【正文】 60KW 2 真空 45KW 3 主壓 35KW 4 大缸 25KW 5 一烘 35KW 6 二烘 30KW 7 壓光 25KW 8 卷取 25KW 9 風扇電機 20KW 在圖 所示 工藝流程下，各傳動點的功率參數(shù)見表 。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(tǒng)一功率 22KW 的交流電 網(wǎng)部（真空） 主壓 一烘 大缸 二烘 壓光 圖 造紙機工藝流程 卷取 6 機。 造紙機控制系統(tǒng)的方 案 對于工業(yè)機械設備的控制技術，其發(fā)展階段大體為 人工控制階段、模擬儀表控制系統(tǒng)階段、計算機集中式數(shù)字控制系統(tǒng)階段、集散式控制系統(tǒng)階段和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)階段 [4]。 本次設計的基于 PLC 的造紙機控制系統(tǒng)主要利用 PLC 與變頻器之間的通訊控制 ，實現(xiàn) PLC 對三相交流電機的各項操作。主要控制方法是 以 S7300 PLC 作為系統(tǒng)的控制中心， ABB 變頻器為驅動單元，三相交流電機作為執(zhí)行單元， 同時由 PLC 通過ProfibusDP 網(wǎng)絡與變頻器之間的通信完成各傳動點的啟動、停止、加速、減速、緊紙操作。 用 Protel 99se 繪制 控制系統(tǒng)的電路原理圖 ， 完成硬件的選擇，原理的理解。在 Step7 環(huán)境中完成系統(tǒng)的硬件組態(tài)與系統(tǒng)的控制程序的編寫。 這里采用ProfibusDP 主要是因為 PROFIBUSDP 現(xiàn)場總線介紹現(xiàn)場總線控制是應用于工業(yè)現(xiàn)場、連接智 能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構的通訊網(wǎng)絡，其 總線標準是開放的、不依賴生產(chǎn)廠家通信系統(tǒng)標準 [5]。 總體控制方案見圖 。 圖 系統(tǒng)控制方案圖 7 3 控制 系統(tǒng) 的 硬件電路 設計 硬件系統(tǒng)組成 硬件電路主要器件 本次設計的基 于 PLC 的造紙機控制系統(tǒng) 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(xiàn)傳動點的 啟動、停止、增速、減速、爬行 操作。 現(xiàn)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?，F(xiàn)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，產(chǎn)生脈動的直流電壓，將交流變換為直流； 直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑 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(wěn)定平滑，供逆變器使用； 逆變器產(chǎn)生電動機電壓的頻率，逆變電路將直流電再逆變?yōu)榻涣麟姟? 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，包括微處理器，系統(tǒng)程序存儲器和用戶存儲器；編程器用來完成人機對話；電源不見則用來給 PLC 各模塊供電。 本次設計的基于 PLC 的造紙機控制系統(tǒng)使用的是 SIMATIC S7300PLC。 SIMATIC S7 系列 PLC 是德國西門子公司在S5 系列 PLC 基礎上于 1995 年陸續(xù)推出的性能價格比較高的 PLC 系統(tǒng)，其中，微型的有 SIMATIC S7200系列，最小配置為 8DI/6DO，可擴展 2 到 7 個模塊，最大 I/O 點數(shù)為 64DI/DO、 12AI/4AO；中小型的有 SIMATIC S7300 系列；中高檔的有 S7400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(guī)模到中等性能要求以及大規(guī)模應用的首選產(chǎn)品。 三相交流電機： 三相異步電動機 要旋轉起來的先決條件是具有一個 旋轉磁場 ，三相 異步電動機 的 定子繞組 就是用來產(chǎn)生 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 異步電動機 定子中的三個 繞組 在空間方位上也互差 120 度，這樣，當在 定子繞組 中通入 三相電源 時 ， 定子繞組 就會產(chǎn)生一個 旋轉磁場 ，其產(chǎn)生的過程分四個時刻來描述旋轉磁場的產(chǎn)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是同步的。旋轉磁場的轉速為： 60 /n f p? ， 式中 f 為電源頻率、 p 是磁場的 磁極 對數(shù)、 n 的單位是：每分 8 鐘轉數(shù)。根據(jù)此式我們知道， 電動機 的轉速與 磁極 數(shù)和使用電源的頻率有關，為此，控制 交流電動機 的轉速有兩種方法： 改變 磁極 法； 變頻法 。以往多用第一種方法，現(xiàn)在則利用 變頻技術 實現(xiàn)對 交流電動機 的 無級變速 控制。 硬件電路 的工作原理 本次設計的基于 PLC 的造紙機控制系統(tǒng)，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(xiàn)做如下介紹。 現(xiàn)場總線技術： 現(xiàn)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(chǎn)物 ,已成為當今自動化領域技 術發(fā)展的熱點之一。它是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的全分散、數(shù)字式、雙向、多變量、多站的通信網(wǎng)絡 [7]。在眾多現(xiàn)場總線標準中 ,過程現(xiàn)場總線 (PROFIBUS)以其國際化、開放式 ,高靈活性 與 高可靠性等優(yōu)勢 ,在過程自動化、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： Profibus— DP通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)電報結構分為協(xié)議頭、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)和協(xié)議層。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)即 PPO 消息類型，包括參數(shù)值 PKW 及過程數(shù)據(jù) 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(shù)據(jù)（ PZD） 。 控制字（ PKW）是變頻器運行時要定義的參數(shù)，如啟動信號、給定頻率等；過程數(shù)據(jù)（ PZD）是變頻器運行過程中要返回給 PLC 的一些參數(shù)，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(wǎng)絡通訊來控制變頻器的起停與非網(wǎng)絡控制方式有所不同，非網(wǎng)絡控制變頻器起停只需要一個啟動或停止命令即可，而用網(wǎng)絡控制時需要先后發(fā)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(tài)，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 0～ 20210 對應頻率 0～ 50 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 20210。 PZD狀態(tài)字和 PKW控制字有所不同， PKW 控制字是固定的，不可更改， PPO4 模式中第一個 PKW為控制字，第二個 PKW為頻率給定。 3） PZD 狀態(tài)字則是非固定的，需要自己定義， PZD 狀 態(tài)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(xù)運行時間、電機的實際轉速（ R/MIN）等等實際運行參數(shù)，需要什么參數(shù)就定義什么參數(shù)，通過PLC 程序中調用 SFC14 讀回即可，非常靈活。 PPO 類型如圖 所示。 9 圖 PPO類型 變頻調速： 交流變頻調速與直流調速系統(tǒng)相比，具有容量大、方便維護、節(jié)約耗能以及價格便宜等優(yōu)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(chǎn)生一個旋轉磁場，其速度由定子電壓的頻率所決定。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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生的旋轉磁場的方向將發(fā)生改變。因此，電動機的轉向也將發(fā)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(shù)和電源頻率所決定： 0 60 /n f p? （ 31） 其中 0n —— 電機同步轉速； f — 供電電源頻率（ Hz）； p — 電機定子磁極對數(shù)。 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： 0 (1 ) 60 (1 ) /n n s f s p? ? ? ? （ 32） 式中 n — 電機實際速度； s — 轉差率（同步電動機時， s=0）。 由式（ 32）可知，改變參數(shù) 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(xiàn)對異步電動機的 10 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Φ 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(tǒng)是獨立的，所以只要對電樞反應的補償合理 ，保持Φ 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(chǎn)生的。 三相異步電機定子每相電動勢為 ： 11rmE fwf ?? (33) 式中 1E —— 氣隙磁通在定子每相中感應電動勢有效值； f —— 定子頻率； w —— 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； 1rf —— 基波繞組因數(shù)； m? —— 每相氣隙磁通量。 由公式可知。只要控制好 E 和 f 便可以控制磁通 m? 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 m? 不變，但頻率 f 從額定值 mf 向下調節(jié)時，必須同時降低 1E 。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 UE? ，則得 /Uf? 常值。低頻時， U 和 gE 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。帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性為 b 線，無補償?shù)臑?a 線。如圖 所示。 11 圖 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 mf 往上增加，但電壓 U 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。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 所示。 U 端子相電壓 mU a b O mf 頻率 f 12 系統(tǒng) 硬件 原理圖 系統(tǒng)電機部分原理圖 本部分 系統(tǒng)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(tǒng)、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(tǒng)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(tǒng)的組成和控制結構依然可以仿照直流系統(tǒng)的形式分為電源，反饋和控制三大部分。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(tǒng)就是由逆變單元或逆變器，反饋系統(tǒng)，調節(jié)控制單元組成的一個交流電機調速系統(tǒng)。 原理圖如圖 24 所示。圖 中 L L L3 為交流母線 ， N為中性線 ， 為系統(tǒng)工作提供交流電 ，由斷路器控制系統(tǒng)與電網(wǎng)的接通與斷開 。 H01為系統(tǒng) 的電源指示燈。 NPBA12通訊適配器用來連接變頻器與 ProfibusDP 網(wǎng)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 NPBA12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?lián)碛邢嗤纳嵝Ч?。繼電器 KM1 則保證了驅動電機與風扇電機的同步啟動與停止。 恒轉矩調速 恒功率調速