油温度控制系统，其中油泵、加热器和冷却器开关等作为执行设备。在第3章小结中给出了系统的I/O配置表。4.第4章介绍了监控系统软件的设计。软件设计分为PLC的软件设计、工控机

44、的软件设计和HMI的画面组态三大部分。西门子S7-200PLC经由STEP 7 MicroWIN V4.0进行编程，工控机由Visual C+6.0进行可视化开发，HMI由西门子WinCC flexible 2008进行画面组态。5.论文最后对全文进行了总结并给出了结论。第2章 监控系统的设计方案2.1 监控系统的设计要求高速轴承疲劳测试台监控系统主要监控的是高速轴承运行时主轴的转速、轴承轴向/径向加载力和润滑油温度，并对这几个参数进行实时控制。因为轴承的转速较高（最高转速为24000r/min），因此对监控系统的可靠性、安全性、精度等有较高要求。要求选用可靠性较高的PLC进行控制，工控机作为

45、上位机对整个系统进行实时监控显示，并且向PLC给定主轴的速度谱、轴向/径向加载力谱、润滑油的温度谱，PLC接收来自工控机的指令对系统进行实时控制。主轴转速的控制要求主轴电机按工控机预设速度谱运行，主轴由功率为50kW的交流高速电机拖动，电机本身自带转速编码器（输出高电平为5V），电机的速度控制为闭环控制，控制精度为100r/min。轴向/径向加载力的控制要求电机运行时，轴承的轴向/径向加载力大小为工控机的给定值。为了提高控制精度，要求选用伺服电机进行位置的闭环控制，其中轴向/径向各有一台伺服电机进行位置控制，控制精度均为0.5Nm，同时电动缸具有极限位置报警信号。润滑油温度的控制要求为轴承内润

46、滑油温度的高低为工控机的给定值，从而使整个系统的运行不受润滑油温度的过高或者过低的影响。使用加热器对润滑油进行加热，管式冷却器对润滑油进行冷却后再循环利用，要求润滑油温度的控制精度为2，并能够在显示设备上实时显示润滑油的温度和温度报警信号。2.2 监控系统的系统构成高速轴承疲劳监控系统是在计算机技术、PLC技术和网络通信技术、传感器与检测技术等的基础上，采用智能控制技术对测试台进行控制和管理，不断的监测试验机对轴承进行试验时的各种数据，并根据实时信息对试验机进行故障诊断和处理。同时，高速轴承设计人员通过对试验过程中所采集到的各种试验数据进行分析，利用数据挖掘手段或先进的疲劳寿命理论进行轴承疲劳

47、度寿命诊断。高速轴承疲劳监控系统的整体结构简化图如图2-1所示。图2-1 系统结构简化图 为了比较详细的了解整个系统的构成、功能和实现过程，下面分别介绍系统的三大组成部分。1.上位机监控系统：上位机部分包括工控机和人机界面（HMI），工控机的主要作用是给定PLC速度谱、加载力谱和温度谱，类似于工程师站。HMI的主要作用是现场实时显示转速、轴向/径向加载力、温度及各类报警信号，用途是用于现场操作。2.网络通信层：为了方便集中控制和监测，需要把部分控制信号通过数据网络从控制器传送到测试台中的PLC中，以便对各种设备进行有效控制。同时需要把测试台检测到的各种数据传送到控制室中的上位机，便于集中处理和

48、进行有效的管理。由于选用的是西门子的PLC，且工控机需要与多个（6个）测试台进行数据交换，故选用西门子公司研发的Profibus-DP总线进行工控机与PLC的通信。在实际的系统运用中，不仅需要作为工程师站的工控机，也需要现场显示设备，HMI就属于这一类别。选用西门子的PLC和西门子的HMI，可以进行PPI通信，且编程和使用都非常方便。 3.PLC及现场执行系统：根据监控系统的设计要求，此高速轴承疲劳监控系统选用的是西门子S7-200系列PLC中的CPU 224XP。该系列CPU是性价比很高的小型控制器，本身自带14个数字量输入（DI）点，10个数字量输出（DO）点，2个模拟量输入（AI）点，1

49、个模拟量输出（AO），2个RS-485通信端口，支持PPI、MPI、Profibus-DP和工业以太网等多种通信方式。现场执行器包括，变频器，高速轴承拖动主轴电机，加载力伺服电机驱动器，加载力电机，各类阀门开关等，均由PLC进行控制。 2.3 PLC和HMI的选型2.3.1 S7-200CPU和拓展模块 1. S7-200CPU S7-200的CPU模块包括一个中央处理单元、电源以及数字I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。CPU负责执行程序，输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则输出控制信号，驱动外部负载。从CPU模块的功能来看，CPU模块为CPU22*，它具有4种不同的结构配置

50、的CPU单元。S7-200CPU外形如图2-2所示。图2-2 S7-200 CPU外形(1)CPU221它有6输入4输出，I/O共计10点。无扩展能力，程序和数据存储容量较小，有一定的高速计数处理能力，非常适合于少点数的控制系统。 (2)CPU222它有8输入6输出，I/O共计14点。和CPU 221相比，它可以进行一定的模拟量控制和2个模块的扩展，因此是应用更广泛的全功能控制器。(3)CPU224它有14输入10输出，I/O共计24点。和前两者相比，存储容量扩大了一倍，它可以有7个扩展模块，有内置时钟，它有更强的模拟量和高速计数的处理能力，是使用得最多的S7-200产品。CPU224XP是其

51、升级版本的产品,它相对于CPU224主要区别是CPU本身自带有2个模拟量输入、1个模拟量输出端口。(4)CPU226它有24输入16输出，I/O共计40点，和CPU224相比，增加了本机I/O数量、CPU程序存储区以及CPU供电能力。它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。对于每个型号，西门子提供直流（24V）和交流（120-240V）两种电源供电的CPU。如CPU224 DC/DC/DC和CPU224 AC/DC/Relay。每个类型都有各自的订货号，可以单独订货。DC/DC/DC：说明CPU是直流供电，直流数字量输入，数字量输出点是晶体管直流电路的类型。AC/DC/Relay：说明

52、CPU是交流供电，直流数字量输入，数字量输出点是继电器触点的类型。 2. S7-200扩展模块当CPU的I/O点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，就要进行I/O扩展，I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。典型的数字量I/O扩展模块有输入扩展模块EM221，它有三种类型:8点DC24V输入、8点AC输入、16DC点24V。输出扩展模块EM222有五种类型:8点DC24V晶体管输出，每点0.75A；8点继电器输出，每点2A；8点AC120/230V输出；4点DC24V输出，每点5A；4点继电器输出，每点10A。输入/输出混合扩展模块EM223有八种。 当需要完成某些特殊功能的控制任务时

53、，CPU主机可以扩展特殊功能模块。如要求进行Profibus-DP现场总线连接时，就需要EM277 Profibus-DP模块，在这里主要介绍数字量输入输出模块EM223、模拟量输入输出模块EM235和通信模块EM277。 (1)EM223模块提供了数字量输入和数字量输出通道，可根据不同的控制需求选择输入输出端口数，西门子公司提供了4输入/4输出、8输入/8输出、16输入/16输出、32输入/32输出等端口数的拓展模块，每种模块又分为24V DC输出和继电器输出，用户根据实际的控制需求进行选择。 (2)EM235模拟量输入输出扩展模块提供了4通道电流/电压输入和1通道电压/电流输出。其内部集成

54、了A/D转换器、D/A转换器、放大器等多种功能的电路，有很强的抗干扰性，可用于复杂的控制场合。它能够不用放大器而与传感器直接相连，可根据输入模拟量的大小，通过其外置的DIP开关选择不同档位及分辨率。（3）EM277是Profibus-DP从站模块，它是一种智能模块，用于S7-200PLC的通信接口。该模块带有一个RS-485电气性能接口，采用Profibus协议，波特率可根据通信距离长度设定，站点地址由旋转开关设定6。EM277 Profibus-DP扩展模块已定义为DP标准协议从站。一个DP主站组态应包含从站地址、从站类型以及从站所需要的任何参数信息，主站应知道如何存储来自从站读入的数据以及

55、从何处取得写入从站的数据。一旦DP主站网络建立后，主站就初始化其DP从站，将相关参数赋值信息和I/O配置写入到从站，然后再与从站交换I/O数据，并验证DP从站所接收的参数和I/O配置是否正确，若诊断正确，则主站开始与从站进行数据通信。当S7-200CPU基本单元安装EM277 Profibus-DP扩展模块后，它便成为Profibus-DP网络中的一个从站。EM277 Profibus-DP一方面经过串行I/O总线与S7-200基本单元连接，另一方面通过DP通信端口与Profibus网络连接，它在S7-200CPU与Profibus网络之间起桥梁作用。EM277模块作为DP从站接收来自主站的多

56、种不同的I/O配置，向主站发送和接收不同数量的数据。为了能将EM277作为一个DP从站使用，用户为它所设定的端口地址必须与主站组态所设定的DP端口地址相匹配。从站地址由EM277模块上的旋转开关设定，改变设定地址，用户必须重新启动CPU电源才能使新的从站地址起作用。工作时主站将其输出区的信息发送到从站的输入缓冲区，与每个从站交换数据。从站将其输出缓冲区的数据返回给主站的输入区，以响应来自从站的信息7。2.3.2 PLC的型号选择PLC是整个监控系统最重要的组成部分,几乎所有的网络通信、硬件设计部分都是围绕着PLC为核心而展开的。PLC的选择是本监控系统的重中之重，既要求满足系统的控制需求，又要

57、求经济可靠。综合系统的控制需求，本监控系统选用西门子S7-200PLC中的CPU 224XP CN DC/DC/DC,订货号为：6ES7 214-2AD23-0XB8。其技术指标如表2-1所示。表2-1 CPU224XP部分技术指标8外形尺寸（W*H*D）mm140*80*62数字量输入DI14功耗 W8数字量输出DO10输入电压V20.4至28.8 DC模拟量输入AI2输入电流A120 mA（仅CPU）900 mA（最大负载）模拟量输出AO1程序存储器bytes12288 在线编辑16384 非在线编辑模拟量输入电压范围10V数据存储器bytes10240模拟量输入分辨率11位加一个符号位定

58、时器总数256模拟量输出信号范围电压：0至10 V电流：0至20mA计数器总数256高速计数器6数字I/O映象区256掉电保持时间100小时/典型值模拟I/O映象区64接口2个RS-485接口最大拓展模块数7PID指令8条高速脉冲输出2路（Q0.0和Q0.1）2.3.3 Smart Line精彩系列面板如今，可视化是大多数机器标准功能的一部分。在这种情况下，成本因素就起着至关重要的作用，对于一些小型机器和简单应用尤其如此。通常情况下，具有基本功能的HMI设备就可以完全满足简单应用的需要。这也正是Smart Panel的设计初衷。Smart系列的HMI设备关注于基础，完全具备所需的这些基本功能，

59、并且价格合理。正如西门子产品目录中的所有设备一样，新型Smart Panel具备经证实的SIMATIC（Siemens Automatic，西门子自动化）质量，并提供大量标准软件功能，例如，报警系统、配方管理、趋势功能及语言切换。因此，用户能够从可视化的优势中获益，即便对于简单应用也是如此9。Smart Panel分为Smart700和Smart1000两种型号，每种型号的HMI都自带一个RS-422/485接口，支持PPI协议，可用DB9针连接线直接与S7-200PLC连接通信，为节约成本本监控系统选用Smart700触摸屏。2.4 监控系统网络通信的设计方案高速轴承疲劳测试台监控系统的网络

60、通信层涵盖到本系统的各个方面，是系统的重要组成部分。从作为上位机的工控机（工程师站）开始，再到PLC控制器，最后一直到底层执行器为止，都离不开网络通信，网络通信参与到系统的各个环节，将系统的各大组成部分有机的结合起来，构成一个统一的整体，使整个监控系统能够高效、有序的运行起来。图2-3 监控系统网络通信简化图2.4.1 PLC与工控机通信的设计方案 整个系统包括1台工控机，以及6个高速轴承疲劳测试台，工控机需要与每个测试台的控制器进行通信，其主要作用是给定PLC速度谱、载荷谱和温度谱。各个测试台之间不需要进行通信。6个测试台选用的控制器均为西门子S7-200 CPU224XP CN PLC，为

61、了增加设计的侧重性，本论文着重讲述工控机对其中某一台PLC的网络通信以及PLC的硬件设计部分，其余5个测试台的设计可依照本论文得出，不同点只是在工控机下面多下挂5个从站，但从站地址不同。根据Profibus技术原理，一个最小系统至少由一个Profibus（1类）主站和若干Profibus从站组成。主站在一个限定时间内（Token Hold Time）对总线有控制权，从站只是响应主站的请求，它们对总线没有控制权。本监控系统采用PC机+CP5611网卡+控制软件作为工控机即Profibus-DP主站。其中CP5611网卡负责计算机通信信号与Profibus之间的信号转换。控制软件安装在PC机上，负

62、责对整个Profibus-DP网络进行控制及组态。值得注意的是，对于这种结构类型，PC机故障将导致整个系统瘫痪，因此PC机应选用具有高可靠性、能长时间连续运行的工业级PC机。另外，通信模板厂商通常只提供一个模板的驱动程序，总线控制、从站控制程序、监控程序可能要由用户开发，因此应用开发工作量可能会比较大。图2-4 PLC与工控机网络通信图 2.4.2 PLC与HMI的通信设计方案 PPI（Point to Point Interface，点对点接口）是西门子专为S7-200PLC系统开发的通信协议。它基于“令牌环”的工作机制。PPI是一种主-从协议，通信主站之间传递令牌，分时控制整个网络上的通信

63、活动。读/写从站数据。主站和从站都通过不同的网络地址（站号）来分区。主站设备发送数据读写请求到从站设备，从站设备响应。从站不主动发信息，只是等待主站的请求，并且根据地址信息对请求做出响应。PPI网络中可以有多个主站。PPI并不限制与任意一个从站通信的主站数量，主站也可以响应其他主站的通信请求。S7-200CPU上集成的通信口支持RS-485网络上的PPI通信。CPU通信口在电气上与CPU的内部电源不隔离，支持的通信距离为50m。PPI支持的通信速率为9.6K波特、19.2K波特和187.5K波特。其他设备，如TD200文本显示器和TP177 micro触摸屏等人机操作界面设备，也可以通过RS-485网络与S7-200CPU直接连接，以PPI协议和CPU通信。此外，PPI通信还是最容易实现的S7-200CPU之间的网络数据通信。只需要编程设置主站通信端口的工作模式，然后就可以用网络读写指令（NETR/NETW）读写从站的数据。图2-5 PLC与HMI连接