武漢科技大學畢業論文PAGEPAGE23PLC負荷分配控制器的設計摘要本文以造紙系統中多電機拖動同一負載為研究對象,介紹了負荷分配產生的原因及其影響,從而引出了用PLC實現負荷分配的設計方法,在此基礎上分析了負荷分配產生的原因并建立數學模型,為以后的工程實現提供了理論依據。介紹了氣墊式流漿箱的結構與控制原理，并根據其數學模型進行了仿真分析，利用前饋解耦方法完成總壓與漿位的完全解耦，采用PID調節器來實現對總壓和漿位的控制。通過MATLAB仿真表明這種處理是有效的，從階躍響應曲線可以看出系統是穩定的，設計達到了控制要求，完成了以SIMATICS-200PLC為控制器的基于DCS結構的控制系統。論文從負荷分產生的原因及其影響開始,分別介紹直流傳動和交流傳動的負荷分配實現方法,從而建立數學模型,得出了解決負荷分配的理論依據;繼而介紹了系統實現的硬件和軟件,以及PLC與變頻器之間的通信網絡;最后通過算法和程序實現負荷分配。關鍵詞:可編程邏輯控制器,負荷分配,變頻傳動,控制器,變頻器

AbstractThepurposeofthispaperistostudyasameloadbeingdrivenbymorethanonemotorinpapermanufacturingsystem.Thecauseandeffectofloaddistributionisintroduced,andThemethodologyofusingPLCtoimplementloaddistributionisexamined.Basedonthenpreviousfinding,mathematicalmodelsandtheoreticalbasisareprovidedforengineeringpractise.ThecontrolprincipleandruleoftheAir-Cushionedheadboxanditseffectsonthepaperqualityareanalyzed,whichbasesonthetechnologicalprocessesofpapermachine,andthemathematicalmodeloftheheadboxisanalyzed.Theresultisthatthereisthefiercecouplingbetweenthestressandtheliquidlevel.Sothefeedforwarddecouplingisintroduced,andthemodelisdecoupledcompletely.ThePIDcontrollerisusedtomakethesystemstabilization,andthesystemissimulatedbytheMATALB.Thecurveofthestepresponseindicatesthatthesystemisstabilizedandaccordingtotherequestofthedesign.ThemultilevelDistributingConntrolSystem(DCS)isintroduced,whichismadeupofTheSIMATICS7-200PLCtoimplementthiscontrolprocedure.Paperreasonandinfluencewhichpeoducesfromtheloadassignment，introducesthedirect-currenttransmissionandtheexchangetransmissionloadassignmentrealizationmethodseparately,thushasestablishedthemathematicalmodel,hasobtainedthesolutionloadassignmenttheorybasis,subsequentlyintroducedthesystemrealizationhardwareandThesoftware,aswellasPLCwithfrequencychangerbetweencommunicationnetwork,Finallythroughalgorithmandprocedurerealizationloadassignment.KEYWORDS:programmablelogiccontroller,loaddistribution,variablefrequencydrive,Controller,transducer

目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1紙機傳動系統及簡介 11.2國內外變頻傳動控制技術現狀 11.3負荷分配的應用及其意義 21.4研究的意義 3第2章負荷分配原因及實現方法介紹 42.1負荷分配問題產生的原因和影響 42.2解決負荷分配問題的理論依據 42.3符合分配功能常用的幾種方法 6第3章負荷分配原理及計算 73.1直流傳動的負荷分配 73.1.1直流電機介紹 73.1.2直流電機的機械特性曲線 73.1.3直流傳動負荷分配設計 83.2交流傳動的負荷分配 93.2.1交流電機機械特性 93.2.2從轉矩方面考慮負荷分配原理 103.3紙機負荷分配設計應考慮的問題 11第4章負荷分配PLC控制器的設計 134.1硬件組成 134.1.1PLC簡介 134.1.2ABB變頻器的簡介 144.2通信協議 144.3算法及程序 17第5章結論 195.1本文的結論 195.2本文的不足 195.3前景的展望 20致謝 21參考文獻 22第1章緒論1.1紙機傳動系統及簡介壓光卷紙七至十一烘缸毛布施膠動軸施面固定定光壓下光壓上一至六組缸真空壓榨施面輥導網\曲網流漿箱造紙工業中廣泛使用的造紙機可以看作是一種由多臺設備組成的聯動機,如圖1-1所示.造紙機通常可分為濕部和干部兩大部分.濕部包括漿料流送設備、網部和壓榨部;干部包括干燥部、壓光機和卷紙機等。壓光卷紙七至十一烘缸毛布施膠動軸施面固定定光壓下光壓上一至六組缸真空壓榨施面輥導網\曲網流漿箱圖1-1造紙機傳動系統簡圖從紙機傳動系統的發展過程來看，早期造紙機的電氣傳動系統通常使用單獨的電動機傳動，由它帶動天軸和地軸通過皮帶以驅動造紙機的網部、壓榨部、烘干部以及壓光和卷取部分。為了適應紙機改變品種的要求，驅動電動機通常采用直流電動機，并借助于改變電樞電壓或磁場電流來實現紙機的調速。隨著計算機網絡技術的發展，紙機變頻傳動系統也正在進入一個以通訊網絡技術為核心的發展時期，紙機變頻傳動系統以成為以通訊網絡為結構框架的大型控制系統，并且成為車間DCS系統的一個重要子系統,網絡化和計算機集中控制正在成為傳動系統的主要發展趨勢。.紙機傳動系統正在向多功能化、智能化發展，使其再在生產過程及質量管理過程中發揮重要作用。1.2國內外變頻傳動控制技術現狀近幾年來，我國造紙工業取得了很大的發展，造紙機裝備水平不斷提高。紙機的幅寬不斷增加，車速也達到了700~800m/min左右。新投產的板紙機由過去的年生產能力約3~5萬噸，提高到了30~40萬噸，并且隨著交流變頻技術的不斷成熟，變頻傳動已經取代了紙機直流傳動的統治地位。傳統的紙機傳動方式主要有直流分部和直流總軸傳動等，但都因為維護量大，可靠性差等原因逐漸被淘汰了。目前國內大部分都使用變頻傳動，紙機采用變頻傳動后，機械維護量幾乎為零。但是變頻器屬于高科技產品，在其使用過程當中，因使用不當而使變頻器頻繁保護甚至損壞，對生產造成影響這是眾多廠家所關心的問題。以負荷不均而使變頻器出現保護現象是最常見的問題之一。解決這些問題的方法在國內還屬于摸索階段，主要靠廣大現場技術人員通過經練來解決。可編程控制器（ProgrammableController），簡稱PC，因早期主要應用于開關量的邏輯控制，因此也稱為PLC（ProgrammableLogicController）。它誕生于上世紀60年代，經過了幾十年的發展。可編程控制器作為一種進行數字運算的電子系統，是專為在工業環境下的應用而設計的工業控制器，它結合計算機技術，自動控制技術和通信技術，用面向控制過程，面向用戶的“自然語言”編程，是一種簡單易懂，操作方便，可靠性高的新一代通用工業控制裝置。可編程控制器及其有關的外圍設備，都按易于與工業系統連成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。國外解決負荷分配問題的主要方法之一是使用高性能變頻器的轉矩控制功能，如Siemens公司的6SE70系列工程型變頻器和ABB公司的ACS600系列變頻器，可以通過轉矩控制方式實現負荷分配的目的。以一臺變頻器作為主傳動，并選用速度控制模式，奇遇的輔傳動選用轉矩控制模式，將主傳動的轉矩輸出作為輔傳動的轉矩給定，這樣輔傳動的給定信號是轉矩而非頻率。輔傳動跟隨主傳動的轉矩變化而變化，起到負荷分配控制的目的。這種控制方式的控制精度高，動態響應快，但適用范圍小，對負荷載有一定的要求。這是因為輔傳動負載轉矩較大時，電機轉速低；負載轉矩較小時，電機轉速高；空載時甚至可以達到最大頻率。這種提醒有些像直流調速上的速度調節器飽和的電流控制方式，所以要求負載運行時必須處于加壓狀態或類似剛性連接，例如光壓上，下輥。雖然國際上有專門的硬件措施來解決負荷分配，但也沒有提升到理論的高度。總之，在解決負荷分配的問題上還沒有一個統一模型，沒有提升到理論高度，基本上處于初步階段。1.3負荷分配的應用及其意義大約在20世紀50年代，分部傳動造紙機逐漸替代了總軸傳動造紙機。分部傳動大大簡化了機械傳動設備，提高了穩速精度，并且使相鄰分部間速度和張力調節十分方便。但是隨著高速，大型紙機的出現以及新工藝的采用，為了進一步簡化造紙機械，需要使造紙機的某個分部采用多個電動機傳動。在這種多點傳動情況下，造紙機的某個分部除了要具備調速和穩速的性能外，還需要各個電動機滿足負荷分配的要求。在20世紀80年代中期，國外開始將變頻調速系統應用于紙機，國內大約始于90年代初期。交流變頻調速以其結構簡單，堅固耐用，動態響應好，效率高，經濟可靠，抗惡劣環境能力強，易于向高電壓，高速度，大容量發展等優點逐步取代直流調速系統而占據了傳動系統的主導地位。造紙機采用變頻傳動以后，機械的維護量幾乎為零。但是變頻器屬于復雜精細的高科技產品，在其使用過程中，若使用不當會使變頻器頻繁保護甚至損壞，對正常生產造成影響。其中以由于多點傳動而引起的負荷不均而使變頻器出現保護現象最為常見。在生產工藝稍有邊變化時，多點傳動電機失去平衡，當有的電機的負荷過大時，電流劇增甚至過流過載，出現調閘保護；有的電機負荷降低，甚至不出力以至作發電機運行而出現過電壓保護，造成很大的功率損耗，并可能對生產和設備造成影響或損壞。由于紙機的某些分部（如網部，壓榨部）有兩臺或多臺電機連在一起，輥筒的線速度必須保持一致，否則毛布或者銅網會被拉斷，為了保證速度同步，同時有需要各個電機按照起額定值進行比例分配，即產生了負荷分配問題。1.4研究的意義本課題針對負荷分配問題加以理論研究，建立負荷分配數學模型，并且針對變頻傳動部分，以西門子S7-226PLC為控制器組建PLC和變頻器的通信網絡，實現負荷分配制。這對于制定負荷分配的控制方案具有一定的理論意義，對于我國造紙技術的發展有一定的幫助。本課題采用了PLC通信控制變頻的方式來實現負荷分配的控制，主要是通過變頻器本身的物理接口或擴展通信板，將變頻器接入現場總線，變頻器與PLC進行通信，交換數據。負荷分配的思路是通過通信，PLC讀取個分部的轉矩值，將主，輔傳動的轉矩進行比較，再通過PLC通信調節個輔傳動的給定頻率，加大或減小該分部電機的轉差率，從而調節電機的轉矩。這種控制方法目前使用廣泛，工作可靠，控制精度高。

第2章負荷分配原因及實現方法介紹2.1負荷分配問題產生的原因和影響采用分部傳動時，幾臺電機拖動同一負載，每臺電機有一個變頻器驅動。例如壓榨部兩輥壓合，將兩輥看做一個負載，有兩臺電機拖動。當線速度一樣時，兩臺電機有可能出現一臺出力大一臺出力小的現象。這就產生了負荷分配問題，如圖2-1所示。上壓榨電機上壓榨電機下壓榨電機紙張圖2-1壓榨部兩臺電動機工作示意圖在造紙機械設計中，還有多達七臺電機拖動一個負載的情況，這就要求電機速度一致。否則，有些變頻器會出力過大，出現過流或過載保護，有些會因不出力甚至轉為發電狀態而出現過電壓保護，這些現象都應避免或解決。2.2解決負荷分配問題的理論依據在紙機、印染機或其他傳動系統中，只是電動機速度同步并不能滿足實際系統的工作要求，實際系統還要求各傳動點電機負載率相同，即&=Pi/Pie相同(Pi為i電機所承擔負載功率,Pie為電機額定功率)。以三點負荷分配為例，P1e、P2e、P3e為三臺電機額定功率，Pe為額定總負載功率，Pe=P1e+P2e+P3e。P為實際總負載功率，P1、P2、P3為電機實際負載功率，則P1=P*P1e/Pe,P2=P*P2e/Pe,P3=P*P3e/Pe。負載分配的目的就是使P1、P2、P3滿足上述要求。現以變頻傳動系統為例說明負載分配控制器工作過程。以三點負荷分配為例（見圖2-2），變頻器1、2、3負荷分配，變頻器1在速度鏈的主鏈上，作為負荷分配主機，其它變頻器將以此變頻器為基礎，負荷分配控制器只采集其電壓電流數據，不對其做任何調整；變頻器2、3處于速度鏈分支上，負荷分配控制器將對它們進行自動檢測、自動控制和自動調整。對于電機拖動負載的比例計算，以電機負載率表示：Λ=Pl/Pe(2-1)其中：Pe為電機額定功率；Pl為負載功率。解決負荷分配問題，就是要求所有電機的負載率都應一樣。變頻器0變頻器0變頻器1變頻器4負荷分配控制器變頻器3變頻器2例如：負載總功率為37.5Kw，有兩臺功率45Kw、30kW的電機拖動，則負載平衡時45kW電機出力22.5Kw，30kW電機出力15kW，計算公式為PL1=30*37.5/75=15KWPL2=45*37.5/75=22.5KW對于多臺電機的計算公式為Pli=Pei*PL/∑Pei其中：PLi為第i臺電機出力功率；Pei為第i臺電機額定功率；PL為負載總功率。在實際控制當中，電機功率是一間接量，不方便直接測量。Tli=Tni*Tz/∑Tni其中：Tli為為第i臺電機出力轉矩；Tni為第i臺電機額定轉矩；Tz為負載總轉矩。電機轉矩可通過變頻器輸出端子測量，也可通過計算機通信獲得。負載總轉矩不必直接測量出來，解決負荷分配問題就是要使電機轉矩百分比一樣，對于各電機來說就是各電機出力轉矩和額定轉矩比值應相等，這樣就完成了符合分配的自動控制。2.3符合分配功能常用的幾種方法1.使用PLC通信控制變頻器現在大多數造紙機傳動控制系統都用二級控制，即PLC與變頻器控制，主要是通過變頻器本身的物理接口或擴展通信板，將變頻器接入現場總線，變頻器與PLC進行通信，交換數據。符合分配的思路是通過PLC讀取各分部的轉矩值，將主、輔傳動的轉矩進行比較，再通過PLC調節各輔傳動的給定頻率，加大或減小該分部電機的轉差率，從而調節該分部電機的轉矩。這種控制方法目前使用廣泛，工作可靠，控制精度高。2.使用高性能變頻器的轉矩控制功能Siemens公司的6SE70系列工程型變頻器和ABB公司的ACS600系列變頻器，這些變頻器可以通過轉矩控制方式實現負荷分配的目的。其方法是以一臺變頻器控制主傳動，這臺變頻器為速度控制模式，其余的輔傳動選用轉矩控制模式，將主傳動的轉矩輸出作為輔傳動的轉矩給定，這樣輔傳動的給定信號是轉矩而非頻率。輔傳動跟隨主傳動轉矩的變化而變化，起到負荷分配控制目的。這種控制方式的控制精度高，動態響應快，但適用范圍小，對負載有一定的要求。這是因為輔傳動負載轉矩較大時，電機轉速低，負載轉矩較小時，電機轉速高，空載時甚至可以達到最大頻率。這種特性有些像直流調速上的速度調節器飽和的電流控制方法。所以要求負載在運行時必須一直處于加壓狀態或類似剛性連接，比如光壓上、下輥。3.利用各種系列變頻器的特殊軟件實現負荷分配控制許多公司都有解決多電機傳動的負荷分配控制的方案，如Siemens公司的PID自由功能塊、ABB公司的主從應用宏軟件。其控制原理與負荷分配原理是一樣的，同樣可以獲得非常好的控制精度。Siemens公司的PID自由功能塊和ABB公司的主從應用宏在目前的負載分配控制中應用非常廣泛。4.使用PLC擴展A/D模塊實現負荷分配控制有些變頻器沒有通信功能，負荷分配控制只能通過A/D端口控制。可利用PLC作為負荷分配控制器，在PLC上擴展A/D模塊，采用電機電源，依據負荷分配控制原理經過PLC運算處理，完成負荷分配控制功能。5.通過轉矩限幅間接實現負荷分配功能這種方法是通過讓輔傳動的速度稍高于主傳動的速度，然后給輔傳動加上轉矩限幅使得主、輔傳動的轉矩基本保持平衡，以達到負荷分配的目的。第3章負荷分配原理及計算3.1直流傳動的負荷分配3.1.1直流電機介紹直流機主要由三個部分組成，即磁極、電樞、換相器。直流電機是機械能和直流電能互相轉換的旋轉機械裝置。其原理是建立在電磁力和電磁感應的基礎上的，直流電機用作發電時，它將機械能轉換為電能；用作電動機時，將電能轉換為機械能。3.1.2直流電機的機械特性曲線N0N000NnnTn△n0Tn其中:Tn:額定轉矩△n:轉速降T:電動機電磁轉矩N0:理想空載轉速n:電動機轉速Nn:額定轉速3.1.3直流傳動負荷分配設計1.電樞串聯法這種方法通常使用于兩臺電動機型號規格相同而要求負荷平均分配的情況。兩臺電動機，一臺為主電動機（D1），一臺為輔電動機（D2），其中1D作為主導電動機，它帶有測速發電機及雙閉穩速裝置，而2D作為輔助電動機與1D相串聯，并共用一套可控硅整流電源。由于電樞串聯，所以兩臺電動機的電樞電流是相同的。若兩臺電動機的勵磁磁通也相同，則電動機1D與2D的力矩相等，即為Md1=Cm1Id=Cm2Id=Md2(3-14)由于Md1+Md2=Mc(3-15)因此有Md1=Md2=Mc/2(3-16)可以看出兩臺電動機的負荷力矩是相等的,并均分負載。由于1D具有急速及調速的性能，而2D與1D是通過毛毯實現柔性連接的，因此2D也具有急速及調速的性能。若要改變1D、2D負荷分配的比例，則改變磁場的串聯電阻R即可。這種負荷分配方案的優點是在全部調速范圍內負荷分配是均勻的；它的急速精度與單個電動機相同的；只需要一臺測素速發電機和雙閉環裝置。其缺點是當電動機多于兩臺且容量不相同時，由于不能實現電樞串聯故難以實現負荷分配。2.電樞并聯法當多點的電動機多于兩個且容量不相等時，則可以用電樞并聯法來實現負荷分配。該方法用三臺電動機來實現，它們均由可控硅裝置供電，三臺電動機的負荷分配借助于磁場變阻器。電動機電樞并聯法的優點是實用于多臺電動機的負荷分配，其負荷分配調解是通過調磁來實現的。其缺點是在調速范圍內由于電動機機械特性變化，無法保持原來的負荷分配比例。換句話說，改變速度，負荷分配要重新調整。3.輔助電動機電流指令法為了克服電動機電樞并聯法在調速范圍內負荷不均，以及輔助電動機經常處于弱磁的缺點，采用電流環的方法，使輔助電動機一直處于恒流，而其磁場保持在額定狀態，其電流指令值可用電位器來調節。該方法可推廣到多臺電動機的情況，主導電動機與普通的雙閉環穩速系統相同這種方法涉及到的元件有，速度調節器、電流調節器、電流變換器、調節電位器，以及觸發裝置、可控整流裝置，調節電位器即可整定輔助電動機的工作電流。對于輔助電動機只有一個電流環，其參數選擇與普通的雙閉環系統相同。這種方案廣泛的用于復卷機系統中。輔助電動機電流指令法適合于多電動機的負荷分配，且負荷分配值在整個調速范圍內保持不變，系統穩定性也是可靠的。其缺點是需要增加一套可控硅整流裝置。4.負荷調節法輔助電動機電流指令法雖然使用于多臺電動機，而且負荷分配調節比較方便，但由于沒有測速機與速度調節器，所以輔助電動機穩速能力差。它通過毛毯或鋼網的柔性連接來實現與主導電動機速度一致。為了進一步提高穩速精度，可以對輔助電動機采用雙閉環穩速裝置。由于主、輔電動機均采用雙閉環穩速，所以提高了控制品質。負荷分配采用負荷平衡調節器，其中兩臺電動機均有各自的雙閉環穩速裝置供電，并各自帶有測速發電機。為了實現負荷平衡調節，設置了負荷調節器。負荷調節器的一個輸入來自輔助電動機的電流指令，并經電位器分壓。為了構成差值控制，輔助電動機的電流指令值經過反相器。當兩臺電動機的電流比值與設定值不一致時，負荷調節器輸出一個正比于電流差的信號，經負荷調節器放大后去調節輔助電動機的速度給定，以達到主、輔電動機的電流比例恒定。由于負荷調節器、速度調節器和反相器所構成的負荷調節器環的作用，速度調節器的輸出正比于主導電動機的電流給定值。當輔助電動機由于負荷增加而轉速下降時，首先通過自身的測速反饋，使轉速恢復；其次通過柔性連接使主電動機負荷增加，從而使速度調節器的輸出增加來恢復原來的轉速。因此它的穩速精度比不帶測速機的電流指令法高。對于上述四種負荷分配法，可以用多點傳動的實用性、穩速精度、調速協調性和所消耗費來進行比較。表3-1列舉了優缺點以供綜合比較。表3-1四種負荷分配法的比較方法\比較項目多電機適用性穩速精度調速協調性費用串聯法僅兩臺好好少并聯法適用差差少電流指令法適用中好中等負荷調節器法適用好好稍大3.2交流傳動的負荷分配3.2.1交流電機機械特性NN0NnTnTstTmaxn0Tb其中:Tn:額定轉矩Tmax:最大轉矩Tst:啟動轉矩n:電動機的轉速T:電動機的電磁轉矩Nn:額定轉速N0:理想空載轉速3.2.2從轉矩方面考慮負荷分配原理交流傳動采用變頻調速后，交流電機沒有像直流調速那樣有明確的電流環、速度環，也不能直接控制變頻器內的電流環，所以負荷分配較為復雜，可采用PLC控制負荷分配，并從轉矩方面考慮負荷分配原理。根據異步電動機的技術數據計算異步電動機的參數，一般異步電動機的產品目錄中可以查到的一些技術參數：(a)額定功率Pn(kw)(b)額定定子線電壓U1n(v)(c)額定定子線電流I1n(A)(d)額定轉速nN(r/min)(e)額定效率ηN(%)(f)過載倍數Kt(Kt=Tm/Tn)一般取1.8~3.0(g)我國額定功率 為50Hz，即f1=50Hz 在已知上述數據的基礎上，可以用工程計算方法計算異步電動機參數如下。1.額定轉矩TNTN=9550*PN/Nn(N*m)(3-32)式中PN的單位為KW；nN的單位為r/min。2.最大轉矩TmTm=KT*TN(3-33)S=(no-nN)/no(3-34)no=60f1/p(r/min)(3-35) 3.臨界轉差率SmSm=Sn(KT+KT*KT-1)(3-36)假如只有兩臺電機，需滿足Tz1/T1=Tz2/T2(3-37)Tz=Tz1+Tz2(3-38)其中：T1、T2為電機額定轉矩（常量）；Tz1、Tz2為電機各自的轉矩；Tz為電機的總負載轉矩。又有工程計算式：T=2Tm/(S/Sm+Sm/S)(3-39)式中及可由電動機產品目錄中查的數據得。而S=(no–nN)/no=(f-fN)/f(3-40)式中fN為額定頻率。整理上式可得：T=2Tm*Sm(f*f-fN*f)/[(1+Sm*Sm)*f*f-2f2*f+fN*fN](3-41)即T是f的函數。故由上式可知：要想使Tz1和Tz2滿足式（3-37）和式（3-38），只需調整對應電機的頻率即可。即要想實現負荷分配，只需調整對應的電動機的頻率即可。當有多臺電機時，同樣可以得到上述結論，即要想實現負荷分配，只需調整對應的電機的頻率即可。3.3紙機負荷分配設計應考慮的問題紙機傳動系統負荷分配要求速度穩定、分配平衡，紙機負載多變，傳動情況復雜，所以要求負荷分配穩定有效，能夠隨時適應負載變化。進行負荷分配設計時應考慮以下問題。1.負荷分配控制算法要求負荷分配一般要求采樣各分部電機的轉矩，簡單的負荷分配算法要求簡單，可以進行簡化處理，主機與從機比較就可以進行調節。這種算法適合余傳動點數在4點以下的負荷分配。對于傳動點數多的負荷分配，必須以及負荷分配平均算法，計算出系統總負荷轉矩，根據系統總符合轉矩可以計算出負載平衡時的期望值轉矩，計算平均負荷轉矩依據負荷分配原理進行計算。負荷分配控制器根據平均期望轉矩M和實際轉矩ML比較進行調節。紙機負載隨時波動，所以計算出的平均期望轉矩M也根據實際負載變化，因此這種控制算法可以準確計算出總負荷和每臺電機應該輸出的轉矩，便于準確控制。2.負荷分配控制調節要求紙機對傳動系統要求穩、準、快、所以負荷分配控制也要求快速、穩定、無震蕩。負荷分配控制器根據平均期望轉矩M和實際轉矩ML比較，得到偏差信號，根據偏差信號的大小進行PID控制算法調節。對于簡單負荷分配控制系統，傳動點數在4~5點以下，可以采用簡單調整；對于傳動點數多的系統必須采用PID調節，也就是說每一個從機都要采用PID算法調節，否則會引起系統震蕩。3.負荷分配智能化設計在實際生產過程中，傳動點的負荷分配關系可能隨時變化，如兩輥加壓則處于負荷分配狀態，卸壓則處于速度控制狀態，所以要求負荷分配能夠跟隨負載情況隨時變更。通過PLC的數字端子控制可以變更控制方式和算法，也就是說負荷分配設計要能夠滿足工藝控制變更的要求。4.負荷分配保護功能負荷分配應該有速度限幅保護，以防止起動過程中速差太大損害設備，而且有的傳動點會出現打滑現象，采用速度限幅保護就可以有效抑制打滑現象。負荷分配控制點應該設有單動/聯動功能。在調試檢修過程中可能需要單獨啟動其中1臺電機，在正常運行中需要同時啟動、同時停止，所以在單動狀態時各負荷分配控制點可以單獨調速、單獨操作，在聯動狀態時可以同時啟動、同時停止、聯動調速。負荷分配設計應該根據工藝傳動要求和工藝操作要求進行合理設計，具體控制設計要根據實際的負載性質進行。負荷分配與速度鏈控制既獨立又有關聯，所以使用PLC控制時應注意負荷分配與速度鏈的銜接問題。

第4章負荷分配PLC控制器的設計4.1硬件組成4.1.1PLC簡介可編程序控制器PLC是一種專為工業環境下應用而設計的工業控制計算機。在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器及其有關設備都按易于使工業控制系統形成一個整體、易于擴充其功能的原則設計，除了能完成各種各樣的控制功能外，還有與其他計算機通信連網的功能。現代社會要求制造業對市場需求做出迅速反應，成產出小批量、多品種、多規格、低成本和高質量的產品。為了滿足這一要求，生產設備和自動生產線的控制系統必須具有極高的可靠性和靈活性，這就需要尋求一種新的控制裝置來取代老式的繼電器控制系統，使電氣控制系統的工作更加可靠，更容易維修，更能適應經常變動的工藝條件。可編程序控制器正是順應這一要求出現的。現在可編程序控制器的推廣應用在我國得到了迅猛的發展，它已經大量地應用在各種新設備中，各行各業也涌現了大批應用可編程序控制器改造設備的成果。西門子公司的SIMATICS7-200系列屬于小型可編程序控制器，可在簡單控制場合代替電器，也可以用于復雜的自動化控制系統。它有極強的通信功能，在大型網絡控制系統中也能充分發揮其作用。S7-200的可靠性高，可用梯形圖、語句表（既指令表）和功能塊圖3種語言來編程。它的指令豐富，指令功能強，易于掌握，操作方便；內容有高速計數器、告訴輸出、PID控制器、RS-485通信/編程接口、PPI通信協議、MPI通信協議和自由方式通信功能，I/Q端子排可以很容易地拆卸；最大可擴展到248點數字量I/Q或35路模擬量，最多有26KB程序和數據存儲空間，已經在諸多領域中得到了廣泛的應用。S7-200CPU的指令功能強，有傳送、比較、移位、循環移位、產生補碼、調用子程序、脈沖寬度調劑、脈沖序列輸出、跳轉、數制轉換、算術運算、字邏輯運算、浮點數運算、開平方、三角函數和PID控制指令等，在主程序最多可有8級子程序和中斷程序的程序結構，用戶可使用1~255ms的定時中斷。用戶程序可設3級口令保護，監控定時器的定時時間為300ms。數字量輸入中有4個可用作硬件中斷，6個用于高速功能。32位高速加/減計數器的最高計數頻率為30kHz，可對增量式編碼器的兩個互差90度的脈沖列計數，計數值等于設定值。計數方向改變時產生中斷，在中斷程序中可及時地對輸出進行操作。4.1.2ABB變頻器的簡介ABB變頻器的應用較為廣泛，現在主要有兩大系列：ACS600系列和ACS400系列，包括2.2kW到30kW范圍內的各種功率等級。另外在小功率當中還有ACS100系列。ABB變頻器以其穩定的性能而在紙機傳動系統中被廣泛應用。下面就ABB變頻器在紙機傳動應用中遇到的、需要經常改動的一些參數加以說明。1.ACS600系列變頻器的介紹ACS600系列變頻器（2.2-300KW）是ABB公司采用直流轉矩控制（DTC）技術，ACS600SingleDrive可對標準鼠籠電機進行精確的精度和轉矩控制，并且3增加成本及繁瑣的脈沖編碼器反饋。結合諸多先進的生產制造工藝推出的高性能變頻器，完善的保護功能以及靈活的編程能力。并且具備以下特點：（1）電機辯識運行（IDRUN）及速度自我微調功能（2）內置PID控制器，降低了你的投資成本（3）工具軟件對傳動的全方位支持：DrivesSize選型軟件,DrivesBuilder工程設計軟件（4）零轉速下，不需速度反饋就能提供電機滿轉矩（5）AC600SingleDrive能夠提供可挖且平穩的最大啟動轉矩,可達到200%的額定轉矩2.ACS400系列變頻器的介紹ACS400變頻器在2.2-37KW的范圍內，帶給你最大的利益享受：接約能源，控制準確，安全可靠，鑄鋁件和塑料件的使用，保證了足夠的加工精度，ACS400預置了九種應用宏。主電源：230-500V50/60HZ控制電源：115—230V。在勵磁部分中采用了最新的IGBT控制技術，不在需要磁場電壓匹配變壓器，磁場進線熔斷器和電抗器也一集成在ACS400模塊中。由于磁場部分采用了三相進線供電方式，且直接取自為電樞供電的三相電源，因而ACS400不在需要單獨的磁場電源進線。ACS400擁有多種調試工具。在調試向導的引導下進行參數設定，加上全部的自優化調試過程，ACS400的典型調試時間為15分鐘。4.2通信協議通信系統采用了RS-485網絡的結構，軟件協議采用支持RS-485網絡的Modbus工業通信協議。Modbus通信協議是當今全球工業領域最流行的協議，它支持傳統的RS232、RS-422、RS-485和以太網設備。許多工業設備，包括單片機、PLC、智能儀表等都使用Modbus協議作為它們之間的通信標準。利用Modbus協議可以將各變頻器連成網絡，進行集中監控。RS-485總線具有信號傳輸速率快、傳輸距離遠、抗干擾能力強等優點。其接口可以有多個驅動器和接收器，很容易實現一臺OLC與多個變頻器之間的串行通信。組成RS-485通信控制總線有兩個方面：一是硬件組建，按照RS-485電氣標準將各控制部件連接起來；二是軟件設置及編程，依據通信部件的通信協議進行設置和編程設計。1.RS-485網絡硬件組建RS-485總線要求有物理標準和協議標準。在RS-485總線上的各部件必須具有標準RS-485通信接口，所有的RS-485接口的DATA+和DATA-分別連接在一起，在通信兩端配置終端電阻。同時在RA-485總線上的各部件必須遵從同一種通信協議，不同的通信協議產品不能同時掛在同一個RS-485總線上。圖4-1所示就是西門子PLC與ABB公司ACS600、ACS400系列變頻器混合組成的RS-485總線的網絡結構。PLC接口為RS-232口，通過RS-232/485通信轉換模塊將RS-232信號轉換成RS-485信號。ACS400變頻器接口為RS-485，A為通信線數據負，B為通信線數據正，將正、負分別連接到RS-485總線。ACS600變頻器的X28、X29端為RS-485通信接口，4腳為數據正，3腳為數據負。如圖4—1所示，在ACS600和ACS400上都可以選擇配置終端電阻，現將中間的變頻器都配置位飛終端模式，將最兩邊的變頻器配置為終端工作模式。ModbusDATADATA+8383PLCAB34ABn個變頻器圖4-1通信網絡結構圖有些公司的變頻器沒有RS-485總線終端電阻配置選擇，可通過在通信線的兩終端外接120Ω電阻完成終端的配置。2.通信參數設置在RS-485總線上，各部件必須具有相同的通信參數。即具有相同的波特率、相同數據位、相同的校驗位、相同的停止位。還必須對各部件分配總線地址，每個部件必須有唯一的總線地址，地址不能重復。現以ABB400變頻器組成RS-485通信控制總線為例，通信總線波特率采用9600，PLC通訊參數設置為波特率9600，數據為8為，停止位為7為。RS-232/RS-485位置通訊位通訊數據為11位，通信撥特率為9600。經過上述設置連線，Modbus網絡已全部設置完成,可以進行軟件編程設計了.3.Modbus通訊協議Modbus協議是應用于電子控制器上的一中通訊語言.通過此協議,控制器之間、控制器經由網絡(例如以太網)和其它設備之間可以通訊.它已經成為通訊標準.有了它,不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡,進行集中監控.詞協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構,不管它們是經過何種網絡進行通信的.它描述了控制器請求訪問其它設備的過程,如何應來自其它設備的請求,以及怎樣偵測錯誤并記錄等,它制定了消息城格局和內容的公共格式.當在網絡上通訊時，Modbus協議決定每個控制器需要知道設備地址,識別按地址發來的消息,決定要產生何種行動.如果需要回應,控制器將生成反饋信息并用Modbus協議發出.在其它網絡上,包含了Modbus協議的消息轉換為在詞網絡上使用的幀或包結構.這種轉換也擴展了根據具體的網絡解決節地址、路由路徑及錯誤檢測的方法.(1)在Modbus網絡上轉輸.標準的Modbus口使用RS-232C兼容串行接口,它定義了連接口的針腳、電纜、信號位、傳輸撥特率、奇偶校驗。控制器能直接或經由Modbus組網.控制器通信使用主從技術,即僅設備(主設備)能初始化串輸(查詢),其它設備(從設備)根據主設備查詢提供的數據做出相應反映.典型的主設備有主機和可編程儀表等.典型的從設備有可能編程控制器等.主設備可單獨和從設備通信,也能以廣播方式和所以從設備通信.如果單獨通信,從設備返回消息作為輝映;如果是以廣播方式通信的,則不作任何回應.Modbus協議建立了主設備查詢的格式:設備(或廣播)地址、功能代碼、所有要發送的數據、錯誤檢測域。從設備將建立錯誤消息并把它作為回應發過去。(2)在起它類型網絡上轉輸。在其它網絡上，控制器使用對等技術通信，這樣在單獨的通信過程中，控制器既可作為從設備，提供的多個內部通道可允許同時發生的串輸進程。在消息位，Modus協議仍建立了主從原則,盡管網絡通訊方法是”對等”.如果控制器發送消息,它只作為主設備,并期望從設備得到回應.同樣,當控制器按受到消息時,它將建立從設備回應格式并返回給發送的控制器.(3)查詢-回應周期.主從查詢-回應周期表如圖4-2所示.查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設備要執行何種功能.數據段包含了從設備要執行功能的任何附加信息.例如功能代碼03是要求從設備讀保持寄存器數量.錯誤檢測域為從設備提供了一種驗證消息內容是否正確的方法。設備地址設備地址功能代碼數據段數據段主設備的查詢信息從設備的回應消息錯誤檢測錯誤檢測功能代碼設備地址圖4-2主從查詢-回應周期表如果從設備產生正常的回應,在回應消息中的功能代碼是對查詢消息中的功能代碼的回應。數據段包括了從設備搜集的數據,如寄存器值或狀