【正文】 系統(tǒng)的研究 與設(shè)計 ， 我 可以 了解 造紙 機傳動的工藝 要求、 各個傳動點的交流電機具體工作情況，系統(tǒng)硬件參數(shù)選擇的依據(jù)，以及 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在 造 紙機傳動控制系統(tǒng) 中的應用。 本文設(shè)計了一套 基于 PLC 的造紙機控制系統(tǒng)， 系統(tǒng) 以 S7300 PLC作為控制核心 ， 以 ABB變頻器 作 為驅(qū)動單元，三相交流 電機作為執(zhí)行單元 ,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 等 操作 。 目 錄 中文摘要 ...........................................錯誤 !未定義書簽。 論文 介紹了 國內(nèi)外造紙行業(yè)的發(fā)展歷程，根據(jù)造紙機的控制要求確定了系統(tǒng)的控制方案；設(shè)計了控制系統(tǒng)的 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(tǒng)的硬件組態(tài)以及控制程序的編寫。同時掌握 PLC 與變頻器的控制方式，軟硬件的配 合調(diào)節(jié)交流電機的轉(zhuǎn)速， 培養(yǎng)我個人對知識的理解和使用，理論與實際結(jié)合 以及對于處理細節(jié)問題方面 的能力。 造 紙 機控制 系統(tǒng) 的 研究現(xiàn)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(yè)面臨的主要問題仍是纖維原料的來源 , 節(jié)約能源 ,降低污染 , 設(shè)備的大型化、高速化、自動化等 [1]。我國造紙工業(yè)國際化、集中化、專業(yè)化的格局已初步形成，而且國內(nèi)許多造紙企業(yè)引進了很多國外先進的技術(shù)裝備，國內(nèi)許多大的造紙企業(yè)已經(jīng)完全與國際接軌。 因此全面提升我國造紙行業(yè)整體的管理、裝備和自動化水平，使我國造紙行業(yè)進入低污染、低消耗、高效益的強國之列。 （ 3） 系統(tǒng)軟件的設(shè)計，在 Step7 環(huán)境下的的硬件組態(tài)，符號表的編輯，數(shù)據(jù)模塊的編寫，傳動控制模塊程序的編寫等。本文設(shè)計的造紙機控制系統(tǒng)所需控制的傳動點主要由網(wǎng)部、真空、主壓、大缸、一烘、二烘、壓光、卷取。八個傳動點均采用三相交流變頻電機驅(qū)動，另外八臺驅(qū)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。 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。 圖 系統(tǒng)控制方案圖 7 3 控制 系統(tǒng) 的 硬件電路 設(shè)計 硬件系統(tǒng)組成 硬件電路主要器件 本次設(shè)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(zhuǎn)速，實現(xiàn)傳動點的 啟動、停止、增速、減速、爬行 操作。 變頻器：變頻器包涵控制電路、 整流器 、 中間電路 、 逆變器 。輸入輸出模塊用來連接外圍設(shè)備 ，接受外圍信號并轉(zhuǎn)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。 三相交流電機： 三相異步電動機 要旋轉(zhuǎn)起來的先決條件是具有一個 旋轉(zhuǎn)磁場 ，三相 異步電動機 的 定子繞組 就是用來產(chǎn)生 旋轉(zhuǎn)磁場 的。根據(jù)此式我們知道， 電動機 的轉(zhuǎn)速與 磁極 數(shù)和使用電源的頻率有關(guān)，為此，控制 交流電動機 的轉(zhuǎn)速有兩種方法： 改變 磁極 法； 變頻法 。 現(xiàn)場總線技術(shù)： 現(xiàn)場總線作為計算機技術(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 ,已成為當今自動化領(lǐng)域技 術(shù)發(fā)展的熱點之一。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。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。 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(zhuǎn)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(diào)用 SFC14 讀回即可，非常靈活。當磁場旋轉(zhuǎn)時，位于該磁場中的轉(zhuǎn) 子繞組將切割磁力線，并在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生相應的感應電動勢和感應電流，而此感應電流又將受到旋轉(zhuǎn)磁場的作用而產(chǎn)生電磁力，即轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)。 異步電動機的轉(zhuǎn)速總是小于其同步轉(zhuǎn)速，異步電動機的實際轉(zhuǎn)速可由下式給出： 0 (1 ) 60 (1 ) /n n s f s p? ? ? ? （ 32） 式中 n — 電機實際速度； s — 轉(zhuǎn)差率（同步電動機時， s=0）。在電動機調(diào)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。 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，必須同時降低 1E 。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。如果電動機在不同的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。 變頻器是變頻調(diào)速的核心，也是構(gòu)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(diào)電壓和頻率的交流電的變換器。 原理圖如圖 24 所示。 H02與 H03 分別是電機運行與停止的指示燈。 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 恒功率調(diào)速 mU 1U U 定子電壓 O mf 頻率 f 圖 基頻以上調(diào)速異步電動機的變頻 調(diào)速控制特性 13 圖 控制系統(tǒng)原理圖 本部分采用的是變頻調(diào)速，利用變頻器控制三相交流變頻電 機，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)控。 ACS550 標準變頻器模塊從 至 110KW 所有功率范圍都是IGBT 功率模塊，并且在變頻器內(nèi)部設(shè)置了直流擺式電抗器（ ）或進線電抗器 (45KW110KW)，從而有效地抑制了高次諧波對電網(wǎng)的影響； ACS550 緊湊型的設(shè)計已經(jīng)標配了適用于第一及第二環(huán)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； ACS550 還內(nèi)置了使用 RS485 協(xié)議的 Modbus 接口，可以很方便地與 PLC或計算機通訊。 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。 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(chǎn)生熱量過多不能及時散掉而燒壞電機。 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(tǒng)的電動機速度，使每個電動機都工作在自己的設(shè)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]。 PLC 與變頻器連接 的 硬件電路 PLC 與變頻器之間存在兩種控制方式。變頻器的 DO 口子可以輸出一些如運行、故障等狀態(tài)信號接入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 420mA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(xiàn)在最常見的是ProfibusDP 的方式。采用方式一這種機械的硬件方式實現(xiàn)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，其次機械的東西在運行時考慮到結(jié)構(gòu)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(tǒng)整個的使用壽命受到影響 [12]。 如原理圖所示，本部分包括 SIMATIC S7300 PLC， ABB ACS550 變頻器， ProfibusDP網(wǎng)，以及 PLC 的 CPU 與信號模塊。 各器件模塊詳細介紹如下。 模塊化、無排風結(jié)構(gòu)、易于實現(xiàn)分布式的配置以及用戶易于掌握等特點，使得 S7300 在很多工業(yè)行業(yè)中實施各種控制任務，成為一種既經(jīng)濟又符合實際的解決方案。 PROFIBUS–DP 協(xié)議還明確規(guī)定了用戶數(shù)據(jù)怎樣在總線各站之間傳遞，但用戶數(shù)據(jù)的含義是在PROFIBUS 行規(guī)中 具體說明的。本部分電路包括 SIMATIC S7300 的三個數(shù)字量輸入模塊、一個電源模塊。 17 圖 數(shù)字模塊 2 本數(shù)字輸入模塊主要負責控制一烘、二烘、大缸三個傳動點驅(qū)動電機的啟停、加減速、爬行操作控制。 本系統(tǒng)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(guān)量控制電動機實現(xiàn)這些功能，故 共 需要 40 個輸 入點。 數(shù)字輸入模塊用來實現(xiàn) PLC 與數(shù)字量過程信號的連接，把從過程發(fā)送來的外部數(shù)字信號電平轉(zhuǎn)換成 PLC 內(nèi)部信號電平，用于連接工業(yè)現(xiàn)場的標準 18 開關(guān)和兩線接近開關(guān)（ BERO）。 圖 模擬輸出模塊 本模塊 SM05 為八點輸出的模擬輸出模塊，用來外接八個數(shù)顯表，顯示八臺驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，方便人工直觀觀察控制各傳動點的轉(zhuǎn)速。同時為控制驅(qū)動電機在不同轉(zhuǎn)速下風扇電機擁有相同的散熱效 果，此處選用一 19 個 8點輸出的數(shù)字輸出模塊， 接入八個繼電器，用來 控制風扇電機與驅(qū)動電機的同步啟動與停止，但風扇電機轉(zhuǎn)速卻不受驅(qū)動電機影響 。當負載較小時，輸出可以直接驅(qū)動，但大電流負載，需要經(jīng)過中間繼電器進行轉(zhuǎn)換，用中間繼電器的觸點進行驅(qū)動。 本次設(shè)計的系統(tǒng)中模擬量輸出模塊選用型號為 6ES7 3325HF000AB0。依據(jù)造紙機系統(tǒng)的要求此處選用型號為 HLP2B80 的數(shù)顯表，經(jīng)濟實用，能很好滿足要求。本次設(shè)計使用到的是 Step7 版本 ，使用其強大功完成對本系統(tǒng)的軟件設(shè)計 PLC 和變頻器控制系統(tǒng)采用了 Profibus— DP 現(xiàn)場總線控制模式后，不但整個系統(tǒng)接線簡單，而且運行穩(wěn)定，操作簡便，反饋的信息全面，可實時掌握電機的各種狀態(tài)信息，可根據(jù)現(xiàn)場的工藝要求在后臺隨時修改參數(shù)，大大減 少了人力和物力資源，真正實現(xiàn)了“分散控制，集中管理”。即將 NPBA12 的 GSD(設(shè)備數(shù)據(jù)庫 )文件 ，文件名為 )導人 STEP7的編程環(huán)境中，為后面的相關(guān)工作做好準備。 圖 PLC的硬件組態(tài) 圖中選用 CPU 3152DP，其自帶 ProfibusDP 接口，同時滿足所需的控制要求。如圖 42 所示，造紙機 的控制程序編寫主要包括初始化，加速、減速、啟動、停止、爬行。通訊程序主要是用來交換 PLC與通訊適配器之間的指令數(shù)據(jù)，使 PLC 很好的控制變頻器，使得電動機能很好工作。同時通訊模塊還負責將變頻器中的指令數(shù)據(jù)反饋給 PLC，實現(xiàn) PLC與變頻器之間數(shù)據(jù)的實時交換。 數(shù) 據(jù) 塊 如 圖 所 示 。 相對于傳統(tǒng)造紙機械，本系統(tǒng)具有操作簡便，成本低廉，自動化程度高等優(yōu)點。 26 謝 辭 光陰似箭，四年的大學生活轉(zhuǎn)眼即逝，經(jīng)過大四下學期精心準備，我終于完成了屬于自己的畢業(yè)設(shè)計。感謝他在繁忙的工作之余，擠出時間對 我的畢業(yè)設(shè)計提出寶貴的意見 。 27 [參考文獻 ] [1]鄒哲明．化機漿主體設(shè)備技術(shù)性能的研究 [J]．中國造紙學報， 2021(增下 )： 303～307 [2]李方圓 .西門子 S7200 的設(shè)計與應用 [J].自動化博覽， 2021 年，第 06期 :2～ 5 [3]楊旭 .中國造紙機 械制造業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 [J].中華紙業(yè)， 2021，（ 12）： 6～ 10 [4]劉桂雄 ,馮云慶 ,申柏華 .現(xiàn)場總線與虛擬儀表技術(shù)相融合的發(fā)展新趨勢 [J].傳感器技 ,。Strefezza Control of a DC Motor by Using Fuzzy Variable Structure Controller[A].第二十七屆中國控制會議論文集 [C].2021 [13]姜建芳 .西門子 S7300/400PLC 工程應用技術(shù) [M].北京 :機械工業(yè)出版 社 .2021 [14]香曉漢 .西門子 PLC 高級應用實例精解 [M].北京 :機械工業(yè)出版社 .2021 [15]廖常初 .S7300/400PLC 應用技術(shù)第二版 [M].北京：機械工業(yè)出版社 .2021 28 附錄 1： 系統(tǒng)控制原理圖 29 附錄 2： PLC 原理圖