【正文】 輥壓光機(jī)，通過這僅有的傳動(dòng)點(diǎn)與紙機(jī)整個(gè)傳動(dòng)部分上速度鏈相連接來實(shí)現(xiàn)其運(yùn)行；在正常工作運(yùn)行時(shí)該部退紙輥的電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，其它兩點(diǎn)則相應(yīng)的置于電動(dòng)狀態(tài)，因此采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線的PLC控制對(duì)其張力進(jìn)行控制的方法解決紙張耦合作用的問題[11]。 紙機(jī)生產(chǎn)能力的計(jì)算紙機(jī)的生產(chǎn)能力是人們判斷及選購(gòu)紙機(jī)的最關(guān)鍵參考因素，也是工程技術(shù)人員對(duì)其設(shè)計(jì)相關(guān)控制系統(tǒng)所需要參考慮的最重要的技術(shù)數(shù)據(jù)，其生產(chǎn)能力的計(jì)算公式如下[1]： （22）式中：一造紙機(jī)運(yùn)行生產(chǎn)的能力(t/d)；一造紙機(jī)的車速(m／min)；一紙的抄寬(m)；一紙的定量(g/m2)；一抄造率，即紙機(jī)正常產(chǎn)紙運(yùn)行時(shí)的比率，；一成品率，即所生產(chǎn)合格品的比率，對(duì)一般紙張要求達(dá)到93％98％,對(duì)薄葉紙張要求達(dá)到88％90％；一平均日作業(yè)時(shí)間，即除換網(wǎng)、換毛毯及小修等，平均每晝夜運(yùn)轉(zhuǎn)的小時(shí)數(shù)，；通常講的一臺(tái)紙機(jī)生產(chǎn)規(guī)模是指該紙機(jī)的年生產(chǎn)能力，計(jì)算時(shí)以日生產(chǎn)能力乘以330～345即得，這是指每年扣除1530d的大中修時(shí)間。表21在紙機(jī)上耗用功率的平均單位指標(biāo)紙機(jī)的分布耗用的單位指標(biāo)（kW／[m紙機(jī)因其所生產(chǎn)的紙類不同而其機(jī)械結(jié)構(gòu)形式、工作車速、紙幅寬度等技術(shù)參數(shù)也就不同，所以各自所對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)的具體要求也就不一樣，本文結(jié)合2010至201 1年度陜西西微測(cè)控工程有限公司(原陜西科技大學(xué)微機(jī)測(cè)控研究所)與陜西西安某紙廠所合作的4400／600紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，其現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物如圖23所示，并以該項(xiàng)目的紙機(jī)為例可得出如下主要基本參數(shù)：生產(chǎn)品種：高強(qiáng)瓦楞紙；紙張定量：100．1509／m2；凈紙寬度：4400 mm；工作車速：450600 m／min；傳動(dòng)車速：600 m／min；傳動(dòng)形式：變頻傳動(dòng)。假設(shè)烘干部的車速為100％，且烘干部各組的車速相同，列出了表23中幾種紙機(jī)各分部速比的數(shù)據(jù)[41]。(4)現(xiàn)代紙機(jī)的運(yùn)行負(fù)載基本上是一個(gè)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，要求其負(fù)荷均衡，所以須要選用具有恒定轉(zhuǎn)矩特性的變頻器且具備較高的頻率分辨率和良好的通訊性能。3 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的分析及應(yīng)用研究 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的概述PROFIBUS是由Siemens等公司組織研發(fā)的一款性能優(yōu)越且具備較大開放性的現(xiàn)場(chǎng)總線，它符合歐洲和國(guó)際的通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并于2001年成為我國(guó)的機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB/)。圖31 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線連接示意圖PROFIBUS通信主要由ProfibusDP(車間級(jí)通信)、ProfibusPA(現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信)和ProfibusFMS(工廠級(jí)通信)三個(gè)相互兼容的部分組成，如圖3一l所示，每一級(jí)可采用不同的通信方式[19]。 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線的系統(tǒng)在技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用上擁有以下特點(diǎn)[17][21][22]:(1)開放性:現(xiàn)場(chǎng)總線是開放式的網(wǎng)絡(luò)，用戶可以購(gòu)置不同廠家的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，把它們集成在一個(gè)控制系統(tǒng)中，并進(jìn)行相互的信息交換。(4)適應(yīng)環(huán)境性:該類總線能夠較好的去適應(yīng)各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)環(huán)境，其主要表現(xiàn)在通信傳輸可以采用多種媒介，并具有較強(qiáng)的抗電磁干擾的性能，還可以采用總線的方式進(jìn)行供電。針對(duì)PROFIBUS所設(shè)計(jì)的通信模型采用了0SI模型的第2和7層，并基于其通信的特性又在0SI模型相對(duì)應(yīng)的第三層開設(shè)了現(xiàn)場(chǎng)總線專有的訪問子層，這種簡(jiǎn)化后的通信模型在數(shù)據(jù)鏈路層中多數(shù)據(jù)通信的流量與差錯(cuò)進(jìn)行控制，這與OSI的模型有一定的差異，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3—2所示[18]:OSI參考模型現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議FF模型PROFIDPPROFIFMS應(yīng)用層7應(yīng)用層用戶層功能塊應(yīng)用與設(shè)備描述用戶接口應(yīng)用層接口表示層6應(yīng)用層信息規(guī)范低層接口會(huì)話層5傳輸層4報(bào)文子層通信棧除去37層除去36層網(wǎng)絡(luò)層3總線訪問子層訪問子層數(shù)據(jù)鏈路層2數(shù)據(jù)鏈路層鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層物理層1物理層物理層物理層物理層圖32 0SI模型與部分現(xiàn)場(chǎng)總線通信模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系 現(xiàn)場(chǎng)總線的通信協(xié)議現(xiàn)場(chǎng)總線以數(shù)字通信為基礎(chǔ)，然而進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信就必須要有協(xié)議，因此現(xiàn)場(chǎng)總線就是一個(gè)定義硬件接口和通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)。參照ISO/OSI參考模型，PROFIBUS有3個(gè)版本，PROFIBUSDP側(cè)重于工廠自動(dòng)化，使用RS485傳輸技術(shù)，3種DP通信協(xié)議版本和一種或多種典型工廠自動(dòng)化的應(yīng)用行規(guī)。PROFIBUS只包含了OSI模型中的第l、2和7層，其協(xié)議層或子層結(jié)構(gòu)如圖33所示:層次 OSI參考模型PROFIBUS層次模型8ALI(至應(yīng)用過程)7應(yīng)用層FMSFMA76表示層LLI5會(huì)話層無4傳輸層3網(wǎng)絡(luò)層FLCFMA1/22數(shù)據(jù)鏈路層MAC1物理層PHY圖33 OSI模型與PROFIBUS體系結(jié)構(gòu)比較第1層(PHY)為物理層，規(guī)定了通信的媒介及其物理連接的方式和機(jī)械電氣特性。MAC對(duì)連接到傳輸媒體的總線存取方法進(jìn)行了說明，由于PROFIBUS采用了一種混合的訪問控制方法使所有的設(shè)備不能在同一時(shí)刻傳輸，所以，在PROFIBUS主設(shè)備(Master Station)之間采用令牌控制方法，從設(shè)備(Slave Station)之間的信息傳遞采用主設(shè)備循環(huán)查詢從設(shè)備的方法實(shí)現(xiàn)，如圖34所示。PROFIBUS通信所規(guī)范的子層即可應(yīng)用于通信的管理，也可以用于用戶的用戶數(shù)據(jù)分組，通過該層用戶才能對(duì)應(yīng)用過程的通信對(duì)象進(jìn)行訪問。用戶層DP設(shè)備行規(guī)DP基本功能和擴(kuò)展功能DP用戶接口（直接數(shù)據(jù)鏈路映射程序DDLM）第37層空第2層（數(shù)據(jù)鏈路層）現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層（FDL）FMA2/1第一層（物理層）物理層（PHY）圖35 PROFIBUSDP的協(xié)議結(jié)構(gòu) PROFIBUS傳輸技術(shù)介紹 PROFIBUS電纜的傳輸PROFIBUS最大允許的總線長(zhǎng)度(段長(zhǎng)度)與所選用的傳輸速率有關(guān)，如表31所示，傳輸速率可選用9．6kbit/s～12 Mbit/s，只要一有設(shè)備投入了正常生產(chǎn)的運(yùn)行，其它PROFIBUS上所有的設(shè)備都應(yīng)選用統(tǒng)一的傳輸速率。RS485接口采用二線制以差分的方式進(jìn)行平衡的傳輸數(shù)據(jù)，現(xiàn)假設(shè)供電的電源電壓為+5V時(shí)，則RS485接口的信號(hào)可以定義為：當(dāng)差分電壓的信號(hào)是2500～200mV時(shí)，為邏輯“0”；當(dāng)差分電壓的信號(hào)是+200～+2500mV時(shí)，為邏輯“1”； 當(dāng)差分電壓的信號(hào)是200～+200mV時(shí)，為“高阻狀態(tài)”。短截線的波特率≤1．5Mbps根據(jù)環(huán)境條件可選用屏蔽雙絞電纜或非屏蔽雙絞電纜不帶中繼器每個(gè)網(wǎng)段可掛32個(gè)站，帶中繼器做多可掛127個(gè)站最好9針D型插頭 PROFIBUS插頭及使用圖37 PROFIBUS插頭的使用PROFIBUS插頭用于連接PROFIBUS電纜和PROFIBUS站點(diǎn)，如圖37所示，在PROFIBUS插頭上，有一個(gè)進(jìn)線孔(In)和一個(gè)出線孔(Out)，這二個(gè)孔可分別連接前后站，依據(jù)RS485串行通信技術(shù)的規(guī)定，通過插頭或網(wǎng)線將各站點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò)上時(shí)每個(gè)物理網(wǎng)段需要支持32個(gè)物理設(shè)備，為了防止浪涌而確保通訊質(zhì)量還需要在物理網(wǎng)段終端的站點(diǎn)處設(shè)置終端電阻。除了現(xiàn)場(chǎng)總線用于連接控制裝置和現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備外，還設(shè)置了高速通信網(wǎng)，用于連接控制裝置和操作管理裝置，例如使用高速以太網(wǎng)。為了能夠使數(shù)據(jù)在輸入輸出時(shí)達(dá)到同步的目的，DPM1通過運(yùn)行Global _Control(全局控制)的命令通知各個(gè)DP從站，以使DP從站得到DPM1的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，而從站只能被動(dòng)的接收DPM1發(fā)送的參數(shù)，并被DPM1讀取其從站故障診斷的信息。(3)DP從站在功能上具有只能同與它進(jìn)行組態(tài)的DP主站進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信，同時(shí)對(duì)所輸入、輸出的信息進(jìn)行采集、發(fā)送，并能夠把本站的診斷、過程中斷信息報(bào)告給該主站的外圍設(shè)備稱為DP從站，比如西門子的分布式I/O設(shè)備ET200X，因它有PROFIBUSDP通信接口，所以可以做為DP網(wǎng)絡(luò)的從站，以及其他具有DP接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。(1)令牌傳遞過程在令牌傳遞的過程中，當(dāng)主站擁有了令牌就擁有了訪問總線的權(quán)限，并可以按照節(jié)點(diǎn)地址的順序以令牌幀的形式傳遞給下一個(gè)主站。在主從數(shù)據(jù)通信的過程中，主站需要獲得相應(yīng)的令牌才可以對(duì)其所控制的從站設(shè)備進(jìn)行訪問，以及主動(dòng)的發(fā)起與從站進(jìn)行通信的請(qǐng)求。接下來按照主從站的設(shè)置建立總線的令牌環(huán)，并對(duì)主從站的通信進(jìn)行初始化處理，待以上程序處理完畢后就可以對(duì)用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行正常的通信，其具體的工作過程如圖311所示。 DP從站數(shù)據(jù)的讀取系統(tǒng)功能SFCl4“DPRD_DAT”可以讀取多個(gè)DP標(biāo)準(zhǔn)從站的連續(xù)數(shù)據(jù)，最大長(zhǎng)度與CPU的型號(hào)有關(guān)，其參數(shù)見表33，如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)沒有出現(xiàn)錯(cuò)誤，則把這些數(shù)據(jù)讀出后存放在參數(shù)RECORD指定的目的數(shù)據(jù)區(qū)，作為地址指針使用的參數(shù)LADDR指向從站中需要讀取的輸入映像區(qū)的起始地址，如果從站的結(jié)構(gòu)是模塊式類型的站則每次只能對(duì)一個(gè)模塊進(jìn)行訪問[25]。 數(shù)據(jù)通信部分程序編寫在本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中有一個(gè)S7DP主站(CPU3152DP)和一個(gè)DP從站(CPU313C2DP)，主從站通過系統(tǒng)功能SFCl4和SFCl5來傳送I/O數(shù)據(jù)，且從站的連續(xù)輸入和輸出的數(shù)據(jù)區(qū)分別為10個(gè)字節(jié)長(zhǎng)，DP通信的媒介通過連接CPU上的DP口或S7300上的CP模塊(CP3425)來完成。 PROFIBUSDP主從站的通信及組態(tài) PROFIBUSDP主從站通信的介紹PROFIBUSDP在整個(gè)PROFIBUS協(xié)議中應(yīng)用最為廣泛，可以連接各種不同廠商符合PROFIBUSDP協(xié)議的設(shè)備，如PLC、PC、PG、TP/OP等，所以本文采用PROFIBUSDP主從站通信來設(shè)計(jì)紙機(jī)電氣傳動(dòng)各分部間的數(shù)據(jù)傳輸。從設(shè)備可直接與I/O口相連，根據(jù)其結(jié)構(gòu)可組建以下形式的從站： (1)緊湊型DP從站：直接有集成I/O口，結(jié)構(gòu)輸入和輸出區(qū)域都固定不可更改，如ET200B。 PROFIBUSDP主從站通信的組態(tài) 根據(jù)本文所述的項(xiàng)目中紙機(jī)所需要控制的傳動(dòng)點(diǎn)及I/O點(diǎn)數(shù)等數(shù)據(jù)來組態(tài)兩個(gè)S7300PLC(帶集成DP口)，并利用PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。插入二個(gè)SIMATIC 300 station站點(diǎn)，在進(jìn)行配置時(shí)，一般先配置從站，然后在配置主站，從站可以有多個(gè)，本例中只使用一個(gè)從站，如需要配置多個(gè)從站，其配置方法類似。圖315主站配置本文設(shè)計(jì)的干燥部組態(tài)如圖316所示圖316干燥部組態(tài)示意圖 本章小結(jié) 本章在闡述現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的基礎(chǔ)上介紹了PROFIBUS通信的組成及其各自在技術(shù)應(yīng)用上的區(qū)別，基于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在技術(shù)上的特點(diǎn)所體現(xiàn)出的在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)越性，為本課題選用現(xiàn)場(chǎng)總線來設(shè)計(jì)紙機(jī)的傳動(dòng)控制系統(tǒng)提供了充分的依據(jù)；接著又介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線的通信模型、通信協(xié)議以及PROFIBUS的傳輸技術(shù)，重點(diǎn)介紹并分析了RS485串行通信接口在通信中的應(yīng)用；然后針對(duì)PROFIBUSDP系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、類型、組成、系統(tǒng)的總線訪問控制方式及通信過程、DP系統(tǒng)的工作過程做了詳細(xì)的介紹與分析，根據(jù)本課題所述的紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能要求，采用并設(shè)計(jì)了三層結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)；最后基于紙機(jī)的電氣傳動(dòng)控制是一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，選用系統(tǒng)功能塊SFC14“DRD_DAT”和SFC “15DPWR_DAT”來讀取和寫入紙機(jī)電氣傳動(dòng)的數(shù)據(jù)，并編寫了相關(guān)的部分通信程序。PLC控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)為：(1)系統(tǒng)的應(yīng)用功能模塊可以按需靈活的進(jìn)行配置且容易在后期對(duì)其功能進(jìn)行擴(kuò)展，它主要采用開關(guān)量控制的方式，并可以對(duì)PID回路進(jìn)行控制以實(shí)用連續(xù)生產(chǎn)過程的需要，作為連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室上位機(jī)的中心樞紐單元，可以優(yōu)化整個(gè)控制系統(tǒng)并有利于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控管理，對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)起著非常重要的作用。圖41 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟 PLC的硬件選型對(duì)PLC的硬件進(jìn)行選型就是對(duì)組成PLC的各個(gè)模塊進(jìn)行選型，PLC作為系統(tǒng)的核心控制單元直接關(guān)系著紙機(jī)整個(gè)控制系統(tǒng)的性能，所以在進(jìn)行PLC的選型時(shí)，需要根據(jù)紙機(jī)的生產(chǎn)工藝控制的具體要求，確定控制系統(tǒng)的測(cè)控點(diǎn)如表41所示，據(jù)此再去選擇適當(dāng)?shù)腃PU模塊、PS模塊、I/O模塊、通信方式和機(jī)架數(shù)等。本系統(tǒng)所需的存儲(chǔ)容量為： (42)依據(jù)西門子產(chǎn)品特性的技術(shù)參數(shù)，可確定本文所選的CPU3152DP滿足要求。綜上所述選擇PS3075A電源模塊是合適、滿足要求的。表42常用電氣元件所需PLC的I/0點(diǎn)數(shù)電氣元件輸入點(diǎn)數(shù)輸出點(diǎn)數(shù)I/O總點(diǎn)數(shù)Y△啟動(dòng)籠型電機(jī)437單向/可逆變極電機(jī)5/63/48/10單向/可逆直流電機(jī)9/126/815/20比例閥358單/雙線圈電磁閥2/31/23/5按鈕11/21信號(hào)燈11光電開關(guān)22撥碼開關(guān)44行程開關(guān)11位置開關(guān)22（1）模擬量輸入模塊的選擇模擬量輸入模塊SM331有兩種規(guī)格型號(hào)，一種是812位模塊，另一種是2x12位模塊，前者是8通道的輸入模塊，后者是2通道的輸入模塊。1000mVB電壓≤177。20mVD電流420mA(四線變送器)電流（2線）/（420mA）（2）模擬量輸出模塊的選擇模擬量輸出模塊SM332也有多種型號(hào)，本文采用具有4通道的412位SM332模塊，該模塊具有光電隔離的作用，其輸出的精度可以達(dá)到12位，并且可以針對(duì)每個(gè)通道以電壓、電流輸出的形式對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)編程。I/O模塊的選擇規(guī)則舉例如表44所示