第１３卷 ２０１３住 第４期 ４月 中 国水运 Ｏｈ ｉ ｎａ Ｗａｒｅｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｖｏ１．１３ Ａｐｒ ｉ Ｉ Ｎｏ．４ ２０１３
齿轮箱性能试验台监控系统设计
张奇，刘建设
（武汉船用电力推进装置研究所，湖北武汉４３００６４）
摘要：监控系统以西门子ＰＬＣ Ｓ７—４００为核心，通过中央控制台与远程控制柜来对拖动系统进行集中控制和运行 状态的监视，同时提供故障报警和保护等功能。监控系统设计包括接口设计、网络设计和软件设计。
关键词：ＰＬＣ；监控系统；软件设计 中图分类号：ＴＰ２７３．５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—７９７３（２０１３）０４—００７９—０３
一、引言 齿轮箱性能试验台由拖动系统、监控系统和数据采集系
统组成。齿轮箱性能试验台有４台交流电动机，可任意在台 位上改变位置固定从而变化拖动方式。通过监控系统来控制
和监视拖动系统运行，通过数据采集系统获得工况数据通讯 给监控系统，来检验齿轮箱性能。
本文根据技术方案中的设计要求对该系统中的监控系统 进行了设计，使得所有控制操作都可在中央控制台上完成，
同时系统运行状态都在中央控制台的上位机（ＩＰＣ）和操作面 板（０Ｐ）上显示，提升了系统的自动化水平，增加了系统的
可操作性、可靠性和可维护性。 二、监控系统组成
监控系统主要用于对整个齿轮箱性能试验台集中控制与
运行状态的监视，监控系统由中央控制台、远程控制柜组成。 中央控制台为主站，远程控制柜为从站。 中央控制台由ＰＬＣ控制器、公共面板、甲区手操面板、
乙区手操面板、甲区ＯＰ面板、乙区ＯＰ面板、ＩＰＣ及ＯＬＭ
通讯转换模块等相关附件组成。 远程控制柜由ＥＴ２００Ｍ远程ＩＯ模块及相关附件组成，
通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＤＰ网络与中央控制台主站ＰＬＣ之间进行 通讯交换数据。
监控系统结构如图１所示。
图１监控系统结构图 三、监控系统设计 整个系统是基于计算机控制技术和网络通讯技术的自动
控制系统。从系统接受运行工况和参数设定到完成性能试验 的整个过程，都由控制软件自动完成管理，对系统运行状态
进行监视，及故障报警和保护等功能。从而使系统的自动化 程度高，同时增加了系统的可靠性，便于操作和使用，减少
人为失误对系统造成的影响。 １．功能描述
中央控制台是整个齿轮箱性能试验台变频调速监控系统 的核心设备，主要完成对变频调速系统的控制、状态显示、
故障诊断与保护，从而完成齿轮箱试验系统运行时各种工况 的选择，以及满足试验过程中各种调速和转矩控制的要求。 表１ 中央控制台操作模式
模式类别 操作方式 具备功能
中控台面板开关实现Ｉ观选择、转速／转矩输入、启动、停止、 手动操作 按钮 故障复位、紧停、声光报警等功能
ＯＰ面板软件画通过触摸屏选择Ａｔ＿况、输入参数、启动、停止等 ＯＰ操作 面 功能 可简单监视系统状态
ＩＰＣ（Ｉ控机）操 通过鼠标、键盘选择Ｉ况、输入参数、启动、停 上位机软件画面 作 止等功能 可详细监测系统状态 ２．控制系统设计
控制系统的总体设计主要涉及到ＰＬＣ的选型、接口设计、 系统集成和ＰＬＣ软件的编制。根据系统要求，控制系统将能
够完成以下控制功能： 表２控制系统功能
控制逻辑
功能
保护逻辑
功能 主电源通断控制逻辑功能
运行Ｉ况选择功能 非电器故障的紧急停车逻辑控制功能
短路报警及瞬时跳闸功能 过电流报警及延时跳闸功能 欠电压报警及延时跳闸功能
过电压报警及延时跳闸功能
电动机超温报警及延时跳闸功能 变频器故障报警及瞬时跳闸功能 （１）Ｓ７—４００ＰＬＣ ｓ７—４００ ＰＬＣ是整个控制系统的核心，选用的各个模块
收稿日期：２０１３—０１—０２
作者简介：张奇（１９８６一），男，武汉船用电力推进装置研究所助理工程师，从事船舶电力推进系统集成技术研究。
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由一个主机架集成，集中安装成一个本地Ｉ／ｏ控制系统，并
通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ与其它设备进行网络通讯，完成整个系 统的控制管理，接收用户定制的指令并输出控制执行。在本
系统中，中央控制台作为主站、远程控制柜作为从站。主站 与从站ＰＬＣ配置选型为： 表３主站ＰＬＯ配置选型
（２）接口设计 为完成对整个齿轮箱拖动系统的控制功能，根据控制系 统需求，确定接口型式与内容。该控制系统接口包括：供电
接口，手操面板接口，ＯＰ面板接口，ＩＰＣ接口，变频器接口 以及水冷柜机组接口。具体接口内容如下：
供电接口：ＡＣ２２ＯＶ电源，通过电力电缆连接。 中控台手操面板接口：包括操作开关和指示等，通过信
号线连接。 ＯＰ面板接口：包括系统运行状态、故障信息、操作指令
和设定参数，通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ网络连接。 ＩＰＣ接口：包括系统运行状态、故障信息、操作指令和 设定参数，通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ网络连接。 变频器接口：包括操作指令，速度给定、系统运行状态
和参数，通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ网络连接。
水冷柜接口：包括启动／停机指令，系统运行状态，通过 ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ网络连接。 （３）网络设计
监控系统中通讯采用三种型式，一为ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ现 场总线，中央控制台内ＰＬＣ控制器与工控机（ＩＰＣ），两块
ＯＰ操作面板之间采用ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ现场总线进行连接， 中央控制台ＰＬＣ、远程控制柜与光纤链路模块（ＯＬＭ）之间
的连接也为ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ现场总线。二为光线环网，中央 控制台、远程控制柜、水冷机组ＰＬＣ以及变频器都通过光纤
链路模块（ＯＬＭ）组成光纤环网进行通讯数据交换，各个
ＯＬＭ问通过光纤进行连接。三为工业以太网，中央控制台内 工控机（ＩＰＣ）通过数采台交换机与数采计算机通过以太网连
接。 四、软件设计 １．ＰＬＣ管理控制程序编制
Ｓｔｅｐ ７编程语言采用模块化程序结构，能比较方便的完 成大型控制系统的程序设计，但是任何编程都需要掌握一些 基本设计思想和设计步骤，才能快速有效的完成项目，编制 复杂控制系统一般按照下面的流程来进行：
（１）全面深入地了解系统的运行过程，熟悉受控对象， 分析逻辑关系，确定ＰＬＣ的任务和ＤＩ／ＤＯ、ＡＩ／ＡＯ的点数
以及特种控制输入输出，确保功能和参数正确，系统安全可
靠。 （２）定义输入输出表，确定各输入输出的地址对应关系。 （３）写出各个控制任务的具体控制对象，包括每一步的
名称，调用的功能或功能块，各种互锁控制要求，时序要求 等。例如有些接触器的合闸过程，必须遵循严格的先后顺序，
需要区分和了解清楚。 （４）合理划分各功能模块。
（５）再根据上一步画出程序结构框图，见图２。 （６）根据程序结构框图编写程序。 渊格 Ｉ执行块 稻耶｝Ｉ描挑
图２ ＰＬＯ程序结构图
ＰＬＣ程序设计普遍采用状态转换图来设计。在任一状态，
程序只接受对这一状态有效的命令输入，有效地防止了误操 作的发生。ＰＬＣ程序设计中一直把系统运行可靠性放在第一
位。所以在程序中大量工作用在故障检查、分析、处理上， 这为运行可靠提供了坚实保障。
初始化 Ｊ｛ ＿＿ ＿＿
图３系统状态转换图 为达到令人满意的控制效果，程序将状态划分为初始化 状态、操作等待状态、变频器就绪状态、运行等待状态、运
行状态等。各个状态根据不同的条件进行转换，系统上电后，
如果通信正常则进入操作等待状态，用户通过一系列开关顺 序合闸操作启动变频器，进入变频器就绪状态，当用户选择
控制工况完成按下工况确认后系统进入运行等待状态，在运 行等待状态下可以通过启机／停机命令进入运行状态。图３
为各种状态的状态转换示意图。 ２．操作面板（ＯＰ）组态 （下转第８２页） 、．｜＿＿ ． 、 ． 、
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