【導(dǎo)讀】現(xiàn)今世界，紙在日常生活中的運用越來越廣泛，人們對紙的需求量日益增長，從而導(dǎo)致對紙的質(zhì)量有了更高的要求。以前的造紙機大多是小型和低速的，隨著自。動化水平的不斷提高，現(xiàn)在向著大型和高速的方向發(fā)展。這就對造紙機工作過程中。的各種控制有了較高的要求，如造紙機傳動系統(tǒng)的張力控制。所以，現(xiàn)在的大中型造紙機大多數(shù)采用分部傳動，用這種傳動方式取代傳統(tǒng)。的機械總軸傳動，即電氣分軸傳動。史、特點，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)計造紙機的電氣傳動控制系統(tǒng)。其次，設(shè)計系統(tǒng)硬件電路，包括。最后，設(shè)計系統(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，是由德國西門子公司提出的一種現(xiàn)場總線標準，現(xiàn)在已成為了一種國際性的開放式現(xiàn)場總線標準 , 即 EN50170歐洲標準。目前世界上許多自 動化技術(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、過程和樓宇自動化，應(yīng)用范圍非常廣泛。 PROFIBUS以其先進的技術(shù)和非凡的可靠性代表了當(dāng)今現(xiàn)場總線的發(fā)展方向。 PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點分為 PROFIBUS—DP， PROFIBUS—FMS， PROFIBUS—PA。三個版 本，分別用于不同的場合。 PROFIBUS是一種現(xiàn)場總線，因此可以將數(shù)字自動化設(shè)備從底級 (傳感器／執(zhí)行器 )到中間執(zhí)行級 (單元級 )分散開來。通信協(xié)議按照應(yīng)用 領(lǐng)域進行了優(yōu)化，故幾乎不需要復(fù)雜的接口即可實現(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)、物理連接的類型和電氣特性。 PROFIBUS通過采用差分電壓輸出的 RS485 實現(xiàn)電流連接。在線性拓撲結(jié)構(gòu)下采用雙絞線電纜。樹型結(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采用一種混合訪問方法。由于不能使所有設(shè)備在同一時刻傳輸，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。 PR0fIBUS第 2層 FlC：第 2層的現(xiàn)場總線鏈路控制 (FLC)子層規(guī)定了對低層接口 (LLl)有效的第 2層服務(wù)，提供服務(wù)訪問點(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 FMAl／ 2激活或撤消。此外，第 1層和第 2層可能出現(xiàn)的錯誤事件會被傳遞到更高層 (FMA7)。 3)、 PROFIBUS 第 3—6層 第 3—6層在 PROFIBUS中沒有具體應(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邏輯連接通道的所有重要參數(shù)。可以在 LLI中選擇不同的連接類型，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)和用于用戶的用戶數(shù)據(jù) (變量、域、程序、事件通告 )分組。借助于此，才可能訪問一個應(yīng)用過程的通信對象。 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層類似，第 7層也有 現(xiàn)場總線管理 (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)用過程中，還可以通過 FMA7 把各個子層的事件和錯誤顯示給用戶。 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)用過程的接口。 ALI的目的是將過程對象轉(zhuǎn)換為通信對象。轉(zhuǎn)換的原因是每個過程對象都是由它在所謂的對象字典 (OD)中的特性 (數(shù)據(jù)類型、存取保護、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)工具是一個網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件，用來將各個站組成網(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文件稱為設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件。對一種設(shè)備類型的特征 GSD 文件以一種準確定義的格式給出其全面而明確的描述。 GSD 文件由生產(chǎn)廠商分別針對每一種設(shè)備類型準備并以設(shè)備數(shù)據(jù)庫清單的形式提供給用戶，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)庫文件，并且在組態(tài)總線系統(tǒng)時自動使用這些信息。在組態(tài)階段，系統(tǒng)自動地對輸入與 整個系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)據(jù)的輸入誤差和前后一致性進行檢查核對。 在組網(wǎng)時，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。用網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具建一個你所需要的網(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 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 PROFIBUSDP 現(xiàn)場 總線與變頻器構(gòu)成 DCS 控制系統(tǒng)。 PLC與上位機、現(xiàn)場觸摸屏、變頻器實行 PROFIBUS 高速通訊。 傳動部下位控制中心為西門子 S7400 PLC，在 PROFIBUS現(xiàn)場總線上 S7400 PLC 是主站，選用 CPU4142 DP，有強大的通訊功能，自身帶有一個 PROFIBUSDP接口，可與變頻器及操作現(xiàn)場觸摸屏采用 PROFIBUSDP 總線實現(xiàn)高速通訊，完成整個紙機傳動過程中的速度鏈、負荷分配、張力控制等功能。 PLC 接受上位機優(yōu)化控制指令，可以根據(jù)紙張生產(chǎn)品種自動調(diào)節(jié)各分部速度以適應(yīng)生產(chǎn)需 求。同時 PLC 將各分部運行參數(shù)送往上位機，以便及時了解生產(chǎn)狀況。 圖中 VVVF為 ABB變頻器、 OP1OP8為操作臺、 PG 為脈沖編碼器、 M為傳動電機整個系統(tǒng)全部實現(xiàn)全數(shù)字化操作控制，通過 PROFIBUS現(xiàn)場總線通訊完成，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。整個系統(tǒng)采用 PROFIBUS 現(xiàn)場總線控制技術(shù)，系統(tǒng)全部控制功能的實現(xiàn)都由現(xiàn)場總線通訊完成。只靠一條通訊電纜傳輸。系統(tǒng)中不在有整束的電纜，也省去了成千上萬個線路接點。大大提高系統(tǒng)的可靠性，節(jié)約了控制電纜。同時實現(xiàn)了從操作到控制的全數(shù)字化。徹底 杜絕了現(xiàn)場干擾對控制系統(tǒng)運行的影響。 29 圖 1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 PLC主要完成功能： （ 1）、現(xiàn)場控制信號的采集， PLC 通過 PROFIBUS 現(xiàn)場總線檢測現(xiàn)場操作臺操作信號。 （ 2）、速度鏈的控制及計算， PLC根據(jù)工藝要求完成速度鏈的控制處理。調(diào)節(jié)前一級速度時后一級緊隨前一級的速 度變化。調(diào)節(jié)后一級的速度時前一級速度不變。 （ 3）、速度控制的執(zhí)行。 PLC 接受上位機控制指令，通過上位機操作， PLC可以根據(jù)紙張生產(chǎn)品種自動調(diào)節(jié)車速、分部變比以適應(yīng)生產(chǎn)需求，并通過 PROFIBUS現(xiàn)場總線控制各分部變頻器的運行速度。 （ 4）、自動負荷分配控制功能，對與負荷分配點， PLC 要完成負荷分配運算及控制。 （ 5）、 PLC與觸摸屏實行 PROFIBUS現(xiàn)場總線高速通訊，將傳動各分部點工作狀態(tài)實時在觸摸屏顯示出來；并接受觸摸屏上的操作指令，控制各傳動執(zhí)行相應(yīng)的動作。 本系統(tǒng)配有觸摸屏 8臺，設(shè)立在控制現(xiàn)場，觸 摸屏上設(shè)有功能鍵、操作圖形顯示及設(shè)定值與實際值的顯示等。還有變頻器的運行狀態(tài)及故障顯示?？梢詫Ω鱾鲃狱c實現(xiàn)全部控制功能，具體控制功能如下： 1） 起動 /停止：用于控制本分部電機的起?？刂?。 2） 爬行 /運行：用于低速調(diào)試檢修、正常抄紙切換。 3） 單動 /連動：對于要求負荷分配各傳動點的單動 /連動控制。 4） 緊急停車：緊急停車功能。當(dāng)紙機運行過程中出現(xiàn)意外事故，威脅到設(shè)備安全及人身安全時才可使用。 5） 速度微增：用于本傳動點的速度微調(diào)。 6） 速度微減：用于本傳動點的速度微調(diào)。 7） 緊紙： 用于本 傳動點的緊紙調(diào)節(jié)。 8） 松紙： 用于本傳動點的松紙調(diào)節(jié)。 9） 負荷分配功能：負荷分配點自動實現(xiàn)分配。 監(jiān)測功能有： 1） 變頻器運行、故障狀態(tài)顯示。 2） 電機的電流、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)工具用西門子的 STEP7軟件內(nèi)集成的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具進行組態(tài) ,組態(tài)好后就可以編寫控制程序了 ,從站的地址在主站的程序中可以直接使用 ,這樣通過程序主站就可以對從站進行操作了。網(wǎng)絡(luò)的通信自動運行 ,不需要控制程序參與。 30 3. 系統(tǒng)的軟件設(shè)計與 功能實現(xiàn) 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計基于以下原則： 1 程序模塊化結(jié)構(gòu)化設(shè)計，其中負荷分配、速度增減、初始化、緊紙、速比計算、校驗、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)掃描的方式對傳動點進行處理，簡化程序，提高程序執(zhí)行效率 。3 采用中斷子程序進行數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收 。確保數(shù)據(jù)的準確快速的傳輸 。4 必要的軟件保護措施，以免造成重大機械損害。因此該程序通用性強，可移植性好，使用不同的變頻器，只須進行相應(yīng)協(xié)議的格式的定義。即數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、校驗程序的相應(yīng)修改即可，滿足紙機運行的需要。主程序流程圖 如圖 2所示 速度鏈設(shè)計及速差控制 速度鏈結(jié)構(gòu)采用二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法，完成數(shù)據(jù)傳遞功能。首先對各傳動點位置進行數(shù)學(xué)抽象，確定速度鏈中各傳動點編號，此編號應(yīng)與變頻器內(nèi)部地址一致。然后根據(jù)二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確定各結(jié)點的上下、左或右編號。即任一傳動點由 3個數(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。 該傳動點速度給變頻器后，訪問位置寄存器，確定子寄存器結(jié)點號，若不為 0，則對該經(jīng)點進行相應(yīng)處理，直到該鏈完全處理完；再查兄弟寄存器結(jié) 點號，處理另一支鏈。所以只須對位置寄存器初始化，即可構(gòu)成具有任意分支結(jié)構(gòu)的速度鏈。 算法設(shè)計采用了調(diào)節(jié)變比的控制方法。如圖五所示，紙機二壓點作為速度鏈中的主節(jié)點，它的速度就是整個紙機的工作車速。在 PLC內(nèi)，我們通過通信檢測到車速調(diào)節(jié)信號則改變車速單元值，同時送給驅(qū)網(wǎng)、吸移、真壓、一壓分部，其速度值乘以相應(yīng)的速比，即是該傳動點的速度運行值。若某一分部速度不滿足運行要求，說明該分部變比不合適，可通過操作該分部的加速、減速按鈕實現(xiàn)， PLC檢測到按鈕信號后調(diào)整了變比，使其適應(yīng)傳動點間的速差控制要求。相 當(dāng)于在 PLC內(nèi)部有一個高精度的齒輪變速箱，可以任意無級調(diào)速。 若正常生產(chǎn)中變比合適，需要緊紙、松紙操作時，按下該分部緊紙、松紙按鈕， PLC 將對應(yīng)在速度鏈上附加一正或負的偏移量則實現(xiàn)緊紙、松紙功能。同時送下一級計算，依此類推，構(gòu)成速度鏈及速差控制系統(tǒng)。前一級車速調(diào)整，后面跟隨調(diào)整，后級調(diào)整不影響前級 ,適應(yīng)紙機操作引紙的順序要求。速度鏈的傳遞關(guān)系由圖 4來體現(xiàn)，由 PLC軟件實現(xiàn)。 圖 4 紙機速度鏈結(jié)構(gòu)圖 負荷分配的設(shè)計 負荷分配分三部分 (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。 負荷分配的軟件實現(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)，使具有負荷分配的傳動點組在子鏈結(jié)構(gòu)上，進行負荷動態(tài)調(diào)整時不影響其它傳動點的狀態(tài)。 在紙機傳動系統(tǒng)中， 因為在有機械相聯(lián)系的傳動點由于所處位置不同，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，是一個變量。實際系統(tǒng)還要求各傳動點電機負載率相同，即 δ=Pi/Pie相同（ Pi 為 i電機所承擔(dān)負載功率， Pie為電機額定功率）。在實際控制當(dāng)中，由于電機功率是一間接量 ,實際控制電機定子電流或轉(zhuǎn)矩代替電機功率，進行讀取計算、調(diào)節(jié)。在一組負荷分配傳動點中選取包角較大且功率較大的傳動點作為主點，其余各點利用 PLC通過總線讀取電機電流或轉(zhuǎn)矩，分別與主點電流或轉(zhuǎn)矩進行比較，并以 PID調(diào)節(jié)算法，相應(yīng)調(diào)節(jié)從點變頻器的輸出， 使其電流或轉(zhuǎn)矩百分比與主點一致，而達到負荷分配的自動分配的目的。 為了保護機械裝置和避免 PLC調(diào)節(jié)過于頻繁，在軟件中設(shè)置上下限幅值。如果負荷不平衡度大于 3%， PLC才進行調(diào)整。如負荷分配不平衡度調(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，進行停機處理，以防止機械損害發(fā)生。 4. 結(jié)語 基于西門子公司 PROFIBUSDP 協(xié)議的 S7400PLC 紙機電氣傳動三級控制系統(tǒng)，較理想地實現(xiàn)了對該紙機的控制，紙機的穩(wěn)速精度、動態(tài)響應(yīng)、負荷分配效果、紙頁質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性、 可靠性都得到了用戶的認可和贊許。紙機（為幅寬 4200/450,工作車速為 550m/min 的紙機）在河北香河銀象紙業(yè)穩(wěn)定運行已近二年。實踐證明，該結(jié)構(gòu)控制方式可應(yīng)用于大型、高速紙機的電氣傳動控制。 2．負荷分配控制