【《某变速箱试验台的系统设计》13000字（论文）】

目录某变速箱试验台的系统设计摘要：变速箱磨合的效果和变速箱的整体性能密切相关，与此同时还深刻影响着工业生产的效率和安全。因此，变速箱的磨合程度在整个工业生产体系中扮演着非常重要的角色。本课题通过设计变速箱磨合试验台并确定测试方案和整体布局，再对所需的关键设备进行比对和选型，最后又用到了MCGS组态软件和S7-200PLC控制系统，编写和设计这两个软件的界面和功能，设计出一个可以实现实时数据采集、控制驱动电机启停和增减转速等功能的操作简单且实用的变速器磨合试验台。帮助用户简单快捷的操作变速箱磨合工作，能够使得试验台在运行时通过设置驱动电机的转速以及工作时间达到磨合变速箱的效果。该试验台通过组装PLC以及工控屏设计了一套实现人机互动的操作画面，使得工程师能够直观，便捷地操作本试验台，达到最大程度节省变速器磨合时间的效果。关键词：变速箱；磨合；试验台；控制系统；报警系统目录TOC\o"1-4"\h\z\u1绪论 绪论研究背景及意义自新中国成立以来，我国轻重工业不断发展，尤其是在20世纪末中国改革开放之后，对于轻工业的需求尤为旺盛，所以这也促进了我国各类工业技术的发展。我国由于工业基础较为薄弱，80年代的时候与国外的先进技术相比相差甚远，但我国在这四十年间大力研发工业的技术，已经取得了不俗的成就，虽然在关键零部件的工艺制造和加工技术上还存在一定的代差，不过我相信在不久的将来，我们国家一定能迎头赶上。在各国的工业发展中，这场技术竞争中最激烈的焦点之一便是自动变速器的发展走向问题。如何做到设计的轻量化、响应国家节能减排的政策、以及企业经济效益的提高等是我国当前几乎所有的变速齿轮箱公司和零部件公司近年来所要开展研究的一项主要工作方向，在我国推进企业节能和减排工作中，变速箱中的齿轮机构设计同样也扮演一个不可或缺的重要角色。我相信在未来我国工业的发展当中，它会给我们下一步的变速器技术改革提供重要的借鉴和参考。在工业生产中，企业必须定期地对变速器进行维修保养以及进行出厂前的磨合工作，作业变速箱在出厂前和保养过程中都必须经过磨合阶段检验，因此需要经常检查变速器的各种性能参数。而目前使用的作业方法质量较差，且作业并不方便。本实用新型试验台采用了各种变速器的磨合试验台来处理这种情况。在采用控制系统后可以使用控制台对变速器的各种技术指标进行检查，大幅度节约了人工成本。本套控制系统运行便捷，结构紧凑，极大提高了磨合测试效果，并且能够促进变速器磨合试验的操作不断规范化。研究现状由于国外相较于国内更早进入工业化时代，工业发展的历史更加久远，工业技术更加发达，所以西方发达国家对此类课题的研究相较于我国要更加深入。位于美国纽约州的Gleason齿轮加工机床厂，在上世纪六十年代的时候就已经能够为变速箱试验台配置一套完整的载荷系统，该系统由多个齿轮组组合而成。在1968年，法国的技术研发公司就研发了一台极具代表性的BIA变速箱试验台，它具有相当多的测试功能例如变速箱寿命长短测试、振动噪声测量、换挡效率测试等等一系列测试，投入了大量人力物力研究制造变速器的实验台系统。又比如，美国的Burke（宝克）机械公司在1995年时就曾对变速箱的试验台采用了手动或机械式换档机构进行换挡的操作，再加上当时先进的交流电机驱动是该公司采用的主要驱动方式，所以其实验台控制系统的结构简便，操作方便，精度高，在技术和精度层面要远优于我国同类型的技术。我们国家过去由于工业制造业基础设施的相对脆弱，对变速器磨合阶段实验台的研发也相对滞后，从八十年代初才开始，现今中国国内开展这方面研发工作的著名院校与单位主要有:吉林车辆研究院，重庆大学，合肥工业大学等著名院校与科研机构，但中国如今的工业科技发展水平与世界上的国家比较，仍然稍显滞后。唐卓尧教授和其团队所开发的变速箱试验台中采用了计算机对试验系统进行监测和控制，计算机主要用来进行数据采集、油温的测量，而陶维青和宋舒等人研制的试验台多数采用的是DOS计算机操作系统，DOS系统是命令方式、单任务，一方面操作界面不够简洁实用，另一方面，DOS系统不能同时执行多个任务，试验中若要同时实现多个参数的控制和数据采集，2008年苏州的博泰测控有限公司研发的试验台拥有油温、扭矩以及电机转速等多种控制模块，除此之外，该公司还在试验台中添加了异常状态报警以及断电保护等多项功能，非常实用。尽管我国现在着力于研发具有各自特色功能的变速箱测试仪器，但由于技术受限及资金短缺等问题，往往相较于国外的试验台有较大的代差和短板。研究目的与内容研究目的在本课题的研究过程中，我主要的任务就是设计出一套完整的变速箱磨合试验台系统，可以使得试验台在运行时通过设置驱动电机的转速以及工作时间达到磨合变速箱的效果。该试验台通过组装PLC以及工控屏设计了一套实现人机互动的操作画面，使得工程师能够直观，便捷地操作本试验台，达到最大程度节省变速器磨合时间以及大幅度提高磨合效率的目的。研究内容研究本课题的时候我需要了解变速箱的基本构造以及变速箱试验台性能检测系统的基本原理，接着在此基础上进行系统的总体设计，在此过程中我还需要学会如何使用MCGS组态软件、PLC程序的编写以及Autocad工业制图软件等内容，Autocad软件可以用来绘制出控制系统的控制流程图，并确定主要设备的型号及配置，同时熟悉变速箱磨合试验台控制系统的控制要求，完成对系统总体结构的设计，还需要对检测系统常见故障进行分析，并提出解决和优化方案。过程如下：变速箱磨合试验台硬件的选型以及总体设计，比如测试台架、驱动伺服电机、显示屏以及工控机和PLC通讯模块的选型等；变速箱磨合试验台试验台系统控制模块设计及组态软件选型；西门子S7-200PLC的控制程序的编写与设计；变速箱试验台总体方案确定变速箱磨合试验台概述我在本课题中设计的变速箱磨合试验台是一类能够模拟变速箱运转工况，从而使得变速箱达到优良磨合效果的一个非常实用的工业生产设备，该设备可以通过模拟试验变速箱在不同生产工况下的转速、转矩以及持续运转的时间和功率等参数，从而使该被测变速箱能够获得磨合的最佳效果，同时在此基础上最大限度的提高磨合效率，因此是工业上的一个非常实用的工具，它对提高工业生产的效率以及节省生产时间起到了非常举足轻重的作用。变速箱磨合试验台总体设计方案变速箱磨合试验台的设计方案图如下图2.1：(1)运行控制系统(2)系统控制面板(3)驱动电机(4)电机驱动轴(5)待试验变速箱安装支架(6)待试验变速箱(7)万向节(8)传动轴(9)系统基座(10)磁粉加载器(11)电流调节模块图2.1磨合试验台方案图在控制系统(1)外设置一块控制面板(2)并且可以利用此面板控制PLC模块和变频器来调整驱动电动机(3)的转速以及持续运转的时间以适应不同需求的磨合工作，在驱动电机(3)的右侧设置驱动轴(4)用以为待实验变速器箱(6)提供持续稳定的动力来源，使得被实验的变速器箱能够按照用户需求持续运转，待实验的变速器箱(6)和传动系统轴(8)相互之间可以使用万向节(7)联接，传动系统轴(8)和测功机(10)相互之间也使用同型号万向节联轴器(7)相连接，磁粉加载器(10)、变速器箱装配支架(5)安置在系统基座(9)上，电流调节模块(11)安置在系统基座(9)上并使用导线将其链接至磁粉加载器上借此调节模拟负载的大小，系统基座(9)则需要直接水平放置在地面上。其中待磨合的变速箱(6)的输入轴应该与驱动轴(4)处于同心位置。除此之外，可以根据实际生产需求来决定是否需要非标定制使变速箱安装支架(5)能够在机座上自由移动。变速箱试验台方案总体设计变速箱磨合试验台介绍方案示意图如图2.4所示：图2.4测试方案图首先需要打开电源，启动驱动电机使其能够驱动被测变速箱在正常工作转速为-3000~+3000rpm（正反转）的范围内持续运转。通过控制系统以及自行设计的人机交互界面可以操控驱动电机使得变速箱在指定范围内运转，从而达到磨合效果。由于本课题的使用基座能够调整方位，从而能够按照实际需要选择是否要在试验的变速器与驱动电机输出轴之间增加转矩传感器，而增加的转矩传感器也能够直接串接至驱动电机的输出轴后端，从而测量输入变速器的输出功率、扭矩和速度等。通过配置专门的转矩测量仪可以即时显示测量参数。磁粉加载器放置在基座末端模拟加载负荷。磁粉加载器的基本原理是凭借某种特殊材料的合金粉末能够在磁场中相互吸引并紧密相连的物理特性，使其能够通过相互摩擦的方式形成强大的阻尼，从而可以实现模拟负载的使用效果。磁场强度和随之产生的阻尼强度成正比。如果想要实现调节和控制磁粉加载器磁场强度的目的，我们通过增加或减小加载控制器的输出激磁电流，借此就能够控制磁粉加载器加载转矩大小以达到模拟不同工况负载的使用效果，使变速箱的磨合效率更加贴近实际生产情况。由于磁粉加载器随着磁粉的消耗，性能和精确度会逐步下滑，所以一般不适合长时间高负荷的运转。硬件系统的选型驱动电机选型本课题中选用的驱动电机型号为永坤工业交流伺服电机130ST-M10015系列。图2.5永坤工业交流伺服电机130ST-M10015该伺服电机的具体参数参数如下：表2.1130ST-M10015技术参数规格130ST-M100151额定功率额定线电压额定线电流1.52206.0额定转速1500额定力矩10峰值力矩25反电势103力矩系数1.67转子惯量重量电气时间常数防护等级1.94×10-310.22.91lp65选用该型号的原因是其价格合理，且规格参数符合本课题所需。工控机选型工控机的全名为工业生产监控计算机系统(IndustrialPersonalComputer，IPC)，是是指一类通过计算机总线架构，对工业生产制造流程和机械设备、工艺装置等实施监测和管理的工具总称。工业生产监控计算机系统具备最主要的计算机系统属性和特点，即具有计算机的中心处理器、计算机内存、硬盘、外设和端口等硬件设施，并且具备执行操作系统设计、监控网络和协议、计算技术和对使用者友好的人机界面等功能。工控行业的商品和工艺技术都十分独特，属于中间产业，是为其他各产业提供简单可靠、嵌入式、半自动化服务的工业生产电子计算机。而工控机则主要是相对于商务计算机而言的一种称呼。主要功能是对制造流程及机械设备、工艺装置实施监测和管理。现如今，工控机的便携性也越来越受到用户和生产厂家的重视。本课题选择的工控机型号为研凌N3四核J1900系列，选择的原因主要是由于其丰富的接口以及优良的性价比，该型号属于微型工控机，小巧但是其接口相当丰富，符合本课题的基本需求。除此之外，该款工控机还拥有低噪声、高效率、使用寿命长以及精度高等优点。图2.6研凌N3四核J1900该型号工控机的具体参数如下表2.2所示：表2.2PDH090技术参数规格PDH091级数减速比额定输出力矩16150NM额定输入转速4000RPM最大输入转速8000RPM超精密背隙<1（arcmin）精密背隙<3（arcmin）标准背隙<5（arcmin）扭转刚性容许径向力容许径向力F1容许径向力F2使用寿命效率重量14（Nm/arcmin）3250N1300N1625N20000*（hr）>97%3.7Kg噪音值<60(dB)PLC通讯模块选型PLC的全名也叫做可程序逻辑控制器，因为这是一个专为在工业生产环境条件下使用而产品设计的数值计算监控电子管理系统。它使用了一个可编程的寄存器管理系统，在其里面能够储存进行逻辑运算、序列管理、定时器、计量和算术运算等动作的指令信息，并使用了数字型或类比式的输入输出，来调控各种各样的机器产品设计或制造流程。我在本课题的控制系统设计中所采用的是由德国西门子公司生产的S7-200系列PLC，其实我也有许多其他更好的选择，不过结合价格成本等因素，我还是选择了西门子公司生产的S7-200。S7-200是一款小巧的可编程序控制台，应用在各行各业，不同场景中的检查、监视和管理的智能化。S7-200系列的强大功能使其不论是在相连成网亦或是单独运行时均可以能够完成复杂情况的控制功用。除此之外，S7-200系列的产品都拥有极高的性价比且依旧能保持较高的产品质量，这也是我选择该型号的主要原因。西门子S7-200PLC具有以下特点：极高的可靠性。极丰富的指令集。易于掌握。便捷的操作。丰富的内置集成功能。实时特性。强劲的通讯能力。丰富的扩展模块西门子PLCS7-200编程软件支持新款CP243-1。西门子PLCS7-200的程序设计系统软件，能够实现远距离编程、检测以及数据传输，无需在现场也能实现控制的功能。S7-200系列在控制台的功能中已经实现了ProfibusFMS和LONWorks和ProfibusDPMaster/Slave。可以通过使用网页服务器实现监控。S7-200可以通过保存它的HTML页面、图像和PDF等内容在控制器里，以供用户浏览器查看扩展操作的系统功能。图2.7西门子S7-200PLC变频器选型本课题需要通过使用西门子S7-200PLC控制变频器，再通过变频器调节驱动电机转速以满足变速箱磨合的不同需求，达到最佳的磨合效果。我选择的是三科SKI600系列变频器，杭州三科变频器广泛应用于各种三相异步电动机的调频实现电机调速、节能环保、改进生产工艺、提高生产效率等功能，且价格较为合理，这也是我选择该型号的主要原因，除此之外，该型号还具有如下特点：可以电机瞬间启动电流翻倍，增大加装变频器后，电机启动瞬间不会电流瞬间增大不仅节省成本，还能让电机寿命更长。可通过改变频率，让电机的转速可控。可以控制正反转，过变频器可以对电机进行正反转的设置，非常适合本课题的实际需求。拥有多种保护电机的措施，在安全加装变频器后，可以对电机起到缺相保护，过载保护堵转保护，过压保护等，让电机能够一直处在安全的环境中，避免产生生产安全事故。图2.8三科SKI600系列变频器组态软件选型组态软件的定义是指一类数据采集与过程控制的专用软件，我们也可以理解它为在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境的总成，该类软件具有能够读写不同种类的PLC、并且将其以非常直观的图形的方式呈现工业生产场景中的实况信息、对从控制系统采集的数据进行记录存储等诸多功能。简而言之，该组态软件的主要功能就是监视设备的工作状态，与此同时还能下达指令控制其他的工业生产设备。我在本课题中选用的是昆仑通态公司旗下的MCGS组态软件，MCGS广泛的应用场景、强大的功能以及简洁的界面是我选择它的原因。MCGS的中文全名为"监视与管理通用系统"。MCGS软件是一款专门为过程管理和信息监控领域服务而开发的应用计算机系统，拥有功能齐全、可视性好、运行结构简单、可维护性强等优势。MCGS嵌入式系统组态软件组态的其中一个主要工作，便是用简单生动的人机交互系统用户界面、真实的动画效果来描绘实际工程问题。在应用窗口中进行对多种绘图对象的组态设定，以及透过设定相关的动画连接来实现用画面直接反映工业控制的流程。我选用该款软件的主要原因是由于它和本课题选用的PLC兼容，网上的相关教程也非常多，便于我学习，并且它是一款免费软件，非常经济实用。试验台机座选型本课题选择的机座是由金石喷油泵公司生产的CR815全功能试验台。选择该试验台的原因是该公司可根据客户等需求定制和开发不同和应用程序，支持非标定制，且价格相对合理。该机座参数如表2.2所示。表2.3PDH090技术参数参数参数规格输出功率7.5KW，11KW可选可选输入电压三相380V，三相220V可选电机转速范围0-4000RPM工作压力调节范围0-2000bar温度控制范围40+-2温度冷却方式风冷或强制制冷可选包装尺寸1500*1200*1000重量500kg流量测量精度0.1ml显示屏选型工业触摸屏，是指利用接触式工业显示屏将人与机械设备连为一体的工业生产智能用户界面。它是取代了传统机械操作按键与指示灯的工业生产智能控制显示终端。它能通过设定参数，屏幕上显示数值，并监视机械设备状况，以曲线/动画等多种形式展示工业生产智能操作流程。更简单、快速、表现力更强，并可简化为PLC的控制程序，而功能更强大的触控式创造了更加良好的人机界面。而接触屏则作为一个独特的电脑外设，也是目前最为简洁、便捷、天然的一个人机交互方法。它也给与了多媒体教学装置以崭新的形象，是富有教育魅力的新型多媒体技术交互式装备。为了达到可以对数据进行提示和报警等多种功能能人机操作界面，同时方便用户直接在显示界面进行操作。经过仔细比对，我在本课题中选择地触摸屏是昆仑通态的触摸屏TPC1061ti。它是一个以Cortex-A8CPU为内核(主频600MHz)的嵌合式一体化接触屏。该产品采用了大小为7英寸的TFT液晶显示屏(清晰度800×480)，该型号为四线电阻式触摸屏(清晰度4096×4096)。并且还预装了昆仑通态公司研发的MCGS嵌入式组态软件，该软件具有超强的图形展示能力以及信息处理功能。选用该型号的主要原因就是其预装了控制系统需要用到的MCGS组态软件，兼容性相当高，无需再次安装，简单快捷。图2.9昆仑通态触摸屏TPC1061该型号的技术参数如下表2.3所示：表2.3昆仑通态触摸屏TPC1061技术参数参数参数规格电脑型号TPC1061（7寸）机箱颜色灰色（颜色可根据客户要求定制）机箱材质采用全铝合金机壳处理器Cortex-A8CPU核心（主频600MHz）芯片组英特尔CPU集成芯片触摸屏参数电阻式高灵敏触摸屏(单点触摸)，寿命可达5000万次以上供电电源DC12V（可选DC9~36V输入）工作温度-10℃~+50℃产品尺寸365*290*55mm显示接口1个VGA，1个HDMI，1个LVDS接口；（支持同步/异步双显）存储空间支持1个MSATA，1个2.5寸硬盘位BIOS64MbFlashROM转矩测功机选型本课题所使用的是由上海实干厂家设计制造的SGDN系列马达扭矩检测仪，它是专门为了测量和检验动态转矩而设计生产的一款智能化测量仪表。该款转矩测功机可以专门用来测量电机，减速机所输出的转矩，以及输出功率的精密测量装置，可以应用在机械制造，科研结构工程等行业中。该加载装置的主要特性包括:信号输出波形方波幅度可选5V/12V两种选型。在测功机通电之后可以无需长时间的预热操作，直接投入使用，大幅度提高了工业生产的效率。在检测过程中有非常强的抗干扰能力，所以测量的稳定性和准确度极高。可任意位置，任意方向安装。不需要反复调零操作就可以连续测量反扭矩的数值。可以传输禁止扭矩、旋转扭矩、静态扭矩等信号。能源及信号通过非接触式传递，传递信号时与是否旋转，转速和转向无关。传感器可脱离二次仪表立使用，只要按需供电即可输出阻抗与扭矩

成比的等方波或脉冲波频率信号；或者电压、电流信号。由于变压器感应供电，且没有集流环等磨损件，故可以高转速长期工作，应用于电机、发电机、减速机、柴油机的扭矩监测。、可测量被测机械设备输入及输出端的转矩、转速及功率等变量。由于其优良的性价比以及出色的性能表现，非常符合本课题选型的需求，所以我决定选择该型号的测功机。图2.10SGDN系列马达扭力测试仪磁粉制动器选型

本课题选用的磁粉加载器为YOSEEN严新YS-B3-0.6KG磁粉制动器，严新YS-B3-0.6KG磁粉离合器特点为高线性，高精度转矩控制运行平稳。拥有在启动、运行、制动状态下无振动、无冲击、无噪声等优点。磁粉制动器利用电磁原理，因为特殊金属粉末产生的转矩和激励电流成正相关，所以我们只需要采用增大或减小激磁电流之大小的方法，就能控制和调节磁粉制动器模拟的转矩。通常情况下，该线性关系一般存在于5%~100%的额定范围之内，磁粉制动器之所以能够稳定地传达恒定之转矩，得利于其静力矩和动力矩无明显差别的特性。依靠此特性，可以精确控制张力的大小，实际的操作非常简便。磁粉加载器的功能如下：转矩的调节范围很宽，准确度高，转矩大小和激励电流线性关系明确，便于控制。该设备的使用寿命长，适用性广泛，设备的材料采用超合金磁粉，具有耐高温，耐磨损，耐腐蚀等特点，品质优良。由于每个磁粉之间都拥有能使其相互安定的结合力，该特性与相对回转数没无关，拥有非常稳定的滑动转矩，能持久保持转矩恒定。散热效果优良而且采用热变形均匀的冷却结构，再加上磁粉的耐高温性，允许连结与制动功率及滑动功率大，能够进行圆滑的滑动运转并且不会引起震动。阻力转矩小，温度变化幅度小，连接处经过圆滑处理，启停时无冲击影响。应答敏捷快速及其特殊的散热结构，非常适合高频度运转使用。它的外观简洁美观，重量轻，设备中的电枢也经过特殊处理，还配置了特殊的线圈和包裹油脂的轴承，使它的使用寿命能够大大延长。图2.8YOSEEN严新YS-B3-0.6KG磁粉制动器万向节联轴器选型本课题选用的联轴器为荣航重工生产的6000系列可伸缩十字轴式万向联轴器，选用的原因是性价比高，除此之外该型号联轴器间隙小，扭矩大以及转速范围大也是选择它的主要原因。且该厂家支持非标定制，可以根据本课题的需求定制型号。本章小结本章的主要内容是对磨合试验台工作原理的阐述，说明它的各组成部分，并且根据需求选择合适的硬件型号和生产厂家，例如磁粉加载器、伺服电机、变频器以及万向节联轴器的选型等，在最终确定变速箱磨合试验台的方案之前，我们还需要结合实际的工业生产需求确定各型号的参数是否符合。在我看来，各设备的选型是本课题的非常重要的一部分，因为既要求选型合适，又要求控制成本是一件非常困难的事。在此过程中，我在网上调查了各设备现如今的大致行情价格，精挑细选出了符合我课题所需的型号，这对我来说是一个不小的挑战，因为我之前从未关注过这类硬件的型号和价格还有参数，在挑选的过程中，我对现在工业设备在市场上的行情有了一个初步的认知，这对我之后的实际工作有深远的影响。变速箱试验台控制模块系统设计控制模块系统功能分析本课题中需要使用控制模块来实现控制驱动电机的启停和转速，借此来使得变速箱获得最好的磨合效果，所以该实验中的控制模块也是整个课题中的重中之重。调速系统具有快速响应、稳定等优势。在冶金、机械、石油提炼以及国防生产等科研以及生产领域中，都具有不可或缺的作用。调速控制由于其复杂的工艺和技术要求，需要更加完善的控制方面理论基础和技术水平。本次课题中所提到的变频调速技术现如今已经被认为是工业生产当中最高效、最有竞争力的调速方式之一，通过变频器构建调速系统不但可以提高生产效率、改善生产自动化程度，除此之外还能降低环境污染、降低成本从而提升生产效益。其中本课题中需要用到昆仑通态MCGS组态软件，所谓组态软件简而言之就是配置软件。就是通过现有图标搭建组合成为一个控制系统，将功能模块化。和搭积木是一个道理，等搭建完成后，再来配置他们之间的关系和各个积木块的数据配置，最后下载倒入终端。在组态软件诞生之前，程序编写不仅耗费时间长，而且非常容易发生意料之外的错误。最后导致工期延长。但是现在这些问题都随着组态软件的诞生一一被解决。之前几个月甚至好几年的工程，如今只需要几天的工期就可以按时完成。现在市面上的组态软件也多种多样，例如组态王、威纶通、博途V15以及MCGS等等，他们各有各的功能和优势。经过我细致的比对，我决定选用MCGS组态软件，昆仑通态在中国是一家非常有影响力的专注于硬件和软件开发的研发公司，它旗下的MCGS软件术也得到了用户的青睐；西门子S7-200系列PLC凭借其可靠、小巧灵活、使用寿命长以及操作简便的特点，广泛用于工业设备的控制以及测试数据的采集等用途；通过组态软件，用户可自由使用软件里的工具实现不同的功能，比如远程调速控制和显示电机转速等，用户设计的人机交互界面可以更加简单直观地监测数据或控制设备运作。本课题中的控制模块基于PLC和变频器可以构建一个简单的速度控制系统。可以过西门子S7-200PLC控制变频调速器，再通过变频器控制电机带动待试验变速箱正反转以及启停。该系统必须具备控制运算、执行以及反馈三个部分。控制运算部分主要包括PLC、执行部分主要包括驱动伺服电动机和变频器；反馈部分主要依靠的是速度反馈。具体流程如下图3.1所示：图3.1控制模块总体框图触摸屏控制设计本此设计中采用型号为昆仑通态触摸屏TPC1061，在计算机上通过组态软件MCGS设计各个控制的说明及报警画面还有各类按钮，将其下载到昆仑通态触摸屏后，再通过与PLC之间的通信来完成对电动机的起停、正反转及速度的控制操作。昆仑通态触摸屏与PLC之间则需要通过通信电缆连接来显示内容。硬件组态我在本课题的设计中所采用的昆仑通态公司旗下的MCGS组态软件，这是一种使用个人计算机服务器硬件、并执行于windows平台上的一套组态应用软件，它主要由开发环境和运行环境所两部分组合而成，其中前者是应用程式的整体开发环境，在这个环境中可以进行变量的定义以及人机交互界面的设计等工作，并去具备了先进科学完备的图表制作功用；变量则具备各种类型，能够科学合理的抽象出对象的特征，从而可以进行对各种数据信息的报警、走势曲线、流程录入、安全预警等关键功用，故而其拥有非常简便的操作流程。组态化工作环境，主要应用在显示画面设计管理系统中所创建的绘图画面，主要的任务是完成系统软件和PLC间的数据信息交流，即时更改变量的统计信息，同时实现了告警提示、记录查看、趋势曲线观察等多项功能，可产生历史数据文件以供用户浏览。本系统的设计步骤如下：（1）在安装有昆仑通态MCGS组态软件的计算机桌面上上双击打开该软件的快捷方式并新建一个项目。利用组态软件提供的绘图工具设计监控系统的人机交互操作界面。（2）在昆仑通态MCGS组态软件中可以建立实时的数据库，用以实现MCGS与PLC之间的数据交换。（3）建立昆仑通态MCGS组态软件与PLC之间通信连接，利用通信电缆连接PLC和PC机。组态软件的设备窗口中加入通用串口父设备及西门子S7-200plc。各设备之间的连接MCGS组态软件通过它特有的设备窗口来建立和其他外部设备的通信传输协议。既可以传输数据库存储的数据至外部设备，也可以将外部设备采集到的数据上传至它的数据库当中，通过此方法不仅能控制外部的设备系统，同时还能控制内部的系统运行。需要注意的是处在运行状态时的设备窗口将对用户隐藏。在实际使用之前，我们需要让运行系统在模拟设备里进行预先的模拟调试。首先我们需要在设备窗口中点击工具箱图标添加模拟设备，可以使刚才定义的数据库变量进行一个模拟量的变化，实现模拟运行的功能。其后我们需要在软件界面中实现运行报警和实时数据变化的显示功能，每个模拟器都有一定数量的通道，内部属性需要提前进行设置，其中包括曲线类型、数据类型、最大值、最小值、周期等参数，如图3.2所示。内部属性与同道连接的名字要一一对应，如：内部属性内的通道1对应连接通道中的通道0。在连接变量中按顺序分别选择相对应的变量。在完成以上步骤之后，我们将进行设备的调试，在调试过程中，用户能够直接看到各个通道传输回来的实时数据。具体如图3.3所示：图3.2内部属性的设置图3.3模拟设备通道与连接变量的连接人机交互界面设计人机交互界面(HumanMachineInteraction，简称HMI)，又简写作用户界面和使用者页面，是指人和电脑相互之间传送、交流讯息的用户界面，是现代计算机的一个重要组成部分。它是计算机系统与用户中间实现人类与计算机对话与信息交流的主要途径，它可以完成信息系统的内容形态和人们可以接触形态相互之间的过渡。凡参与人机信息互动的领域，均存在着不同种类的人机界面。简单来说，就是在软件中设置不同类型的按钮来使工程师能够通过这些按钮操纵机器的工作状况。在本课题的人机交互界面设计中，我们可以根据工业生产当中的实际需求来创建不同样式的用户窗口界面，首先我们需要用户窗口首页先新建一个“变速箱磨合试验台”的用户窗口，进入窗口界面之后，通过绘图工具设计和绘制不同的按钮以满足该界面不同的功能需求。本试验台窗口系统具有以下功能：指示灯显示电机正转或反转，提醒用户当前的电机运行状态，避免危险情况发生；速度控制区能显示转速及效率，可实时观察到电动机转速的变化情况；可以在此窗口直接控制电机正反转启动或停止，还能直接选择转速，简单快捷，便于工作人员操作；我为结合本课题所需设计的人机交互界面如下图所示：图3.4控制系统的人机交互界面示意图该人机交互界面可以让工作人员通过按下界面中的各按钮来方便快捷的操控本变速箱磨合试验台的动力系统。通过“正转启动”和“反转启动”两个按钮不仅可以启动驱动电机，而且也能让电机正反转来达到不同的磨合需求，增减速按钮可以加快或减慢驱动电机运转速度，当前速度也可以通过界面中的螺旋桨旋转速度直观反映给用户。除此之外，我还加入了更加清晰的指示画面，通过八张不同角度的螺旋桨图片的交替可以达到演示电机正反转的效果，该功能的逻辑程序如下图所示：图3.5命令语言程序图以上就是人机交互界面的基本设计流程，配套的TPC1061Ti触摸屏上可以直接运行MCGS组态软件，无需再次安装，这样就完成了一个可以模拟变速箱运转工况的控制系统，它可以模拟变速器在不同工况下的转速、转矩、功率以及运转时间从而使变速箱获得磨合的最佳效果，同时在此基础上最大限度的提高磨合效率。我设计的这样一个人机互动界面，也可以让用户可以更加直观，便捷的操作整个控制系统，从而提高生产效率。本章小结本章节的主要任务和难点是通过使用昆仑通态MCGS组态软件设计出一套能够实现可控转速和启停的变速器磨合控制系统，能够在人机交互界面操控驱动电机的起保停以及增减驱动电机转速使变速箱能够达到良好的磨合效果。本章节的难点主要是各设备的组态、通道的建立、以及人机交互界面的总体设计等，尤其是人机交互界面的设计，必须要让用户的操作通过该界面变得更加简单直接，这就要求我要考虑用户的实际需求。在这段时间里，我自学了MCGS组态软件的使用方法以及交互界面的创立，我认为最复杂的就是如何把程序和交互界面相连接的问题，在通过观看网络视频教程自学了很长一段时间后，终于获得了突破，这种成就感才是学习的乐趣所在，这让我更加有自信来学习之后的内容。变速箱磨合试验台西门子S7-200PLC控制软件设计西门子S7-200系列PLC的软件特点西门子PLCS7-200系列在性能上，硬件配置和软件组态方面相较于之前推出的产品均有所提升，并且已经得到了广大使用者的普遍青睐。在实际的工程项目中，客户越来越多地选择S7-200系列PLC，在各个工程项目现场S7-200系列都有不凡的表现。在实际应用中，很多使用者都会倾向于使用S7-200系列PLC的通讯功能，S7-200可以实现CPU，程序编写设备，电子触摸屏之间的多种设备通讯。PLC经过多年的技术发展，已经获得了市场的广泛青睐，PLC的控制覆盖了依靠自动化控制的工业及民用生产领域，其中包括机械、电力设施、民用设施以及各类机床等。民用工业生产领域例如中央空调工程、电梯运行控制、印刷机械等也十分依靠PLC的智能化控制。西门子S7-200系列软件系统设计本软件系统的主要目的是通过编写PLC控制程序，使得PLC能够控制变频器传输到驱动电机的信号从而改变驱动电机的转矩、转速以及功率等。建立MCGS组态软件与PLC的通信协议，通过两者之间的通道实现信号和数据的实时传输，进而达到变速箱磨合的效果。PLC控制程序编写本控制系统主要是通过开环控制的方法来调节驱动电动机的转速和启停，在进行程序编写的时候可以包括如下三个部分：软件主程序、中断程序和子程序。其中主程序主要是用来启动中断程序以及控制量的输入和输出，中断程序主要负责调用PID指令进行数据的运算以及数据类型的转换等。子程序主要用来设置PID控制的参数。具体的PLC程序如下图所示：图4.1主程序图图4.2中断程序图图4.3子程序图S7-200PLC与MCGS组态软件之间通讯协议的建立本课题设计的软件需要通过RS458通讯接口达成建立S7-200PLC与MCGS组态软件的通讯协议通道的目的，因此我们需要同时完成对PLC内部接口以及MCGS组态软件的设备内部通道的设置，使采集到的数据可以能够实时的传输到MCGS组态软件上，再显示在与MCGS配套的昆仑通态TPC10661Ti的触摸屏上，进而让用户能够简单直接地观测和控制系统的运行。控制的基本流程如下图4.4所示：图4.4软件设计与连接流程图MCGSTPC与PLC的硬件连接S7-200PLC的通讯端口为RS485，我们通过电缆线将西门子S7-200PLC连接至昆仑通态MCGSTPC的com2（RS485）通讯端口。具体连接方法如下：（1）首先用PC/PPI电缆线通过RS485转换器箱连接，RS-485的A正极和B负极分别与PLC编程口3正极8负极相连接；（2）TPC触摸屏的RS-485接口的A正极B负极与PLC编程口3正极8负极相连接；连接示意图如下图4.5所示：图4.5硬件连接示意图PLC通讯参数设置西门子S7-200PLC的参数可以通过西门子研发的软件Step7Micro/WIN来设置，具体设置方法如下：（1）首先连接PLCS7-200及PPI电缆，并使得PLC通电，然后双击运行Step7Micro/WIN软件；（2）左键单击“设置PG/PC接口”选项，进入设置窗口，之后根据串口的PPI电缆在本地连接属性选择与之相对应的COM接口，如下图4.6所示：图4.6PG/PC接口设置（3）鼠标左键“通信”菜单栏，双击刷新可以显示所连接的PLC信息，选中后点击确认；（4）通讯接口的参数设置：通过单击命令树中通信文件夹里提供的通讯接口，可以设定P