【導(dǎo)讀】現(xiàn)今世界，紙?jiān)谌粘Ｉ钪械倪\(yùn)用越來(lái)越廣泛，人們對(duì)紙的需求量日益增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致對(duì)紙的質(zhì)量有了更高的要求。以前的造紙機(jī)大多是小型和低速的，隨著自。動(dòng)化水平的不斷提高，現(xiàn)在向著大型和高速的方向發(fā)展。這就對(duì)造紙機(jī)工作過(guò)程中。的各種控制有了較高的要求，如造紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的張力控制。所以，現(xiàn)在的大中型造紙機(jī)大多數(shù)采用分部傳動(dòng)，用這種傳動(dòng)方式取代傳統(tǒng)。的機(jī)械總軸傳動(dòng)，即電氣分軸傳動(dòng)。史、特點(diǎn)，及用PCC代替PLC的可行性研究，最終確定系統(tǒng)方案。為核心控制器，設(shè)計(jì)造紙機(jī)的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)。其次，設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件電路，包括。最后，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件流程圖。

　　

【正文】 并給所有的應(yīng)用提供了益處。 PROFIBUS 概述及協(xié)議分析 PROFIBUS是 Process Fieldbus 的縮寫(xiě)，是由德國(guó)西門(mén)子公司提出的一種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在已成為了一種國(guó)際性的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn) , 即 EN50170歐洲標(biāo)準(zhǔn)。目前世界上許多自 動(dòng)化技術(shù)生產(chǎn)廠家都為它們生產(chǎn)的設(shè)備提供 PROFIBUS接口。PROFIBUS已經(jīng)廣泛應(yīng)用于加工制造、過(guò)程和樓宇自動(dòng)化，應(yīng)用范圍非常廣泛。 PROFIBUS以其先進(jìn)的技術(shù)和非凡的可靠性代表了當(dāng)今現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展方向。 PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分為 PROFIBUS—DP， PROFIBUS—FMS， PROFIBUS—PA。三個(gè)版 本，分別用于不同的場(chǎng)合。 PROFIBUS是一種現(xiàn)場(chǎng)總線，因此可以將數(shù)字自動(dòng)化設(shè)備從底級(jí) (傳感器／執(zhí)行器 )到中間執(zhí)行級(jí) (單元級(jí) )分散開(kāi)來(lái)。通信協(xié)議按照應(yīng)用 領(lǐng)域進(jìn)行了優(yōu)化，故幾乎不需要復(fù)雜的接口即可實(shí)現(xiàn)。參照 ISO／ OSI參考模型， PROFIBUS只包含第 l， 2, 和7 層。 PROFIBUS 協(xié)議層或子層說(shuō)明如下： 1)、 PROFIBUS 第 1層 第 1層 —PHY：規(guī)定了線路介質(zhì)、物理連接的類(lèi)型和電氣特性。 PROFIBUS通過(guò)采用差分電壓輸出的 RS485 實(shí)現(xiàn)電流連接。在線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下采用雙絞線電纜。樹(shù)型結(jié)構(gòu)還可能用到中繼器。 2)、 PROFIBUS 第 2層 第 2層 —MAC：第 2層的介質(zhì)存取控制 (MAC)子層描述了連接到傳輸介質(zhì)的總線存取方法。 PROFIBUS采用一種混合訪問(wèn)方法。由于不能使所有設(shè)備在同一時(shí)刻傳輸，所以在 PROFIBUS 主設(shè)備 (masters)之間用令牌的方法。為使 PROFIBUS從設(shè)備 (slave)之間也能傳遞信息，從設(shè)備由主設(shè)備循環(huán)查詢(xún)。 PR0fIBUS第 2層 FlC：第 2層的現(xiàn)場(chǎng)總線鏈路控制 (FLC)子層規(guī)定了對(duì)低層接口 (LLl)有效的第 2層服務(wù)，提供服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)(SAP)的管理和與 LLI 相關(guān)的緩沖器。 PROFIBUS 第 2層 FMAl／ 2：第 2層的現(xiàn)場(chǎng)總線管理 (FMAl／ 2)完成第 2層 (MAC)特定的總線參數(shù)的設(shè) 定和第 1層 (PHY)的設(shè)定。 FLC和 LLI之間的 SAPs可以通過(guò) FMAl／ 2激活或撤消。此外，第 1層和第 2層可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤事件會(huì)被傳遞到更高層 (FMA7)。 3)、 PROFIBUS 第 3—6層 第 3—6層在 PROFIBUS中沒(méi)有具體應(yīng)用，但是這些層要求的任何重要功能都已經(jīng)集成在 “低層接口 ”(LLI)中。例如，包括連接監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)控。 4)、 PROFIBUS 第 7層 PROFIBUS第 7層 LLI：低層接口 (LLI)將現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范 (FMS)的服務(wù)映射到第 2層 (FLC)的服務(wù)。除 了上面已經(jīng)提到的監(jiān)控連接或數(shù)據(jù)傳輸， LLI還檢查在建立連接期間用于描述一個(gè)邏輯連接通道的所有重要參數(shù)?？梢栽?LLI中選擇不同的連接類(lèi)型，主／主連接或主／從連接。數(shù)據(jù)交換既可是循環(huán)的也可是非循環(huán)的。 28 PROFIBUS 第 7層 FMS：第 7層的現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范 (FMS)子層將用于通信管理的應(yīng)用服務(wù)和用于用戶(hù)的用戶(hù)數(shù)據(jù) (變量、域、程序、事件通告 )分組。借助于此，才可能訪問(wèn)一個(gè)應(yīng)用過(guò)程的通信對(duì)象。 FMS主要用于協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (PDU)的編碼和譯碼 o PROFIBUS 第 7層 fMA7：與第 2層類(lèi)似，第 7層也有 現(xiàn)場(chǎng)總線管理 (FMA7)。 FMA7 保證 FMS和 LLI子層的參數(shù)化以及總線參數(shù)向第 2層 (FMAl／ 2)的傳遞。在某些應(yīng)用過(guò)程中，還可以通過(guò) FMA7 把各個(gè)子層的事件和錯(cuò)誤顯示給用戶(hù)。 5)、 PROFIBUS ALI ALI：位于第 7層之上的應(yīng)用層接口 (ALI)，構(gòu)成了到應(yīng)用過(guò)程的接口。 ALI的目的是將過(guò)程對(duì)象轉(zhuǎn)換為通信對(duì)象。轉(zhuǎn)換的原因是每個(gè)過(guò)程對(duì)象都是由它在所謂的對(duì)象字典 (OD)中的特性 (數(shù)據(jù)類(lèi)型、存取保護(hù)、物理地址 )所描述的。 2. 系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)組成 要想組成 PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)，必須 有兩個(gè)條件。主站的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具和從站的 GSD文件，兩者缺一不可。主站的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件，用來(lái)將各個(gè)站組成網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和站的參數(shù)，并將已設(shè)置好的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)傳送給主站。 GSD文件稱(chēng)為設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)文件。對(duì)一種設(shè)備類(lèi)型的特征 GSD 文件以一種準(zhǔn)確定義的格式給出其全面而明確的描述。 GSD 文件由生產(chǎn)廠商分別針對(duì)每一種設(shè)備類(lèi)型準(zhǔn)備并以設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)清單的形式提供給用戶(hù)，此種明確定義的文件格式便于讀出任何一種PROFIBUS設(shè)備的設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)文件，并且在組態(tài)總線系統(tǒng)時(shí)自動(dòng)使用這些信息。在組態(tài)階段，系統(tǒng)自動(dòng)地對(duì)輸入與 整個(gè)系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)據(jù)的輸入誤差和前后一致性進(jìn)行檢查核對(duì)。 在組網(wǎng)時(shí)，必須先把你所須的從站的 GSD文件裝載到網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具里。這樣在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具里就有了你所須的從站的選項(xiàng)。用網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具建一個(gè)你所需要的網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，然后在網(wǎng)絡(luò)上添加你所須的站，并設(shè)置站的參數(shù)，最后把設(shè)置好的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)傳送給主站，這樣就組建好了一個(gè) PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)。本控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示。 系統(tǒng)選用 ABB 公司 ACS800 直接轉(zhuǎn)矩控制（ DTC）變頻器，以 PLC 為控制中心， PLC通過(guò) PROFIBUSDP 現(xiàn)場(chǎng) 總線與變頻器構(gòu)成 DCS 控制系統(tǒng)。 PLC與上位機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏、變頻器實(shí)行 PROFIBUS 高速通訊。 傳動(dòng)部下位控制中心為西門(mén)子 S7400 PLC，在 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線上 S7400 PLC 是主站，選用 CPU4142 DP，有強(qiáng)大的通訊功能，自身帶有一個(gè) PROFIBUSDP接口，可與變頻器及操作現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏采用 PROFIBUSDP 總線實(shí)現(xiàn)高速通訊，完成整個(gè)紙機(jī)傳動(dòng)過(guò)程中的速度鏈、負(fù)荷分配、張力控制等功能。 PLC 接受上位機(jī)優(yōu)化控制指令，可以根據(jù)紙張生產(chǎn)品種自動(dòng)調(diào)節(jié)各分部速度以適應(yīng)生產(chǎn)需 求。同時(shí) PLC 將各分部運(yùn)行參數(shù)送往上位機(jī)，以便及時(shí)了解生產(chǎn)狀況。 圖中 VVVF為 ABB變頻器、 OP1OP8為操作臺(tái)、 PG 為脈沖編碼器、 M為傳動(dòng)電機(jī)整個(gè)系統(tǒng)全部實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化操作控制，通過(guò) PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線通訊完成，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。整個(gè)系統(tǒng)采用 PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)，系統(tǒng)全部控制功能的實(shí)現(xiàn)都由現(xiàn)場(chǎng)總線通訊完成。只靠一條通訊電纜傳輸。系統(tǒng)中不在有整束的電纜，也省去了成千上萬(wàn)個(gè)線路接點(diǎn)。大大提高系統(tǒng)的可靠性，節(jié)約了控制電纜。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了從操作到控制的全數(shù)字化。徹底 杜絕了現(xiàn)場(chǎng)干擾對(duì)控制系統(tǒng)運(yùn)行的影響。 29 圖 1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 PLC主要完成功能： （ 1）、現(xiàn)場(chǎng)控制信號(hào)的采集， PLC 通過(guò) PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)操作信號(hào)。 （ 2）、速度鏈的控制及計(jì)算， PLC根據(jù)工藝要求完成速度鏈的控制處理。調(diào)節(jié)前一級(jí)速度時(shí)后一級(jí)緊隨前一級(jí)的速 度變化。調(diào)節(jié)后一級(jí)的速度時(shí)前一級(jí)速度不變。 （ 3）、速度控制的執(zhí)行。 PLC 接受上位機(jī)控制指令，通過(guò)上位機(jī)操作， PLC可以根據(jù)紙張生產(chǎn)品種自動(dòng)調(diào)節(jié)車(chē)速、分部變比以適應(yīng)生產(chǎn)需求，并通過(guò) PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線控制各分部變頻器的運(yùn)行速度。 （ 4）、自動(dòng)負(fù)荷分配控制功能，對(duì)與負(fù)荷分配點(diǎn)， PLC 要完成負(fù)荷分配運(yùn)算及控制。 （ 5）、 PLC與觸摸屏實(shí)行 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線高速通訊，將傳動(dòng)各分部點(diǎn)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)在觸摸屏顯示出來(lái)；并接受觸摸屏上的操作指令，控制各傳動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。 本系統(tǒng)配有觸摸屏 8臺(tái)，設(shè)立在控制現(xiàn)場(chǎng)，觸 摸屏上設(shè)有功能鍵、操作圖形顯示及設(shè)定值與實(shí)際值的顯示等。還有變頻器的運(yùn)行狀態(tài)及故障顯示?？梢詫?duì)各傳動(dòng)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全部控制功能，具體控制功能如下： 1） 起動(dòng) /停止：用于控制本分部電機(jī)的起?？刂啤? 2） 爬行 /運(yùn)行：用于低速調(diào)試檢修、正常抄紙切換。 3） 單動(dòng) /連動(dòng)：對(duì)于要求負(fù)荷分配各傳動(dòng)點(diǎn)的單動(dòng) /連動(dòng)控制。 4） 緊急停車(chē)：緊急停車(chē)功能。當(dāng)紙機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)意外事故，威脅到設(shè)備安全及人身安全時(shí)才可使用。 5） 速度微增：用于本傳動(dòng)點(diǎn)的速度微調(diào)。 6） 速度微減：用于本傳動(dòng)點(diǎn)的速度微調(diào)。 7） 緊紙： 用于本 傳動(dòng)點(diǎn)的緊紙調(diào)節(jié)。 8） 松紙： 用于本傳動(dòng)點(diǎn)的松紙調(diào)節(jié)。 9） 負(fù)荷分配功能：負(fù)荷分配點(diǎn)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)分配。 監(jiān)測(cè)功能有： 1） 變頻器運(yùn)行、故障狀態(tài)顯示。 2） 電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)矩、分部線速度顯示。 本系統(tǒng)所用的主站是西門(mén)子的 PLC,從站是 ABB的變頻器。所以網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具用西門(mén)子的 STEP7軟件內(nèi)集成的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具進(jìn)行組態(tài) ,組態(tài)好后就可以編寫(xiě)控制程序了 ,從站的地址在主站的程序中可以直接使用 ,這樣通過(guò)程序主站就可以對(duì)從站進(jìn)行操作了。網(wǎng)絡(luò)的通信自動(dòng)運(yùn)行 ,不需要控制程序參與。 30 3. 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與 功能實(shí)現(xiàn) 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于以下原則： 1 程序模塊化結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，其中負(fù)荷分配、速度增減、初始化、緊紙、速比計(jì)算、校驗(yàn)、數(shù)據(jù)發(fā)送、接收等作為子程序調(diào)用 。2 程序采用循環(huán)掃描的方式對(duì)傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行處理，簡(jiǎn)化程序，提高程序執(zhí)行效率 。3 采用中斷子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收 。確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確快速的傳輸 。4 必要的軟件保護(hù)措施，以免造成重大機(jī)械損害。因此該程序通用性強(qiáng)，可移植性好，使用不同的變頻器，只須進(jìn)行相應(yīng)協(xié)議的格式的定義。即數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、校驗(yàn)程序的相應(yīng)修改即可，滿(mǎn)足紙機(jī)運(yùn)行的需要。主程序流程圖 如圖 2所示 速度鏈設(shè)計(jì)及速差控制 速度鏈結(jié)構(gòu)采用二叉樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法，完成數(shù)據(jù)傳遞功能。首先對(duì)各傳動(dòng)點(diǎn)位置進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象，確定速度鏈中各傳動(dòng)點(diǎn)編號(hào)，此編號(hào)應(yīng)與變頻器內(nèi)部地址一致。然后根據(jù)二叉樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確定各結(jié)點(diǎn)的上下、左或右編號(hào)。即任一傳動(dòng)點(diǎn)由 3個(gè)數(shù)據(jù)（ “父子兄 ”或 “父子弟 ”）確定其在速度鏈中的位置，填入位置寄存器數(shù)值。如圖 3所示。 該傳動(dòng)點(diǎn)速度給變頻器后，訪問(wèn)位置寄存器，確定子寄存器結(jié)點(diǎn)號(hào)，若不為 0，則對(duì)該經(jīng)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)處理，直到該鏈完全處理完；再查兄弟寄存器結(jié) 點(diǎn)號(hào)，處理另一支鏈。所以只須對(duì)位置寄存器初始化，即可構(gòu)成具有任意分支結(jié)構(gòu)的速度鏈。 算法設(shè)計(jì)采用了調(diào)節(jié)變比的控制方法。如圖五所示，紙機(jī)二壓點(diǎn)作為速度鏈中的主節(jié)點(diǎn)，它的速度就是整個(gè)紙機(jī)的工作車(chē)速。在 PLC內(nèi)，我們通過(guò)通信檢測(cè)到車(chē)速調(diào)節(jié)信號(hào)則改變車(chē)速單元值，同時(shí)送給驅(qū)網(wǎng)、吸移、真壓、一壓分部，其速度值乘以相應(yīng)的速比，即是該傳動(dòng)點(diǎn)的速度運(yùn)行值。若某一分部速度不滿(mǎn)足運(yùn)行要求，說(shuō)明該分部變比不合適，可通過(guò)操作該分部的加速、減速按鈕實(shí)現(xiàn)， PLC檢測(cè)到按鈕信號(hào)后調(diào)整了變比，使其適應(yīng)傳動(dòng)點(diǎn)間的速差控制要求。相 當(dāng)于在 PLC內(nèi)部有一個(gè)高精度的齒輪變速箱，可以任意無(wú)級(jí)調(diào)速。 若正常生產(chǎn)中變比合適，需要緊紙、松紙操作時(shí)，按下該分部緊紙、松紙按鈕， PLC 將對(duì)應(yīng)在速度鏈上附加一正或負(fù)的偏移量則實(shí)現(xiàn)緊紙、松紙功能。同時(shí)送下一級(jí)計(jì)算，依此類(lèi)推，構(gòu)成速度鏈及速差控制系統(tǒng)。前一級(jí)車(chē)速調(diào)整，后面跟隨調(diào)整，后級(jí)調(diào)整不影響前級(jí) ,適應(yīng)紙機(jī)操作引紙的順序要求。速度鏈的傳遞關(guān)系由圖 4來(lái)體現(xiàn)，由 PLC軟件實(shí)現(xiàn)。 圖 4 紙機(jī)速度鏈結(jié)構(gòu)圖 負(fù)荷分配的設(shè)計(jì) 負(fù)荷分配分三部分 (如圖五虛線范圍內(nèi)部分 )。 1）驅(qū)網(wǎng)輥與伏輥 。 2）吸移輥、真空壓榨輥與一壓輥與二壓輥 。 3）施膠上輥與施膠下輥。 負(fù)荷分配的軟件實(shí)現(xiàn)，首先基于合理的速度鏈結(jié)構(gòu) ,如圖 5所示。采用主鏈與子鏈相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，使具有負(fù)荷分配的傳動(dòng)點(diǎn)組在子鏈結(jié)構(gòu)上，進(jìn)行負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)不影響其它傳動(dòng)點(diǎn)的狀態(tài)。 在紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中， 因?yàn)樵谟袡C(jī)械相聯(lián)系的傳動(dòng)點(diǎn)由于所處位置不同，毛布的包角大小不一樣，承受的載荷在不同的工作狀31 態(tài)下不一樣，是一個(gè)變量。實(shí)際系統(tǒng)還要求各傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)負(fù)載率相同，即 δ=Pi/Pie相同（ Pi 為 i電機(jī)所承擔(dān)負(fù)載功率， Pie為電機(jī)額定功率）。在實(shí)際控制當(dāng)中，由于電機(jī)功率是一間接量 ,實(shí)際控制電機(jī)定子電流或轉(zhuǎn)矩代替電機(jī)功率，進(jìn)行讀取計(jì)算、調(diào)節(jié)。在一組負(fù)荷分配傳動(dòng)點(diǎn)中選取包角較大且功率較大的傳動(dòng)點(diǎn)作為主點(diǎn)，其余各點(diǎn)利用 PLC通過(guò)總線讀取電機(jī)電流或轉(zhuǎn)矩，分別與主點(diǎn)電流或轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較，并以 PID調(diào)節(jié)算法，相應(yīng)調(diào)節(jié)從點(diǎn)變頻器的輸出， 使其電流或轉(zhuǎn)矩百分比與主點(diǎn)一致，而達(dá)到負(fù)荷分配的自動(dòng)分配的目的。 為了保護(hù)機(jī)械裝置和避免 PLC調(diào)節(jié)過(guò)于頻繁，在軟件中設(shè)置上下限幅值。如果負(fù)荷不平衡度大于 3%， PLC才進(jìn)行調(diào)整。如負(fù)荷分配不平衡度調(diào)整量設(shè)置太小，容易造成震蕩。如果大于不平衡上限幅值，進(jìn)行停機(jī)處理，以防止機(jī)械損害發(fā)生。 4. 結(jié)語(yǔ) 基于西門(mén)子公司 PROFIBUSDP 協(xié)議的 S7400PLC 紙機(jī)電氣傳動(dòng)三級(jí)控制系統(tǒng)，較理想地實(shí)現(xiàn)了對(duì)該紙機(jī)的控制，紙機(jī)的穩(wěn)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、負(fù)荷分配效果、紙頁(yè)質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性、 可靠性都得到了用戶(hù)的認(rèn)可和贊許。紙機(jī)（為幅寬 4200/450,工作車(chē)速為 550m/min 的紙機(jī)）在河北香河銀象紙業(yè)穩(wěn)定運(yùn)行已近二年。實(shí)踐證明，該結(jié)構(gòu)控制方式可應(yīng)用于大型、高速紙機(jī)的電氣傳動(dòng)控制。 2．負(fù)荷分配控制