【正文】 3221HF010AA0 的數(shù)字量輸出模塊。當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，輸出可以直接驅(qū)動(dòng)，但大電流負(fù)載，需要經(jīng)過中間繼電器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，用中間繼電器的觸點(diǎn)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 數(shù)字量輸出模塊：數(shù)字量輸出模塊用于從控制器向過程變量輸出數(shù)字信號(hào)，吧S7300 的內(nèi)部信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成過程所要求的外部信號(hào)電平，用于連接電磁閥、接觸器、小功率電機(jī)、燈和電機(jī)啟動(dòng)器。同時(shí)為控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇電機(jī)擁有相同的散熱效 果，此處選用一 19 個(gè) 8點(diǎn)輸出的數(shù)字輸出模塊， 接入八個(gè)繼電器，用來 控制風(fēng)扇電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的同步啟動(dòng)與停止，但風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速卻不受驅(qū)動(dòng)電機(jī)影響 。 圖中包括 PLC 的數(shù)字輸出模塊與模擬輸出模塊。 圖 模擬輸出模塊 本模塊 SM05 為八點(diǎn)輸出的模擬輸出模塊，用來外接八個(gè)數(shù)顯表，顯示八臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，方便人工直觀觀察控制各傳動(dòng)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速。 圖 數(shù)字輸出模塊 本模塊 SM04 為 8 點(diǎn)輸出數(shù)字輸出模 塊，在不考慮裕量的情況下是滿足控制要求的。 數(shù)字輸入模塊用來實(shí)現(xiàn) PLC 與數(shù)字量過程信號(hào)的連接，把從過程發(fā)送來的外部數(shù)字信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成 PLC 內(nèi)部信號(hào)電平，用于連接工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn) 18 開關(guān)和兩線接近開關(guān)（ BERO）。各選用模塊具體介紹如下。 本系統(tǒng)一共包括八臺(tái)電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)包涵啟動(dòng) 、 停止 、 加速 、 減速 、爬行五種 操作，使用 PLC 的開關(guān)量控制電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)這些功能，故 共 需要 40 個(gè)輸 入點(diǎn)。 圖 數(shù)字模塊 3 本數(shù)字輸入模塊 SM03 與 SM0 SM02 一樣，為 16 點(diǎn)輸入的數(shù)字輸入模塊，用來控制壓光、卷取兩個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟停、加減速、爬行操作的控制。 17 圖 數(shù)字模塊 2 本數(shù)字輸入模塊主要負(fù)責(zé)控制一烘、二烘、大缸三個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟停、加減速、爬行操作控制。 圖 數(shù)字模塊 1 本數(shù)字輸入模塊主要負(fù)責(zé)電機(jī) 1到電機(jī) 3的起動(dòng)、停止、加減速等控制，即真空、網(wǎng)部和主壓三個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的控制。本部分電路包括 SIMATIC S7300 的三個(gè)數(shù)字量輸入模塊、一個(gè)電源模塊。使用行規(guī)可使不同廠商所生產(chǎn)的不同設(shè)備互換使用，而工廠操作人員毋須關(guān)心兩者之間的差異。 PROFIBUS–DP 協(xié)議還明確規(guī)定了用戶數(shù)據(jù)怎樣在總線各站之間傳遞，但用戶數(shù)據(jù)的含義是在PROFIBUS 行規(guī)中 具體說明的。用于自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)控制設(shè)備與分布式 I/O 的通信 [14]。 模塊化、無排風(fēng)結(jié)構(gòu)、易于實(shí)現(xiàn)分布式的配置以及用戶易于掌握等特點(diǎn)，使得 S7300 在很多工業(yè)行業(yè)中實(shí)施各種控制任務(wù)，成為一種既經(jīng)濟(jì)又符合實(shí)際的解決方案。 S7 系列在功能和使用上比Ｓ 5 系列有了很多改進(jìn) ,性能價(jià)值比更優(yōu) ,它主要包括 S7200、 S7300、 S7400三種產(chǎn)品。 各器件模塊詳細(xì)介紹如下。 PLC 的 CPU 模塊選用 3152DP，其自帶總線接入接口，無需接轉(zhuǎn)換模塊。 如原理圖所示，本部分包括 SIMATIC S7300 PLC， ABB ACS550 變頻器， ProfibusDP網(wǎng)，以及 PLC 的 CPU 與信號(hào)模塊。此方法 優(yōu) 點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是硬件投入比較貴 。采用方式一這種機(jī)械的硬件方式實(shí)現(xiàn)各傳動(dòng)點(diǎn)速度的同步控制，存在各方面的問題：首先，這種方式其動(dòng)力只來源于一臺(tái)總電動(dòng)機(jī)，其次機(jī)械的東西在運(yùn)行時(shí)考慮到結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，該方式會(huì)給靈活性帶來限制，最后就是這種硬件方式的連接會(huì)使系統(tǒng)整個(gè)的使用壽命受到影響 [12]。 PLC 與變頻 器之間連接好 DP 通訊線纜，其他不需要任何硬連接的線了。變頻器的 DO 口子可以輸出一些如運(yùn)行、故障等狀態(tài)信號(hào)接入PLC 的 DI 模塊，當(dāng)然也有變頻器的 AO口子輸出如變頻器的頻率、溫度、電流等 420mA模擬信號(hào)進(jìn)入 PLC 的 AI 模塊；第二 ， 通訊的方式 ， 而通訊的方式呢現(xiàn)在最常見的是ProfibusDP 的方式。實(shí)現(xiàn)方法大體就是通過編程控制 PLC 的 DO 模塊輸出，為變頻器提供一對(duì)干觸點(diǎn)（無源觸點(diǎn)），再用這對(duì)干觸點(diǎn)來驅(qū)動(dòng)變頻器的啟動(dòng)，停止或者電動(dòng)等。 PLC 與變頻器連接 的 硬件電路 PLC 與變頻器之間存在兩種控制方式。模塊式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)甚多，因此 模塊電源 廣泛用于交換設(shè)備、 接入設(shè)備 、移動(dòng)通訊、 微波通訊 以及光傳輸、 路由器 等通信領(lǐng)域和汽車電子、航空航天等。 不少電機(jī)的速度控制都采用 并行同步控制方式，即將每個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的電動(dòng)機(jī)都作為一個(gè)獨(dú)立地速度控制對(duì)象來對(duì)待，這樣就可以通過控制每個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)速度，使每個(gè)電動(dòng)機(jī)都工作在自己的設(shè)定速度上，彼此不相互影響，各自速度都收速度參考值控制 [11]。在本系統(tǒng)中，電機(jī)的功率較大，本身風(fēng)扇不能滿足散熱要求，所以借助外部風(fēng)機(jī)來幫助散熱。 風(fēng)扇電機(jī) ： 用于傳動(dòng)點(diǎn)拖動(dòng)的電機(jī)降溫的，防止電動(dòng)機(jī)因工作功率過高產(chǎn)生熱量過多不能及時(shí)散掉而燒壞電機(jī)。在本控制系統(tǒng)中交流母線的三相電通過斷路器 F01 配送給變頻器供變頻器工作和電量控制轉(zhuǎn)換。 斷路器 F01： 作用是用來進(jìn)行電能的分配，給變頻器配電，將變頻器與交流母線進(jìn)行接通與切斷。在大多數(shù)應(yīng)用中， ACS550 所具有的磁通制動(dòng)功能可以滿足系統(tǒng)快速停車的應(yīng)用需要；如果系統(tǒng)需要頻繁起制動(dòng)或長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)，ACS550 也可內(nèi)置制動(dòng)斬波器（可選）和制動(dòng)電阻以實(shí)現(xiàn)有效的制動(dòng)功率。 ACS550 標(biāo)準(zhǔn)變頻器模塊從 至 110KW 所有功率范圍都是IGBT 功率模塊，并且在變頻器內(nèi)部設(shè)置了直流擺式電抗器（ ）或進(jìn)線電抗器 (45KW110KW)，從而有效地抑制了高次諧波對(duì)電網(wǎng)的影響； ACS550 緊湊型的設(shè)計(jì)已經(jīng)標(biāo)配了適用于第一及第二環(huán)境的 RFI 濾波器，而無需任何額外的外部濾波器就可滿足 EMC 標(biāo)準(zhǔn)； ACS550 還內(nèi)置了使用 RS485 協(xié)議的 Modbus 接口，可以很方便地與 PLC或計(jì)算機(jī)通訊。 ABB ACS550 變頻器： ACS550 變頻器安裝于一個(gè)拼裝柜內(nèi)，門上裝有控制盤安裝組件及狀態(tài)指示燈，柜體內(nèi)配置了電源輸入熔斷隔離開關(guān)，含快速 ACS550 變頻器安裝于一個(gè)拼裝柜內(nèi)，門上裝有控制盤安裝組件及狀態(tài)指示燈，柜體內(nèi)配置了電源輸入熔斷隔離開關(guān)，含快速熔斷器，并配有操縱手柄，具有隔離和短路保護(hù)雙重功能；同時(shí)還配置進(jìn)線接觸器，控制邏輯回路等所需的設(shè)備，以利于系統(tǒng)更安全、可靠的運(yùn)行柄，具有隔離和短路保護(hù)雙重功能；同時(shí)還配置進(jìn)線接 觸器控制邏輯回路等所需的設(shè)備 ， 以利 于 系統(tǒng)更安全、可靠的運(yùn)行 。 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 恒功率調(diào)速 mU 1U U 定子電壓 O mf 頻率 f 圖 基頻以上調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的變頻 調(diào)速控制特性 13 圖 控制系統(tǒng)原理圖 本部分采用的是變頻調(diào)速，利用變頻器控制三相交流變頻電 機(jī)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)控。風(fēng)扇電機(jī)用來給傳動(dòng)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)散熱，保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下?lián)碛邢嗤纳嵝Ч?H02與 H03 分別是電機(jī)運(yùn)行與停止的指示燈。 H01為系統(tǒng) 的電源指示燈。 原理圖如圖 24 所示。只不過人們習(xí)慣上把交流到直流的變換稱為整流，把直流到交流的變換稱為逆變。 變頻器是變頻調(diào)速的核心，也是構(gòu)成大型復(fù)雜傳動(dòng)系統(tǒng)的基本單元，實(shí)際上就是把固定電壓，固定頻率的交流變換成可調(diào)電壓和頻率的交流電的變換器。 恒功率調(diào)速時(shí)，負(fù)載可以獲得成千成百倍的力矩或動(dòng)力 [9]！ 恒功率調(diào)速機(jī)械特性如圖 所示。如果電動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電動(dòng)機(jī)都能在溫升容許的條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，這時(shí)轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。 11 圖 基頻以下調(diào)速恒壓頻比控制特性 基頻以上調(diào)速：在基頻以 上調(diào)速時(shí)，頻率可以從 mf 往上增加，但電壓 U 與頻率成反比的降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性為 b 線，無補(bǔ)償?shù)臑?a 線。低頻時(shí)， U 和 gE 都較小，定子阻抗壓降所占的份量都比較顯著，不能再忽略。由上式可知，要保持 m? 不變，但頻率 f 從額定值 mf 向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低 1E 。只要控制好 E 和 f 便可以控制磁通 m? 不變。 三相異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)為 ： 11rmE fwf ?? (33) 式中 1E —— 氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值； f —— 定子頻率； w —— 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； 1rf —— 基波繞組因數(shù)； m? —— 每相氣隙磁通量。對(duì)于直流電機(jī)來說，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，所以只要對(duì)電樞反應(yīng)的補(bǔ)償合理 ，保持Φ m 不變時(shí)很容易做到的。在電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，一個(gè)重要的因素是希望保持每極磁通量Φ m，為額定值不變。因此可以通過改變?cè)撾娫吹念l率來實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的 10 調(diào)速。 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速總是小于其同步轉(zhuǎn)速，異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速可由下式給出： 0 (1 ) 60 (1 ) /n n s f s p? ? ? ? （ 32） 式中 n — 電機(jī)實(shí)際速度； s — 轉(zhuǎn)差率（同步電動(dòng)機(jī)時(shí)， s=0）。因此，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向也將發(fā)生改變。當(dāng)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，位于該磁場(chǎng)中的轉(zhuǎn) 子繞組將切割磁力線，并在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，而此感應(yīng)電流又將受到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用而產(chǎn)生電磁力，即轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。 9 圖 PPO類型 變頻調(diào)速： 交流變頻調(diào)速與直流調(diào)速系統(tǒng)相比，具有容量大、方便維護(hù)、節(jié)約耗能以及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn) [8]。 3） PZD 狀態(tài)字則是非固定的，需要自己定義， PZD 狀 態(tài)字可以反映出變頻器的：本地 /遠(yuǎn)程模式、變頻器的當(dāng)前電流、變頻器的輸出電壓、變頻器的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間、電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速（ R/MIN）等等實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，需要什么參數(shù)就定義什么參數(shù)，通過PLC 程序中調(diào)用 SFC14 讀回即可，非常靈活。例如需要變頻器運(yùn)行于 25HZ,給定值應(yīng)為 10000；需要變頻器運(yùn)行于 35HZ,給定值應(yīng)為 14000；需要變頻器運(yùn)行于 50HZ,給定值應(yīng)為 20210。通過網(wǎng)絡(luò)通訊來控制變頻器的起停與非網(wǎng)絡(luò)控制方式有所不同，非網(wǎng)絡(luò)控制變頻器起停只需要一個(gè)啟動(dòng)或停止命令即可，而用網(wǎng)絡(luò)控制時(shí)需要先后發(fā)送兩個(gè)控制命令，第一個(gè)為變頻器的“準(zhǔn)備信號(hào)”，收到這個(gè)信號(hào)變頻器便處于“軟合閘”等待狀態(tài)，并不運(yùn)行；第二個(gè)命令為啟動(dòng)信號(hào)，收到這個(gè) 命令后變頻器才會(huì)按照給定的頻率開始運(yùn)行。 控制字（ PKW）是變頻器運(yùn)行時(shí)要定義的參數(shù)，如啟動(dòng)信號(hào)、給定頻率等；過程數(shù)據(jù)（ PZD）是變頻器運(yùn)行過程中要返回給 PLC 的一些參數(shù)，如頻率給定值、速 度反饋值、電流反饋值等。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)即 PPO 消息類型，包括參數(shù)值 PKW 及過程數(shù)據(jù) PZD， ABB ACS550 系列變頻器共有五種 PPO 類型可供選擇。在眾多現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)中 ,過程現(xiàn)場(chǎng)總線 (PROFIBUS)以其國(guó)際化、開放式 ,高靈活性 與 高可靠性等優(yōu)勢(shì) ,在過程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用 。 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)： 現(xiàn)場(chǎng)總線作為計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、儀表技術(shù)以及控制技術(shù)高度集成與綜合的產(chǎn)物 ,已成為當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技 術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。 硬件電路 的工作原理 本次設(shè)計(jì)的基于 PLC 的造紙機(jī)控制系統(tǒng)，運(yùn)用變頻器三相異步交流變頻電機(jī)。根據(jù)此式我們知道， 電動(dòng)機(jī) 的轉(zhuǎn)速與 磁極 數(shù)和使用電源的頻率有關(guān)，為此，控制 交流電動(dòng)機(jī) 的轉(zhuǎn)速有兩種方法： 改變 磁極 法； 變頻法 。電流每變化一個(gè)周期，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)一周，即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度與電流的變化是同步的。 三相交流電機(jī)： 三相異步電動(dòng)機(jī) 要旋轉(zhuǎn)起來的先決條件是具有一個(gè) 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) ，三相 異步電動(dòng)機(jī) 的 定子繞組 就是用來產(chǎn)生 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 的。 SIMATIC S7 系列 PLC 是德國(guó)西門子公司在S5 系列 PLC 基礎(chǔ)上于 1995 年陸續(xù)推出的性能價(jià)格比較高的 PLC 系統(tǒng)，其中，微型的有 SIMATIC S7200系列，最小配置為 8DI/6DO，可擴(kuò)展 2 到 7 個(gè)模塊，最大 I/O 點(diǎn)數(shù)為 64DI/DO、 12AI/4AO；中小型的有 SIMATIC S7300 系列；中高檔的有 S7400系列。輸入輸出模塊用來連接外圍設(shè)備 ，接受外圍信號(hào)并轉(zhuǎn)換成 CPU 可處理信號(hào)，然后輸出；中央處理單元用來處理接收的信號(hào)，包括微處理器，系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器；編程器用來完成人機(jī)對(duì)話；電源不見則用來給 PLC 各模塊供電。將整流 電壓變換成直流電流，使脈動(dòng)的直流電壓變得穩(wěn)定平滑，供逆變器使用； 逆變器產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)電壓的頻率，逆變電路將直流電再逆變?yōu)榻涣麟姟? 變頻器：變頻器包涵控制電路、 整流器 、 中間電路 、 逆變器 。 設(shè)計(jì)中涉及到的 主要 硬件 包括變頻器， PLC，三相交流變頻電機(jī)，電源模塊。 圖 系統(tǒng)控制方案圖 7 3