机械电子工程硕士论文-载重汽车变速箱寿命试验台测控系统的设计.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 载重汽车变速箱寿命试验台测控系统的设计 姓名：彭俊荣 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：周云飞;严思杰 20080525 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘摘 要要 本文介绍了载重汽车变速箱寿命试验台测控系统的设计。 变速箱试验台测控系统是一个检测平台，主要为检测人员提供对变速箱的输入转 矩、输入转速和负载的控制，并将变速箱的工作状态和重要数据反映给检测人员，以 满足检验和提高产品质量的需要。 试验台测控系统采用上下位机的测控方式，上位机主要用于对试验数据的采集、 显示和分析，在自动模式下还能对试验台进行简单的操作控制；下位机是测控系统的 控制核心，实现自动模式和手动模式下对试验台的控制。 根据数据采集的需要，采用了转速转矩传感器和温度传感器及相应的变送器等来 获取变速箱的实际速度、转矩和温度值，并配置了 a/d 数据采集卡和脉冲计数卡用于 信号的转换。另外，还安装了液晶显示屏和温控仪等二次仪表用于手动模式下重要信 号的显示。 测控系统的上位机操作系统为 windows 2000 server，测控软件以 microsoft visual c+ 6.0 和 microsoft sql server 2000 为开发平台，实现了实验数据的采 集、显示和处理，并通过与 plc 之间的通信实现了自动模式下对试验台的控制，做到 了界面美观，操作方便。下位机程序采用西门子公司提供的 step7-microwin v3.2 编 程软件进行编程。 本试验台测控系统紧跟国内外变速箱试验台的发展趋势，采用了新的测控软件和 测控方法，对于促进我国变速箱试验台的研究，提高我国大功率变速箱的质量和性能 具有积极的影响和意义。 关键词关键词：变速箱试验台 测控系统 数据采集 动态显示 实时性 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract what this article introduced is the design on signal collecting (5)通过软件选择模拟量输入范围： 两级：625. 0，25. 1，5 . 2，5，10 单级：00.25，02.5，05，010 (6)16 个数字输入和 16 个数字输出； (7)一个 12 位的模拟输出通道； (8)灵活的触发方式：软件触发、可编程触发、外部触发； (9)数据交换方法：程控、中断控制或者是 dma; (10)全新的 160 引脚，1.0m的 cmos asic 芯片(cmos：互补金属氧化物半导体) 3.2.4 可编程控制器可编程控制器 在考虑了实际的需要，以及价格、功能等多方面的因素后，选择采用西门子s7- 200系列的可编程控制器，其cpu型号为cpu226ac,订货号为6es7 216-2bd23-0xb0。 该型plc的特性如下7： (1)程序存储区：8192字节 (2)数据存储区：5120字节 (3)掉电保持时间：190h (4)输入/输出口：24入/16出 (5)扩展模块数量：7块 (6)高速计数： 单相6路 30khz，双相4路 20khz (7)通讯口：2个rs-485通讯口 另外，为了实现手动模式下的无级调速，还扩展了一个模拟量输入模块和一个模 拟量输出模块。其中，模拟量输入模块的名称为em231，有4路模拟量输入，订货号为 6es7 231-0hc22-0xa0。模拟量输出模块的名称为em235,有2路模拟量输出，订货号为 6es7 235-0kd22-0xa0。 3.2.5 变频器变频器 1）变频器的工作原理 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 24 我们知道，交流电动机的同步转速表达式为: p sf n )1 (60 = (3.4) 式(3.4)中:n为异步电动机的转速。 f为异步电动机的频率。 s为电动机转差率。 p为电动机极对数。 由上式可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速， 当频率f在050hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改 变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。 2）变频器控制方式 低压通用变频输出电压为380650v, 输出功率为0.75400kw，工作频率为0 400hz，它的主电路都采用交直交电路。其控制方式有正弦脉宽调制(spwm)控制方 式、电压空间矢量(svpwm)控制方式、矢量控制(vc)方式、直接转矩控制(dtc)方式、 矩阵式交交控制方式等。 3）变频器的选择 由于机械系统中选用的是交流变频调速电机，最大功率为160kw，而且对控制精度 要求较高，加上plc采用的是西门子的产品，因此考虑到产品的兼容性和质量的可靠 性，选择采用西门子的mm440变频器，订货号为6se6440-2ud41-6ga1。控制方式为无传 感器矢量控制方式。 3.2.6 显示仪表显示仪表 1）温度显示仪表 温度显示仪表选用xmt系列温控仪，该类仪表采用先进的中大规模集成电路，并应 用了独特的非线性校正持技术，与传统的xc系列动圈式仪表、普通td和te系列模拟式 仪表相比，具有精度高、可靠性好、抗振性强、安装方便、读数清晰、无视差、可远 距离观察等独特优点，是xc系列仪表、td及te系列仪表理想的更新换代产品，可广泛 应用于-2001600范围内的温度测量和自动控制。 (1)主要技术指标 显示方式：三位或四位led数码管直接显示被测值； 显示误差：小于0.5%fs1字、小于1%fs1字二档； 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 25 设定点偏差：小于0.5%fs、小于1%fs二档； 输出触点容量：交流220v/7a（直接控制功率1kw以下，阻性负载）， 工作电源：（180240）vac，50hz，功率小于4w； 工作环境：温度050，相对湿度小于85%的无腐蚀性气体场合。 (2)工作原理 在原理框图中，由热电偶、热电阻等传感器送来的信号在测量桥路中进行冷端自 动补偿后，送入放大器，一面把信号进行放大，同时把非线性信号校正为线性信号， 经线性化放大信号，一路a/d转换电路把模拟量转换成数字信号进行数字显示，另一路 传输到调节网络，进行规定的比较运算，同时输出一个需要的控制信号和进行工作状 态指示。 测量 桥路 信号 放大 a/d转换信 号处理 显示测量值、设定值 控制 输出 设定 传感器信号 图3.5 xmt温控仪工作原理图 (3)具体型号的选择 经过比较，选择采用北京中西远大科技有限公司的sl23_xmt-102温控仪，该温 控仪显示精度为1%，测温范围为-501600，满足设计要求。 2）转矩、转速显示仪表 转矩转速传感器输出的转矩和转矩信号都是经过处理的标准脉冲信号，因此转矩 和转速的显示仪表只需要具有脉冲计数功能和足够的显示位数即可。 经过比较，选择采用台湾北崎 fk 系列智能拨码数字测速表。其 fk 系列智能多功 能仪表，可以作为频率、转速、线速度使用，fk 系列仪表具有单/双拨码设定，三路继 电器带回差报警输出。其主要技术参数如下： (1)输入信号：脉冲信号、方波、正弦波：5h30v，0l2v,上升沿触发 (2)输入阻抗： 10k (3)频率测量范围： 0.17000hz (4)显示范围： 0.00099999 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 26 (5)倍率设定范围： 根据显示位数变化比率设定范围变化 0.00019999.9 (6)外供辅助电源： 12vdc10 50ma max (7)输出类型： 具电器触点输出 (8)继电器触点容量： 250vac/3a 或 30vdc/5a (9)绝缘电阻： 100m (10)供电电源： ac110v/220v 或 90250vac/dc 3.3 通信协议的选择通信协议的选择 目前plc和pc机的互联通信方式主要有以下几种 9: 1) 通过plc开发商提供的系统协议和网络适配器，构成特定公司产品的内部网 络，其通信协议不公开。互联通信必须使用开发商提供的上位机组态软件，并采用支 持相应协议的外设。这种方式其显示画面和功能往往难以满足不同用户的需要。 2)购买目前通用的上位机组态软件，实现plc和计算机的互联通信，这种方式除了 要增加系统投资以外，其运用的灵活性也受到一定局限。 3) 利用plc厂商所提供的标准通信端口和由用户自定义的自由口通信方式，实现 plc和个人计算机的互联通信。这种方式不需要增加投资，具备较好的灵活性，特别适 合小规模控制系统。 本系统中采用自由口通信方式。pc机的标准串口为rs232。 s7- 200系列cpu224提 供2个串口，其中一个端口(port1)作为dp口，另一个端口(port0)为自由口，自由口为 标准rs485串口。西门子公司提供的pc/ppi电缆带有rs232/rs485电平转换器，因此在 不增加任何硬件的情况下，可以很方便地将plc和pc机互联。 3.4 测控系统硬件的最终组成图测控系统硬件的最终组成图 在完成了对各关键硬件设备的选型之后，根据所选择的各设备的实际工作方式， 得到自动模式下和手动模式下的最终组成图如下（图 3.6、图 3.7） 。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 27 电动机传 动 齿 轮 箱 i 变速箱 （主试） 变速箱 （陪试） 传 动 齿 轮 箱 ii 电动同步 加载器 转矩转速 传感器 转矩转速 传感器 变频器变送器变送器变送器 plc pcl-836 rs232/485转换器 工控机 温度传感器温度传感器 加速度传感器 分析仪pcl-818hd 图 3.6 自动模式下的测控硬件最终组成图 电动机传 动 齿 轮 箱 i 变速箱 （主试） 变速箱 （陪试） 传 动 齿 轮 箱 ii 电动同步 加载器 转矩转速 传感器 转矩转速 传感器 变频器 xmt温控仪xmt温控仪 plc 控制面板 温度传感器温度传感器 液晶显示屏液晶显示屏 加速度传感器 分析仪 变送器 图 3.7 手动模式下的测控硬件最终组成图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 28 3.5 电气控制系统的设计电气控制系统的设计 3.5.1 电气控制系统总体设计电气控制系统总体设计 电气控制系统主要由控制台、电气控制系统和安全保护系统等组成。 1）控制台： 电气控制台将所有需要控制和显示的部分集中在一起，便于操作人员对试验台进 行操作，控制面板主要包括以下信息10-15： 总电源开关； 驱动电机启动/停止按钮； 加载器启动/停止按钮； 急停按钮； 电源指示灯、报警信号灯； 扭矩、转速、温度显示仪表； 监控电气系统的电压、电流等仪表； 输入转速、输入转矩和加载转矩旋钮。 2）电气控制系统： 电气控制系统主要包括强电控制部分和弱电控制部分，两部分的电气元件和接线 的主要部分分开敷设，分别置于强电柜和弱电柜内。强电控制部分包括各种接触器如 驱动电机控制、加载电机控制、润滑系统控制和冷却系统控制等；弱电控制部分包括 各种中间继电器、指示灯、按钮、电磁阀等。 为确保设备和人身安全，弱电控制部分的中间继电器、指示灯、电磁阀等的供电 电压均采用 dc24v，强电控制部分的接触器等元件采用 110/220vac 控制，采用变压器 与动力电源隔离。 电气控制系统中的电器元件均采用施耐德的产品。 3）安全保护系统： 安全保护系统包括以下几个方面： 对电源的监视：当电网上出现过大的电压或电流时，通过保险丝熔断或空气开 关跳闸等方式，保护试验台测控系统； 对电机的保护：当驱动电机出现超速、超载等状况时，通过 plc 给变频器发送 指令，立即停止电机； 对操作人员的保护：当机械部分的安全护栏没有处于工作位置时，电气控制系 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 29 统无法启动驱动电机和加载器，避免误启动和误操作。 3.5.2 电气控制图电气控制图 1）强电图 plc jc jc-1 驱动电机 jc-2 jc-3 jd r s t u v w p1 p n gnd r0 t0 gnd 空气开关k1 空气开关k2空气开关k3 mk l1 l2 l3 n1 n2 n3 n4 n5 n6 n7n8 n11 n12 n13 n14 n15 n16n17 n18n19n20 n21 n22 n23 n24 ac220v +dc24v- 电动同步加载 器电源插座 电源指示灯 接触器线圈 齿轮传动箱润滑 系统电源插座 变速箱冷却系统 电源插座 工控机电源 插座 分析仪 电源插座 单相变压器 t1 n9n10 图3.8 强电图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 30 2）弱电图 plc 1m i0.0 i0.1 i0.2 i0.3 i0.4 i0.5 i0.6 i0.7 2m i1.0 i1.1 i1.2 i1.3 i1.4 m +24v(out) 1l+ q0.0 q0.1 q0.2 q0.3 2l+ q0.4 q0.5 q0.6 3l+ q0.7 gnd n(ac) l(ac) d- d+ rd c- c+ rc b- b+ rb a- a+ ram l+ m0 v0 i 0 m1 v1 i 1 m l+ em232em231s7-200(cpu226ac) q1.0 q1.1 输入转矩报警信号输入口 启动按钮 复位按钮 停止按钮 自动/手动选择开关 防护罩位置开关 1 防护罩位置开关 2 5 6 2 3 4 10 11 输入转速报警信号输入口 输出转矩报警信号输入口 输出转速报警信号输入口 mm440 变频器 报警指示灯 jd 报警蜂鸣器 输入转速旋钮 输入转矩旋钮 n13 n14 n25 n26 n27 n28 n29 n30 n31 n32 n36 n37 n38 n39 n40 n41 n42 n43 n46 n47 n48 n49 n50 n51 n52 n46 正转/反转选择开关 温度报警信号输入口 加速度报警信号输入口 n33 n34 n35 加载转矩旋钮 n44 n45 图3.9 弱电图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 31 3.6 本章小结本章小结 本章根据总体设计要求，提出了测控系统的硬件组成原理图，并根据原理图，对 主要设备进行了选型，确立了主要设备之间的通信方式，最后根据所选设备的工作方 式，得出了最终的硬件组成图和电气控制图。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 32 4 试验台测控系统软件设计试验台测控系统软件设计 软件是测控系统的灵魂，如果没有软件，测控系统将无法完成各种灵活的控制功 能和数据采集功能。根据第二章的软件总体设计的要求，本章对测控系统的软件做出 了具体的设计。 4.1 软件总体结构软件总体结构 试验台的测控软件分为上位机软件为和下位机软件，上位机软件为工控程序，运 行的系统平台为windows 2000 server，下位机软件为plc程序。其结构如下图所示 （图4.1） ： 测控软件 工控程序plc程序 图4.1 测控软件的总体结构 4.2 工控程序的编写工控程序的编写 4.2.1 编程软件的选择编程软件的选择 在windows环境下开发测控软件，可以采用的方式很多。像一般的工业控制可以 选择采用组态软件来开发，然后需要具有一定的数据显示功能的测控软件可以采用vb 来开发，而且程序的编制也十分的简单。 但在现实中，许多大的应用系统都是基于vc+平台开发的16-19，vc+是现今最 复杂、但是功能也最强大的一种windows应用程序开发工具，在图形处理和数据库管 理等方面具有较强的功能，并且用它来实现底层的通信控制有着更快的速度。而且由 于其开发出来的应用程序与windows操作系统紧密结合、代码执行效率高，因此选择 采用vc+6.0来开发上位机的测控软件。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 33 4.2.2 软件界面设计软件界面设计 按照软件本身的界面层次结构，可以将软件的操作界面结构表示如下： 开始界面 登陆界面 主界面 测试界面数据库管理界面用户管理界面 图4.2 软件操作界面结构图 以上各界面的主要功能如下： 1）开始界面 主要显示该试验台的名称、软件的使用厂家、软件的设计单位和版本号等信息。 2）登陆界面 主要是为了防止无关人员对试验台测控系统的误操作而设立的登陆界面，此界面 需要输入具有操作权限的操作人员的用户名和密码。 3）主界面 该界面主要是选择操作内容，通过该界面的选择按钮，可以进入测试界面、数据 库管理界面或用户管理界面。 4）测试界面 主要实现对试验台的控制、保护，对试验参数的输入，对采集数据的显示、分 析、打印和保存等功能。 5）数据库管理界面 主要实现对数据的查询、修改、删除等功能。 6）用户管理界面 主要实现对用户密码的修改、用户的添加、删除等功能。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 34 4.2.3 动态显示测试曲线功能的实现动态显示测试曲线功能的实现 1） 数据转换 24-27 曲线存在于坐标系统中，它是数据的图形化表示。要想把数据转变成曲线，必须 把每一个数据变换成相应坐标下的一个点。对于单个数据必须加上一个横坐标或纵坐 标才能构成一个坐标点。通常将要处理的数据作为纵坐标，附加一个数作为横坐标。 在实际应用中，经常出现接收到的数据大小很难刚好适合于作为显示点纵坐标（其大 小有可能超出屏幕显示范围）的情况。所以，必须对其按比例进行压缩（即对所有的 数据除以一个整数），使之刚好能够作为一个显示点的纵坐标并符合程序员的要求。 有了点，就能构成曲线。把所有点的横坐标按照递增的顺序构建，然后将所有的点用 直线首尾相连，反映数据变化的曲线就形成了。 2）曲线的动态显示 曲线显示有静态显示和动态显示之分。静态显示的曲线是一个静止图形；而动态 显示的曲线是一个变化图形，实现对变化数据的实时显示 28-33。 (1)曲线的更新算法 由于计算机不断地接收来自外设的数据，所以曲线是不可能在有限的显示屏中一 次性地全部显示出来，曲线只能以动态的形式通过显示屏幕，而且每一时刻可以看到 的都应该是最近刚接收到的n个数据所画出来的曲线。为了实现“在有限的显示屏中动 态显示曲线”这一功能，首先要对接收到的数据进行处理。数据处理通常有多种算 法：比如，可以构建一个“先进先出”的队列，该队列保存了最近n个数据，每接收到 一个数据，经过处理，就将其插入队列中，当队列满了以后，新的数据就会把队列最 前面的数据“顶”出去，这样始终都能保证保存的n个数据是最新的；再比如，可以用 一个数组，每次新数据来到时，就将前面的所有数据向后移一个位置，把新的数据插 入下标为n的位置，数组满了以后，最前面一个数据自动就会被新来的数据“挤”出 去，其原理类似于队列法。第三种，可以构建一个指针队链，每个节点是一个含有一 个数据和一个指向下一个节点的结构体指针，这样n个节点就可以构成一条链，让该链 的链头和链尾连起来就构成一条循环的链，每次新数据来到时，就将其插入头节点的 前面，并且头指针指向当前位置（指针前移），即指向刚放入数据的节点，当尾指针 和头指针重合时，只需尾指针前移一个节点就可以了。以上三种算法各有千秋，在实 际应用中应根据不同需要选择合适的方法。若从复杂程度方面考虑，采用第二种较为 合适，其更新原理图如图所示（图4.3）： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 35 像素点1 像素点2 像素点3 像素点4 像素点n 像素点n-1 像素点n-2 像素点n-3 像素点2 像素点3 像素点4 像素点5 null 像素点n 像素点n-1 像素点n-2 像素点2 像素点3 像素点4 像素点5 新采样值 像素点n 像素点n-1 像素点n-2 图4.3 曲线动态显示时数据的更新原理图 (2) 屏幕闪烁的解决方案 34-36 我们采用“双重缓冲”技术，首先在缓冲区中把曲线绘制好（即形成一个位 图），然后将其中的内容拷贝到屏幕上（即将位图绘制到屏幕上）。这样曲线一次性 地在屏幕中显示出来，使得绘图时间大为缩短，从而基本消除了闪烁现象。实践证 明，这样绘制出来的图形流畅，视觉效果很好。 4.2.4 光标回放功能的实现光标回放功能的实现 动态显示曲线功能中，用于保存各像素点的值的空间是固定的，而且很有限，所 以对于溢出的数据无法保存。因此，为了实现光标的回放，必须另外分配内存空间来 保存所有采集到的数据。 本设计采取的措施是：根据自动模式下测试总共所设定的时间来计算总共所要采 集到的数据量，动态的分配相应大小的内存空间，然后将整个测试过程中的数据都存 放在该内存空间中。 内存空间分配大小的计算公式为： ptfn+= (4.1) 式(4.1)中：n表示需要分配的空间的大小； f表示采样频率（单位：hz） ； t 表示测试时间（单位：秒） ； p表示为显示区域的像素点分配的内存空间的大小。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 36 然后，在曲线显示控件区域的下方设置一个滚动条，将测试的时间与滚动条的总 长度对应起来。这样，当停止测试的时候，就可以通过拖动滚动条来实现对测试曲线 的光标回放了。 4.2.5 实时打印测试曲线功能的实现实时打印测试曲线功能的实现 在测试界面中，设置了实时打印功能。当处于光标回放状态下时。测试员可以随 时将测试的某一段曲线打印出来进行分析。虽然mfc的sdi和mdi框架内置了功能 强大的打印和预览功能，但是，本软件编写的程序都是基于对话框的应用程序，因 此，必须自己来编写打印和打印预览功能。在软件中，打印预览的功能是通过在对话 框的窗体上直接划分一块区域来进行绘图实现的 38，在打印的时候，通过调用 cprintdialog打印对话框进行打印。为了使预览时的打印效果与实际的打印输出相一 致，需要在打印时乘以一定的比例因子。 4.2.6 测试数据保存功能的实现测试数据保存功能的实现 1）需要保存的数据 为了便于以后的数据分析和检查，需要将采集到的数据进行保存。在该试验台 中，需要保存的数据有测试日期、产品系列、同系列产品测试编号、加载方式、测试 档位、设定测试时间、实际测试时间、设定转速、实际输入转速、实际输出转速、设 定转矩、实际输入转矩、实际输出转矩、实际温度值、最大输入转速、最大输出转 速、最大输入转矩、最大输出转矩、最低温度、最高温度等。另外，为了防止无关人 员随意操作试验台，还需要设置一个用户管理数据库，需要保存的用户数据有用户 名、用户密码、用户等级等。 2）数据的保存 对于数据的保存，有很多数据库可以选择，如sql server ,oracle, access等。由于 进行疲劳寿命试验时，最长的测试时间会达到72小时，而对转矩和转速的采样频率要 求为1000hz，再加上每次测试过程中，其它测试时也有很多数据需要采集，因此，每 次测试的数据量都很大，保存的期限也会很长。对此选择采用sql server2000来做为 试验数据的存储数据库39。 为了简化在不同界面下对数据库的操作代码的编写，笔者在设计过程中，将数据 库操作的代码封装在一个类中，类名为 adoconn，返回值为 void。根据数据库操作的 特点，分别定义了四个函数： void adoconn:oninitadoconn()、_recordsetptr(2)利用vc的端 口操作函数直接对串口进行操作;(3)使用microsoft visual c+的通信控件mscomm。 由于mscomm在串口编程时非常方便，程序员不必花费时间去了解较为复杂的api函数， 就能通过串行端口传输和接收数据，故采用此方法 41。 mscomm控件提供了一系列标准通信属性和方法，使用它可以建立起应用程序与串 行端口的连接，完成串行数据的发送和接收。其基本属性说明如下: commport:设置并返回通信端口号； settings: 以字符串形式设置并返回数据传输速率、奇偶校验、数据比特、停止 比特； portopen :设置并返回通信端口的状态，也可以打开和关闭端口； input: 返回并删除接收缓冲区中的数据流，在运行时为只读； inputmode:设置或返回input属性取回的数据的类型，数据取回的形式或是字符串 或是一数据组的二进制数据的数组； output: 向发送缓冲区写数据，在运行时为只写； commevent:返回最近的通信事件或错误的数字代码，通信程序设计时可以根据该 属性值执行不同的操作，在运行时为只写。 在通信时如果发生错误或者事件，将会引发oncomm事件并且改变其属性值。在pc 与plc进行通信时，使用此功能可以自动地完成上位机对plc所发送信息的接收，从而 实现对plc寄存器数据的读取，以便监控plc的状态。 另外在程序中，以自定义的通讯协议为格式编写read(),write(),setbit()函数实 现pc对plc读/写数据及置位操作;编写openport(), dectostr(int hex)函数实现对pc 机串口的初始化和通信指令的十六进制编码；编写verify(char* txdatal, char *txdata2)函数实现pc机对通信指令的bcc校验。 4.3 plc 程序的编写程序的编写 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 40 4.3.1 plc 程序的编程软件程序的编程软件 plc程序的编程软件为生产厂家提供的step7-microwin编程软件。 4.3.2 plc 程序的结构程序的结构 plc程序结构如图4.5所示，当出现不同状况时，主程序根据判断，将进入不同 的子程序进行相应的逻辑控制。 plc主程序 自 动 控 制 模 式 子 程 序 手 动 控 制 模 式 子 程 序 故 障 中 断 子 程 序 通 信 中 断 子 程 序 图4.5 plc程序结构图 4.3.3 plc 输入输出口的功能定义输入输出口的功能定义 plc的输入口有8个开关量输入和4个脉冲量输入，输出口有4个开关量输出和两个 模拟量输出。各输入口和输出口的作用和要实现的功能如下表（表4.1、表4.2）所 示： 表4.1 plc输入口的功能和作用 端口号 端口名称 端口作用和功能 i0.0 启动按钮 上升沿触发，控制整个试验台控制系统的启动 i0.1 复位按钮 上升沿触发，控制整个试验台复位 i0.2 停止按钮 上升沿触发，按下后整个系统将立即停止运行 i0.3 自动/手动选择开关 上升沿触发，常开时为自动模式 i0.4 防护罩位置开关1 上升沿触发，得电表示防护罩处于开启状态 i0.5 防护罩位置开关2 上升沿触发，得电表示防护罩处于封闭状态 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 41 续表4.1 plc 输入口的功能和作用 i0.6 正转/反转选择开关 上升沿触发，常开时为正转方式运行 i0.7 温度报警输入口 上升沿触发，由xmt温控仪发送过来 i1.0 加速度报警输入口 上升沿触发，由分析仪发送过来 i1.1 输入转矩报警输入口上升沿触发，由输入转矩液晶显示屏发送过来 i1.2 输入转速报警输入口上升沿触发，由输入转速液晶显示屏发送过来 i1.3 输出转矩报警输入口上升沿触发，由输出转矩液晶显示屏发送过来 i1.4 输出转速报警输入口上升沿触发，由输出转速液晶显示屏发送过来 表4.2 plc输出口的功能和作用 端口号 端口名称 端口作用和功能 q0.0 电机启停控制口 高电平启动/低电平停止 q0.1 电机正/反转控制口 低电平正向/高电平反向 q0.2 故障报警口 高电平有效，用于故障报警 q0.4 冷却开关 高电平有效，用于控制冷却系统的启停 4.3.4 plc 通信程序的编写通信程序的编写 plc编程通过使用xmt(发送指令)、rcv(接收指令)、发送中断、接收中断等指令来 实现用户程序对通信端口的控制;通过定义initialize, verify、rcvfinish, xmtfinish, read, write, setbit子程序实现串口通信 42。 plc在第一次扫描时执行初始化子程序initialize，对端口及rcv指令进行初始 化。rcv指令使端口处于接受状态；会将以“g”开头“g”结尾的指令保存到接收缓冲 区，并同时产生接收完成中断。 rcvfinish中断服务程序用来处理接收完成中断事件，它会将接收缓冲区中的十六 进制ascii码还原成数据并保存，同时置位verify子程序的触发条件。 verify子程序首先复位本身的触发条件以防止子程序被重复调用，然后求出接收 缓冲区中指令的bcc校验码并与指令中的bcc校验码进行比对。如果相等则置bcc码校验 正确的标志位为1；如果指令格式正确而bcc码不相等，则发送代表bcc校验码错误的反 馈信息;如果指令格式不正确则返回代表指令格式错误的反馈信息。 read子程序的触发条件为:指令中的站地址与本机站地址相符、指令类型为读指 令、bcc检验码正确。当条件满足时，read子程序被执行。read子程序首先禁止rcv， 然后将指令所要读取的数据转换成十六进制ascii码并写入发送缓冲区、计算bcc检验 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 42 码、最后发送反馈信息。 write子程序的触发条件为:指令中的站地址与本机站地址相符、指令类型为写指 令、bcc检验码正确。当条件满足时，write子程序被执行。write子程序首先禁止 rcv，然后将指令中的数据写入目标寄存器，最后发送代表写入正确的反馈信息。 setbit子程序的触发条件为:指令中的站地址与本机站地址相符、指令类型为置位 指令、bcc检验码正确。当条件满足时，setbit子程序被执行。setbit子程序首先禁止 rcv，然后将指令中的指定的目标位寄存器置位或复位，最后发送代表置位正确的反馈 信息。 plc每接到一条指令后都会发送一条反馈信息，当反馈信息发送完成时，会产生 发送完成中断，xmtfinish中断服务程序用来处理发送完成中断事件。在xmtfinish中 断服务程序中所要执行的操作包括:复位bcc校验码正确的标志位；允许rcv；bcc码 寄存器清零；重新装入用于计算bcc校验码的地址指针；接收缓冲区中存放指令结束 字符的字节清零。 4.4 本章小结本章小结 本章根据测控软件的总体设计要求，将测控软件分为工控程序和plc程序。对于 工控程序，本章选定了上位机编程软件，并叙述了利用该上位机软件实现各种功能的 方法和过程；对于plc程序，本章提出了程序的基本结构，对plc的各输入、输出口 的功能和作用做了定义，并解释了plc通信程序的编写方法。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 43 5 测控系统的调试测控系统的调试 测控系统的调试分为现场调试和离线调试。由于试验台的机械系统和系统接线均 没有完成，而测控系统调试的任务是检验测控系统的功能是否正常，其上位机的动态 显示、光标回放、实时曲线打印、数据保存和运行参数设置等都可以进行离线调试， 下位机plc程序的控制功能也完全可以离线调试，因此选择对系统进行离线的调试。 5.1 调试平台的搭建调试平台的搭建 1）试验平台的硬件设备及组成 采用的硬件设备为一台工业控制计算机、一台与现场实际使用的plc相同的可编 程控制器及其扩展模块和接口转换器、一台ca1640-02型函数发生器/计数器、一块 pcl-818hd数据转换卡、一块pcl-836计数卡和若干连接线等辅助装置。调试试验台 实图照片如下所示（图5.1） ： 图5.1 调试平台实物图 其组成结构如下图所示（图5.2） ： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 44 函数发 生器 pcl-836 工 控 机 pcl-818hd plcrs232/485 图5.2 调试设备组成简图 2）试验平台的软件安装 (1)在工控机上安装windows 2000 server操作系统； (2)将数据采集卡插到在工控机上，并安装好驱动程序； (3)安装plc编程软件step7-microwin v4.0.exe，将plc程序通过转换器输入到 plc； (4)安装sql server 2000数据库软件，并建立本测控软件的数据库文件； (5)安装上位机测控软件。 5.2 调试内容调试内容 在变速箱试验台上可进行的操作内容很多，但在其使用上基本是一样的。对于测 控系统来说，其主要的调试的内容包括三个方面： (1)检测上位机的数据采集、显示和处理功能； (2)检测plc软件的控制功能； (3)检测上位机与plc的通信功能。 以上测试内容基本包含了对测控系统的主要功能的测试，完成了以上调试内容， 就可以说明测控系统的设计是成功的。 5.3 调试方法调试方法 针对以上调试内容，设计了以下调试方法来进行检测： (1)利用函数发生器模拟实际工况产生脉冲信号和正弦波信号，通过数据采集卡输 入到工控机，由工控机上的测控软件对数据进行采集、显示和处理； 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 45 (2)给plc通电，按照弱电图上的输入端的接线方式进行接线，然后在工控机上打 开plc编程软件，运行程序并处于监控状态。对于开关量输入的检测方法为：分别闭 合各开关量输入口，检测软件的运行是否符合设计要求；对于模拟量输入的检测方法 为：旋转旋钮，检测软件的采样值的变化是否符合要求。 (3)进入上位机测控软件的测试界面，在参数输入界面下选择自动模式，输入设定 的转速和转矩，点击下一步进入数据显示界面，点击开始和停止，在plc编程软件的 监控模式下检查plc程序是否获取到上位机的命令并得到执行。 5.4 调试过程调试过程 1）启动上位机测控软件，输入登录口令，进入主界面（图5.3、图5.4） ： 图5.3 系统登录口令 图5.4 主界面 2）点击主界面的“进入测试”按钮，进入测试参数输入界面（图5.5） 。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 46 图5.5 测试参数输入界面 通过下拉式列表框选取测试的产品型号。如果有新的产品型号需要测试，点击 “添加”按钮，将新的产品型号存入数据库中。 选择运行模式、加载方式档位选择和循环次数。输入设定的转速、转矩和测试 时间。 在保护参数栏里面，修改各保护参数。 点击“下一步” ，进入测试界面（图5.6） ，进行自动模式下的试验。 观察测试界面的最下面，检查所列状态信息和报警信息与参数输入界面设置的 是否相同； 界面的左上方是控制工具条，点击各工具条按钮，检测各按钮的功能是否可以 实现。中间是动态显示窗口和光标回放窗口。检查采集开始后，转速、转矩和温度的 显示窗口是否可以显示各动态曲线。停止测试状态下，按一下“光标回放”按钮，进 入光标回放状态，拖动曲线显示窗口下的滚动条，检查光标回放功能。然后分别点击 “保存曲线” 、 “打印曲线”按钮，检查保存和打印功能。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 47 图5.6 测试界面 3）点击“数据查询”按钮，进入保存数据的查询界面（图5.7） ： 图 5.7 数据查询界面 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 48 进入查询界面后，在下拉式列表框中选择查询参数，点击“开始查询”按钮， 进行实验数据的查询。 4）点击“用户管理”，输入系统管理员口令，进入用户管理界面（图 5.8）： 图 5.8 用户管理登录界面 在用户管理窗口中，点击“添加”、“删除”、“修改”和“退出”按钮，测试 用户管理功能。 5）经过调试，得到以下调试效果图。 图5.7 输入信号在光标回放状态下的显示效果图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 49 图5.8 输入信号的打印效果图 5.5 本章小结本章小结 本章介绍了测控系统的调试平台、调试内容、调试方法和调试效果。调试的结果 证明，本测控系统无论是在功能上还是在使用上都能满足预定的要求，测控软件的设 计在总体上是成功的。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 50 6 总结与展望总结与展望 6.1 全文总结全文总结 本论文依靠东风变速箱有限公司的合作项目，在充分了解了变速箱寿命试验台目 前的研究状况和研究经验的基础上，紧跟试验台测控系统研发的趋势，根据课题组已 设计出的机械系统的方案 ，按照设计要求，设计出了一套能够对大功率变速箱总成进 行疲劳寿命测试的测控系统，经过测试，该测控系统的设计达到了设计的要求。本文 主要叙述了以下内容： 1）介绍了变速箱寿命试验台的基本原理以及国内外变速箱试验台测控系统发展的现状 和趋势，提出了本课题的目的和意义。 2）简要介绍了本课题机械系统的设计方案，以及该方案对试验台测控系统的设计要 求，并根据设计要求提出了自己的总体设计规划。 3）根据总体设计规划，分别对测控系统的硬件和软件进行了详细的设计，并充分论证 了设计的合理性。对于测控硬件的设计，提出了硬件设备的组成原理，对主要的硬件 设备进行了选型，同时还充分说明了选型的原则和依据，最后根据所选择的设备，确 定了最终的组成图，并依据组成图设计出了强电图和弱电图；对于测控软件的设计， 给出了软件的结构图，并对软件中比较重要的功能的实现过程进行了详细的介绍。 4）对设计的测控系统中比较重要的部分进行了调试的方法，并进行了调试。 6.2 有待进一步开展的工作有待进一步开展的工作 对于本测控系统的设计，根据项目的需要，按时完成了设计工作。但由于时间和 条件的限制，在设计的过程中，有些地方的设计还可以优化，具体包括以下两方面： 1）硬件设计方面：测控系统需要采集的信号，如转速、转矩、温度等，都可以通过 plc直接进行采集或可以通过其扩展模块进行采集，因此，可以直接通过plc与工控 机的通讯系统将采集到的数据传送给工控机，而不需要采用数据采集卡。这样一方面 可以节省成本，另一方面也提高了数据的可靠性，还可以通过plc编程来减轻vc下 编程的负担。但该方案目前还有个问题需要解决，那就是plc与工控机进行大量实时 数据传输的可行性问题。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 51 由于plc与工控机之间采用自由口通信采用的是半双工的方式，最快传送一次数 据也需要40ms，这还不包括数据准备阶段所要花费的时间，因此传送大量实时的数据 不现实；而如果采用以太网与工控机通信，尚未在期刊上面发现有采用这种方式实现 基于vc+的plc与工控机的以太网通信。且西门子公司提供的以太网通讯模块的说 明书中也只介绍了上位机软件为组态软件的通信说明。因此，笔者以为可以研究一下 利用西门子plc的以太网扩展模块与基于vc+的工控机进行大量实时数据传输的可 行性。 2）软件设计方面：如果能够将加速度传感器采集到的信号也传送到本测控系统的上位 机软件里面来进行处理，就可以不必采用价格昂贵的分析仪来进行噪声、振动分 析，从而可以节约大量的采购成本。该功能如果能够集成到软件中，将会有很大的经 济价值和实用价值。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 52 致致 谢谢 值此论文完成之际，谨向所有指导、关心和帮助过我的老师、同学和亲人表达由 衷的感激之情。 首先，将最诚挚的感谢献给周云飞教授、严思杰副教授和李小清副教授。他们在 整个课题研究与设计过程中，给予了我全面的指导和帮助，在每每遇到问题的时候， 总是帮助我分析和解决问题，使我最终能够顺利的完成课题中自己负责的设计工作。 他们渊博的学识、深邃的见解、一丝不苟的治学态度和诲人不倦的育人精神，使学生 深受鼓舞和启迪。他们对科学的热爱、对事业的执着以及谦逊宽厚的为人，将是学生 终生效仿的楷模。 这里，特别要感谢武汉裕田机电有限公司的张春山董事长、汪培胜副总经理及其 员工们，感谢他们在项目研发过程中给与的支持与帮助。 其次，要感谢穆海华博士后、韩爱国博士、杨亮亮博士和程鑫博士，几位师兄在 我的设计工作中给予了很多积极的指导和建议，使我少走了很多弯路，同时也使我的 思维能力和解决问题的能力得到了很大提高。 还要感谢同窗的杨华、梁建国和王欢同学在课题研究过程中和平时的学习、生活 中给予的支持和帮助。 衷心感谢我的父母和妹妹，她们的全力支持和殷切关怀一直是我奋发向上的源 泉，她们最深切的爱给予了作者战胜一切困难的勇气。感谢关心爱护我的亲朋好友， 她们的关爱和鼓励也给了我攀登高峰的勇气和动力。 最后，谨将此文献给所有关心和帮助过我的老师、同学、亲人和朋友，再次向她 们致以崇高的敬意和诚挚的谢意！ 彭 俊 荣 2008 年 5 月于华中科技大学 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 53 参考文献参考文献 1 梁礼明，王祖麟，张振利. 新型变速箱试验台的研制与电气分析.机床与液压， 2005.no.10，8082 2 陈菲. 轻型车变速箱寿命测试系统的研究.硕士学位论文.吉林大学图书馆， 2005 3 王继刚. 汽车变速器寿命试验台润滑冷却系统的研究.硕士学位论文.吉林大学 图书馆，2005 4 孟臣，李敏. jn338智能数字式转矩转速传感器及其应用.国外电子元器件， 2003.11，第11期，5658 5 徐婷. vc+动态链接库在汽车abs车轮速度检测中的应用.湖北汽车工业学院学 报，2