【正文】 I/O模塊的選擇規(guī)則舉例如表44所示。1000mVB電壓≤177。綜上所述選擇PS3075A電源模塊是合適、滿足要求的。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。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(lái)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(wèn)控制方式及通信過(guò)程、DP系統(tǒng)的工作過(guò)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(lái)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。 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(lái)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。 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(lái)設(shè)計(jì)紙機(jī)電氣傳動(dòng)各分部間的數(shù)據(jù)傳輸。 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(méi)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(wèn)[25]。在主從數(shù)據(jù)通信的過(guò)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(wèn)，以及主動(dòng)的發(fā)起與從站進(jìn)行通信的請(qǐng)求。(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(guò)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。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)。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)”。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(guò)該層用戶才能對(duì)應(yīng)用過(guò)程的通信對(duì)象進(jìn)行訪問(wèn)。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(guò)程)7應(yīng)用層FMSFMA76表示層LLI5會(huì)話層無(wú)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。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(wèn)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(wèn)子層訪問(wèn)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)。 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。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/)。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]。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本文所述的紙機(jī)是帶有1個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的四輥壓光機(jī)，通過(guò)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(lái)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(wèn)題[11]。流漿箱:其作用是接受沖漿泵送來(lái)的漿料，將管道漿流轉(zhuǎn)換成與紙機(jī)勻稱的寬度，并在紙機(jī)縱向形成均一流速的矩形漿流，其基本原理都是利用紙漿的重力或施加的壓力，通過(guò)堰般控制流量，將流漿均一勻速地流送到網(wǎng)部。對(duì)于單獨(dú)造紙工廠，漿料準(zhǔn)備從碎漿開始，直至漿料流送系統(tǒng)，漿料準(zhǔn)備的目的是制備能夠達(dá)到抄造條件的紙漿和助劑，因此需要預(yù)先處理各配料組分，然后將所有組分連續(xù)均一地混合，一般情況下其具體工藝有為碎漿、磨漿、漿料凈化、混漿。 本文研究主要內(nèi)容在紙機(jī)的傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的速度控制是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)也是重點(diǎn)，因?yàn)樗苯邮芗垯C(jī)的張力、速度、負(fù)荷等不穩(wěn)定的變量和參數(shù)影響以及被影響著，它直接關(guān)系到整個(gè)紙機(jī)控制系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行的可靠性及控制精度，因此，設(shè)計(jì)紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)在于：速度鏈的控制，在紙機(jī)的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，其負(fù)荷分配和張力等主要方面的控制都將遞歸到去控制整個(gè)系統(tǒng)的速度鏈；紙機(jī)各分部工作次序的復(fù)雜控制，其控制直接影響著紙機(jī)的正常生產(chǎn)，比如紙機(jī)各分部間及整體的單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)的動(dòng)作等。至今，結(jié)合國(guó)內(nèi)外從事造紙控制系統(tǒng)的研發(fā)機(jī)構(gòu)及各類技術(shù)單位大多采用3級(jí)控制結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)模式對(duì)紙機(jī)的整體控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖11所示，系統(tǒng)的差別只在于選擇不同的硬件裝置和軟件系統(tǒng)[4]?！笆鍟r(shí)期是我國(guó)全面建設(shè)小康社會(huì)的關(guān)鍵時(shí)期，是深化改革開放、加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的攻堅(jiān)時(shí)期，工業(yè)化的深入發(fā)展是加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的重要著力點(diǎn)之一[2]。 本文采用國(guó)內(nèi)外較成熟的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，即三級(jí)控制網(wǎng)絡(luò)，變頻器與電機(jī)等相關(guān)的控制設(shè)備構(gòu)成第一控制級(jí)，通過(guò)ProfibusDP與整個(gè)控制系統(tǒng)的核心單元也就是第二控制級(jí)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信，PLC不僅可以通過(guò)ProfibusDP與現(xiàn)場(chǎng)的操作面板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信以達(dá)到實(shí)時(shí)控制的作用，而且又能通過(guò)高速的工業(yè)以太網(wǎng)與第三控制級(jí)即上位機(jī)管理操作控制室進(jìn)行連接，最后設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解決了紙機(jī)整體復(fù)雜的控制系統(tǒng)難以控制的問(wèn)題。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)經(jīng)過(guò)在實(shí)際生產(chǎn)中的投入運(yùn)行，紙機(jī)的車速得到了進(jìn)一步的提高，滿足了紙機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)要求，且具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率及效益，促進(jìn)了造紙工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展水平，所以該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究的成果具有在工業(yè)應(yīng)用中大力推廣的價(jià)值。目前，我國(guó)仍處于并將長(zhǎng)期處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化迅速發(fā)展階段，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的收入也在逐步提高，人們的消費(fèi)結(jié)構(gòu)模式也在不斷升級(jí)，所以給我國(guó)造紙工業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了很大空間，也為改善舊技術(shù)及采用新技術(shù)、提高生產(chǎn)效率創(chuàng)造了有利的條件，同時(shí)也促使了落后產(chǎn)能的淘汰，加快了我國(guó)造紙工業(yè)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。國(guó)內(nèi)的電氣傳動(dòng)公司大多都采用西門子、ABB、歐姆龍、貝加萊等知名公司的產(chǎn)品，近些年，國(guó)產(chǎn)和利時(shí)公司的產(chǎn)品也在造紙行業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，并搶占了一部分國(guó)內(nèi)外的紙機(jī)市場(chǎng)。對(duì)于紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)其主要的難點(diǎn)可歸結(jié)為：高穩(wěn)定性和可靠性是整個(gè)紙機(jī)控制系統(tǒng)的重要控制技術(shù)指標(biāo)也是其控制的難點(diǎn)；如何有效的去實(shí)現(xiàn)紙機(jī)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)所需的大量數(shù)據(jù)的高速通信及其控制；在紙機(jī)高速運(yùn)行生產(chǎn)時(shí)，針對(duì)負(fù)荷分配和張力所控制對(duì)象的非線性和耦合性如何去有效地實(shí)施控制；如何消除變頻器和整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)的的通信易受外界環(huán)境的干擾而引起的整個(gè)控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定[9] [10][11][12]。 碎漿:通常使用水力碎漿機(jī)將成品漿(如槳板)分散在水中形成泥漿或懸浮液。 圖21造紙工藝流程圖 1 網(wǎng)部:該部是紙頁(yè)成形部位，其原理是通過(guò)逐步增大的真空脫水作用，使流漿在網(wǎng)部成形。卷紙部:該部將成品的紙張卷成規(guī)定的紙卷，近幾年所投產(chǎn)的具備輥庫(kù)設(shè)備的卷紙機(jī)不但具有自動(dòng)換輥的功能，而且還具有對(duì)紙機(jī)的張力控制及其所產(chǎn)紙張的長(zhǎng)度顯示的功能，尤其還可以通過(guò)其輔助的控制部分多方式的控制去實(shí)現(xiàn)紙機(jī)的單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)等控制，在卷紙機(jī)生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)其轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式如下[11]： （21）式中：一卷紙機(jī)的轉(zhuǎn)速(r／min)；一紙張幅度的運(yùn)行速度(m／min)；一紙張的厚度(m)；、一卷紙輥的始、末半徑(m)。(m／min)]）備注長(zhǎng)網(wǎng)部普通壓榨輥真空壓榨輥光澤壓榨輥烘干部壓光部輥數(shù)8時(shí)滾筒式卷紙機(jī)新聞紙或印刷紙等牛皮紙 一般而言，干燥部的功率消耗占造紙機(jī)全部功率的25％40％，而伏輥和壓光機(jī)則各占12％17％。表23紙機(jī)各分部的速比分部名稱紙機(jī)的速比（單位：%）付輥第一壓榨部第二壓榨部第三壓榨部烘干部壓光部卷紙機(jī)一般工業(yè)用紙（如羊皮紙）899194959798100書寫紙和印刷紙等9697100(2)為了適應(yīng)紙機(jī)生產(chǎn)不同品種、不同定量的紙張，要求紙機(jī)有較寬的調(diào)速范圍，一般情況下設(shè)定調(diào)速的范圍為：專用造紙機(jī)(如新聞紙)的調(diào)速范圍是l：()、生產(chǎn)印刷紙和書寫紙的紙機(jī)的調(diào)速范圍是l：生產(chǎn)工業(yè)用紙及高級(jí)紙的紙機(jī)的調(diào)速范圍是1:(810)，則就可以較好的滿足紙機(jī)生產(chǎn)不同品種、不同定量的紙張的要求。現(xiàn)場(chǎng)總線的通信結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳輸高且穩(wěn)定，非常適合應(yīng)用于PLC與現(xiàn)場(chǎng)分散的I/O設(shè)備之間的通信[17]。(2)智能化:由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備采用了現(xiàn)場(chǎng)總線的控制網(wǎng)絡(luò)，就可以把控制系統(tǒng)所需的各種信號(hào)以數(shù)字的方式傳送到控制室，并且在現(xiàn)場(chǎng)就可以完成相應(yīng)的功能操作，還可以提供更加豐富的生產(chǎn)過(guò)程信息，除傳輸測(cè)量控制的狀態(tài)與數(shù)值信息外，還可提供參數(shù)調(diào)整、故障診斷、閥門開關(guān)的動(dòng)作次數(shù)等信息，提高了系統(tǒng)的智能化操作水平。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的開放系統(tǒng)互連(OSI)協(xié)議，是為計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)而制定的7層參考模型，只要網(wǎng)絡(luò)中索要處理的要素是通過(guò)共同的路徑進(jìn)行通信，則該參考模型就適用于任何網(wǎng)絡(luò)[22]。PROFIBUS通過(guò)采用差分電壓輸出的RS485實(shí)現(xiàn)電流連接，PROFIBUSDP與FMS的物理層采用RS485傳輸技術(shù)，傳輸距離與傳輸速率有關(guān)，．12Mbps，傳輸距離為1001200m。為了將過(guò)程對(duì)象轉(zhuǎn)換為通信對(duì)象，在第7層的上層開發(fā)了應(yīng)用層接口ALI。RS485的差分平衡電路如圖36所示，A導(dǎo)線上的電壓與B導(dǎo)線上的電壓方向相反大小相等，兩導(dǎo)線的差值為接收器的輸入電壓[24]。 PROFIBUSDP系統(tǒng)組成PROFIBUS—DP系統(tǒng)的設(shè)備由主站(包括l類主站和2類主站的主動(dòng)站)和從站(被動(dòng)站)兩部分組成，主/，并以統(tǒng)一的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的編制。 PROFIBUSDP系統(tǒng)的總線訪問(wèn)控制要使PROFIBUS．DP系統(tǒng)具有總線訪問(wèn)控制的功能則必須要滿足兩個(gè)條件：一是在預(yù)先設(shè)定好的時(shí)間范圍內(nèi)，要能夠使總線主站的節(jié)點(diǎn)獲得機(jī)會(huì)去處理其所進(jìn)行的通信任務(wù)；二是要以盡可能少的協(xié)議去快速的處理主從間的數(shù)據(jù)[23] [30]。 PROFIBUSDP系統(tǒng)的工作過(guò)程本文以多主從站組成的PROFIBUS．DP系統(tǒng)為例介紹其工作過(guò)程，如圖310所示，該系統(tǒng)包括：2個(gè)1類主站、1個(gè)2類主站、和4個(gè)從站，2和4號(hào)從站受控于l號(hào)主站，5和9號(hào)從站受控于6號(hào)主站，在獲取令牌后，主站才可以對(duì)相應(yīng)的從站進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，2類主站通過(guò)對(duì)用戶的設(shè)置來(lái)管理和監(jiān)控l類主站或從站嘲。表3