【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(fēng)扇電機(jī) 20KW 在圖 所示 工藝流程下，各傳動(dòng)點(diǎn)的功率參數(shù)見(jiàn)表 。八個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)均采用三相交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，另外八臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的風(fēng)扇電機(jī)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(jī)工藝流程 卷取 6 機(jī)。 造紙機(jī)控制系統(tǒng)的方 案 對(duì)于工業(yè)機(jī)械設(shè)備的控制技術(shù)，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(jì)算機(jī)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(chǎng)總線控制系統(tǒng)階段 [4]。 本次設(shè)計(jì)的基于 PLC 的造紙機(jī)控制系統(tǒng)主要利用 PLC 與變頻器之間的通訊控制 ，實(shí)現(xiàn) PLC 對(duì)三相交流電機(jī)的各項(xiàng)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(qū)動(dòng)單元，三相交流電機(jī)作為執(zhí)行單元， 同時(shí)由 PLC 通過(guò)ProfibusDP 網(wǎng)絡(luò)與變頻器之間的通信完成各傳動(dòng)點(diǎn)的啟動(dòng)、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(xiě)。 這里采用ProfibusDP 主要是因?yàn)?PROFIBUSDP 現(xiàn)場(chǎng)總線介紹現(xiàn)場(chǎng)總線控制是應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、連接智 能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)絡(luò)，其 總線標(biāo)準(zhǔn)是開(kāi)放的、不依賴生產(chǎn)廠家通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) [5]。 總體控制方案見(jiàn)圖 。 圖 系統(tǒng)控制方案圖 7 3 控制 系統(tǒng) 的 硬件電路 設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)組成 硬件電路主要器件 本次設(shè)計(jì)的基 于 PLC 的造紙機(jī)控制系統(tǒng) 包括八個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)，每個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)采用 變頻器控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)點(diǎn)的 啟動(dòng)、停止、增速、減速、爬行 操作。 現(xiàn)主要介紹其中一個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)中涉及到的 主要 硬件 包括變頻器， PLC，三相交流變頻電機(jī)，電源模塊。現(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(duì)主電路的控制，將信號(hào)傳給整流器、中間電路和逆變器，同時(shí)接受來(lái)自這些部分的信號(hào)；整 流器與單相或三相電源連接，產(chǎn)生脈動(dòng)的直流電壓，將交流變換為直流； 直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑 濾波。將整流 電壓變換成直流電流，使脈動(dòng)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(dòng)機(jī)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(jiàn)和編程器組成 [6]。輸入輸出模塊用來(lái)連接外圍設(shè)備 ，接受外圍信號(hào)并轉(zhuǎn)換成 CPU 可處理信號(hào)，然后輸出；中央處理單元用來(lái)處理接收的信號(hào)，包括微處理器，系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器；編程器用來(lái)完成人機(jī)對(duì)話；電源不見(jiàn)則用來(lái)給 PLC 各模塊供電。 本次設(shè)計(jì)的基于 PLC 的造紙機(jī)控制系統(tǒng)使用的是 SIMATIC S7300PLC。 SIMATIC S7 系列 PLC 是德國(guó)西門子公司在S5 系列 PLC 基礎(chǔ)上于 1995 年陸續(xù)推出的性能價(jià)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(kuò)展 2 到 7 個(gè)模塊，最大 I/O 點(diǎn)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(wú)排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)且具有易于用戶掌握等特點(diǎn)，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(yīng)用的首選產(chǎn)品。 三相交流電機(jī)： 三相異步電動(dòng)機(jī) 要旋轉(zhuǎn)起來(lái)的先決條件是具有一個(gè) 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) ，三相 異步電動(dòng)機(jī) 的 定子繞組 就是用來(lái)產(chǎn)生 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 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(dòng)機(jī) 定子中的三個(gè) 繞組 在空間方位上也互差 120 度，這樣，當(dāng)在 定子繞組 中通入 三相電源 時(shí) ， 定子繞組 就會(huì)產(chǎn)生一個(gè) 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) ，其產(chǎn)生的過(guò)程分四個(gè)時(shí)刻來(lái)描述旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生。電流每變化一個(gè)周期，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)一周，即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度與電流的變化是同步的。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為： 60 /n f p? ， 式中 f 為電源頻率、 p 是磁場(chǎng)的 磁極 對(duì)數(shù)、 n 的單位是：每分 8 鐘轉(zhuǎn)數(shù)。根據(jù)此式我們知道， 電動(dòng)機(jī) 的轉(zhuǎn)速與 磁極 數(shù)和使用電源的頻率有關(guān)，為此，控制 交流電動(dòng)機(jī) 的轉(zhuǎn)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(shù) 實(shí)現(xiàn)對(duì) 交流電動(dòng)機(jī) 的 無(wú)級(jí)變速 控制。 硬件電路 的工作原理 本次設(shè)計(jì)的基于 PLC 的造紙機(jī)控制系統(tǒng)，運(yùn)用變頻器三相異步交流變頻電機(jī)。 主要涉及到變頻調(diào)速等相關(guān)原理，現(xiàn)做如下介紹。 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)： 現(xiàn)場(chǎng)總線作為計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、儀表技術(shù)以及控制技術(shù)高度集成與綜合的產(chǎn)物 ,已成為當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技 術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。它是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)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(luò) [7]。在眾多現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)中 ,過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線 (PROFIBUS)以其國(guó)際化、開(kāi)放式 ,高靈活性 與 高可靠性等優(yōu)勢(shì) ,在過(guò)程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)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(bào)結(jié)構(gòu)分為協(xié)議頭、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和協(xié)議層。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)即 PPO 消息類型，包括參數(shù)值 PKW 及過(guò)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(guò)程數(shù)據(jù)（ PZD） 。 控制字（ PKW）是變頻器運(yùn)行時(shí)要定義的參數(shù)，如啟動(dòng)信號(hào)、給定頻率等；過(guò)程數(shù)據(jù)（ PZD）是變頻器運(yùn)行過(guò)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(gè)字為控制字，用來(lái)控制變頻器的啟動(dòng)和停止。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊來(lái)控制變頻器的起停與非網(wǎng)絡(luò)控制方式有所不同，非網(wǎng)絡(luò)控制變頻器起停只需要一個(gè)啟動(dòng)或停止命令即可，而用網(wǎng)絡(luò)控制時(shí)需要先后發(fā)送兩個(gè)控制命令，第一個(gè)為變頻器的“準(zhǔn)備信號(hào)”，收到這個(gè)信號(hào)變頻器便處于“軟合閘”等待狀態(tài)，并不運(yùn)行；第二個(gè)命令為啟動(dòng)信號(hào)，收到這個(gè) 命令后變頻器才會(huì)按照給定的頻率開(kāi)始運(yùn)行。 2)PKW 的第二個(gè)字為頻率給定，變頻器的頻率就是通過(guò)這個(gè)字來(lái)設(shè)置的，其對(duì)應(yīng)關(guān)系為十進(jìn)制 0～ 20210 對(duì)應(yīng)頻率 0～ 50 HZ，線型的對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如需要變頻器運(yùn)行于 25HZ,給定值應(yīng)為 10000；需要變頻器運(yùn)行于 35HZ,給定值應(yīng)為 14000；需要變頻器運(yùn)行于 50HZ,給定值應(yīng)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(gè) PKW為控制字，第二個(gè) 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(yuǎn)程模式、變頻器的當(dāng)前電流、變頻器的輸出電壓、變頻器的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間、電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速（ R/MIN）等等實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，需要什么參數(shù)就定義什么參數(shù)，通過(guò)PLC 程序中調(diào)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(diào)速： 交流變頻調(diào)速與直流調(diào)速系統(tǒng)相比，具有容量大、方便維護(hù)、節(jié)約耗能以及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn) [8]。在 一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組上加上三相交流電壓 ，該電壓將產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其速度由定子電壓的頻率所決定。當(dāng)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，位于該磁場(chǎng)中的轉(zhuǎn) 子繞組將切割磁力線，并在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，而此感應(yīng)電流又將受到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用而產(chǎn)生電磁力，即轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)將三相異步電動(dòng)機(jī)繞組的任意兩相進(jìn)行交換時(shí)，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向?qū)l(fā)生改變。因此，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向也將發(fā)生改變。異步電動(dòng)機(jī)定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速被稱為異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，其同步轉(zhuǎn)速由電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)和電源頻率所決定： 0 60 /n f p? （ 31） 其中 0n —— 電機(jī)同步轉(zhuǎn)速； f — 供電電源頻率（ Hz）； p — 電機(jī)定子磁極對(duì)數(shù)。 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速總是小于其同步轉(zhuǎn)速，異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速可由下式給出： 0 (1 ) 60 (1 ) /n n s f s p? ? ? ? （ 32） 式中 n — 電機(jī)實(shí)際速度； s — 轉(zhuǎn)差率（同步電動(dòng)機(jī)時(shí)， s=0）。 由式（ 32）可知，改變參數(shù) f 和 s 中的任意一個(gè)就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，即對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。因此可以通過(guò)改變?cè)撾娫吹念l率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的 10 調(diào)速。從某種意義上說(shuō)，變頻器就是一個(gè)可以任意改變頻率的交流電源。在電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，一個(gè)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(méi)有充分利用電機(jī)的磁心，是一種浪費(fèi)；若要增大磁通，又會(huì)使磁通飽和，從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因?yàn)槔@組過(guò)熱而損壞電機(jī)。對(duì)于直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，所以只要對(duì)電樞反應(yīng)的補(bǔ)償合理 ，保持Φ m 不變時(shí)很容易做到的。在交流異步電機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的。 三相異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)為 ： 11rmE fwf ?? (33) 式中 1E —— 氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(diào)速：即采用恒定的電動(dòng)勢(shì)。由上式可知，要保持 m? 不變，但頻率 f 從額定值 mf 向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低 1E 。然而繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以控制的，但電動(dòng)勢(shì)較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓 UE? ，則得 /Uf? 常值。低頻時(shí)， 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(shí) ,可以人為的把電壓 U 抬高一些，以便近似的補(bǔ)償定子壓降。帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性為 b 線，無(wú)補(bǔ)償?shù)臑?a 線。如圖 所示。 11 圖 基頻以下調(diào)速恒壓頻比控制特性 基頻以上調(diào)速：在基頻以 上調(diào)速時(shí)，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(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。 把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來(lái)，可得到異步電機(jī)的變頻調(diào)速特性，如圖。如果電動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電動(dòng)機(jī)都能在溫升容許的條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，這時(shí)轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”，而在基頻以上，基本上屬于“恒功率調(diào)速” ， 所謂恒功率調(diào)速就是 機(jī)械調(diào)速時(shí)，通過(guò)改變傳動(dòng)比，改變負(fù)載的 速度，而電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩、額定速度不變； 電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩、額定速度不變，即電機(jī)的額定功率不變。 恒功率調(diào)速時(shí)，負(fù)載可以獲得成千成百倍的力矩或動(dòng)力 [9]！ 恒功率調(diào)速機(jī)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(jī)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(fēng)機(jī)系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)、指示燈等。 變頻器是變頻調(diào)速的核心，也是構(gòu)成大型復(fù)雜傳動(dòng)系統(tǒng)的基本單元，實(shí)際上就是把固定電壓，固定頻率的交流變換成可調(diào)電壓和頻率的交流電的變換器。變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成和控制結(jié)構(gòu)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(guò)人們習(xí)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(diào)速系統(tǒng)就是由逆變單元或逆變器，反饋系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制單元組成的一個(gè)交流電機(jī)調(diào)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(kāi) 。 H01為系統(tǒng) 的電源指示燈。 NPBA12通訊適配器用來(lái)連接變頻器與 ProfibusDP 網(wǎng)絡(luò)。 H02與 H03 分別是電機(jī)運(yùn)行與停止的指示燈。電源模塊 MAF 用來(lái)將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，給通訊適配器 NPBA12供電。風(fēng)扇電機(jī)用來(lái)給傳動(dòng)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)散熱，保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下?lián)碛邢嗤纳嵝Ч＠^電器 KM1 則保證了驅(qū)動(dòng)電機(jī)與風(fēng)扇電機(jī)的同步啟動(dòng)與停止。 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 恒功率調(diào)速