基于plc的造紙機控制系統(tǒng)的設計畢業(yè)論文

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　中文摘要1</b></p><p><b>　　英文摘要2</b></p><p><b>　　1 緒 論3</b></p><p>　　1.1 造紙機控制系統(tǒng)設計目的與

2、意義3</p><p>　　1.2 造紙機控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3 本文的主要內(nèi)容4</p><p>　　2 造紙機控制系統(tǒng)5</p><p>　　2.1 造紙機控制系統(tǒng)要求5</p><p>　　2.2 造紙機控制系統(tǒng)的方案6</p><p>　　3 控

3、制系統(tǒng)的硬件電路設計7</p><p>　　3.1 硬件系統(tǒng)組成7</p><p>　　3.1.1 硬件電路主要器件7</p><p>　　3.1.2 硬件電路的工作原理8</p><p>　　3.2系統(tǒng)硬件原理圖12</p><p>　　3.2.1系統(tǒng)電機部分原理圖12</p><p&

4、gt;　　3.2.2 PLC與變頻器連接的硬件電路14</p><p>　　3.2.3 PLC的模塊電路17</p><p>　　4 系統(tǒng)軟件設計21</p><p>　　4.1 系統(tǒng)軟件設計的介紹21</p><p>　　4.1.1 Step7軟件內(nèi)容21</p><p>　　4.1.2 添加通訊適配器

5、21</p><p>　　4.2 系統(tǒng)硬件組態(tài)與軟件編程22</p><p>　　4.2.1 系統(tǒng)硬件組態(tài)22</p><p>　　4.2.2 軟件流程圖22</p><p>　　4.2.3 PLC的軟件編程23</p><p><b>　　結(jié) 論26</b></p>&

6、lt;p><b>　　謝 辭27</b></p><p><b>　　參考文獻28</b></p><p>　　附錄1：系統(tǒng)控制原理圖29</p><p>　　附錄2：PLC原理圖30</p><p>　　基于PLC的造紙機控制系統(tǒng)的設計</p><p>　　摘

7、 要： 造紙業(yè)是與社會文明和經(jīng)濟發(fā)展息息相關(guān)的基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè),目前國內(nèi)造紙業(yè)自動化水平與國外存在著一定差距，因此造紙系統(tǒng)的設計對造紙業(yè)來說至關(guān)重要。本文設計了一套基于PLC的造紙機控制系統(tǒng)，系統(tǒng)以S7-300 PLC作為控制核心，以ABB變頻器作為驅(qū)動單元，三相交流電機作為執(zhí)行單元,由PLC通過Profibus-DP網(wǎng)絡與變頻器之間的通信完成各傳動點的啟動、停止、加速、減速、緊紙等操作。論文介紹了國內(nèi)外造紙行業(yè)的發(fā)展歷程，根據(jù)

8、造紙機的控制要求確定了系統(tǒng)的控制方案；設計了控制系統(tǒng)的硬件電路圖，介紹了其工作原理，并進行了元器件的選型；基于編程軟件Step7完成了系統(tǒng)的硬件組態(tài)以及控制程序的編寫。本文設計的基于PLC的造紙機控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，控制方便。</p><p>　　關(guān)鍵詞：造紙機，變頻器，通訊控制，組態(tài)，Profibus-DP</p><p>　　Design of Paper Machine Co

9、ntrol System Based on PLC</p><p>　　Abstract：Paper industry is a basic raw material industry which closely linked with the social civilization an economic development. At present, there is a certain gap in au

10、tomation level between domestic paper industries and abroad. So design of papermaking system is crucial to the paper industry. There is a paper machine control system based on PLC has been designed in this paper. In the

11、system, we use the S7-300 PLC as the control core, the ABB converter as drive unit, three-phase AC motor as </p><p>　　Keywords：Paper machine, inverter, the communication control, configuration, Profbus-DP<

12、;/p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p>　　1.1 造紙機控制系統(tǒng)設計目的與意義</p><p>　　本次課題主要研究的是基于PLC的造紙機控制系統(tǒng)的設計。通過對造紙機控制系統(tǒng)的研究與設計，我可以了解造紙機傳動的工藝要求、各個傳動點的交流電機具體工作情況，系統(tǒng)硬件參數(shù)選擇的依據(jù)，以及交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在造紙機傳動控制系統(tǒng)中

13、的應用。同時掌握PLC與變頻器的控制方式，軟硬件的配合調(diào)節(jié)交流電機的轉(zhuǎn)速，培養(yǎng)我個人對知識的理解和使用，理論與實際結(jié)合以及對于處理細節(jié)問題方面的能力。</p><p>　　目前，我國造紙業(yè)存在許多問題，諸如造紙技術(shù)設備陳舊、水平落后、現(xiàn)代技術(shù)含量低等等。本課題的設計，可以在一定程度上改善這些問題，提高造紙機械的裝備水平，加強造紙機械加工能力和電氣控制的能力。同時，就我個人而言，對本課題的設計可以培養(yǎng)自己分析與解決

14、問題的能力，同時也能對工業(yè)生產(chǎn)中運用到的如：電動機、變頻器、PLC、通訊技術(shù)、現(xiàn)場總線、操作屏等有更深一步的理解，對于電動機的控制方法及運用了解的更為深入。</p><p>　　1.2 造紙機控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　隨著人們對紙和紙板及其制品品種多樣化的要求和消費量日益增長, 造紙工業(yè)面臨的主要問題仍是纖維原料的來源, 節(jié)約能源,降低污染, 設備的大型化、高速化、自動化等[

15、1]。造紙工業(yè)只有在解決這些問題的過程中才能得到發(fā)展, 制漿技術(shù)和造紙技術(shù)的進步也無不緊緊圍繞上述問題而發(fā)展著。目前，我國造紙工業(yè)的特點是：產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、產(chǎn)業(yè)集中于勞動力密集型、技術(shù)密集型、產(chǎn)品明顯落后于發(fā)達工業(yè)國家、生產(chǎn)要素決定性作用正在削弱、產(chǎn)業(yè)能源消耗大、產(chǎn)出率低、環(huán)境污染嚴重、對自然資源破壞力大、企業(yè)總體規(guī)模偏小、技術(shù)創(chuàng)新能力薄弱、管理水平落后等。近十幾年以來，隨著我國國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展和人民生活水平的日益提高，我國造紙工業(yè)也

16、取得了快速的發(fā)展。我國造紙工業(yè)國際化、集中化、專業(yè)化的格局已初步形成，而且國內(nèi)許多造紙企業(yè)引進了很多國外先進的技術(shù)裝備，國內(nèi)許多大的造紙企業(yè)已經(jīng)完全與國際接軌。這都是我國造紙工業(yè)國際化的趨勢。各個造紙企業(yè)都在向生產(chǎn)名牌專業(yè)產(chǎn)品而努力。但是從世界范圍看，早期是基于經(jīng)驗的應用常規(guī)調(diào)節(jié)儀表的簡單控制階段，但由于紙機傳動在生產(chǎn)中的特殊重要地位,如今造紙機電氣傳動控制的一般配置由PLC控制單元、變頻器單元等</p><p>

17、;　　1.3 本文的主要內(nèi)容</p><p>　　本文設計的基于PLC的造紙機控制系統(tǒng)共有網(wǎng)部、真空、主壓、大缸、一烘、二烘、壓光、卷取八個傳動點需要控制，其控制方案是以S7-300 PLC作為系統(tǒng)的控制中心，ABB 變頻器為驅(qū)動單元，三相交流電機作為執(zhí)行單元，同時由PLC通過Profibus-DP網(wǎng)絡與變頻器之間的通信完成各傳動點的啟動、停止、加速、減速、緊紙操作。依據(jù)該控制方案，本文主要工作如下：</p

18、><p>　?。?）造紙機控制系統(tǒng)的控制要求以及控制方案，主要是利用S7-300PLC與ABB變頻器之間的通訊控制，完成對傳動點電機的各項操作。</p><p>　?。?）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、傳動電機、SIMATIC S7 PLC等的選型、原理。</p><p>　　（3）系統(tǒng)軟件的設計，在Step7環(huán)境下的的硬件組態(tài)，符號表的

19、編輯，數(shù)據(jù)模塊的編寫，傳動控制模塊程序的編寫等。</p><p>　　最后是對本文設計的造紙機控制系統(tǒng)做了一個總結(jié)。</p><p>　　2 造紙機控制系統(tǒng)</p><p>　　2.1 造紙機控制系統(tǒng)要求</p><p>　　傳統(tǒng)的造紙機的主要傳動點分別為：真空伏輥、驅(qū)網(wǎng)輥、導網(wǎng)輥、真空吸移輥、毛毯壓榨、傳遞壓榨、烘缸、壓光機和卷紙機等。根

20、據(jù)造紙機型號與傳動速度不同，其傳動點個數(shù)有多有少。本文設計的造紙機控制系統(tǒng)所需控制的傳動點主要由網(wǎng)部、真空、主壓、大缸、一烘、二烘、壓光、卷取。要求控制各傳動點的轉(zhuǎn)速使得生產(chǎn)的紙質(zhì)平滑無褶皺，同時對于傳動點的啟動、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。造紙及工藝流程圖如圖2.1所示。</p><p>　　表2.1 八個傳動點參數(shù)</p><p>　　在圖

21、2.1所示工藝流程下，各傳動點的功率參數(shù)見表2.1。八個傳動點均采用三相交流變頻電機驅(qū)動，另外八臺驅(qū)動電機的風扇電機則使用統(tǒng)一功率22KW的交流電機。</p><p>　　2.2 造紙機控制系統(tǒng)的方案</p><p>　　對于工業(yè)機械設備的控制技術(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、計算機集中式數(shù)字控制系統(tǒng)階段、集散式控制系統(tǒng)階段和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)階段[4]。本次設計的基

22、于PLC的造紙機控制系統(tǒng)主要利用PLC與變頻器之間的通訊控制，實現(xiàn)PLC對三相交流電機的各項操作。主要控制方法是以S7-300 PLC作為系統(tǒng)的控制中心，ABB 變頻器為驅(qū)動單元，三相交流電機作為執(zhí)行單元，同時由PLC通過Profibus-DP網(wǎng)絡與變頻器之間的通信完成各傳動點的啟動、停止、加速、減速、緊紙操作。用Protel 99se繪制控制系統(tǒng)的電路原理圖，完成硬件的選擇，原理的理解。在Step7 V5.5環(huán)境中完成系統(tǒng)的硬件組態(tài)與

23、系統(tǒng)的控制程序的編寫。這里采用Profibus-DP主要是因為PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線介紹現(xiàn)場總線控制是應用于工業(yè)現(xiàn)場、連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)絡，其總線標準是開放的、不依賴生產(chǎn)廠家通信系統(tǒng)標準[5]。總體控制方案見圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 系統(tǒng)控制方案圖</p><p>　　3 控制系統(tǒng)的硬件電路設計</p&g

24、t;<p>　　3.1 硬件系統(tǒng)組成 </p><p>　　3.1.1 硬件電路主要器件</p><p>　　本次設計的基于PLC的造紙機控制系統(tǒng)包括八個傳動點，每個傳動點采用變頻器控制交流電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)傳動點的啟動、停止、增速、減速、爬行操作。現(xiàn)主要介紹其中一個傳動點的設計。設計中涉及到的主要硬件包括變頻器，PLC，三相交流變頻電機，電源模塊?，F(xiàn)將這些硬件的工作原理先做如

25、下介紹。</p><p>　　變頻器：變頻器包涵控制電路、整流器、中間電路、逆變器。變頻器完成對主電路的控制，將信號傳給整流器、中間電路和逆變器，同時接受來自這些部分的信號；整流器與單相或三相電源連接，產(chǎn)生脈動的直流電壓，將交流變換為直流；直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波。將整流電壓變換成直流電流，使脈動的直流電壓變得穩(wěn)定平滑，供逆變器使用；逆變器產(chǎn)生電動機電壓的頻率，逆變電路將直流電再逆變?yōu)榻涣麟姟?l

26、t;/p><p>　　PLC：PLC由輸入輸出模塊，中央處理單元，電源不見和編程器組成[6]。輸入輸出模塊用來連接外圍設備，接受外圍信號并轉(zhuǎn)換成CPU可處理信號，然后輸出；中央處理單元用來處理接收的信號，包括微處理器，系統(tǒng)程序存儲器和用戶存儲器；編程器用來完成人機對話；電源不見則用來給PLC各模塊供電。本次設計的基于PLC的造紙機控制系統(tǒng)使用的是SIMATIC S7-300PLC。SIMATIC S7系列PLC是德國

27、西門子公司在S5系列PLC基礎(chǔ)上于1995年陸續(xù)推出的性能價格比較高的PLC系統(tǒng)，其中，微型的有SIMATIC S7-200系列，最小配置為8DI/6DO，可擴展2到7個模塊，最大I/O點數(shù)為64DI/DO、12AI/4AO；中小型的有SIMATIC S7-300系列；中高檔的有S7-400系列。SIMATIC S7系列PLC都采用了模塊化、無排風扇結(jié)構(gòu)且具有易于用戶掌握等特點，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

28、應用的首選產(chǎn)品。</p><p>　　三相交流電機：三相異步電動機要旋轉(zhuǎn)起來的先決條件是具有一個旋轉(zhuǎn)磁場，三相異步電動機的定子繞組就是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的。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，三相異步電動機定子中的三個繞組在空間方位上也互差120度，這樣，當在定子繞組中通入三相電源時，定子繞組就會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，其產(chǎn)生的過程分四個時刻來描述旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生。電流每變化一個周期，旋轉(zhuǎn)磁場在空間

29、旋轉(zhuǎn)一周，即旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度與電流的變化是同步的。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為： ，式中 為電源頻率、 是磁場的磁極對數(shù)、 的單位是：每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。根據(jù)此式我們知道，電動機的轉(zhuǎn)速與磁極數(shù)和使用電源的頻率有關(guān)，為此，控制交流電動機的轉(zhuǎn)速有兩種方法：1、改變磁極法；2、變頻法。以往多用第一種方法，現(xiàn)在則利用變頻技術(shù)實現(xiàn)對交流電動機的無級變速控制。</p><p>　　3.1.2 硬件電路的工作原理</p><

30、p>　　本次設計的基于PLC的造紙機控制系統(tǒng)，運用變頻器三相異步交流變頻電機。主要涉及到變頻調(diào)速等相關(guān)原理，現(xiàn)做如下介紹。</p><p>　　現(xiàn)場總線技術(shù)：現(xiàn)場總線作為計算機技術(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,已成為當今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一。它是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的全分散、數(shù)字式、雙向、多變量、多站的通信網(wǎng)絡[7]。在眾多現(xiàn)場總線標準中,過程現(xiàn)場總線(PROFIBU

31、S)以其國際化、開放式,高靈活性與高可靠性等優(yōu)勢,在過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應用。</p><p>　　PLC與變頻器的通訊控制：Profibus—DP通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)電報結(jié)構(gòu)分為協(xié)議頭、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)和協(xié)議層。網(wǎng)絡數(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。每種類型包括控制字（PKW）過程數(shù)據(jù)（PZD）?？刂谱郑≒KW）是

32、變頻器運行時要定義的參數(shù)，如啟動信號、給定頻率等；過程數(shù)據(jù)（PZD）是變頻器運行過程中要返回給PLC的一些參數(shù)，如頻率給定值、速</p><p>　　度反饋值、電流反饋值等。</p><p>　　1)PKW的第一個字為控制字，用來控制變頻器的啟動和停止。通過網(wǎng)絡通訊來控制變頻器的起停與非網(wǎng)絡控制方式有所不同，非網(wǎng)絡控制變頻器起停只需要一個啟動或停止命令即可，而用網(wǎng)絡控制時需要先后發(fā)送兩個控

33、制命令，第一個為變頻器的“準備信號”，收到這個信號變頻器便處于“軟合閘”等待狀態(tài)，并不運行；第二個命令為啟動信號，收到這個命令后變頻器才會按照給定的頻率開始運行。</p><p>　　2)PKW的第二個字為頻率給定，變頻器的頻率就是通過這個字來設置的，其對應關(guān)系為十進制0～20000對應頻率0～50 HZ，線型的對應關(guān)系。例如需要變頻器運行于25HZ,給定值應為10000；需要變頻器運行于35HZ,給定值應為14

34、000；需要變頻器運行于50HZ,給定值應為20000。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PKW為控制字，第二個PKW為頻率給定。</p><p>　　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/遠程模式、變頻器的當前電流、變頻器的輸出電壓、變頻器的連續(xù)運行時間、電機的實際轉(zhuǎn)速（R/MIN）等等實際運行參數(shù)，需要什么參數(shù)就

35、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。PPO類型如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 PPO類型</p><p>　　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、節(jié)約耗能以及價格便宜等優(yōu)點[8]。在一臺三相異步電動機的定子繞組上加上三相交流電壓，該電壓將產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，其速度由定子電壓的頻率所決定。當磁場旋轉(zhuǎn)時，位于該磁場中的轉(zhuǎn)子

36、繞組將切割磁力線，并在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生相應的感應電動勢和感應電流，而此感應電流又將受到旋轉(zhuǎn)磁場的作用而產(chǎn)生電磁力，即轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)。當將三相異步電動機繞組的任意兩相進行交換時，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的方向?qū)l(fā)生改變。因此，電動機的轉(zhuǎn)向也將發(fā)生改變。異步電動機定子磁場的轉(zhuǎn)速被稱為異步電動機的同步轉(zhuǎn)速，其同步轉(zhuǎn)速由電動機的磁極對數(shù)和電源頻率所決定：</p><p><b>　?。?-1）</b&

37、gt;</p><p>　　其中 ——電機同步轉(zhuǎn)速；</p><p>　　—供電電源頻率（Hz）；</p><p>　　—電機定子磁極對數(shù)。</p><p>　　異步電動機的轉(zhuǎn)速總是小于其同步轉(zhuǎn)速，異步電動機的實際轉(zhuǎn)速可由下式給出：</p><p><b>　?。?-2）</b></p&

38、gt;<p>　　式中 —電機實際速度；</p><p>　　—轉(zhuǎn)差率（同步電動機時，s=0）。</p><p>　　由式（3-2）可知，改變參數(shù)f和s中的任意一個就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速，即對異步電動機進行調(diào)速控制。因此可以通過改變該電源的頻率來實現(xiàn)對異步電動機的調(diào)速。從某種意義上說，變頻器就是一個可以任意改變頻率的交流電源。在電動機調(diào)速時，一個重要的因素是希望保持每極磁

39、通量Φm，為額定值不變。磁通太弱，沒有充分利用電機的磁心，是一種浪費；若要增大磁通，又會使磁通飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因為繞組過熱而損壞電機。對于直流電機來說，勵磁系統(tǒng)是獨立的，所以只要對電樞反應的補償合理，保持Φm不變時很容易做到的。在交流異步電機中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的。</p><p>　　三相異步電機定子每相電動勢為：</p><p><b>　　(3

40、-3)</b></p><p>　　式中 ——氣隙磁通在定子每相中感應電動勢有效值；</p><p><b>　　——定子頻率；</b></p><p>　　——定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；</p><p><b>　　——基波繞組因數(shù)；</b></p><p>　　

41、——每相氣隙磁通量。</p><p>　　由公式可知。只要控制好 和 便可以控制磁通 不變。需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況：</p><p>　　基頻以下調(diào)速：即采用恒定的電動勢。由上式可知，要保持 不變，但頻率從額定值 向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低 。然而繞組中的感應電動勢是難以控制的，但電動勢較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓 ，則得 常值。低頻時，

42、和 都較小，定子阻抗壓降所占的份量都比較顯著，不能再忽略。這時,可以人為的把電壓U抬高一些，以便近似的補償定子壓降。帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性為 線，無補償?shù)臑?線。如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 基頻以下調(diào)速恒壓頻比控制特性</p><p>　　基頻以上調(diào)速：在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從 往上增加，但電壓 與頻率成反比的降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。<

43、/p><p>　　把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來，可得到異步電機的變頻調(diào)速特性，如圖3.3。如果電動機在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電動機都能在溫升容許的條件下長期運行，這時轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。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)速就是機械調(diào)速時，通過改變傳動比，改變負載的速度，而電機的額定轉(zhuǎn)矩、額定速度不變；電機的額定轉(zhuǎn)矩、額定速度不變，即電機的額定功率不變。

44、恒功率調(diào)速時，負載可以獲得成千成百倍的力矩或動力[9]！恒功率調(diào)速機械特性如圖3.3所示。</p><p>　　3.2系統(tǒng)硬件原理圖</p><p>　　3.2.1系統(tǒng)電機部分原理圖</p><p>　　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、風機系統(tǒng)、電動機、指示燈等。變頻器是變頻調(diào)速的核心，也是構(gòu)成大型復雜傳動系統(tǒng)的基本單元，實際上就

45、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。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。只不過人們習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。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交流電機調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　原理圖如圖2-4所示。圖中L1、L2、L3為交流母線，N為中性線，為系統(tǒng)工作提供

46、交流電，由斷路器控制系統(tǒng)與電網(wǎng)的接通與斷開。H01為系統(tǒng)的電源指示燈。NPBA-12通訊適配器用來連接變頻器與Profibus-DP網(wǎng)絡。H02與H03分別是電機運行與停止的指示燈。電源模塊MAF用來將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，給通訊適配器NPBA-12供電。風扇電機用來給傳動點驅(qū)動電機散熱，保證驅(qū)動電機在不同轉(zhuǎn)速下?lián)碛邢嗤纳嵝Ч?。繼電器KM1則保證了驅(qū)動電機與風扇電機的同步啟動與停止。</p><p>　　圖3.

47、4 控制系統(tǒng)原理圖</p><p>　　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，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)控。其中電路中各器件的工作原理作如下簡介。</p><p>　　ABB ACS550變頻器：ACS550變頻器安裝于一個拼裝柜內(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變頻器安裝于一個拼裝柜內(nèi)，門上裝有控制盤安裝組件及狀態(tài)指示燈，柜

48、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雙重功能；同時還配置進線接觸器，控制邏輯回路等所需的設備，以利于系統(tǒng)更安全、可靠的運行柄，具有隔離和短路保護雙重功能；同時還配置進線接觸器控制邏輯回路等所需的設備，以利于系統(tǒng)更安全、可靠的運行。</p><p>　　ABB ACS550變頻器的調(diào)速：ACS550是ABB公司標準型的無傳感器矢量控制全數(shù)字交流變頻器，它能夠沒有光碼盤或測

49、速電機的反饋的條件下，精確控制任何標準鼠籠電機的速度和轉(zhuǎn)矩。ACS550標準變頻器模塊從0.75KW至110KW所有功率范圍都是IGBT功率模塊，并且在變頻器內(nèi)部設置了直流擺式電抗器（0.75KW-37KW）或進線電抗器(45KW-110KW)，從而有效地抑制了高次諧波對電網(wǎng)的影響；ACS550緊湊型的設計已經(jīng)標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標準；ACS550還內(nèi)置了使用RS485協(xié)議的

50、Modbus接口，可以很方便地與PLC或計算機通訊。同時ACS550內(nèi)部還可以安裝三種類型的可選模塊：I/O擴展模塊、現(xiàn)場總線適配器、脈沖編碼器接口模塊等。在大多數(shù)應用中，ACS550所具有的磁通制動功能可以滿足系統(tǒng)快速停車的應用需要；如果系統(tǒng)需要頻繁起制動或長時間制動，ACS550也可內(nèi)置制動斬波器（可選）和制動電阻以實現(xiàn)有效的制動功率。ACS550變頻器滿足多種應用要求，從最簡單的到最復雜要求的應用。</p><

51、p>　　斷路器F01：作用是用來進行電能的分配，給變頻器配電，將變頻器與交流母線進行接通與切斷。對電動機、變頻器等下屬電路進行保護，具有過載、短路、欠電壓的等保護功能，是配電電路的保護器件。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。在變頻器、電機所在回路出現(xiàn)上述故障時斷路器F01將自動切斷供電電路，從而起到了對所在電路的保護作用。</p><p>　　風扇電機：用

52、于傳動點拖動的電機降溫的，防止電動機因工作功率過高產(chǎn)生熱量過多不能及時散掉而燒壞電機。一般電機自身帶有散熱用的風扇，在電機工作功率不大時，其自身風扇就能滿足散熱要求，不需外加風機幫助散熱。在本系統(tǒng)中，電機的功率較大，本身風扇不能滿足散熱要求，所以借助外部風機來幫助散熱。對電機之間同步控制，有些情況下采用無線傳感器控制方式，這種方式方便性能好，但對于本系統(tǒng)性價比不高[10]。不少電機的速度控制都采用并行同步控制方式，即將每個傳動點的電動機

53、都作為一個獨立地速度控制對象來對待，這樣就可以通過控制每個獨立子系統(tǒng)的電動機速度，使每個電動機都工作在自己的設定速度上，彼此不相互影響，各自速度都收速度參考值控制[11]。</p><p>　　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器，其特點是可為專用集成電路（ASIC）、數(shù)字信號處理器 (DSP)、微處理器、存儲器、現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 及其他數(shù)字或模擬負載提供供電。模塊式

54、結(jié)構(gòu)的優(yōu)點甚多，因此模塊電源廣泛用于交換設備、接入設備、移動通訊、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。本設計中涉及到給通訊適配器NPBA-12供電，在參考其使用參數(shù)的情況下，設計中選用的電源模塊型號為MAF150-220S24。</p><p>　　3.2.2 PLC與變頻器連接的硬件電路</p><p>　　PLC與變頻器之間存在兩種控制方式。第一，硬接線的方式，

55、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通過線連接起來。實現(xiàn)方法大體就是通過編程控制PLC的DO模塊輸出，為變頻器提供一對干觸點（無源觸點），再用這對干觸點來驅(qū)動變頻器的啟動，停止或者電動等。然后PLC的AO模塊輸出4-20mA等模擬信號連接到變頻器的AI口子實現(xiàn)一個模擬給定控制變頻器輸出頻率達到調(diào)速的目的。變頻器的DO口子可以輸出一些如運行、故障等狀態(tài)信號接入PLC的DI模塊，當

56、然也有變頻器的AO口子輸出如變頻器的頻率、溫度、電流等4-20mA模擬信號進入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Profibus-DP的方式。這需要變頻器支持這種通訊方式，一般是需要附加訂一個DP通訊板（硬件）安裝在變頻器上面，當然也有通訊板外置然后通過光纖與變頻器的控制單元連接的如ABB的NPBA-12通訊模塊。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。那么接下來的工作就是通過PL

57、C編程來控制變頻器了。采用方式一這種機械的硬件方式實現(xiàn)各傳動點速</p><p>　　如原理圖所示，本部分包括SIMATIC S7-300 PLC，ABB ACS550變頻器，Profibus-DP網(wǎng)，以及PLC的CPU與信號模塊。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。PLC的CPU模塊選用315-2DP，其自帶總線接入接口，無需接轉(zhuǎn)換模塊。</p><p&

58、gt;　　圖3.5 硬件電路概圖</p><p>　　圖中PLC與八臺變頻器之間通過Profibus-DP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通訊適配器NPBA-12.變頻器選用ABB ACS550變頻器，PLC則選用SIMATIC S7-300PLC。各器件模塊詳細介紹如下。</p><p>　　S7-300PLC：德國西門子公司的可編程控制器（PLC）繼

59、S5系列后 ,90年代初又研制出S7系列 ,并獲得巨大成功[13]。S7系列在功能和使用上比Ｓ5系列有了很多改進 ,性能價值比更優(yōu) ,它主要包括S7-200、S7-300、S7-400三種產(chǎn)品。其中SIMATIC S7-300PLC是一種通用型的PLC，滿足中、小規(guī)模的控制要求，適用于自動化工程的各種場合，尤其是在生產(chǎn)制造工程中的應用[12]。模塊化、無排風結(jié)構(gòu)、易于實現(xiàn)分布式的配置以及用戶易于掌握等特點，使得S7-300在很多工業(yè)行業(yè)

60、中實施各種控制任務，成為一種既經(jīng)濟又符合實際的解決方案。</p><p>　　Profibus-DP：Profibus-DP的DP即Decentralized Periphery。用于自動化系統(tǒng)中單元級控制設備與分布式I/O的通信[14]。它具有高速低成本的優(yōu)點。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。另外，行規(guī)還具體規(guī)定了PRO

61、FIBUS－DP如何用于應用領(lǐng)域。使用行規(guī)可使不同廠商所生產(chǎn)的不同設備互換使用，而工廠操作人員毋須關(guān)心兩者之間的差異。</p><p>　　3.2.3 PLC的模塊電路</p><p>　　電路數(shù)字量輸入模塊原理圖如下。本部分電路包括SIMATIC S7-300的三個數(shù)字量輸入模塊、一個電源模塊。電源模塊MAF用來給三個數(shù)字量輸入模塊所接的開關(guān)供電。</p><p&g

62、t;　　圖3.6 數(shù)字模塊1</p><p>　　本數(shù)字輸入模塊主要負責電機1到電機3的起動、停止、加減速等控制，即真空、網(wǎng)部和主壓三個傳動點的控制。為16個輸入點的數(shù)字輸入模塊。</p><p>　　圖3.7 數(shù)字模塊2</p><p>　　本數(shù)字輸入模塊主要負責控制一烘、二烘、大缸三個傳動點驅(qū)動電機的啟停、加減速、爬行操作控制。與SM01一樣，為16點輸入的

63、數(shù)字輸入模塊。</p><p>　　圖3.8 數(shù)字模塊3</p><p>　　本數(shù)字輸入模塊SM03與SM01、SM02一樣，為16點輸入的數(shù)字輸入模塊，用來控制壓光、卷取兩個傳動點的驅(qū)動電機的啟停、加減速、爬行操作的控制。下面對數(shù)字輸入模塊功能做詳細介紹。</p><p>　　本系統(tǒng)一共包括八臺電機，每臺電機包涵啟動、停止、加速、減速、爬行五種操作，使用PLC的

64、開關(guān)量控制電動機實現(xiàn)這些功能，故共需要40個輸入點。在此選用3個16點輸入的數(shù)字輸入模塊來滿足控制功能的需要。各選用模塊具體介紹如下。</p><p>　　PLC數(shù)字量輸入模塊：這里選用SIMATIC S7-300系列的數(shù)字輸入模塊，型號為6ES7 321-1BH50-0AA0。數(shù)字輸入模塊用來實現(xiàn)PLC與數(shù)字量過程信號的連接，把從過程發(fā)送來的外部數(shù)字信號電平轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部信號電平，用于連接工業(yè)現(xiàn)場的標準開關(guān)和

65、兩線接近開關(guān)（BERO）。</p><p>　　系統(tǒng)PLC模擬量輸出與數(shù)字量輸出模塊原理圖如圖3.9、圖3.10所示。</p><p>　　圖3.9 數(shù)字輸出模塊</p><p>　　本模塊SM04為8點輸出數(shù)字輸出模塊，在不考慮裕量的情況下是滿足控制要求的。八點輸出接八個繼電器線圈，用來控制八個傳動點的風扇電機與驅(qū)動電機的同步啟動與停止。</p>

66、<p>　　圖3.10 模擬輸出模塊</p><p>　　本模塊SM05為八點輸出的模擬輸出模塊，用來外接八個數(shù)顯表，顯示八臺驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，方便人工直觀觀察控制各傳動點的轉(zhuǎn)速。下面對著兩模塊做詳細介紹。</p><p>　　圖中包括PLC的數(shù)字輸出模塊與模擬輸出模塊。考慮到八臺電機轉(zhuǎn)速需要通過數(shù)顯表顯示出來，此處選用一個8點輸出的模擬輸出模塊，用來連接數(shù)顯表，顯示電機轉(zhuǎn)速。同

67、時為控制驅(qū)動電機在不同轉(zhuǎn)速下風扇電機擁有相同的散熱效果，此處選用一個8點輸出的數(shù)字輸出模塊，接入八個繼電器，用來控制風扇電機與驅(qū)動電機的同步啟動與停止，但風扇電機轉(zhuǎn)速卻不受驅(qū)動電機影響。各模塊的原理介紹如下。</p><p>　　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，吧S7-300的內(nèi)部信號電平轉(zhuǎn)換成過程所要求的外部信號電平，用于連接電磁閥、接觸器、小功率電機、燈和電機啟動器。在與低漏

68、電流的電路一同使用時，網(wǎng)絡可以斷開，不會發(fā)出假的ON狀態(tài)信號。當負載較小時，輸出可以直接驅(qū)動，但大電流負載，需要經(jīng)過中間繼電器進行轉(zhuǎn)換，用中間繼電器的觸點進行驅(qū)動。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，同時還設計有各種濾波電路等。這里參考系統(tǒng)要求選用型號為6ES7 322-1HF01-0AA0的數(shù)字量輸出模塊。</p><p>　　模擬量輸出模塊：模擬量輸出模塊將PLC的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換

69、成過程所需要的模擬信號，用于連接模擬量執(zhí)行器，對其進行調(diào)節(jié)和控制。本次設計的系統(tǒng)中模擬量輸出模塊選用型號為6ES7 332-5HF00-0AB0。</p><p>　　數(shù)顯表：本設計選用數(shù)顯表為HLP2B-80，數(shù)顯表是一種用于顯示的電子儀表，目前在各行各業(yè)均有應用，因為其顯示數(shù)據(jù)精確而且一目了然，所以在很多場合下已經(jīng)代替了指針式儀表。應用范圍：配電箱，工業(yè)自動化，自動化變電站，樓宇自動化。由于要顯示驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)

70、速，故系統(tǒng)中需要使用到數(shù)顯表。依據(jù)造紙機系統(tǒng)的要求此處選用型號為HLP2B-80的數(shù)顯表，經(jīng)濟實用，能很好滿足要求。</p><p><b>　　4 系統(tǒng)軟件設計</b></p><p>　　4.1 系統(tǒng)軟件設計的介紹</p><p>　　4.1.1 Step7軟件內(nèi)容</p><p>　　本系統(tǒng)依靠Protel完成硬

71、件原理圖的繪制，而軟件部分，使用軟件Step7完成對S7-300PLC的編程和Profibus-DP網(wǎng)的組態(tài)以及通訊配置。</p><p>　　STEP 7編程軟件用于西門子系列工控產(chǎn)品包括SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的Win AC的編程、監(jiān)控和參數(shù)設置，是SIMATIC工業(yè)軟件的重要組成部分。具有硬件配置和參數(shù)設置、通訊組態(tài)、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等。本次設計使

72、用到的是Step7 V5.5版本，使用其強大功完成對本系統(tǒng)的軟件設計</p><p>　　PLC和變頻器控制系統(tǒng)采用了Profibus—DP現(xiàn)場總線控制模式后，不但整個系統(tǒng)接線簡單，而且運行穩(wěn)定，操作簡便，反饋的信息全面，可實時掌握電機的各種狀態(tài)信息，可根據(jù)現(xiàn)場的工藝要求在后臺隨時修改參數(shù)，大大減少了人力和物力資源，真正實現(xiàn)了“分散控制，集中管理”。它可以實現(xiàn)現(xiàn)場設備層到車間監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡，為

73、實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設備智能化提供了切實可行的解決方案[15]。</p><p>　　4.1.2 添加通訊適配器</p><p>　　STEP7編程軟件環(huán)境下的硬件組態(tài)與編程準備工作：確定系統(tǒng)所需的SIMATIC S7-300 PLC所使用模塊的具體型號，包括數(shù)字輸入模塊，數(shù)字輸出模塊，電源模塊，CPU模塊，模擬量輸出模塊。另外系統(tǒng)中涉及的通訊適配器NPBA-12也需要添加到系統(tǒng)中。即

74、將NPBA-12的GSD(設備數(shù)據(jù)庫)文件，文件名為ABB_6012.GSD)導人STEP7的編程環(huán)境中，為后面的相關(guān)工作做好準備。</p><p>　　4.2 系統(tǒng)硬件組態(tài)與軟件編程</p><p>　　4.2.1 系統(tǒng)硬件組態(tài)</p><p>　　本系統(tǒng)采用S7-300PLC，ABB ACS550變頻器組成控制系統(tǒng)，對于硬件組態(tài)，使用STEPTV5．4版編程軟件

75、，進入Hardware Configure完成S7-300 PLC(315-DDP)的硬件組態(tài)。選定315-DDP為主站系統(tǒng)，添加到系統(tǒng)文件中的NPBA-12通訊適配器的GSD文件作為從站，連接到Profibus-DP網(wǎng)上，并選定使用的PPO類型，設定站點網(wǎng)絡地址,保存編譯并退出Hardwre Configure環(huán)境。組態(tài)電路如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1 PLC的硬件組態(tài)</p>

76、<p>　　圖中選用CPU 315-2DP，其自帶Profibus-DP接口，同時滿足所需的控制要求。組態(tài)中包含三個數(shù)字量輸入模塊，一個數(shù)字量輸出模塊和一個模擬量輸出模塊。用NPBA-12通訊適配器與Profibus-DP網(wǎng)連接在一起，適配器相當于變頻器。</p><p>　　4.2.2 軟件流程圖</p><p>　　造紙機控制系統(tǒng)包括軟件和硬件兩個部分，前面已介紹硬件電路

77、原理圖，下面介紹軟件流程圖。如圖4-2所示，造紙機的控制程序編寫主要包括初始化，加速、減速、啟動、停止、爬行。具體詳情后面會介紹。</p><p>　　本設計的程序包括主程序塊OB，數(shù)據(jù)塊DB，功能塊FC。程序包含啟動程序、停止程序、加速程序、減速程序、爬行程序與通訊程序。通訊程序主要是用來交換PLC與通訊適配器之間的指令數(shù)據(jù)，使PLC很好的控制變頻器，使得電動機能很好工作。</p><p&g

78、t;　　4.2.3 PLC的軟件編程</p><p>　　符號表：為了編程方便，這里編輯了符號表，對于八臺需要控制的傳動電機與八臺風扇電機,對于傳動電機包括五個需要控制的操作，即加速、減速、啟動、停止、爬行。對于各個電機的控制點如圖4.3所示。</p><p>　　圖 4.3 符號表</p><p>　　電機的啟動程序，這里采用通訊控制，將控制啟動指令47F發(fā)送到

79、數(shù)據(jù)模塊DB1中，由通訊程序負責將數(shù)據(jù)塊中的指令數(shù)據(jù)發(fā)送到變頻器的通訊適配器中，由變頻器執(zhí)行相關(guān)指令。同時通訊模塊還負責將變頻器中的指令數(shù)據(jù)反饋給PLC，實現(xiàn)PLC與變頻器之間數(shù)據(jù)的實時交換。啟動程序如圖4.4所示。</p><p>　　圖4.4 電機的啟動程序</p><p>　　與電機的啟動類似，使用專用指令代碼十六進制數(shù)447，有數(shù)據(jù)模塊將其發(fā)送到ABB變頻器的專用通訊適配器中，控

80、制變頻器的停止操作。</p><p>　　圖4.5 電機的停止程序</p><p>　　數(shù)據(jù)模塊是PLC與變頻器之間的通訊媒介，存放著PLC與變頻器之間的交換數(shù)據(jù)，F(xiàn)C模塊功能的實現(xiàn)則是通過調(diào)用DB模塊中的數(shù)據(jù)，或者將數(shù)據(jù)賦到數(shù)據(jù)塊中，再有數(shù)據(jù)塊將其轉(zhuǎn)送給變頻器。數(shù)據(jù)塊如圖4.6所示。</p><p>　　圖4.6 數(shù)據(jù)模塊DB</p><p

81、><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本文依據(jù)造紙機的工藝要求，結(jié)合自動化所學知識，設計了一套基于PLC的造紙機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用PLC與變頻器之間的通訊控制，實現(xiàn)對三相交流電機的起動、加速、減速與爬行控制。同時考慮對工作電極的散熱，系統(tǒng)加進了一個風扇電機。相對于傳統(tǒng)造紙機械，本系統(tǒng)具有操作簡便，成本低廉，自動化程度高等優(yōu)點。</p><p>　　

82、設計雖然完成了，但我只是掌握了傳動系統(tǒng)中很少的一部分知識，還有很多深奧的專業(yè)知識等著我們?nèi)ネ诰?、去探索、去學習。我也將會在今后的工作學習中不斷充實自己，不斷完善自己的專業(yè)知識，為自身的發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。由于所學知識和時間有限，加上缺乏實踐經(jīng)驗，在設計過程中難免出現(xiàn)錯誤，敬請各位老師批評指正。</p><p><b>　　謝 辭</b></p><p>　　光陰似箭，

83、四年的大學生活轉(zhuǎn)眼即逝，經(jīng)過大四下學期精心準備，我終于完成了屬于自己的畢業(yè)設計。畢業(yè)設計的工作并不輕松，壓力時時襲攏，知識的匱乏，致使我埋頭啃書，向同學請教，向老師尋求意見，才完成這套設計，這其中的酸甜苦辣值得我用一生慢慢品嘗的。在這里需要感謝的人很多，是他們讓我在學習與做人方面有了很大的成長。</p><p>　　首先我要感謝我的指導老師**老師，我能夠順利完成畢業(yè)設計離不開他的細心指導，從論文的選題、修改直到

84、完成，老師給予了我悉心的指導與幫助。感謝他在繁忙的工作之余，擠出時間對我的畢業(yè)設計提出寶貴的意見。在此，向老師致以最誠摯的謝意。同時我還要感謝我的父母，是他們的支持讓我完成了四年的大學學習生涯，讓我擁有足夠的知識完成這次畢業(yè)設計，另外我還要感謝我的同學，是他們在我畢業(yè)設計遇到困難時給予我及時的幫助，對我畢業(yè)設計的完成功不可沒。</p><p>　　這次設計工作使我受益匪淺，讓我對以前所學關(guān)于變頻器、PLC等方面的

85、知識有了一個全新的了解，并懂得如何將所學知識與實際結(jié)合在一起，也進一步激發(fā)了我深入學習的興趣。</p><p><b>　　[參考文獻]</b></p><p>　　[1]鄒哲明．化機漿主體設備技術(shù)性能的研究[J]．中國造紙學報，2005(增下)：303～307</p><p>　　[2]李方圓.西門子S7-200的設計與應用[J].自動化博覽

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