【正文】 ne speed has been further improved，meet the requirements of machine control systems and has high stability and reliability, improved the production efficiency and effectiveness of enterprise，promoted the level of development of paper industry automation technology, so the design and the results of research for this system have the value to promote in industrial applications．KEY WORDS：fieldbus；inverter ；ProfibusDP；PLC目錄1 摘要 I1 abstract II1 緒論 11引言 1 選題背景與研究意義 1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 2 本文研究主要內(nèi)容 42 紙機(jī)工藝概述及對(duì)控制系統(tǒng)的要求 5 紙機(jī)生產(chǎn)工藝的介紹 5 紙機(jī)生產(chǎn)能力的計(jì)算 8 紙機(jī)功率的計(jì)算 9 紙機(jī)的技術(shù)參數(shù) 10 紙機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)的要求 11 本章小結(jié) 133 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的分析及應(yīng)用研究 14 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的概述 14 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn) 15 PROFIBUS的通信模型 16 現(xiàn)場(chǎng)總線的通信協(xié)議 16 PROFIBUSDP的協(xié)議 18 PROFIBUS傳輸技術(shù)介紹 19 PROFIBUS電纜的傳輸 19 光纖的傳輸 20 RS485串行通信接口 20 PROFIBUS插頭及使用 21 PROFIBUSDP系統(tǒng)的總線訪問控制 22 PROFIBUSDP系統(tǒng)組成 22 PROFIBUSDP系統(tǒng)的總線訪問控制 23 PROFIBUSDP系統(tǒng)的工作過程 24 基于PROFIBUSDP的紙機(jī)電氣傳動(dòng)數(shù)據(jù)的傳輸 25 DP從站數(shù)據(jù)的讀取 27 DP從站數(shù)據(jù)的寫入 28 數(shù)據(jù)通信部分程序編寫 28 PROFIBUSDP主從站的通信及組態(tài) 29 PROFIBUSDP主從站通信的介紹 29 PROFIBUSDP主從站通信的組態(tài) 29 本章小結(jié) 314 紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及選型 33 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 33 PLC的硬件選型 35 CPU的選型 35 電源模塊選型 36 I/O模塊選型 36 接口模塊選型 39 變頻器的特點(diǎn)及工作原理 40 變頻器的選擇與容量的計(jì)算 41 變頻器的容量計(jì)算 41 變頻器的類型選擇 43 變頻器的主要控制功能 44 頻率設(shè)定功能 44 PID控制功能 44 制動(dòng)控制功能 45 網(wǎng)絡(luò)通信功能 45 主/從宏功能 45 變頻器外圍部分的硬件設(shè)計(jì) 46 變頻器主要運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定 48 50 本章小結(jié) 525 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 53 整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 53 S7300 CPU部分的設(shè)計(jì) 55 PLC與0P27之間的通信 56 速度鏈的設(shè)計(jì)及控制 57 負(fù)荷分配的控制 60 張力控制 63 紙機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行狀況 64 本章小結(jié) 65設(shè)計(jì)總結(jié) 66參考文獻(xiàn) 68致謝 72外文資料 73中文翻譯 81891 緒論 引言紙?jiān)谌祟愇幕⒖茖W(xué)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和商業(yè)等各方面的發(fā)展進(jìn)程中起著舉足輕重的作用，自從人類發(fā)明了紙，悠久的文化知識(shí)才得到了更好的繼承與保存以及迅速的傳播人，從而推動(dòng)了整個(gè)人類的精神文明與物質(zhì)文明的的不斷進(jìn)步。紙機(jī)的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)是整個(gè)造紙工業(yè)生產(chǎn)過程控制的重要基礎(chǔ)，它綜合機(jī)械制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、電力電子技術(shù)及智能控制技術(shù)等匯集一體的機(jī)電控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的性能直接關(guān)系著紙機(jī)的高效、穩(wěn)定的生產(chǎn)運(yùn)行。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，紙機(jī)設(shè)備也得到了不斷的改進(jìn)，其生產(chǎn)工藝過程得到了不斷完善，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面應(yīng)用了現(xiàn)代智能控制理論及最新的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，進(jìn)一步地提高了整個(gè)造紙生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制技術(shù)水平。因此，現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用和設(shè)計(jì)、PLC與變頻器相關(guān)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及選型等，最終結(jié)合某紙廠紙機(jī)的工藝結(jié)構(gòu)及要求設(shè)計(jì)基于ProfibusDP總線的紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)，利用PLC的模塊化設(shè)計(jì)的方法的思想，以上位機(jī)、PLC和變頻器構(gòu)成三級(jí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)紙機(jī)整個(gè)傳動(dòng)組與各分部傳動(dòng)的復(fù)雜控制以及各控制部分間數(shù)據(jù)的高速傳輸，在此基礎(chǔ)上結(jié)合二叉樹算法進(jìn)一步的達(dá)到對(duì)整個(gè)紙機(jī)的速度控制,負(fù)荷分配控制以及其他相關(guān)輔助連鎖控制等控制的要求。此工序分為連續(xù)和間歇兩種，最終達(dá)到漿送要求。根據(jù)紙張不同，成形網(wǎng)可分為單網(wǎng)、雙網(wǎng)、三網(wǎng)，其中單網(wǎng)是常用的成形部，根據(jù)其形狀可分為長(zhǎng)網(wǎng)和圓網(wǎng)，不同類型的紙機(jī)其網(wǎng)部具有不同的傳動(dòng)控制，其中單網(wǎng)網(wǎng)部的傳動(dòng)控制依據(jù)其傳動(dòng)點(diǎn)只要有～組負(fù)荷分配即可，多網(wǎng)網(wǎng)部需要具備單網(wǎng)所有的負(fù)荷分配的控制，同時(shí)對(duì)各網(wǎng)之間的速差的比值也有一定的要求，所以多網(wǎng)對(duì)控制策略的要求更高。由此可知，在卷紙機(jī)正常生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)要保持其與前后分部所設(shè)計(jì)的速度比值的關(guān)系，則要求卷紙機(jī)滾筒的速度實(shí)時(shí)的隨著所卷曲紙張的厚度的增大而不斷降低，僅僅依靠對(duì)整體速度鏈的控制不能保證紙幅卷曲的相對(duì)平穩(wěn)，所以需要在卷紙機(jī)及其紙機(jī)的其他分部去實(shí)施相應(yīng)的張力控制以確保紙頁的良好卷曲。當(dāng)紙機(jī)空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其功率大致為生產(chǎn)紙張時(shí)的70％75％，出紙時(shí)，伏輥和壓光機(jī)的負(fù)荷有顯著的增加。(3)紙機(jī)傳動(dòng)的各個(gè)分部之間要能夠形成一個(gè)良好的動(dòng)態(tài)性能的速度鏈結(jié)構(gòu)，各分部應(yīng)具備停止、爬行、運(yùn)行、微升、微降、點(diǎn)動(dòng)、正向點(diǎn)動(dòng)(烘缸)、反向點(diǎn)動(dòng)(烘缸)、點(diǎn)張、投張／失張、張力給定等功能，且相關(guān)聯(lián)的各傳動(dòng)分部之間應(yīng)具有單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)的功能?，F(xiàn)代控制系統(tǒng)一般包括裝有監(jiān)控軟件的上位機(jī)、PLC系統(tǒng)、執(zhí)行軟件和通信網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于本文所述的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)來說，它包括上位機(jī)與PLC通信及PLC與自動(dòng)設(shè)備的通信。(3)相互操作性:其中包括了機(jī)器設(shè)備的可互換性以及對(duì)其的可互操作性。目前，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線及相關(guān)的產(chǎn)品時(shí)雖然沒有標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，各生產(chǎn)單位還是以0SI標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議為依據(jù)，選用OSI標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的第2和7層，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了第8層，即用戶層。ProfibusPA采用IEC611582的傳輸技術(shù)，傳輸速率為31．25Kbps，傳輸距離與所掛接的站數(shù)有關(guān)，也可采用光纖傳輸技術(shù)。 PROFIBUSDP的協(xié)議PROFIBUSDP主要應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的一種通信系統(tǒng)，其價(jià)位便宜且對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸率可高達(dá)12Mbit/s，并可替代現(xiàn)場(chǎng)的24V或4．20mA的并行信號(hào)傳輸技術(shù)，它被設(shè)計(jì)成為自控制系統(tǒng)(如PLC等)和分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(I/O、驅(qū)動(dòng)器、閥門等)之間進(jìn)行通信使用。另外，RS485沒有規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的連接器和各個(gè)具體信號(hào)的功能以及各引腳的具體分配，為了使兩根信號(hào)線相鄰，兩根差動(dòng)導(dǎo)線應(yīng)置于同一根雙絞線內(nèi)且引腳A與引腳B不能調(diào)換。主站可以主動(dòng)的去獲取總線訪問的控制權(quán)限(令牌)，在獲得令牌后主站就可以占用總線，并能對(duì)報(bào)文進(jìn)行傳輸，而從站只能被動(dòng)的去應(yīng)答所要接受的報(bào)文以及在收到主站的請(qǐng)求后進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。在PROFIBUSDP系統(tǒng)中，主站間通過誰先獲得令牌的控制方式去對(duì)總線進(jìn)行訪問，主從站間通過主從的控制方式使得主站擁有訪問總線的權(quán)限，而從站只能在被主站要求時(shí)才有權(quán)限對(duì)總線進(jìn)行訪問，在系統(tǒng)中主從站的節(jié)點(diǎn)在總線上僅有唯一的一個(gè)地址。上述系統(tǒng)的搭建可以通過西門子組態(tài)軟件Step7組態(tài)而成，這里通過l類主站和從站的通信來介紹其工作過程。 DP從站數(shù)據(jù)的寫入系統(tǒng)功能塊SFCl5“DPWR_DAT”把RECORD指定的連續(xù)數(shù)據(jù)傳送給DP從站，在傳送數(shù)據(jù)時(shí)需要依據(jù)CPU型號(hào)來決定數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，且還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步傳輸?shù)模赟FC執(zhí)行結(jié)束時(shí)，寫工作也就結(jié)束，SFCl5“DPWR_DAT”的參數(shù)見表34 [25]。如一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)主站(主動(dòng)令牌)而有幾個(gè)從站，這樣的網(wǎng)絡(luò)稱為純主一從系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中較多。軟件：STEP7 。其次對(duì)PROFIBUS—DP主從站的通信做了簡(jiǎn)要介紹，并分析總結(jié)了其結(jié)構(gòu)的組成及分類，接著根據(jù)本文項(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)以CPU3152DP為主站、CPU313C一2DP為從站在S7軟件中進(jìn)行了通信組態(tài)的連接，以及針對(duì)在組態(tài)好的DP系統(tǒng)中掛上遠(yuǎn)程工作站ET200M做了細(xì)態(tài)介紹。I/O類型 AI AO DI DO 觸點(diǎn) 24V 觸點(diǎn) 24V 29 0 11 7數(shù)量 43 10表41測(cè)控點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)圖42 S7300 PLC模塊示意圖 CPU的選型CPU直接關(guān)系著PLC的整體性能，所以需要準(zhǔn)確的對(duì)其進(jìn)行選擇，而選擇的主要依據(jù)就是結(jié)合PLC的I/O點(diǎn)數(shù)估算存儲(chǔ)器的容量，目前對(duì)存儲(chǔ)器容量的計(jì)算大多采用經(jīng)驗(yàn)公式法，該方法是通過計(jì)算PLC單位時(shí)間內(nèi)處理單位信息量的存儲(chǔ)器數(shù)再乘以信息量數(shù)，在這個(gè)基礎(chǔ)上增加一定的裕量后所得的值就是存儲(chǔ)器所需要的容量[18]。I/O點(diǎn)數(shù)的估算方法如下，輸入點(diǎn)數(shù)M為：NI=EI(PII) (43)式中： EI系統(tǒng)所使用的某類輸入元器件的總數(shù)(如用5個(gè)按鈕，則EI為5)；PI某類輸入器件可能具有的幾種工作狀態(tài)(如按鈕一般具有按下與松開兩種狀態(tài))；輸入點(diǎn)數(shù)NI為：No=Eo(Po1) (44)式中：Eo系統(tǒng)所使用的某類輸出元器件的總數(shù)：Po某類輸出器件可能具有的幾種工作狀態(tài)(如電動(dòng)機(jī)有3種狀態(tài)即正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止)。10VC電流≤177。依據(jù)表41所統(tǒng)計(jì)測(cè)控點(diǎn)的數(shù)量，又由于1個(gè)機(jī)架最多只能裝8個(gè)模塊，故本文共需要兩個(gè)機(jī)架。(4)數(shù)字量輸出模塊的選擇西門子系列的PLC所具有的數(shù)字量輸出模塊中，帶光電隔離的模塊SM322 DIDC3224V/，、額定負(fù)載電壓為24V，主要應(yīng)用于電磁閥、直流接觸器和指示燈。表53 812位SM331模塊默認(rèn)設(shè)定量程模塊的設(shè)定可選擇的測(cè)量方式和范圍默認(rèn)設(shè)置A電壓≤177。本文所述PLC系統(tǒng)相關(guān)模塊的電流、功率的計(jì)算為[36]：各模塊從S7300背板總線吸取的電流=151+901+606+604=705(mA)；各模塊從24V負(fù)載電源吸取的電流=1000+10+2001+2006+2404=3360(mA)；各模塊的功率損耗=8+l+1+6+43=(W)。(3)能夠適應(yīng)各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，能夠與各種通訊及機(jī)械電氣設(shè)備相連接，并具有較強(qiáng)的抗干擾能力。在圖中雙擊(或右擊選擇屬性)“DP欄，可打DP VI屬性對(duì)話框，如圖3一l4所示。ET200M沒有專用的DP通信口，需通過接口模塊與DP主站相連，常用的I/O接口模塊有IMl531與IMl532。本文中把主站數(shù)據(jù)通過SFCl5發(fā)送并存放在從站中的如下地址：IBl00IB10(QBl00QBl09)[31]。本系統(tǒng)的傳動(dòng)裝置通過ProfibusDP實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器的數(shù)據(jù)通信，并通過RS485串行通信接口以9．6kbit/s12Mbit/s比特率進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程如圖312所示，數(shù)據(jù)的報(bào)文頭用來對(duì)數(shù)據(jù)的功能碼、傳輸長(zhǎng)度、奇偶校驗(yàn)、發(fā)送應(yīng)答等內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)定，至今參數(shù)接口和過程數(shù)據(jù)共有5種結(jié)構(gòu)形式，即pp0pp0pp0pp0pp05，在對(duì)PLC和變頻器通信方式進(jìn)行配置時(shí)要根據(jù)具體情況對(duì)ppo進(jìn)行選擇。當(dāng)系統(tǒng)正常工作運(yùn)行時(shí)，為了不影響數(shù)據(jù)在總線上的通信，可以通過修改活動(dòng)主站表中的信息在令牌環(huán)中配置新的主站或者去掉令牌環(huán)中發(fā)生故障的主站，其傳遞過程如圖39所示。(2)2類主站在PROFIBUSDP的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中具有可以對(duì)通信程序進(jìn)行編程并適時(shí)的做出診斷和管理的設(shè)備稱為2類主站(DPM2)。因此，在每個(gè)物理網(wǎng)段兩個(gè)終端站點(diǎn)上的插頭需要將網(wǎng)線連接在進(jìn)線口“111，同時(shí)將終端電阻設(shè)置為“On”，而位于網(wǎng)段中間的站點(diǎn)需要依次將網(wǎng)線連接在迸線口“In和出線口“Out”，同時(shí)將終端電阻設(shè)置為“Off”如圖38所示[28]。目前的市場(chǎng)上已經(jīng)有專門針對(duì)光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)通信連接的耦合器，光纖通過該耦合器可以實(shí)現(xiàn)與其他通信設(shè)備及接口之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。圖34 PROFIBUS總線存取協(xié)議第7層的組成部分有低層接口(LLI)和PROFIBUS通信所規(guī)范的子層及現(xiàn)場(chǎng)總線管理(FMA7)，LLI集成OSI模型的第36層的功能，它將PROFIBUS通信所規(guī)范的子層服務(wù)一一對(duì)應(yīng)到OSI模型第2層(FLC)的服務(wù)，具有監(jiān)控連接和傳輸數(shù)據(jù)的作用。如果PROFIBUSDP與PROFIBUSPA采用數(shù)據(jù)傳輸速率不同，那么這兩者之間數(shù)據(jù)的通信就需要使用DP/PA耦合器或DP/PA鏈路設(shè)備作為它們二者之間的網(wǎng)關(guān)。由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的以上特點(diǎn)，使現(xiàn)場(chǎng)總線相關(guān)的控制系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到現(xiàn)場(chǎng)的安裝與投運(yùn)實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行運(yùn)行及后期對(duì)相關(guān)設(shè)備的維護(hù)與改進(jìn)，都體現(xiàn)出了它的應(yīng)用的優(yōu)越性，其具體體現(xiàn)為節(jié)省硬件的投資以及安裝維護(hù)的成本，能夠?qū)Χ鄰?fù)雜生產(chǎn)線的多變量進(jìn)行檢測(cè)以及將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，最大限度的減少了設(shè)備安裝的時(shí)間，為用戶對(duì)產(chǎn)品的選擇提供了更大的空間，在生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)能夠最大的提高數(shù)據(jù)的傳輸能力、增強(qiáng)信息管理及安全性等。PROFIBUS連接的系統(tǒng)由主站和從站組成，主站和從站可以是一個(gè)，也可以是多個(gè)。假設(shè)一