工业控制站，以太网通信实现
上海海事大学、上海允鸿自动化科技有限公司的研究人员刘伟、陈允霞，在2018年第4期《电气技术》杂志上撰文指出，商用汽车的快速发展对变速箱制造精度和效率提出了新的标准，现有设备和工艺已不能满足其要求。
根据变速箱装配工艺的技术要求和特点，以14档商用车变速箱副箱轴承压装设备为控制对象，应用以太网和opc（ole for process control）通信技术，构建基于西门子s7-1200的控制系统，采集压力、位移数据并绘制压装曲线，实现压装数据的可追溯，为变速箱研发提供数据支撑。
物流运输业的快速发展对商用汽车及其变速箱发展提出新的标准与要求。商用汽车运行成本和故障率成为制约运输业发展的关键因素[1-2]。变速箱作为商用汽车的重要组成部分，其轴承装配质量直接影响变速箱质量甚至使用寿命。系统采用先进的气动液压混合式压装，压装压力与位置检测装置配合plc控制，上位机记录并存储压装数据的方式，实现压装数据的本地保存与历史查询、追溯等功能，改善变速箱组装依靠人工测量和经验判断产品质量的现状。
变速箱装配生产线涉及许多工艺流程，轴承装配是其中很重要的一项，如副箱轴承、前盖轴承、中间轴、一轴、同步器等，其压装精度直接影响整台变速箱的质量。对于不同的轴承装配工位，只需改变对应的压装模具，即可以采用相似的控制系统实现对轴承压装的自动控制。
下文以变速箱装配流水线副箱轴承压装单机设备为例，介绍控制系统的网络构建以及压装数据采集、处理与存储等技术[3-4]。
1 控制系统的构建 副箱轴承压装设备由底座（含支架）、辊道、停止器、托盘举升装置（含固定插销）、压装模具、托盘承重板、气液增压装置、条码扫描装置等组成。
1）副箱轴承压装控制工艺与要求
工艺流程如下。压装模具定位至压装位置；气液增压缸上模具动作压外圈轴承；气液增压缸下模具动作压内圈轴承；压装过程自动记录压力位移曲线。压装完成，各执行机构返回原位，准备下一循环。
2）控制系统的硬件组成
针对上述工艺要求，结合副箱压机设备和控制要求构建了由研华工控机、触摸屏、plc、压力传感器、位移传感器及运动机构等组成的控制系统。
上位机管理站（操作站）通过以太网方式将分散的plc控制站组网并进行通信，实现对设备的集中管理与分散控制。
siemens s7-1200控制器本体集成支持10/100mb/s的物理接口，支持以太网和基于tcp/ip的通信标准。控制器plc与管理站通过opc建立数据通信。图1所示为控制系统硬件组成。
图1 控制系统硬件组成
3）控制系统数据采集与存储
plc通过模拟量通道实时采集位移、压力等现场数据，并通过opc上传至操作员站。
操作员站采用vb.net开发监控管理界面并保存数据采集日志、绘制压装曲线，同时将原始数据保存至数据服务器。
管理员站采用vb.net开发，主要实现数据的查询、系统关键参数的设置、数据统计与报表分析等工作，为产品研发、质量追溯等提供数据支撑。图2所示为系统数据流结构图。
图2 数据流结构图
2 系统实现 2.1 控制站—控制站以太网通信
副箱轴承压装工位，需要通过以太网同相邻工位建立必要的安全互锁与信息交互，以降低设备故障率和实现装配作业连续化。
1）硬件组态
s7-1200软件的编程与硬件组态是基于西门子tia（博图）自动化软件开发平台，其硬件组态如图3所示。
图3 以太网组网硬件组态
主站与从站建立以太网通信，必须正确配置硬件组态信息，否则通信无法建立，如通信协议、以太网地址、连接方式等。
2）以太网通信的编程实现
s7-1200提供开放式以太网通信协议进行数据交互。基于以太网通信协议，编写通信流程如图4所示。
图4 以太网通信流程
主从以太网通信的实现流程如下：
（1）主站发送连接请求从站，从站执行应答命令，与主站建立连接。
（2）主站读取系统时间连同用户数据一起发送至从站数据接收区。
（3）从站接收主站的时钟并同步其系统时间，从站的用户数据通过相同方式发送至主站数据接收区。
（4）通信完成，主站断开与从站的连接。
2.2 控制站—管理站数据交互
使用计算机作为监控、管理、操作站的场合越来越多，规模越来越大。不同厂家生产的现场设备种类在不断的增加，其通信机制并不相同，不同品牌plc与计算机通信需要开发的设备通信驱动程序也就越来越多。
opc为不同品牌plc与计算机通信提供了统一的标准，为过程控制设计的基于com/dcom（组件对象模型/分布式组件对象模型）技术的通信协议[3-9]。
opc规范包括opc服务器和客户端两部分。opc由服务器、组、数据项等组成。数据项是读写数据的最小单位（位、字或双字），不提供对外接口，不能作为单独的对象供客户端访问，必须隶属于组对象。在组对象中，客户可以加入多个opc数据项。
s7-1200采集来自位移和压力传感器的数据，经模拟量通道送至plc控制器，然后通过opc发送至上位机记录、存储并绘制压装曲线。数据采集、传输、存储流程如图5所示。
图5 opc数据采集、处理流程
pc通过opc读取来自plc的压力、位移等参数，并根据实时数据判定压装结果和绘制压装曲线。压装数据会被自动保存至数据库存储。当合格产品积累到一定数量时，软件会根据历史压力位移等数据信息为产品压装曲线添加包络线[10-12]。操作工也可根据实际生产情况更新包络线数据信息，以适应产品变化的需要。
3 调试 图6为调试现场获得的压装曲线图。由图可见，检测压力在接近目标位移时，瞬间增大至最大值。经测量，排除工件本身公差，位移值记录偏差相比实际值＜0.1mm，压力值在误差允许范围内，符合要求。
图6 压力-位移曲线
4 结论 本文根据变速器副箱轴承压装工艺及要求建立了上述电气控制系统，编程并实现了轴承压装的自动控制，通过管理站记录与保存压力、位移数据及压装曲线，实现了工艺数据的可追溯性，为变速箱维护和产品升级提供了数据支撑。在系统使用一段时间后，可以根据合格产品的压力、位移数据，绘制包络线。
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下文以变速箱装配流水线副箱轴承压装单机设备为例，介绍控制系统的网络构建以及压装数据采集、处理与存储等技术[3-4]。
1 控制系统的构建 副箱轴承压装设备由底座（含支架）、辊道、停止器、托盘举升装置（含固定插销）、压装模具、托盘承重板、气液增压装置、条码扫描装置等组成。
1）副箱轴承压装控制工艺与要求
工艺流程如下。压装模具定位至压装位置；气液增压缸上模具动作压外圈轴承；气液增压缸下模具动作压内圈轴承；压装过程自动记录压力位移曲线。压装完成，各执行机构返回原位，准备下一循环。
2）控制系统的硬件组成
针对上述工艺要求，结合副箱压机设备和控制要求构建了由研华工控机、触摸屏、plc、压力传感器、位移传感器及运动机构等组成的控制系统。
上位机管理站（操作站）通过以太网方式将分散的plc控制站组网并进行通信，实现对设备的集中管理与分散控制。
siemens s7-1200控制器本体集成支持10/100mb/s的物理接口，支持以太网和基于tcp/ip的通信标准。控制器plc与管理站通过opc建立数据通信。图1所示为控制系统硬件组成。
图1 控制系统硬件组成
3）控制系统数据采集与存储
plc通过模拟量通道实时采集位移、压力等现场数据，并通过opc上传至操作员站。
操作员站采用vb.net开发监控管理界面并保存数据采集日志、绘制压装曲线，同时将原始数据保存至数据服务器。
管理员站采用vb.net开发，主要实现数据的查询、系统关键参数的设置、数据统计与报表分析等工作，为产品研发、质量追溯等提供数据支撑。图2所示为系统数据流结构图。
图2 数据流结构图
2 系统实现 2.1 控制站—控制站以太网通信
副箱轴承压装工位，需要通过以太网同相邻工位建立必要的安全互锁与信息交互，以降低设备故障率和实现装配作业连续化。
1）硬件组态
s7-1200软件的编程与硬件组态是基于西门子tia（博图）自动化软件开发平台，其硬件组态如图3所示。
图3 以太网组网硬件组态
主站与从站建立以太网通信，必须正确配置硬件组态信息，否则通信无法建立，如通信协议、以太网地址、连接方式等。
2）以太网通信的编程实现
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图4 以太网通信流程
主从以太网通信的实现流程如下：
（1）主站发送连接请求从站，从站执行应答命令，与主站建立连接。
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（4）通信完成，主站断开与从站的连接。
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s7-1200采集来自位移和压力传感器的数据，经模拟量通道送至plc控制器，然后通过opc发送至上位机记录、存储并绘制压装曲线。数据采集、传输、存储流程如图5所示。
图5 opc数据采集、处理流程
pc通过opc读取来自plc的压力、位移等参数，并根据实时数据判定压装结果和绘制压装曲线。压装数据会被自动保存至数据库存储。当合格产品积累到一定数量时，软件会根据历史压力位移等数据信息为产品压装曲线添加包络线[10-12]。操作工也可根据实际生产情况更新包络线数据信息，以适应产品变化的需要。
3 调试 图6为调试现场获得的压装曲线图。由图可见，检测压力在接近目标位移时，瞬间增大至最大值。经测量，排除工件本身公差，位移值记录偏差相比实际值＜0.1mm，压力值在误差允许范围内，符合要求。
图6 压力-位移曲线
4 结论 本文根据变速器副箱轴承压装工艺及要求建立了上述电气控制系统，编程并实现了轴承压装的自动控制，通过管理站记录与保存压力、位移数据及压装曲线，实现了工艺数据的可追溯性，为变速箱维护和产品升级提供了数据支撑。在系统使用一段时间后，可以根据合格产品的压力、位移数据，绘制包络线。
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