【正文】 本文 的 主要 內(nèi)容 本 文 設(shè)計(jì)的 基于 PLC的 造紙機(jī)控制系統(tǒng) 共有 網(wǎng)部、真空、主壓、大缸、一烘、二烘、壓光、卷取 八個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)需要控制 ，其控制方案是 以 S7300 PLC 作為系統(tǒng)的控制中心，ABB 變頻器為驅(qū)動(dòng)單元， 三相交流 電機(jī)作為執(zhí)行單元， 同時(shí)由 PLC 通過(guò) ProfibusDP 網(wǎng)絡(luò)與變頻器之間的通信完成各傳 動(dòng)點(diǎn)的啟動(dòng)、停止、加速、減速、緊紙操作。 （ 2） 系統(tǒng)硬件電路 的 介紹，包括硬件電路 圖的工作原理以及圖 中的 變頻器、傳動(dòng)電機(jī)、 SIMATIC S7 PLC 等的 選型、原理 。 最后是對(duì)本文設(shè)計(jì)的造紙機(jī)控制系統(tǒng)做了一個(gè)總結(jié)。根據(jù)造紙機(jī)型號(hào)與傳動(dòng)速度不同，其傳動(dòng)點(diǎn)個(gè)數(shù)有多有少。要求控制各傳動(dòng)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速使得生產(chǎn)的紙質(zhì)平滑無(wú)褶皺，同時(shí)對(duì)于傳動(dòng)點(diǎn)的啟動(dòng)、停止、爬行、加速、減速等操作做到同步控制，避免造成生產(chǎn)的紙質(zhì)不符合要求。 表 八個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)參數(shù) 傳動(dòng)點(diǎn)序號(hào) 傳動(dòng)點(diǎn)名稱 傳動(dòng)點(diǎn)功率 1 網(wǎng)部 60KW 2 真空 45KW 3 主壓 35KW 4 大缸 25KW 5 一烘 35KW 6 二烘 30KW 7 壓光 25KW 8 卷取 25KW 9 風(fēng)扇電機(jī) 20KW 在圖 所示 工藝流程下，各傳動(dòng)點(diǎn)的功率參數(shù)見(jiàn)表 。 造紙機(jī)控制系統(tǒng)的方案 對(duì)于工業(yè)機(jī)械設(shè)備的控制技術(shù)，其發(fā)展階段大體為 人工控制階段 、模擬儀表控制系統(tǒng)階段、計(jì)算機(jī)集中式數(shù)字控制系統(tǒng)階段、集散式控制系統(tǒng)階段和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)階段 [4]。主要控制方法是 以 S7300 PLC 作為系統(tǒng)的控制中心， ABB 變頻器為驅(qū)動(dòng)單元，三相交流電機(jī)作為執(zhí)行單元， 同時(shí)由 PLC 通過(guò)ProfibusDP 網(wǎng)絡(luò)與變頻器之間的通信完成各傳動(dòng)點(diǎn)的啟動(dòng)、停止、加速、減速、緊紙操作。在 Step7 環(huán)境中完成系統(tǒng)的硬件組態(tài)與系統(tǒng)的控制程序的編寫(xiě)。 總體控制方案見(jiàn)圖 。 現(xiàn)主要介紹其中一個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)將這些硬件 的工作原理先做如下介紹 。變頻器完成對(duì)主電路的控制，將信號(hào)傳給整流器、中間電路和逆變器，同時(shí)接受來(lái)自這些部分的信號(hào)；整 流器與單相或三相電源連接，產(chǎn)生脈動(dòng)的直流電壓，將交流變換為直流； 直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波。 PLC： PLC由輸入輸出模塊，中央處理單元，電源不見(jiàn)和編程器組成 [6]。 本次設(shè)計(jì)的基于 PLC的造紙機(jī)控制系統(tǒng)使用的是 SIMATIC S7300PLC。SIMATIC S7系列 PLC 都采用了模塊化、無(wú)排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)且具有易于用戶掌握等特點(diǎn)，使得 S7系列 PLC成為各種從小規(guī)模到中等性能要求以及大規(guī)模應(yīng)用的首選產(chǎn)品。我們知道，但相電源相與相之間的電壓在相位上是相差 120度的，三相 異步電動(dòng)機(jī) 定子中的三個(gè) 繞組 在空間方位上也互差 120度，這樣，當(dāng)在 定子繞組 中通入 三相電源 時(shí)， 定子繞組 就會(huì)產(chǎn)生一個(gè) 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) ，其產(chǎn)生的過(guò)程分四個(gè)時(shí)刻來(lái)描述旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 的產(chǎn)生。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為： 60 /n f p? ， 式中 f 為電源頻率、 p 是磁場(chǎng)的 磁極 對(duì)數(shù)、 n 的單位是：每分 8 鐘轉(zhuǎn)數(shù)。以往多用第一種方法，現(xiàn)在則利用 變頻技術(shù) 實(shí)現(xiàn)對(duì) 交流電動(dòng)機(jī) 的 無(wú)級(jí)變速 控制。 主要涉及到變頻調(diào)速等相關(guān)原理，現(xiàn)做如下介紹。它是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的全分散、數(shù)字式、 雙向、多變量、多站的通信網(wǎng)絡(luò) [7]。 PLC與變頻器的通訊控制： Profibus— DP 通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)電報(bào)結(jié)構(gòu)分為協(xié)議頭、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和協(xié)議層。 每種類型包括 控制字（ PKW）過(guò)程數(shù)據(jù)（ PZD） 。 1)PKW 的第一個(gè)字為控制字，用來(lái)控制變頻器的啟動(dòng)和停止。 2)PKW 的第二個(gè)字為頻率 給定，變頻器的頻率就是通過(guò)這個(gè)字來(lái)設(shè)置的，其對(duì)應(yīng)關(guān)系為十進(jìn)制 0～ 20220 對(duì)應(yīng)頻率 0～ 50 HZ，線型的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 PZD狀態(tài)字和 PKW控制字有所不同， PKW控制字是固定的，不可更改， PPO4 模式中第一個(gè) PKW為控制字，第二個(gè) PKW為頻率給定。 PPO類型如圖 。在 一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組上加上三相交流電壓 ，該電壓將產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其速度由定子電壓的頻率所決定。當(dāng)將三相異步電動(dòng)機(jī)繞組的任意兩相進(jìn)行交換時(shí)，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向?qū)l(fā)生改變。異步電動(dòng)機(jī)定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速被稱為異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，其同步轉(zhuǎn)速由電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)和電源頻率所決定： 0 60 /n f p? （ 31） 其中 0n —— 電機(jī)同步轉(zhuǎn)速； f — 供電電源頻率（ Hz）； p — 電機(jī)定子磁極對(duì)數(shù)。 由式（ 32）可知，改變參數(shù) f 和 s 中的任意一個(gè) 就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，即對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。從某種意義上說(shuō)，變頻器就是一個(gè)可以任意改變頻率的交流電源。磁通太弱，沒(méi)有充分利用電機(jī)的磁心，是一種浪費(fèi)；若要增大磁通，又會(huì)使磁通飽和，從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因?yàn)槔@組過(guò)熱而損壞電機(jī)。在交流異步電機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的。 由公式可知。需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況： 基頻以下調(diào)速：即采用恒定的電動(dòng)勢(shì)。然而繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以控制的，但電動(dòng)勢(shì)較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓 UE? ，則得 /Uf? 常值。這時(shí) ,可以人為的把電壓 U 抬高一些，以便近似的補(bǔ)償定子壓降。如圖 所示。 把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來(lái)，可得到異步電機(jī)的變頻調(diào)速特性，如圖。在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”，而在基頻以上，基本上屬于“恒功率調(diào)速” ， 所謂恒功率調(diào)速就是 機(jī)械調(diào)速時(shí)，通過(guò)改變傳動(dòng)比，改變負(fù)載的速度，而電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩、額定速度不變； 電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩、額定速度不變，即電機(jī)的額定功率不變。 U 端子相電壓 mU a b O mf 頻率 f 12 系統(tǒng) 硬件 原理圖 系統(tǒng)電機(jī)部分原理圖 本部分 系統(tǒng)硬件組成包括：變頻器、斷路器、繼電器、接觸器、 PLC 單元、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)、指示燈等。變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成和控制結(jié)構(gòu)依然可以仿照直流系統(tǒng)的形式分為電源，反饋和控制三大部分。因此，變頻調(diào)速系統(tǒng)就是由逆變單元或逆變器，反饋系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制單元組成的一個(gè)交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。圖 中 L L L3為交流母線 ， N為中性線 ， 為系統(tǒng)工作提供交流電 ，由斷路器控制系統(tǒng)與電網(wǎng)的接通與斷開(kāi) 。 NPBA12通訊適配器用來(lái)連接變頻器與 ProfibusDP 網(wǎng)絡(luò)。電源模塊 MAF用來(lái)將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，給通訊適配器 NPBA12供電。繼電器 KM1則保證了驅(qū)動(dòng)電機(jī)與風(fēng)扇電機(jī)的同步啟動(dòng)與停止。其中電路中各器件的工作原理作如下簡(jiǎn)介。 ABB ACS550 變頻器的調(diào)速： ACS550 是 ABB 公司標(biāo)準(zhǔn)型的無(wú)傳感器矢量控制全數(shù)字交流變頻器，它能夠沒(méi)有光碼盤(pán)或測(cè)速電機(jī)的反饋的條件下，精確控制任何標(biāo)準(zhǔn)鼠籠電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩。同時(shí) ACS550內(nèi)部還可以安裝三種類型的可選模塊： I/O 擴(kuò)展模塊、現(xiàn)場(chǎng)總線適配器、脈沖編碼器接口模塊等。 ACS550 變 14 頻器滿足多種應(yīng)用要求，從最簡(jiǎn)單的到最復(fù)雜要求的應(yīng)用。對(duì)電動(dòng)機(jī)、變頻器等下屬電路進(jìn)行保護(hù)，具有過(guò)載、短路、欠電壓的等保護(hù)功能，是配電電路的保護(hù)器件。在變頻器、電機(jī)所在回路出現(xiàn)上述故障時(shí)斷路器 F01 將自動(dòng)切斷供電電路，從而起到 了對(duì)所在電路的保護(hù)作用。一般電機(jī)自身帶有散熱用的風(fēng)扇，在電機(jī)工作功率不大時(shí)，其自身風(fēng)扇就能滿足散熱要求，不需外加風(fēng)機(jī)幫助散熱。 對(duì)電機(jī)之間同步控制，有些情況下采用無(wú)線傳感器控制方式，這種方式方便性能好，但對(duì)于本系統(tǒng)性價(jià)比不高 [10]。 電源模塊： 電源模塊是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應(yīng)器，其特點(diǎn)是可為 專用集成電路 （ ASIC）、 數(shù)字信號(hào) 處理器 (DSP)、 微處理器 、存儲(chǔ)器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 及其他數(shù)字或模擬負(fù)載提供供電。 本設(shè)計(jì)中涉及到給通訊適配器 NPBA12 供電，在參考其使用參數(shù)的情況下，設(shè)計(jì)中選用的電源模塊型號(hào)為 MAF150220S24。 第一 ， 硬接線的方式 ， 即模擬量控制或數(shù)字量控制， 變頻器自帶的 DI,DO,AI,AO口子與 PLC的 DI,DO,AI,AO通過(guò)線連接起來(lái)。然后 PLC的 AO模塊輸出 420mA等模擬信號(hào)連接到變頻器的 AI口子實(shí)現(xiàn)一個(gè)模擬給定控制變頻器輸出頻率達(dá)到調(diào)速的目的。這需要變頻器支持這種通訊方式，一般是需要附加訂一個(gè) DP通訊板（硬件）安裝在變頻器上面，當(dāng)然也有通訊板外置然后通過(guò)光纖與變頻器的控 15 制單元連接的如 ABB 的 NPBA12通訊模塊。那么接下來(lái)的工作就是通過(guò) PLC編程來(lái)控制變頻器了。 本次設(shè)計(jì)采用的是通訊控制方式，因?yàn)槟M量控制或數(shù)字量控制 通過(guò) PLC開(kāi)關(guān)量啟動(dòng)變頻器，通過(guò)模擬量信號(hào)控制變頻器輸出頻率。 通訊控制 通過(guò)通訊模式控制變頻器啟停以及頻率給定，此方法是編程復(fù)雜，不同變頻器的通訊格式不一樣。 斷路器 F04 控制 PLC的電源模塊與電網(wǎng)之間的供電通斷，選擇接入一相交流電。 圖 硬件電路概圖 圖中 PLC 與八臺(tái)變頻器之間通過(guò) ProfibusDP 網(wǎng)連接在一起， PLC 與變頻器之間采用通訊控制變頻器與總線之間有一個(gè)通訊適配器 ABB ACS550變頻器， PLC則選用 SIMATIC S7300PLC。 S7300PLC： 德國(guó)西門(mén)子公司的可編程控制器 （ PLC） 繼 S5 系列后 ,90 年代初又研制出 S7 系列 ,并獲得巨大成功 [13]。 其中 SIMATIC S7300PLC 是一種通用型的 PLC，滿足中、小規(guī)模的控制要 求，適用于自動(dòng)化工程的 16 各種場(chǎng)合，尤其是在生產(chǎn)制造工程中的應(yīng)用 [12]。 ProfibusDP： ProfibusDP 的 DP 即 Decentralized Periphery。 它具有高速低成本的優(yōu)點(diǎn)。另外，行規(guī)還具體規(guī)定了 PROFIBUS－ DP 如何用于應(yīng)用領(lǐng)域。 PLC 的模塊電路 電路 數(shù)字量輸入模塊 原理圖如下。 電源模塊 MAF用來(lái)給三個(gè)數(shù)字量輸入模塊所接的開(kāi)關(guān)供電。為 16個(gè)輸入點(diǎn)的數(shù)字輸入模塊。 與 SM01一樣，為 16點(diǎn)輸入的數(shù)字輸入模塊。下面對(duì)數(shù)字輸入模塊功能做詳細(xì)介紹。在此 選用 3個(gè) 16點(diǎn)輸入的數(shù)字輸入模塊 來(lái)滿足 控制功能的需要。 PLC 數(shù)字量輸入模塊：這里選用 SIMATIC S7300 系列的數(shù)字輸入模塊，型號(hào)為6ES7 3211BH500AA0。 系統(tǒng) PLC模擬量輸出與數(shù)字量輸出模塊原理圖 如圖 、圖 所示 。八點(diǎn)輸出接八個(gè)繼電器線圈，用來(lái)控制八個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的風(fēng)扇電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的同步啟動(dòng)與停止。下面對(duì)著兩模塊做詳細(xì)介紹?？紤]到八臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速需要通過(guò)數(shù)顯表顯示出來(lái)，此處選用一個(gè) 8點(diǎn)輸出的模擬輸出模塊，用來(lái)連接數(shù)顯表，顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速。各模塊的原理介紹如下。在與低漏電流的電路一同使用時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可以斷開(kāi)，不會(huì)發(fā)出假的 ON 狀態(tài)信號(hào)。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力與工作可靠性，通常也都采用光耦合隔離的措施，同時(shí)還設(shè)計(jì)有各種濾波電路等。 模擬量輸出模塊：模擬量輸出模塊將 PLC 的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成過(guò)程所需要的模擬信號(hào)，用于連接模擬量執(zhí)行器，對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。 數(shù)顯表：本設(shè)計(jì)選用數(shù)顯表為 HLP2B80， 數(shù)顯表是一種用于顯示的電子儀表，目前在各行各業(yè)均有應(yīng)用，因?yàn)槠滹@示數(shù)據(jù)精確而且一目了然，所以在很多場(chǎng)合下已經(jīng)代替了指針式儀表。由于要顯示驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，故系統(tǒng)中 需要使用到數(shù)顯表。 20 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 軟件 設(shè)計(jì)的 介紹 Step7 軟件 內(nèi)容 本系統(tǒng) 依靠 Protel 完成硬件原理圖的繪制，而軟件部分，使 用軟件 Step7 完成對(duì) S7300PLC的編程和 ProfibusDP網(wǎng)的組態(tài)以及通訊配置。具有 硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通訊 組態(tài) 、編程、測(cè)試、啟動(dòng)和維護(hù)、文件建檔、運(yùn)行和診斷功能等 。 它可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，為實(shí)現(xiàn)工 廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了切實(shí)可行的解決方案 [15]。另外系統(tǒng)中涉及的通訊適配器 NPBA12 也需要添加到系統(tǒng)中。 系統(tǒng)硬件組態(tài) 與軟件編程 系統(tǒng)硬件組態(tài) 本系統(tǒng)采用 S7300PLC， ABB ACS550變頻器組成控制系統(tǒng)， 對(duì)于硬件組態(tài)， 使用STEPTV5． 4版編程軟件，進(jìn)入 Hardware Configure 完成 S7300 PLC(315DDP)的硬 21 件組態(tài)。 組態(tài)電路如 圖 。組態(tài)中包含三個(gè)數(shù)字量輸入模塊，一個(gè)數(shù)字量輸出模塊和一個(gè)模擬量輸出模塊。 軟件 流程圖 造紙機(jī)控制系統(tǒng)包括軟件和硬件兩個(gè)部分，前面已介紹硬件電路原理圖，下面介紹軟件流程圖。具體詳情后面