1、- PAGE XXVIII -基于plc的綜合(zngh)控制設計基于plc的綜合(zngh)控制設計摘 要：造紙業是與社會文明和經濟發展息息相關(x x xing gun)的基礎原材料產業,目前國內造紙業自動化水在著一定差距，因此造紙系統的設計對造紙業來說至關重要。本文設計了一套基于PLC的造紙機控制系統，系統以S7-300 PLC作為控制核心，以ABB變頻器作為驅動單元，三相交流電機作為執行單元,由PLC通過Profibus-DP網絡與變頻器之間的通信完成各傳動點的啟硬件電路圖，介紹了其工作原理，并進行了元器件的選型；基于編程軟件Step7完成了系統的硬件組態以及控制程序的編寫。本文設計的

2、基于PLC的造紙機控制系統，結構簡單，成本低，控制方便。關鍵詞：造紙機，變頻器，通訊控制，組態，Profibus-DPDesign of Paper Machine Control System Based on PLCAbstract：Paper industry is a basic raw material industry which closely linked with the social civilization an economic development. At present, there is a certain gap in automation level bet

3、ween domestic paper industries and abroad. So design of papermaking system is crucial to the paper industry. There is a paper machine control system based on PLC has been designed in this paper. In the system, we use the S7-300 PLC as the control core, the ABB converter as drive unit, three-phase AC

4、 motor as execution the development process of domestic and international paper industry also introduced in this paper, papermaking machine according to the system control requirements to determine the control scheme. The design of hardware circuit diagram of the control system, introduces its worki

5、ng principle, and the selection of the components, programming software based on Step7 and completed the systems hardware configuration and control program. the design of the control system of paper machine based on PLC in this paper has advantages of simple structure, low cost, convenient control.K

6、eywords：Paper machine, inverter, the communication control, configuration, Profbus-DP1 緒 論1.1 造紙機控制系統(kn zh x tn)設計目的(md)與意義(yy)本次課題主要研究的是基于PLC的造紙機控制系統的設計。通過對造紙機控制系統的研究與設計，我可以的依據，以及交流變頻調速系統在造紙機傳動控制系統中的應用。同時掌握PLC與變頻器的控制方式，軟硬件的配合調節交流電機的轉速，培養我個人對知識的理解和使用，理論與實際結合以及對于處理細節問題方面的能力。目前，我國造紙業存在許多問題，諸如造紙技術設備陳舊

7、、水平落后、現代技術含量低等等。本課題的設計，可以在一定程度上改善這些問題，提高造紙機械的裝備水平，加強造紙機械加工能力和電氣控制的能力。同時，就我個人而言，對本課題的設計可以培養自己分析與解決問題的能力，同時也能對工業生產中運用到的如：電動機、變頻器、PLC、通訊技術、現場總線、操作屏等有更深一步的理解，對于電動機的控制方法及運用了解的更為深入。1.2 造紙機控制系統的研究現狀隨著人們對紙和紙板及其制品品種多樣化的要求和消費量日益增長, 造紙工業面臨的主要問題仍是纖維原料的來源, 節約能源,降低污染, 設備的大型化、高速化、自動化等1。造紙工業只有在解決這些問題的過程中才能得到發展, 制漿技

8、術和造紙技術的進步也無不緊緊圍繞上述問題而發展著。目前，我國造紙工業的特點是：產業結構取得了快速的發展。我國造紙工業國際化、集中化、專業化的格局已初步形成，而且國內許多造紙企業引進了很多國外先進的技術裝備，國內許多大的造紙企業已經完全與國際接軌。這都是我國造紙工業國際化的趨勢。各個造紙企業都在向生產名牌專業產品而努力。但是從世界范圍看，早期是基于經驗的應用常規調節儀表的簡單控制階段，但由于紙機傳動在生產中的特殊重要地位,如今造紙機電氣傳動控制的一般配置由PLC控制單元、變頻器單元等組成2，現在則是越來越多的基于PLC等穩定可靠先進控制器的控制系統，造紙工業正在飛速發展，在歐美等發達工業國家，車

9、速更快的高速造紙機已在大量推廣使用3。因此全面提升我國造紙行業整體的管理、裝備和自動化水平，使我國造紙行業進入低污染、低消耗、高效益的強國之列。1.3 本文(bnwn)的主要(zhyo)內容(nirng)本文設計的基于PLC的造紙機控制系統共有網部、真空、主壓、大缸、一烘、二烘、壓光、卷取八個傳動點需要控制，其控制方案是以S7-300 PLC作為系統的控制中心，ABB 變頻器為驅動間的通信完成各傳動點的啟動、停止、加速、減速、緊紙操作。依據該控制方案，本文主要工作如下：（1）造紙機控制系統的控制要求以及控制方案，主要是利用S7-300PLC與ABB變頻器之間的通訊控制，完成對傳動點電機的各項操

10、作。（2）系統硬件電路的介紹，包括硬件電路圖的工作原理以及圖中的變頻器、傳動電機、SIMATIC S7 PLC等的選型、原理。（3）系統軟件的設計，在Step7環境下的的硬件組態，符號表的編輯，數據模塊的編寫，傳動控制模塊程序的編寫等。最后是對本文設計的造紙機控制系統做了一個總結。2 造紙機控制系統2.1 造紙機控制系統(kn zh x tn)要求傳統的造紙機的主要傳動點分別為：真空伏輥、驅網輥、導網輥、真空吸移輥、毛毯壓榨、傳遞壓榨、烘缸文設計的造紙機控制(kngzh)系統所需控制的傳動點主要由網部、真空、主壓、大缸、一烘、二烘、壓光、卷取。要求控制各傳動點的轉速使得生產的紙質平滑無褶皺，同

11、時對于傳動點的啟動、停止、爬行、加速、減速等操作做到同步控制，避免造成生產的紙質不符合要求。造紙(zo zh)及工藝流程圖如圖2.1所示。網部（真空）壓光二烘大缸一烘主壓卷取圖2.1 造紙機工藝流程表2.1 八個傳動點參數傳動點序號傳動點名稱傳動點功率1網部60KW2真空45KW3主壓35KW4大缸25KW5一烘35KW6二烘30KW7壓光25KW8卷取25KW9風扇電機20KW在圖2.1所示工藝流程下，各傳動點的功率參數見表2.1。八個傳動點均采用三相交流變頻電機驅動，另外八臺驅動電機的風扇電機則使用統一功率22KW的交流電機。2.2 造紙機控制系統(kn zh x tn)的方案對于(duy

12、)工業機械設備的控制技術，其發展階段大體為人工控制階段、模擬儀表控制系統(kn zh x tn)階段、計算機集中式數字控制系統階段、集散式控制系統階段和現場總線控制系統階段4。本次設計的基于PLC的造紙機控制系統主要利用PLC與變頻器之間的通訊控制，實現PLC對三相交流電機的各項操作。主要控制方法是以S7-300 PLC作為系統的控制中心，ABB 變頻器為驅動單元，三相交流電機作為執行單元，同時由PLC通過Profibus-DP網絡與境中完成系統的硬件組態與系統的控制程序的編寫。這里采用Profibus-DP主要是因為PROFIBUS-DP現場總線介紹現場總線控制是應用于工業現場、連接智能現場

13、設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通訊網絡，其總線標準是開放的、不依賴生產廠家通信系統標準5。總體控制方案見圖2.2所示。圖2.2 系統控制方案圖3 控制系統的硬件電路設計3.1 硬件(yn jin)系統組成 3.1.1 硬件電路主要(zhyo)器件本次設計(shj)的基于PLC的造紙機控制系統包括八個傳動點，每個傳動點采用變頻器控制交流電機的轉速，實現傳動點的啟動、停止、增速、減速、爬行操作。現主要介紹其中一個傳動點的設計。設計中涉及到的主要硬件包括變頻器，PLC，三相交流變頻電機，電源模塊。現將這些硬件的工作原理先做如下介紹。變頻器：變頻器包涵控制電路、整流器、中間電路、逆變

14、器。變頻器完成對主電路的控制，將信號傳給整流器、中間電路和逆變器，同時接受來自這些部分的信號；整流器與單相或三相電源連接平滑濾波。將整流電壓變換成直流電流，使脈動的直流電壓變得穩定平滑，供逆變器使用；逆變器產生電動機電壓的頻率，逆變電路將直流電再逆變為交流電。PLC：PLC由輸入輸出模塊，中央處理單元，電源不見和編程器組成6。輸入輸出模塊用來連接外圍設備，接受外圍信號并轉換成CPU可處理信號，然后輸出；中央處理單元用來處理接收的信號，包用來給PLC各模塊供電。本次設計的基于PLC的造紙機控制系統使用的是SIMATIC S7-300PLC。SIMATIC S7系列PLC是德國西門子公司在S5系列

15、PLC基礎上于1995年陸續推出的性能價格比較高的PLC系統，其中，微型的有SIMATIC S7-200系列，最小配置為8DI/6DO，可擴展2到7個模塊，最大I/O點數為64DI/DO、12AI/4AO；中小型的有SIMATIC S7-300系列；中高檔的有S7-400系列。SIMATIC S7系列PLC都采用了模塊化、無排風扇結構且具有易于用戶掌握等特點，使得S7系列PLC成為各種從小規模到中等性能要求以及大規模應用的首選產品。三相交流電機： HYPERLINK /search?word=%E4%B8%89%E7%9B%B8%E5%BC%82%E6%AD%A5%E7%94%B5%E5%8A

16、%A8%E6%9C%BA&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 三相異步電動機要旋轉起來的先決條件是具有一個 HYPERLINK /search?word=%E6%97%8B%E8%BD%AC%E7%A3%81%E5%9C%BA&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 旋轉磁場，三相 HYPERLINK /search?word=%E5%BC%82%E6%AD%A5%E7%94%B5%E5%8A%A8%E6%9C%BA&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 異步電動機的 HYPERLINK /search?

17、word=%E5%AE%9A%E5%AD%90%E7%BB%95%E7%BB%84&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 定子繞組就是用來產生 HYPERLINK /search?word=%E6%97%8B%E8%BD%AC%E7%A3%81%E5%9C%BA&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 旋轉磁場的。我們知道，但相電源相與相之間的電壓在相位上是相差120度的，三相 HYPERLINK /search?word=%E5%BC%82%E6%AD%A5%E7%94%B5%E5%8A%A8%E6%9C%BA&fr=qb_searc

18、h_exp&ie=utf8 t _blank 異步電動機定子中的三個 HYPERLINK /search?word=%E7%BB%95%E7%BB%84&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 繞組在空間方位上也互差120度，這樣，當在 HYPERLINK /search?word=%E5%AE%9A%E5%AD%90%E7%BB%95%E7%BB%84&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 定子繞組中通入 HYPERLINK /search?word=%E4%B8%89%E7%9B%B8%E7%94%B5%E6%BA%90&fr=qb

19、_search_exp&ie=utf8 t _blank 三相電源時， HYPERLINK /search?word=%E5%AE%9A%E5%AD%90%E7%BB%95%E7%BB%84&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 定子繞組就會產生一個 HYPERLINK /search?word=%E6%97%8B%E8%BD%AC%E7%A3%81%E5%9C%BA&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 旋轉磁場，其產生的過程分四個時刻來描述旋轉磁場的產生。電流每變化一個周期，旋轉磁場在空間旋轉一周，即旋轉磁場的旋轉速度與電流的變化

20、是同步的。旋轉磁場的轉速為： ，式中 為電源頻率、 是磁場的 HYPERLINK /search?word=%E7%A3%81%E6%9E%81&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 磁極對數、 的單位是：每分鐘轉數。根據此式我們知道， HYPERLINK /search?word=%E7%94%B5%E5%8A%A8%E6%9C%BA&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 電動機的轉速與 HYPERLINK /search?word=%E7%A3%81%E6%9E%81&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _bla

21、nk 磁極數和使用電源的頻率有關，為此，控制 HYPERLINK /search?word=%E4%BA%A4%E6%B5%81%E7%94%B5%E5%8A%A8%E6%9C%BA&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 交流電動機的轉速有兩種方法：1、改變 HYPERLINK /search?word=%E7%A3%81%E6%9E%81&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 磁極法；2、 HYPERLINK /search?word=%E5%8F%98%E9%A2%91%E6%B3%95&fr=qb_search_exp&ie=u

22、tf8 t _blank 變頻法。以往多用第一種方法，現在則利用 HYPERLINK /search?word=%E5%8F%98%E9%A2%91%E6%8A%80%E6%9C%AF&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 變頻技術實現對 HYPERLINK /search?word=%E4%BA%A4%E6%B5%81%E7%94%B5%E5%8A%A8%E6%9C%BA&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 交流電動機的 HYPERLINK /search?word=%E6%97%A0%E7%BA%A7%E5%8F%98%E9%8

23、0%9F&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 無級變速控制。3.1.2 硬件(yn jin)電路的工作(gngzu)原理本次設計的基于(jy)PLC的造紙機控制系統，運用變頻器三相異步交流變頻電機。主要涉及到變頻調速等相關原理，現做如下介紹。現場總線技術：現場總線作為計算機技術、通信技術、儀表技術以及控制技術高度集成與綜合的產物,已成為當今自動化領域技術發展的熱點之一。它是連接智能現場設備和自動化系統的全分散、數字式、雙向、多變量、多站的通信網絡7。在眾多現場總線標準中,過程現場總線(PROFIBUS)以其國際化、開放式,高靈活性與高可靠性等優勢,在過程自動化、

24、制造自動化、樓宇自動化等領域內得到廣泛的應用。PLC與變頻器的通訊控制：ProfibusDP通訊協議的數據電報結構分為協議頭、網絡數據和協議層。網絡數據即PPO消息類型，包括參數值PKW及過程數據PZD，ABB ACS550系列變頻器共有五種PPO類型可供選擇。每種類型包括控制字（PKW）過程數據（PZD）。控制字（PKW）是變頻器運行時要定義的參數，如啟動信號、給定頻率等；過程數據（PZD）是變頻器運行過程中要返回給PLC的一些參數，如頻率給定值、速度反饋值、電流反饋值等。1)PKW的第一個字為控制字，用來控制變頻器的啟動和停止。通過網絡通訊來控制變頻器的起停與非網絡控制方式有所不同，非網絡

25、控制變頻器起停只需要一個啟動或停止命令即可，而用網絡控制時需要先后發送兩個控制命令，第一個為變頻器的“準備信號”，收到這個信號變頻器便處于“軟合閘”等待狀態，并不運行；第二個命令為啟動信號，收到這個命令后變頻器才會按照給定的頻率開始運行。2)PKW的第二個字為頻率給定，變頻器的頻率就是通過這個字來設置的，其對應關系為十進制020000對應頻率050 HZ，線型的對應關系。例如需要變頻器運行于25HZ,給定值應為10000；需要變頻器運行于35HZ,給定值應為14000；需要變頻器運行于50HZ,給定值應為20000。PZD狀態字和PKW控制字有所不同，PKW控制字是固定的，不可更改，PPO4模

26、式中第一個PKW為控制字，第二個PKW為頻率給定。3）PZD狀態字則是非固定的，需要自己定義，PZD狀態字可以反映出變頻器的：本地/遠程模式、變頻器的當前電流、變頻器的輸出電壓、變頻器的連續運行(ynxng)時間、電機的實際轉速（R/MIN）等等實際運行參數，需要什么參數就定義什么參數，通過PLC程序中調用SFC14讀回即可，非常靈活。PPO類型(lixng)如圖3.1所示。圖3.1 PPO類型(lixng)變頻調速：交流變頻調速與直流調速系統相比，具有容量大、方便維護、節約耗能以及價格便宜等優點8。在一臺三相異步電動機的定子繞組上加上三相交流電壓，該電壓將產生一個旋轉磁場，其速度由定子電壓的

27、頻率所決定。當磁場旋轉時，位于該磁場中的轉子繞組將切割磁力線，并在轉子繞組中產生相應的感應電動勢和感應電流，而此感應電流又將受到旋轉磁場的作用而產生電磁力，即轉矩，使轉子跟隨旋轉磁場旋轉。當將三相異步電動機繞組的任意兩相進行交換時，所產生的旋轉磁場的方向將發生改變。因此，電動機的轉向也將發生改變。異步電動機定子磁場的轉速被稱為異步電動機的同步轉速，其同步轉速由電動機的磁極對數和電源頻率所決定： （3-1）其中 電機同步轉速； 供電電源頻率（Hz）； 電機定子磁極對數。異步電動機的轉速總是小于其同步轉速，異步電動機的實際轉速可由下式給出： （3-2）式中 電機實際速度； 轉差率（同步電動機時，s

28、=0）。由式（3-2）可知，改變參數f和s中的任意一個就可以改變電動機的轉速，即對異步電動機進行調速控制。因此可以通過改變該電源的頻率來實現對異步電動機的調速。從某種意義上說，變頻器就是一個可以任意改變頻率的交流電源。在電動機調速時，一個重要的因素是希望保持每極磁通量m，為額定值不變。磁通太弱，沒有充分利用電機的磁心，是一種浪費；若要增大磁通，又會使磁通飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因為繞組過熱而損壞電機。對于直流電機來說，勵磁系統是獨立的，所以只要對電樞反應的補償合理，保持m不變時很容易做到的。在交流異步電機中，磁通是定子和轉子合成產生的。三相(sn xin)異步電機定子每相電動勢為

29、： (3-3)式中 氣隙磁通在定子(dngz)每相中感應電動勢有效值； 定子(dngz)頻率； 定子每相繞組串聯匝數； 基波繞組因數； 每相氣隙磁通量。由公式可知。只要控制好 和 便可以控制磁通 不變。需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況：基頻以下調速：即采用恒定的電動勢。由上式可知，要保持 不變，但頻率從額定值 向下調節時，必須同時降低 。然而繞組中的感應電動勢是難以控制的，但電動勢較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓 ，則得 常值。低頻時， 和 都較小，定子阻抗壓降所占的份量都比較顯著，不能再忽略。這時,可以人為的把電壓U抬高一些，以便近似的補償定子壓降。帶定

30、子壓降補償的恒壓頻比控制特性為 線，無補償的為 線。如圖3.2所示。 端子相電壓 頻率 圖3.2 基頻以下調速恒壓頻比控制特性基頻以上調速：在基頻以上調速時，頻率可以從 往上增加，但電壓 與頻率成反比的降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來，可得到異步電機的變頻調速特性，如圖3.3。如果電動機在不同的轉速下都具有額定電流，則電動機都能在溫升容許的條件下長期運行，這時轉矩基本上隨磁通變化。在基頻以下，屬于“恒轉矩調速”，而在基頻以上，基本上屬于“恒功率調速”，所謂恒功率調速就是機械調速時，通過改變傳動比，改變負載的速度，而電機的額定轉矩、額定速度不變；電機的額定轉

31、矩、額定速度不變，即電機的額定功率不變。恒功率調速時，負載可以獲得成千成百倍的力矩或動力9！恒功率調速機械特性如圖3.3所示。恒轉矩調速恒功率調速 定子電壓 頻率 圖3.3 基頻以上調速異步電動機的變頻調速控制特性3.2系統(xtng)硬件(yn jin)原理圖3.2.1系統(xtng)電機部分原理圖本部分系統硬件組成包括：變頻器、斷路器、繼電器、接觸器、PLC單元、風機系統、電動機、指示燈等。變頻器是變頻調速的核心，也是構成大型復雜傳動系統的基本單元，實際上就是把固定電壓，固定頻率的交流變換成可調電壓和頻率的交流電的變換器。變頻調速系統的組成和控制結構依然可以仿照直流系統的形式分為電源，反饋

32、和控制三大部分。只不過人們習慣上把交流到直流的變換稱為整流，把直流到交流的變換稱為逆變。因此，變頻調速系統就是由逆變單元或逆變器，反饋系統，調節控制單元組成的一個交流電機調速系統。原理圖如圖2-4所示。圖中L1、L2、L3為交流母線，N為中性線，為系統工作提供交流電，由斷路器控制系統與電網的接通與斷開。H01為系統的電源指示燈。NPBA-12通訊適配器用來連接變頻器與Profibus-DP網絡。H02與H03分別是電機運行與停止的指示燈。電源模塊MAF用來將交流電轉換成直流電，給通訊適配器NPBA-12供電。風扇電機用來給傳動點驅動電機散熱，保證驅動電機在不同轉速下擁有相同的散熱效果。繼電器K

33、M1則保證了驅動電機與風扇電機的同步啟動與停止。圖3.4 控制系統原理圖本部分采用的是變頻調速，利用變頻器控制三相交流變頻電機，實現轉速的調控。其中電路中各器件的工作原理作如下簡介。ABB ACS550變頻器：ACS550變頻器安裝于一個拼裝柜內，門上裝有控制盤安裝組件及狀態指示燈，柜體內配置了電源輸入熔斷隔離開關，含快速ACS550變頻器安裝于一個拼裝柜內，門上裝有控制盤安裝組件及狀態指示燈，柜體內配置了電源輸入熔斷隔離開關，含快速熔斷器，并配有操縱手柄，具有隔離和短路保護雙重功能；同時還配置進線接觸器，控制邏輯回路等所需的設備，以利于系統更安全、可靠的運行柄，具有隔離和短路保護雙重功能；同

34、時還配置進線接觸器控制邏輯回路等所需的設備，以利于系統更安全、可靠的運行。ABB ACS550變頻器的調速：ACS550是ABB公司標準型的無傳感器矢量控制全數字交流變頻器，它能夠沒有光碼盤或測速電機的反饋的條件下，精確控制任何標準鼠籠電機的速度和轉矩。ACS550標準變頻器模塊從0.75KW至110KW所有功率范圍都是IGBT功率模塊，并且在變頻器內部設置了直流擺式電抗器（0.75KW-37KW）或進線電抗器(45KW-110KW)，從而有效地抑制了高次諧波對電網的影響；ACS550緊湊型的設計已經標配了適用于第一及第二環境的RFI濾波器，而無需任何額外的外部濾波器就可滿足EMC標準；ACS

35、550還內置了使用RS485協議的Modbus接口，可以很方便地與PLC或計算機通訊。同時ACS550內部還可以安裝三種類型的可選模塊：I/O擴展模塊、現場總線適配器、脈沖編碼器接口模塊等。在大多數應用中，ACS550所具有的磁通制動功能可以滿足系統快速停車的應用需要；如果系統需要頻繁(pnfn)起制動或長時間制動，ACS550也可內置制動斬波器（可選）和制動電阻以實現有效的制動功率。ACS550變頻器滿足多種應用要求，從最簡單的到最復雜要求的應用。斷路器F01：作用是用來進行電能的分配，給變頻器配電，將變頻器與交流母線進行接通與切斷。對電動機、變頻器等下屬電路進行保護，具有過載(guzi)、

36、短路、欠電壓的等保護功能，是配電電路的保護器件。在本控制系統中交流母線的三相電通過斷路器F01配送給變頻器供變頻器工作和電量控制(kngzh)轉換。在變頻器、電機所在回路出現上述故障時斷路器F01將自動切斷供電電路，從而起到了對所在電路的保護作用。風扇電機：用于傳動點拖動的電機降溫的，防止電動機因工作功率過高產生熱量過多不能及時散掉而燒壞電機。一般電機自身帶有散熱用的風扇，在電機工作功率不大時，其自身風扇就能滿足散熱要求，不需外加風機幫助散熱。在本系統中，電機的功率較大，本身風扇不能滿足散熱要求，所以借助外部風機來幫助散熱。對電機之間同步控制，有些情況下采用無線傳感器控制方式，這種方式方便性能

37、好，但對于本系統性價比不高10。不少電機的速度控制都采用并行同步控制方式，即將每個傳動點的電動機都作為一個獨立地速度控制對象來對待，這樣就可以通過控制每個獨立子系統的電動機速度，使每個電動機都工作在自己的設定速度上，彼此不相互影響，各自速度都收速度參考值控制11。電源模塊：電源模塊是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應器，其特點是可為 HYPERLINK /view/380272.htm t _blank 專用集成電路（ASIC）、 HYPERLINK /view/529231.htm t _blank 數字信號處理器(DSP)、 HYPERLINK /view/1125.htm t _bla

38、nk 微處理器、存儲器、現場可編程門陣列 (FPGA) 及其他數字或模擬負載提供供電。模塊式結構的優點甚多，因此 HYPERLINK /view/1485179.htm t _blank 模塊電源廣泛用于交換設備、 HYPERLINK /view/3401765.htm t _blank 接入設備、移動通訊、 HYPERLINK /view/838066.htm t _blank 微波通訊以及光傳輸、 HYPERLINK /view/1360.htm t _blank 路由器等通信領域和汽車電子、航空航天等。本設計中涉及到給通訊適配器NPBA-12供電，在參考其使用參數的情況下，設計中選用的電

39、源模塊型號為MAF150-220S24。3.2.2 PLC與變頻器連接(linji)的硬件(yn jin)電路PLC與變頻器之間存在兩種控制(kngzh)方式。第一，硬接線的方式，即模擬量控制或數字量控制，變頻器自帶的DI,DO,AI,AO口子與PLC的DI,DO,AI,AO通過線連接起來。實現方法大體就是通過編程控制PLC的DO模塊輸出，為變頻器提供一對干觸點（無源觸點），再用這對干觸點來驅動變頻器的啟動，停止或者電動等。然后PLC的AO模塊輸出4-20mA等模擬信號連接到變頻器的AI口子實現一個模擬給定控制變頻器輸出頻率達到調速的目的。變頻器的DO口子可以輸出一些如運行、故障等狀態信號接入

40、PLC的DI模塊，當然也有變頻器的AO口子輸出如變頻器的頻率、溫度、電流等4-20mA模擬信號進入PLC的AI模塊；第二，通訊的方式，而通訊的方式呢現在最常見的是Profibus-DP的方式。這需要變頻器支持這種通訊方式，一般是需要附加訂一個DP通訊板（硬件）安裝在變頻器上面，當然也有通訊板外置然后通過光纖與變頻器的控制單元連接的如ABB的NPBA-12通訊模塊。PLC與變頻器之間連接好DP通訊線纜，其他不需要任何硬連接的線了。那么接下來的工作就是通過PLC編程來控制變頻器了。采用方式一這種機械的硬件方式實現各傳動點速度的同步控制，存在各方面的問題：首先，這種方式其動力只來源于一臺總電動機，其

41、次機械的東西在運行時考慮到結構的復雜，該方式會給靈活性帶來限制，最后就是這種硬件方式的連接會使系統整個的使用壽命受到影響12。本次設計采用的是通訊控制方式，因為模擬量控制或數字量控制通過PLC開關量啟動變頻器，通過模擬量信號控制變頻器輸出頻率。此方法優點是編程簡單，缺點是硬件投入比較貴。通訊控制通過通訊模式控制變頻器啟停以及頻率給定，此方法是編程復雜，不同變頻器的通訊格式不一樣。如原理圖所示，本部分(b fen)包括SIMATIC S7-300 PLC，ABB ACS550變頻器，Profibus-DP網，以及PLC的CPU與信號(xnho)模塊。斷路器F04控制PLC的電源模塊與電網之間的供

42、電通斷，選擇接入一相交流電。PLC的CPU模塊選用315-2DP，其自帶總線接入接口，無需(wx)接轉換模塊。圖3.5 硬件電路概圖圖中PLC與八臺變頻器之間通過Profibus-DP網連接在一起，PLC與變頻器之間采用通訊控制變頻器與總線之間有一個通訊適配器NPBA-12.變頻器選用ABB ACS550變頻器，PLC則選用SIMATIC S7-300PLC。各器件模塊詳細介紹如下。S7-300PLC：德國西門子公司的可編程控制器（PLC）繼S5系列后 ,90年代初又研制出S7系列 ,并獲得巨大成功13。S7系列在功能和使用上比5系列有了很多改進 ,性能價值比更優 ,它主要包括S7-200、S

43、7-300、S7-400三種產品。其中SIMATIC S7-300PLC是一種通用型的PLC，滿足中、小規模的控制要求，適用于自動化工程的各種場合，尤其是在生產制造工程中的應用12。模塊化、無排風結構、易于實現分布式的配置以及用戶易于掌握等特點，使得S7-300在很多工業行業中實施各種控制任務，成為一種既經濟又符合實際的解決方案。Profibus-DP：Profibus-DP的DP即Decentralized Periphery。用于自動化系統中單元級控制設備與分布式I/O的通信14。它具有高速低成本的優點。PROFIBUSDP協議還明確規定了用戶數據怎樣在總線各站之間傳遞，但用戶數據的含義是

44、在PROFIBUS行規中具體說明的。另外，行規還具體規定了PROFIBUSDP如何用于應用領域。使用行規可使不同廠商所生產的不同設備互換使用，而工廠操作人員毋須關心兩者之間的差異。3.2.3 PLC的模塊(m kui)電路電路(dinl)數字(shz)量輸入模塊原理圖如下。本部分電路包括SIMATIC S7-300的三個數字量輸入模塊、一個電源模塊。電源模塊MAF用來給三個數字量輸入模塊所接的開關供電。圖3.6 數字模塊1本數字輸入模塊主要負責電機1到電機3的起動、停止、加減速等控制，即真空、網部和主壓三個傳動點的控制。為16個輸入點的數字輸入模塊。圖3.7 數字模塊2本數字輸入模塊主要負責控

45、制一烘、二烘、大缸三個傳動點驅動電機的啟停、加減速、爬行操作控制。與SM01一樣，為16點輸入的數字輸入模塊。圖3.8 數字模塊3本數字輸入模塊SM03與SM01、SM02一樣，為16點輸入的數字輸入模塊，用來控制壓光、卷取兩個傳動點的驅動電機的啟停、加減速、爬行操作的控制。下面對數字輸入模塊功能做詳細介紹。本系統一共包括八臺電機，每臺電機包涵啟動、停止、加速、減速、爬行五種操作，使用PLC的開關量控制電動機實現這些功能，故共需要40個輸入點。在此選用3個16點輸入的數字輸入模塊來滿足控制功能的需要。各選用模塊具體介紹如下。PLC數字量輸入模塊：這里選用SIMATIC S7-300系列的數字輸

46、入模塊，型號為6ES7 321-1BH50-0AA0。數字輸入模塊用來實現PLC與數字量過程信號的連接，把從過程發送來的外部數字信號電平轉換成PLC內部信號電平，用于連接工業現場的標準開關和兩線接近開關（BERO）。系統PLC模擬量輸出與數字量輸出模塊原理圖如圖3.9、圖3.10所示。圖3.9 數字輸出模塊本模塊SM04為8點輸出數字輸出模塊，在不考慮裕量的情況下是滿足控制要求的。八點輸出接八個繼電器線圈，用來(yn li)控制八個傳動點的風扇電機與驅動電機的同步啟動與停止。圖3.10 模擬(mn)輸出模塊本模塊SM05為八點輸出的模擬輸出模塊，用來(yn li)外接八個數顯表，顯示八臺驅動電

47、機的轉速，方便人工直觀觀察控制各傳動點的轉速。下面對著兩模塊做詳細介紹。圖中包括PLC的數字輸出模塊與模擬輸出模塊。考慮到八臺電機轉速需要通過數顯表顯示出來，此處選用一個8點輸出的模擬輸出模塊，用來連接數顯表，顯示電機轉速。同時為控制驅動電機在不同轉速下風扇電機擁有相同的散熱效果，此處選用一個8點輸出的數字輸出模塊，接入八個繼電器，用來控制風扇電機與驅動電機的同步啟動與停止，但風扇電機轉速卻不受驅動電機影響。各模塊的原理介紹如下。數字量輸出模塊：數字量輸出模塊用于從控制器向過程變量輸出數字信號，吧S7-300的內部信號電平轉換成過程所要求的外部信號電平，用于連接電磁閥、接觸器、小功率電機、燈和

48、電機啟動器。在與低漏電流的電路一同使用時，網絡可以斷開，不會發出假的ON狀態信號。當負載較小時，輸出可以直接驅動，但大電流負載，需要經過中間繼電器進行轉換，用中間繼電器的觸點進行驅動。為了提高系統的抗干擾能力與工作可靠性，通常也都采用光耦合隔離的措施，同時還設計有各種濾波電路等。這里參考系統要求選用型號為6ES7 322-1HF01-0AA0的數字量輸出模塊。模擬量輸出模塊：模擬量輸出模塊將PLC的數字信號轉換成過程所需要的模擬信號，用于連接模擬量執行器，對其進行調節和控制。本次設計的系統中模擬量輸出模塊選用型號為6ES7 332-5HF00-0AB0。數顯表：本設計選用數顯表為HLP2B-8

49、0，數顯表是一種用于顯示的電子儀表，目前在各行各業均有應用，因為其顯示數據精確而且一目了然，所以在很多場合下已經代替了指針式儀表。應用范圍：配電箱，工業自動化，自動化變電站，樓宇自動化。由于要顯示驅動電機的轉速，故系統中需要使用到數顯表。依據造紙機系統的要求此處選用型號為HLP2B-80的數顯表，經濟實用，能很好滿足要求。4 系統軟件設計4.1 系統(xtng)軟件(run jin)設計(shj)的介紹4.1.1 Step7軟件內容本系統依靠Protel完成硬件原理圖的繪制，而軟件部分，使用軟件Step7完成對S7-300PLC的編程和Profibus-DP網的組態以及通訊配置。STEP 7

50、HYPERLINK /view/3281.htm t _blank 編程軟件用于 HYPERLINK /view/23146.htm t _blank 西門子系列工控產品包括 HYPERLINK /view/1487474.htm t _blank SIMATICS7、M7、C7和基于PC的Win AC的編程、監控和參數設置，是SIMATIC工業軟件的重要組成部分。具有硬件配置和參數設置、通訊 HYPERLINK /view/194580.htm t _blank 組態、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等。本次設計使用到的是Step7 V5.5版本，使用其強大功完成對本系統的軟

51、件設計PLC和變頻器控制系統采用了ProfibusDP現場總線控制模式后，不但整個系統接線簡單，而且運行穩定，操作簡便，反饋的信息全面，可實時掌握電機的各種狀態信息，可根據現場的工藝要求在后臺隨時修改參數，大大減少了人力和物力資源，真正實現了“分散控制，集中管理”。它可以實現現場設備層到車間監控的分散式數字控制和現場通信網絡，為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了切實可行的解決方案15。4.1.2 添加通訊適配器STEP7編程軟件環境下的硬件組態與編程準備工作：確定系統所需的SIMATIC S7-300 PLC所使用模塊的具體型號，包括數字輸入模塊，數字輸出模塊，電源模塊，CPU模塊，模擬

52、量輸出模塊。另外系統中涉及的通訊適配器NPBA-12也需要添加到系統中。即將NPBA-12的GSD(設備數據庫)文件，文件名為ABB_6012.GSD)導人STEP7的編程環境中，為后面的相關工作做好準備。4.2 系統硬件(yn jin)組態與軟件(run jin)編程4.2.1 系統硬件(yn jin)組態本系統采用S7-300PLC，ABB ACS550變頻器組成控制系統，對于硬件組態，使用STEPTV54版編程軟件，進入Hardware Configure完成S7-300 PLC(315-DDP)的硬件組態。選定315-DDP為主站系統，添加到系統文件中的NPBA-12通訊適配器的GSD

53、文件作為從站，連接到Profibus-DP網上，并選定使用的PPO類型，設定站點網絡地址,保存編譯并退出Hardwre Configure環境。組態電路如圖4.1所示。圖4.1 PLC的硬件組態圖中選用CPU 315-2DP，其自帶Profibus-DP接口，同時滿足所需的控制要求。組態中包含三個數字量輸入模塊，一個數字量輸出模塊和一個模擬量輸出模塊。用NPBA-12通訊適配器與Profibus-DP網連接在一起，適配器相當于變頻器。4.2.2 軟件流程圖造紙機控制系統包括軟件和硬件兩個部分，前面已介紹硬件電路原理圖，下面介紹軟件流程圖。如圖4-2所示，造紙機的控制程序編寫主要包括初始化，加速

54、、減速、啟動、停止、爬行。具體詳情后面會介紹。初始化 邏輯控制 加減子程序 速度連比計算Y加減速？速度控制通訊圖4.2 軟件編程流程圖本設計的程序包括主程序塊OB，數據塊DB，功能塊FC。程序包含啟動程序、停止程序、加速程序、減速程序、爬行程序與通訊程序。通訊程序主要是用來交換PLC與通訊適配器之間的指令數據，使PLC很好的控制變頻器，使得電動機能很好工作。 4.2.3 PLC的軟件編程 符號表：為了編程方便，這里編輯了符號表，對于八臺需要控制的傳動電機與八臺風扇電機,對于傳動電機包括五個需要控制的操作，即加速、減速、啟動、停止、爬行。對于各個電機的控制點如圖4.3所示。圖 4.3 符號表電機

55、的啟動(qdng)程序，這里采用通訊控制，將控制啟動指令47F發送到數據模塊(m kui)DB1中，由通訊程序負責將數據塊中的指令數據發送到變頻器的通訊適配器中，由變頻器執行相關指令。同時通訊模塊還負責將變頻器中的指令數據反饋給PLC，實現PLC與變頻器之間數據的實時交換(jiohun)。啟動程序如圖4.4所示。圖4.4 電機的啟動程序與電機的啟動類似，使用專用指令代碼十六進制數447，有數據模塊將其發送到ABB變頻器的專用通訊適配器中，控制變頻器的停止操作。圖4.5 電機的停止程序數據模塊是PLC與變頻器之間的通訊媒介，存放著PLC與變頻器之間的交換數據，FC模塊功能的實現則是通過調用DB模

56、塊中的數據，或者將數據賦到數據塊中，再有數據塊將其轉送給變頻器。數據塊如圖4.6所示。圖4.6 數據模塊DB結 論本文依據造紙機的工藝要求，結合(jih)自動化所學知識，設計了一套基于PLC的造紙機控制系統。該系統利用PLC與變頻器之間的通訊控制，實現對三相交流電機的起動、加速、減速與爬行控制。同時考慮對工作電極的散熱，系統加進了一個(y )風扇電機。相對(xingdu)于傳統造紙機械，本系統具有操作簡便，成本低廉，自動化程度高等優點。設計雖然完成了，但我只是掌握了傳動系統中很少的一部分知識，還有很多深奧的專業知識等著我們去挖掘、去探索、去學習。我也將會在今后的工作學習中不斷充實自己，不斷完善

57、自己的專業知識，為自身的發展打下堅實的基礎。由于所學知識和時間有限，加上缺乏實踐經驗，在設計過程中難免出現錯誤，敬請各位老師批評指正。謝 辭光陰似箭，四年的大學生活轉眼即逝，經過大四下學期精心準備，我終于(zhngy)完成了屬于自己的畢業設計。畢業設計的工作(gngzu)并不輕松，壓力時時(shsh)襲攏，知識的匱乏，致使我埋頭啃書，向同學請教，向老師尋求意見，才完成這套設計，這其中的酸甜苦辣值得我用一生慢慢品嘗的。在這里需要感謝的人很多，是他們讓我在學習與做人方面有了很大的成長。首先我要感謝我的指導老師葛鎖良老師，我能夠順利完成畢業設計離不開他的細心指導，從論文的選題、修改直到完成，老師給予

58、了我悉心的指導與幫助。感謝他在繁忙的工作之余，擠出時間對我的畢業設計提出寶貴的意見。在此，向老師致以最誠摯的謝意。同時我還要感謝我的父母，是他們的支持讓我完成了四年的大學學習生涯，讓我擁有足夠的知識完成這次畢業設計，另外我還要感謝我的同學，是他們在我畢業設計遇到困難時給予我及時的幫助，對我畢業設計的完成功不可沒。這次設計工作使我受益匪淺，讓我對以前所學關于變頻器、PLC等方面的知識有了一個全新的的了解，并懂得如何將所學知識與實際結合在一起，也進一步激發了我深入學習的興趣。目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc389750125 中文(zhngwn)摘要 PAG

59、EREF _Toc389750125 h 1 HYPERLINK l _Toc389750126 英文摘要(zhiyo) PAGEREF _Toc389750126 h 2 HYPERLINK l _Toc389750127 1 緒 論 PAGEREF _Toc389750127 h 3 HYPERLINK l _Toc389750128 1.1 造紙機控制系統(kn zh x tn)設計目的與意義 PAGEREF _Toc389750128 h 3 HYPERLINK l _Toc389750129 1.2 造紙機控制系統的研究現狀 PAGEREF _Toc389750129 h 3 HYP

60、ERLINK l _Toc389750130 1.3 本文的主要內容 PAGEREF _Toc389750130 h 4 HYPERLINK l _Toc389750131 2 造紙機控制系統 PAGEREF _Toc389750131 h 5 HYPERLINK l _Toc389750132 2.1 造紙機控制系統要求 PAGEREF _Toc389750132 h 5 HYPERLINK l _Toc389750133 2.2 造紙機控制系統的方案 PAGEREF _Toc389750133 h 6 HYPERLINK l _Toc389750134 3 控制系統的硬件電路設計 PAGE