1、1目 录目 录 11 绪论 11.1 课题研究的目的和意义 11.2 课题的国内外研究动态、目前的发展水平及趋势 .31.3 课题的来源和研究内容 62 带传动远程控制实验系统硬件设计 72.1 带传动远程控制实验系统硬件装置的组成 .72.2 带传动远程控制实验系统硬件设计 72.2.1 带传动实验台的原理和结构 72.2.2 带传动实验传感器设计 92.2.3 带传动实验台加载功能电路设计 .112.2.4 西门子公司 S7-300型 PLC简介 .132.2.5 S7-300 PLC硬件组态与接线 .162.3 带传动远程控制实验系统网络硬件的选择 .212.3.1 主服务器的选择 21
2、2.3.2 网络摄像机的选择 212.3.3 集线器的选择 222.3.4 远程计算机的选择 222.4 带传动虚拟实验系统硬件装置的结构 .233 带传动远程控制实验系统 PLC控制系统的设计与实现 .243.1 STEP 7功能简介 .243.2 带传动虚拟实验台 STEP 7控制程序的设计步骤 .263.3 带传动虚拟实验台 STEP 7设计 283.3.1 创建带传动实验台改造项目 283.3.2 带传动实验台改造 STEP 7硬件组态 .293.3.3 带传动实验台改造 STEP 7符号表 .303.3.4 插入 STEP 7程序块 303.3.5 带传动实验台改造 STEP 7程序
3、 .324 带传动远程控制实验系统的与上位机通讯 4724.1 WinCC功能简介 .474.2 设计带传动实验台 WinCC 画面 .484.3 带传动远程控制实验系统接口 504.3.1 带传动远程控制实验系统变量符号表 .504.3.2 带传动实验台 WinCC连接项目 .514.3.3 带传动远程控制实验系统通道建立 .534.4 带传动远程控制实验系统网页 555 结论 57致 谢 58参考文献 59全套图纸，加 15389370611 绪论实验是教学活动中一个必不可少的过程，很多学习科目都是以实验课程为基础的，尤其是对于一些实践性较强的学科，例如物理、化学、计算机组成结构、网络控制
4、、PLC 等等，实验对于培养学生的实际操作能力和解决问题的能力是至关重要的，学生的大部分实践能力都是通过实验得到的。近年来，随着计算机网络的长足发展，通过局域网和因特网实现远程实验教学成为一种新的实验教学模式。远程实验教学是整个远程教育中的一个重要组成部分。在远程教育中，由于教学机构与学生在空间上分离，学生无法到学校实验室做具体的实验，这己经成制约远程教育质量的一个重要因素。近年来，由于虚拟仪器和网络技术的飞速发展，通过网络来构建虚拟实验室已经成为可能，网上实验己成为远程教学研究的重要方面。在远程实验教学中，由于既需要一定非传统意义上的仪器设备，又需要实验学生的参与，要求双向信息传输和网络化的
5、实验装置，其实现难度要远超过远程课堂教学。通过虚拟实验装备能够利用有限的实验台为较多学生灵活的提供远程实验平台，可以从根本上解决目前的实验教学与远程教育模式不相适应的状况。1.1 课题研究的目的和意义虚拟实验是依托“虚拟现实”(Virtual Reality，英文缩写 VR)技术而产生和发展起来的一种实验模式。虚拟现实技术是一种充分利用高性能计算机的硬件资源、软件资源和多种传感器的集成技术，其主要技术包括实时三维图形生成技术、多传感交互技术及高分辨率显示技术等部分。虚拟现实技术能够生成实时三维的人工虚拟环境，演练者(操作人员)可以进入其中，产生身临其境的沉浸感，并能够在像真实世界中一样的虚拟环
6、境中进行实时操纵和相互交流。在远程实验教学中，要进行虚拟实验一般需通过虚拟实验室。虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实实现，也可以是虚拟构想成的实验2室。在虚拟实验室中，实验者有逼真的感觉，似乎是在真正的现实实验室里近距离进行现场操作。虚拟实验室概念的提出至今仅为十余年的时间，但因其诱人的应用前景，各国均在大力开发，已经取得了一些进展 1。本文的工作是设计带传动远程实验控制系统，通过西门子公司 S7-300型 PLC和 WinCC Web Navigator实现带传动实验台的改造，实现基于PLC和校园网的带传动远程控制实验。带传动实验是一个面向全校开放、量大面广的基础性实验，选修实验的学生多，
7、实验室的带传动实验台相对较少。据长春工业大学机电学院机械基础与 CAD教学中心仪器设备配置情况表明：带传动实验设备一直没有添置和更新，但学生做实验的愿望在不断增强，这使带传动实验台的改造更为必要。为了解决带传动实验设备资源少和要求做实验学生较多的矛盾，提高带传动实验台的利用率，我们对现有的带传动实验台进行改造，完成实验台网络化设计，增加西门子公司公司的 S7-300型 PLC控制器、带传动远程实验 WEB服务器、网络交换机、网络摄像机等硬件，利用西门子公司公司的 STEP 7、WinCC、WinCC web navigator 等软件编写远程控制实验软件，使其具备远程实验教学的基本功能，在远程
8、计算机上进行带传动实验。带传动实验系统的建设不仅可以节约在实验教学方面的投入，更重要的是可以完善学院现有的教学体系，提高学院的教学水平和教学质量，促进学生学习的自主性，培养和提高学生的动手能力和创新能力。建立远程带传动虚拟实验系统有许多优点，具体表现在如下方面：(1) 实现了教育资源共享，节约设备投入。一方面，利用现有的计算机网络，可以节省大量基础设施建设的重复投资，另一方面，利用软件平台技术组织网络实验资源，系统维护方便，易于扩充。(2) 不受传统面对面教学模式的限制，学生可进行反复操作实验，可有效地提高学生的动手能力；(3) 利用虚拟现实技术和多媒体技术制作的模拟实验，有利于培养学生分析问
9、题和解决问题的能力。(4) 不受时间和空间的限制，随时都可以登陆网站进行实验。31.2 课题的国内外研究动态、目前的发展水平及趋势远程虚拟实验的提出至今仅为十余年的时间，但因其广阔的应用前景，各国均在大力开发，目前国内外对虚拟实验的研究较多，其研究的范围涉及到虚拟实验室的设计、虚拟实验在教学中的应用、虚拟实验系统的开发、虚拟实验管理系统开发、虚拟实验中多媒体技术的应用等诸多方面，涉及的学科有生物、物理、化学、计算机、自动控制等诸多学科，所用到的软件和语言有 VRML、Java、ASP、Lab View 等。在虚拟设备的设计和应用方面，出现了许多成熟的、商业化的产品，如 Lab View和 La
10、b Windows等，但由于在不同的专业和应用领域中，实验仿真模型的复杂程度、实验表现形式和工作运行模式等存在很大差异，所以，国内外研究机构由于创建一个虚拟实验系统是一项十分繁琐而费力的工作，虚拟实验的研究也就突出表现在虚拟实验和虚拟实验系统设计平台的研究中。目前，虚拟实验室在发达国家已十分普及。美国作为当今的科技强国，为继续保持其在科学技术领域的领先地位，尤其重视信息技术的研究，并己将虚拟实验室列入其科研发展的战略规划。在 1991年底，美国科学基金会、美国国家科学研究顾问委员会所属的计算机与远程通信部组成了一个“全国(科学)合作实验室委员会”，其任务是调查科学家对信息技术的需求，协调科研合
11、作关系，组织并实施具体的信息技术开发。此后，美国联邦政府投入资金在海洋学、天体物理学和分子生物学三大领域建造了各自的虚拟实验室作为示范工程，开展了一系列探索性研究并取得了实质性进展。美国一些政府部门，如能源部，正在制定计划将其所属的科研机构过渡到虚拟实验室环境中。目前，越来越多的科学家正投身于构筑一个覆盖全美国的虚拟实验室的工作中来。作为首先提出虚拟实验室概念，并具有雄厚的科研实力和强大财力的美国，从一开始就十分重视虚拟实验室的研究与开发，在该领域的研究已处于领先地位。虚拟仪器系统及其图形编程语言已成为各大学理工科学生的一门必修课，其普及程度是相当广泛的。国外的一些大学已组建了远程虚拟实验室。
12、德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室；西班牙大学电子系开发了电子仪器虚拟工作平台；意大利帕瓦多大学建立4了远程虚拟教育实验室；新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验 1。在国内，虚拟实验室的建设也得到了应有的重视。目前，已有部分高校初步建立了虚拟实验室。例如:清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统；华中理工大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展示，供远程教育使用；四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制了“航空电台二线综合测试仪”，将 8台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统；复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学等一批高校，也开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和
13、科研 7。远程教育目前已被广泛的应用到大学的实验教学中来。国内外的一些大学己经组建了虚拟实验室，如剑桥大学、斯坦福大学、新加坡国立大学以及清华大学等都己经开展了远程实验室方面的研究，并取得了一定的进展。但目前还没有大规模的成功应用实例，也未形成国际通用的标准。虚拟实验向 Internet的扩展，是一个很有潜力的发展方向。近年来，由于虚拟仪器和网络技术的飞速发展，通过网络来构建虚拟实验室已经成为可能。网络虚拟实验室就是基于 WEB 创建出一个可视化的三维环境，其中每一个可视化的三维物体代表一种实验对象。通过鼠标的点击以及拖曳操作，实验者可以进行虚拟实验。在网络遥控实验中，学生可在远程计算机上远距
14、离控制各种实验设备，通过实验设备的实时图像传送，使实验者观看到实际实验设备在遥控操作下的运动状况，而不仅仅是状态和参数，或者是一些模拟图形。在网络仿真实验中，可以开发专门的远程实验器件，例如机床的手柄等，具有手感、力度、协调动作、手眼配合等功能，而不是像目前日常用的键盘和鼠标的操作。在远程实验的教学组织和教学管理方面，异地的教师进行实验指导，各地的一些学生合作进行实验，通过网络虚拟实验室都是可以实现的。网络虚拟实验室实现的基础是多媒体计算机技术、网络技术与仪器技术的结合。网上进行虚拟实验将成为远程实验教学的一个重要方面。 41-43根据目前国内外虚拟实验的研究水平，结合今后虚拟实验的应用需求，
15、虚拟实验以后主要有以下两个发展趋势：（1）协作式虚拟实验5与同伴合作是实验过程中一个至关重要的环节，因为科学实验常常是种协作性的活动。协作技术通常分为两个主要部分：信息共享技术和通信技术。其中，信息共享技术使得用户能够让别的用户意识到他的活动以及活动的结果。通信技术(如聊天室、电子邮件等)使得人们能相互协作讨论他们的工作。通信技术现阶段已比较成熟，而信息共享技术则比较难以实现，因为它一方面要求实现复杂数据类型的转换；另一方面，它还没有较好的群件。原因一是 CSCW尚处未成熟阶段；二是协作任务的不同，开发一套普遍适用的规则较难。因此，协作式虚拟实验的目标设计很重要，其目标就是要减少地域障碍，使世
16、界各地的学生能在网上一起进行科学实验和讨论。在协作式虚拟实验中，每个用户都有一个特定的个人域并共享一个群域，通过这种方式，个人和小组工作既可以个别发生，又可以同时发生。协作式虚拟实验虽然现在还不完善，但随着时间的推移和技术的进步它将是虚拟实验发展的另一种新的形式。（2）自适应虚拟实验在日常语言中，“自适应”是指生物变更自己的习性以适应新的环境的一种特征。自适应虚拟实验主要表现在以下两个方面：为学生提供一个自适应的实验环境，把学生的实验过程记录下来，1反馈其存在的问题，使得学生对自己遇到的问题反复练习、或向教师和同学寻求帮助，从而掌握相关知识和解决问题的技能。过程己知时，实验设计过程规定了一组参
17、数；当处于未知领域时，2自适应实验的参数应当收敛到希望的参数范围内，体现出系统的开放性和协同性，这是现阶段虚拟实验最难实现的，也必将是虚拟实验的发展方向。另外为提升网上虚拟实验的作用，凸显网上实验的优势，还要有更好的输入输出设备的引入。仅仅使用键盘、鼠标作为输入设备，使二维的显示器作为输出设备有时不能很好地体现虚拟的真实感。更好的输入备，如立体鼠标，头盔显示器等必将给用户更好的沉浸感。 44-45随着新技术的不断创新，更多更好的用于构建网上虚拟环境的工具软件将出现，虚拟实验在教学实验改革中也有着非常广阔的应用前景。61.3 课题的来源和研究内容本课题来源于实际应用，目的在于设计一个基于 S7-
18、300 PLC的远程带传动实验台控制系统，把带传动实验放到校园网上，实现带传动网络实验，这样可以弥补目前教学条件的不足。在目前教学中，往往会因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因，而使一些应该开设的教学实验无法进行。利用虚拟现实系统，可以弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以作各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。在机械基础实验中，带传动实验是每个学习机械设计的学生必做的实验项目。机电工程学院实验中心实验设备不足，而像机械类，近机类及相关学校等选做带传动实验的学生人数却很多，现有的实验资源已经满足不了学生做实验的要求，这使得带传动实验台的改造尤
19、为必要。机械基础与 CAD实验教学中心已经有了改造带传动实验台的硬件和软件，包括西门子公司公司 S7-300型 PLC，STEP 7，WinCC 等资源，实验室和学生宿舍都有校园网接口，这为带传动实验台的改造提供了条件，使其变为可能。在分析了基于远程虚拟实验方法发展现状的基础上，根据实际要求和方案，完成系统的结构、硬件和软件的设计。本文研究的重点是基于PLC的带传动实验台远程控制，主要工作和研究内容如下：（1）带传动实验系统硬件的改造设计。（2）建立基于 S7-300 PLC的带传动实验远程控制系统。（3）为虚拟实验的教学软件提供数据接口和控制接口。作为 PLC远程控制实验，系统设计上分成两大
20、部分：第一部分是带传动实验台的硬件部分的改造，包括带传动远程控制实验系统主要硬件部件的功能设计和网络硬件的选择；第二部分是利用 PLC控制带传动实验台，把 PLC与计算机服务器连接，可以利用服务器直接给 PLC进行编写程序，指挥 PLC运行，它包括的主要是 STEP 7和 WinCC的应用；两大部分再加上软件部分最终由因特网连接在一起，通过因特网进行数据的远程传输，来达到远程控制 PLC进行实验的目的。72 带传动远程控制实验系统硬件设计带传动虚拟实验硬件系统设计包括硬件装置的主要部件的设计和网络部件的选择及功能。其中，带传动虚拟实验系统硬件装置又包括带传动实验台内部电路的改造和传感器的设计，
21、西门子公司 S7-300 PLC模块的选择配置及相应模块控制接口的接线设计；网络部件的选择及功能主要包括主服务器，集线器等网络部件的选择及功能的应用。2.1 带传动远程控制实验系统硬件装置的组成本论文硬件装置由西门子公司 S7-300 PLC 314、主服务器、D-Link集线器、网络摄像机、DCS-型智能带传动实验台、以太网、因特网和远程计算机等构成。PLC 远程控制实验的结构图如图 2.1所示。图 2.1 PLC远程控制实验结构图2.2 带传动远程控制实验系统硬件设计2.2.1 带传动实验台的原理和结构DCS-型智能带传动实验台是由主体部分、张紧装置、控制系统、转矩和转速测量装置、数据采集
22、处理计算机组成，如图 2.2根据测量主动轮的输入转矩和从动轮的输出转矩，以及主动轮的输入转速和从动轮的输出转速，可进行带传动的滑动率与效率的测定。82.2 现有带传动实验台组成带传动实验台的结构如图 2.3所示。图中为 ZD-50/20-200型号电动机，其中电机 1主动，电机 2从动。两只电机分别固定在一对支撑架上，从动电机可随支撑架在实验台基座滑道上滑动，以便调整传送带的初拉力。因为电磁力矩作用在转子上，它对转子作用，带动带轮工作，及表现为工作转矩。将转矩传感器分别安装在主动轮、从动轮的转轴上，就可以得到工作力矩和转速。实验台加载原理如下：将电机 2的转速设成超过同步转速运行，此时，电动机
23、便进入发电机运行状态。由于转子导体切割旋转磁场的方向与电机转速的方向相反，成为一个制动转矩。为了维持电机继续运转，必须有外界对转子输入机械转矩，以克服由电磁转矩所造成的制动转矩。两个电动机上分别装有转矩和转速的传感器，连接到实验台内部，对传感器输出的数据进行测量，从而确定带传动实验带的性能。实验台前基座上设有控制带传动的各种功能的操作按钮和显示带传动参数的数码显示器。图 2.3 带传动实验台结构图92.2.2 带传动实验传感器设计带传动实验台需要测定主电动机和从电机的转矩、转速，测量主电动机和从电机的转矩和转速就要借助于传感器，目前市场上单个测量转矩和转速的传感器种类很多，但还要分开使用和改造
24、，本次带传动实验台的改造采用的是 JN338-A型传感器，该传感器的优点是可同时测量电机的转矩和转速参数，其特点如下： (1)可测量稳态扭矩，可以测量动态扭矩(2)测量角度、位移及低转速时采用增量式编码器原理设计，测量转速、精度高，性能稳定可靠，使用寿命长。(3)测量正、反向扭矩时，不需调整零点。(4)信号检测采用数字化处理技术，精度高、稳定性好、抗干扰强。JN338-A传感器的参数如下表 2.1所示。表 2.1 JN338-A传感器的参数型号 规格（N.m）最高转速（r/min）型号 规格（N.m）最高转速（r/min）10 6000 300 500020 6000 500 400030 6
25、000 1000 300050 6000 1500 3000JN338-A型200 5000JN338-A型2000 3000带传动实验台的转速和转矩均在 JN338-A传感器的测量范围之内，该传感器可满足要求。转矩测量装置的硬件结构和测量原理如下：转矩测量的敏感元件是电阻应变桥。将电阻应变片组成的电桥粘贴在带传动实验台的主、从动电机的弹性轴上，向应变桥提供直流电源即可检测出带传动实验台电机受扭时毫伏级应变电信号，将该应变信号放大后，经压频转换变换成与扭应变成正比的频率信号。传感器的能源输入及信号输出是由两组带间隙的特殊环形变压器所承担的，因此实现了无接轨的能源及信号传递功能。转矩测量原理如图
26、 2.4所示。10图 2.4 转矩测量原理图正向转矩输出值为：Mp=N (f-f0)/ (fp-f0) （公式 2-1）反向转矩输出值为：Mr=N (f0-f)/ (f0-fr) （公式 2-2）Mp-正向转矩；Mr-反向转矩；N-转矩满量程；fp-正向满量程输出频率值（KHz）；fr-反向满量程输出频率值（KHz）；f-实测转矩输出频率值（KHz）转速测量装置的硬件结构与测量原理如下：转速传感器在带传动实验台的主、从动电机的旋转轴上安装着 P条齿缝的测速盘，在传感器外壳上安装由发光二极管及光敏二极管及光敏三极管组成的槽型光电开关架。测速盘同带传动实验台电动机转轴同速转动，如图 2.5所示。图
27、 2.5 转速测量原理图每当旋转盘转至其长方形开孔与光电开关的透光孔重合时，光敏二极管便通过电流，施密特触发器 CD4093输出高电平。当旋转盘转至使通光孔被遮时，CD4093 便输出低电平。圆盘不断转动，CD4093 便输出脉冲11序列。脉冲频率与转速成正比。转速输出值为：n=60*f/p(r/min)。其中n-转速值（r/min）；f-频率值（KHz）；p-圆盘开孔总数。在带传动实验台改造中取 p=60，使 f=n，即传感器输出信号频率便是带传动实验台电动机的转速，方便测量。转矩传感器将带传动滑动的大小用滑动率 （或称滑动系数）表示，其表示为：滑动率 =(1-n1 /n2)100% （公式
28、2-3）效率 =(P2、/P1)=T2n2/(T1n1) （公式 2-4）带传动的滑动随着有效转矩 T的增减而增减，表示这种关系的 -T2曲线称为滑动曲线。当有效转矩 T2小于临界点 F时，滑动率 与有效转矩 T2成线性关系，带处于弹性滑动工作状态。当有效转矩 T2超过 T2点以后，滑动率迅速上升，带处于弹性滑动与打滑同时存在的工作状态。当有效拉力等于 T2max 时，滑动率直线上升，带处于完全打滑的工作状态。带传动的效率曲线表示带传动效率 与有效转矩 T2之间关系的 -T2曲线。当有效转矩 T2增加时，传动效率 逐渐提高，当有效转矩 T2超过 T2点以后，传动效率下降。带传动在有效转矩 T2
29、等于或稍微低于临界点 T2时带动的效率最高，滑动系数为 1%-2%。实验台内单片机进行检测、处理数据、信息记忆、自动显示等功能。通过计算机，可自动显示并打印输出带传动的滑动曲线 -T2 及效率曲线 -T2 及有关数据。2.2.3 带传动实验台加载功能电路设计在带传动实验中，对从电机加上加载的功能就是模拟对电动机加负载，使从动电机带一定的负载运行，现场带传动实验设备的加载方法是利用电阻的接入来使从动电机两端的电流减小，从而模拟电动机负载运行的状态。本次带传动实验台是利用在从动电机加反向电流的原理对从动电机进行模拟负载运行，设计电路图如图 2.6。对带传动实验台加载的原理如下：可控硅 T3的阴极分
30、别触发可控硅T1,T2在一个电源周期内轮流导通，形成直流电加于电机上。加于可控硅T3控制极和阴极的电源是通过二级管整流而得的正弦脉冲电压。加于可12控硅 T1,T2。级。从中可知，在一个电源周期内(02)，前半周(0)T3的阴极触发可控硅 T1导通，后半周期(2)T3 管阴极触发可控硅T2导通。触发的移相角 a由 AD7520数-模转换器控制。调节 AD7520数-模转换器的数字量输入，则改变了电容 C4两端的电压，从而改变了对电容 C4的充电速度，对 C4充电快，则移相角 a小，反之则相反。图 2.6 加载电路图AD7520数-模转换器包括 16个引脚，一个精密电阻网络和一个高速控制放大器。
31、它把所有这些重要电路集成在一个单片上。该数-模转换器特点是稳定时间短，线性误差小。其参数为：4-13 为十位数字量的输入端；1 为模拟电流 Io1输出端，接到运算放大器上的反相输入端；2 为模拟电流输出端，一般接地；3 为接“地”端；14 为 COMS模拟开关的+UDD电源接线端；15 为参考电压电源接线端，UR 可为正可为负。AD7520数-模转换器控制端接到 PLC的输出端，通过 PLC控制转换器的控制端来控制电容 C4两端电压，从而控制可控硅的相位角，进而控制带传动实验台从动电机模拟加载。在带传动实验加载电路的设计中 D6 、R3、C5 组成浪涌吸收回路保护 T3管。二极管 D7为电机的
32、续流二极管，改善电机运转稳定。电容13C1，C2，C3 和电感 LF组成 型滤波器，即防止外界电源杂波影响电机运转控制，又避免本身在电压控制中产生谐波影响外界。元器件选择：可控硅 T3，PRV400v IF=1A； 可控硅 T1、T2 根据电机功率选取 PRV600v，IF5A 即可适用本实验台电机。2.2.4 西门子公司 S7-300型 PLC简介可编程序控制器是一种以计算机(微处理器)为核心的通用工业控制装。早期的可编程控制器只能进行开关量的逻辑控制，其产生的动因最初是为了取代继电器构成新型的控制开关量的装置，因此其早期的名称为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Con
33、troller)，简称 PLC。现在的可编程控制器已不仅限于逻辑控制的功能，而是还具有了算术运算、模拟量处理、联网等功能，于是人们将其简称为 PC。但为避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，可编程控制器仍常被称为 PLC。现阶段的 PLC其已远非用一位机开发，用磁芯存储器存储，只具有单一的逻辑控制功能的第一代 PLC可比。现阶段的 PLC产品不仅全面使用 16位、32 位高性能微处理器，高性能片位式微处理器，RISC(Reduced Instruction Set Computer)精简指令系统 CPU等高级 CPU，而且，在一台 PLC中配置多个微处理器，进行多道
34、处理，使得第五代 PLC产品成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的名副其多功能处理器。PLC 具有编程方便，维修量小。模块化设计，体积小等优点，再随着 PLC功能的不断完善，性价比的不断提高，PLC 的应用面也越来越广泛。 在众多的 PLC中，SIMATIC 系列是其中之一，而 SIMATIC S7-300系列可编程控制器是西门子公司全集成自动化系统中的控制核心，是其集成与开放特性的重要体现。该系列 PLC在通讯功能不断提高的前提下继承了西门子公司上一代 PLC SIMATIC S5系列稳定可靠和故障率低的精髓，STEP 7采用 SIMATIC软件的集成
35、统一构架，为实现 PLC编程组态的易用性和友好性以及与上位机组态系统的统一性提供了一个功能强大的软件平台。西门子公司 S7-300是模块式中小型 PLC，最多可以扩展 32个模块。使用 PLC来控制受控设备的运行过程，并监测设备的运行状态。为了今14后的推广使用，所以选用了 S7-300 CPU314的 PLC，如图 2.7示、如图 2.8所示。1.电源模块 2.后备电池 3. 24V DC 连接器 4.模式开关 5.状态和故障指示灯 6. 存储器卡 7. MPI 多点接口 8.前连接器 9.前盖图 2.7 S7-300 PLC图 2.8 CPU314功能最强 CPU的 RAM为 51ZKB，
36、最大 8192个存储器位，512 个定时器和 512个计数器，数字量最大 65536，模拟量通道最大为 4096，有 350多条指令。SIMENS S7-300和其他可编程控制器一样，都是采用循环扫描工作方式，即 CPU首先扫描输入模块的状态，并更新输入过程映像寄存器，然后执行程序，最后在输出过程映像寄存器中将值输出到输出模块，因此循环下去。15S7-300是模块化的组合结构，有多种型号的模块，下面就常用及接线方式简单介绍一下。（1）中央处理单元 CPU模块S7-300有 CPU312 IFM，CPU 313，CPU 314，CPU 315，CPU315-2DP等中央处理单元可供选择。CPU3
37、12 IFM 模块上集成有 10个数字量输入点和 6个数字量输出点，其余模块上还带有继承 I/O端口，其存储器容量、指令执行速度、可扩展的 I/O点数、计数器/定时器数量，软件块的数量等，随序号的递增而增加。CPU315 DP 除具有现场总线扩展功能外，其它特性与 CPU315相同。（2）电源模块（PS）PLC的内部电源应具有这样的功能:与外部电源隔离减少供电线路的影响；有较强的抗干扰能力;功耗低;有良好的保护功能。目前以开关型稳压电路为主。电源模块种类有 PS 307 2A、PS 307 10A、PS 307 5A。此外，为了使 RAM中的信息在突然失电情况下不丢失，PLC 一般都采用锂电池
38、作为 RAM的后备电源。（3）数字量模块S7-300有多种型号的数字量 I/O模块供选择，如数字量输入模块SM321、数字量输出模块 SM322，数字量 I/O模块 SM323，此外还有仿真模块 SM374等。数字量输入模块将现场过程送来的数字信号电平转换成S7-300内部电平信号，并传送到系统总线上，也就是将 CPU模块处理过的内部数字量信号转换成外部过所需要的信号，并驱动外部执行机构、显示灯等负载。数字量模块，按电压分类有直流 12V、24V、48v 和交流 120v、230v;按保护形式分类有隔离和不隔离两种;按点数分类有 8点、16 点、32 点等。（4）模拟量输入模块模拟量输入模块是
39、将外部生产过程缓慢变化的模拟信号，转换为能为可编程序控制器识别的数字信号。模拟量信号类型相比于数字量信号类型要烦琐的多，模拟量值的表示方法、测量方法、测量范围、输出范围，以及其于传感器、负载或执行器的连接也都十分复杂。S7-300 的16CPU用 16位的二进制补码表示模拟量值， S 输入范围很宽，它可以直接输入电压、电流、电阻、热电偶等信号。模拟量输入模块 SM331有两种规格型号:一种是 812位模块，另一种 212位模块。前者是 8通道的输入模块，后者是 2通道的输入模块。除了通道数不一样外，其工作原理、性能、参数设置等个方面都完全一样。此外，S7-300 还具有功能模块（FM）、通讯模
40、块（CP）等诸多模块，满足更多需求 8。2.2.5 S7-300 PLC硬件组态与接线S7-300 PLC的主要组成部分有:导轨(RACK)、电源模块(PS)、中央处理理器 CPU模块、接口模块(IM)，信号模块(SM)，功能模块(FM)等，通过 MPI网的接口直接与 PC或其他 PLC相连。使用 S7-300组态对带传动实验台进行控制，必须得知道带传动实验台的功能及实验的内容和步骤，才能设置相应的模块。因此在组态前先必须了解带传动实验的一些基本情况。带传动实验台的控制模板如图 2.9所示：上面分布有：电源开关，清零，加载，保持，送数，四个显示器分别显示主，从动轮的转矩和转速。图 2.9 带传
41、动实验台控制面板带传动实验内容如下：（1）根据不同的转速条件，控制主动轮转速恒定，调节负载大小，分别测定主动轮和从动轮的转速与转矩。（2）根据测定的主动轮和从动轮的转矩与转速，计算输入功率、输出功率及传动效率。（3）根据主动轮和从动轮的转速与轮径，技术滑差率。（4）在不同的初拉力条件下测量皮带打滑时的转矩。带传动实验步骤如下：17（1）实验时的预紧拉力对传动性能有影响，改变砝码的大小可以改变预紧力。根据实验要求可适当选择砝码的大小，以达到对带传动过程中滑动率和效率的验证。（2）实验时，接通电源，按一下“清零”键，清除上次实验记录数据。（3）在空载状态下，调整实验台背面的“调零”电位器，将被动轮
42、转矩数值调至为 0-0.03Nm，主动轮转矩数值调至为 0.05-0.09Nm。（4）在空载时，记录主、被动轮转矩和转速，按“加载”键一次，第一个加载指示灯亮，待数值稳定后记录主、被动轮转矩和转速。重复上述操作，直至 7个加载指示灯全部亮起，记录下这 8组数据即可得到带传动的滑动率和效率曲线。（5）实验结束后，按下“清零”键，加载显示指示灯全部熄灭，实验台机构处于空载状态。再将主动电机转速和转矩调至零，然后关闭实验台总电源。本次对带传动实验台改造使用的是西门子公司公司生产的 S7-300 PLC，根据带传动的控制模板控制功能、实验原理、实验内容和实验步骤，带传动实验台改造 PLC的结构流程图如
43、图 2.10所示。图 2.10 PLC结构流程图18带传动实验台改造对 S7-300 PLC硬件组态用到模块有如下： （1）负载电源模块（PS）：PS 307 2A，如图 2.11。其作用是为PLC提供电源。图 2.11 电源模块(2)中央处理单元（CPU）标准 CPU314。CPU 314 装配有：微处理器：每条二进制指令执行时间约 100ns，每条浮点数运行指令约 3s； 扩展存储器：96KB 高速 RAM 用于执行相关的程序部分，为用户程序提供充分的空间，微存储卡作为程序的装载存储器，也允许在 CPU 中保存项目； 灵活的扩展能力：多达 32个模块；多点接口 MPI：内置 MPI 接口可
44、以最多同时建立 12个与 S7-300/400 或与 PG、PC、OP 的连接，在这些连接中，始终分别为 PG 和 OP 各保留一个连接，通过“全局数据通讯”，MPI 可以用来建立最多 16个 CPU组成的简单网络。（详细信息请参见西门子手册）（3）数字量模块：数字量输入/输出模块 SM322;DI 8/DO 824V。具有八个输入和八个输出接口。数字量输出模块 SM322;DI 8/DO 824V设计具有设计紧凑、前连接器通过前盖板保护、前盖上的标签区、易于安装、用户友好的接线等特点。 数字量输入/输出模块转换的功能是将来自过程的外部数字信号电平转换成 PLC内部信号电平和将 PLC的内部信
45、号电平转换成过程所要求的外部信号电平。（详细信息请参见西门子手册） 数字量模块用于带传动实验台的接线图如图 2.12。19由图可知通过两个数字量模块 323来完成的 PLC控制带传动实验台实现的基本控制功能，包括实验台的选择、实验台的启动和停止、实验初始化、实验台的加载、实验数据的采集和重新实验。图 2.12 PLC数字量模块接线图（4）模拟量输入模块：由于实验中有传感器转矩和转速参数的传输，所以信号模块还需模拟量输入模块。模拟量输入模块 SM331; AI812Bit位分辨率。带传动实验模拟量的量程卡 B，测量电压。模拟量输入模块 SM331将从过程发送来的模拟信号转换成供 PLC内部处理用
46、的数字信号。该模块具有如下特点：1.分辨率为 9到 15位+符号位，可设置不同的测量范围。2.通过量程模块可以机械调整电流/电压的基本测量范围。3.中断能力；模块把诊断和超限中断发送到可编程控制器的 CPU中。204.诊断；模块向 CPU发送详细的诊断信息。（详细信息请参见西门子手册）模拟模块用于带传动实验台的接线图如图 2.13所示。图 2.13 PLC 模拟量模块接线图传感器采集的模拟量数据经过二极管滤波，在经过放大器放大接到模拟量 331模块上，其中 C1=1F，R1=10K，R2=5 K,放大器放大 2倍。CPU-314、数字模块 SM323、模拟量模块 SM331示意图如图 2.14
47、所示。1-CPU 314 2-SM323 3-SM33121图 2.14 模块示意图5导轨：用于安装所选出来的 S7-300 PLC的模块，如图 2.15所示。图 2.15 导轨最终硬件组态为导轨上 1号槽安装电源模块，中央处理单元 CPU安装在在 2号槽位上， 4 至 11号槽，可自由分配信号模块和通讯模块。PLC硬件组态如图 2.16。图 2.16 硬件组态2.3 带传动远程控制实验系统网络硬件的选择2.3.1 主服务器的选择主服务器是网络伺服器，主要是虚拟的网络计算机伺服器，主要是安装 STEP7，WinCC 等软件来对现场的 PLC编程控制，远程计算机可以通过主服务器对 PLC进行远程
48、控制。主服务器的选择可以直接利用带传动实验室的现场计算机，对选择的计算机安装软件 Windows Sever即可实现在现场计算机成为主服务器的功能，然后再在主服务器计算机上安装 STEP7，WinCC 软件，进而通过软件对带传动实验台现场 PLC进行控制，从而控制带传动实验。222.3.2 网络摄像机的选择网络摄像机是一台网络 IP摄像机，如图 2.17 所示。通过网络摄像机远端计算机可以使用 IE浏览器窗口观看 PLC控制带传动实验台的实时运行情况，观察 PLC控制带传动实验台的效果。图 2.17 IP摄像机网络摄像机在目前的市场上也比较容易购买，在摄像机的对比度、亮度等参数设置后，远程计算
49、机就可以使用 IE浏览器打开设定的网络 IP摄像机进行观察 PLC控制带传动实验台的工作了。2.3.3 集线器的选择集线器(HUB)是对网络进行集中管理的最小单元，像树的主干一样，它是各分枝的汇集点。HUB 是一个共享设备，其实质是一个中继器，而中继器的主要功能是对接收到的信号进行再生放大，以扩大网络的传输距离。如图 2.18所示是 D-Link的集线器。图 2.18 D-Link集线器在带传动实验台的改造中，选择 D-Link集线器具有 16个网络接口，可以满足带传动实验台网络连接的要求，方便以后扩展。带传动实验台改造利用集线器连接主服务器和网络摄像机，对主服务器和网络摄像机采集的数据进行再生放大，传输到以太网上。这里带传动实验台改造中选用 100Mbit/S8口的 HUB。232.3.4 远程计算机的选择远程计算机可以是一台普通计算机（廋客户机），能够上网打开 IE浏览器，打开带传动实验台网页设置中的各个功能就可以。2.4 带传动虚拟实验系统硬件装置的结构最终带传动实验台的硬件组合结构如图 2.19所示。远程计算机登录带传动实验页面，通过以太网和主服务器取得联系，建立通讯通道，然后经过以太网将控制
