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1、基于PLC的造纸机控制系统设计毕业设计 基于plc的交通信号灯控制系统设计_职业技术学院 毕 业 设 计 （论 文） 题目名称： 姓 名： 所在分院： 专业班级： 指导教师： 年 月 日 目 录 引言 1 1.1 造纸机控制系统设计目的与意义 3 1.2 造纸机控制系统的研究现状 3 1.3 本文的主要内容 4 2 造纸机控制系统 5 2.1 造纸机控制系统要求 5 2.2 造纸机控制系统的方案 6 3 控制系统的硬件电路设计 7 3.1 硬件系统组成 7 3.1.1 硬件电路主要器件 7 3.1.2 硬件电路的工作原理 8 3.2系统硬件原理图 12 3.2.1系统电机部分原理图 12 3.
2、2.2 PLC与变频器连接的硬件电路 14 3.2.3 PLC的模块电路 17 4 系统软件设计 21 4.1 系统软件设计的介绍 21 4.1.1 Step7软件内容 21 4.1.2 添加通讯适配器 21 4.2 系统硬件组态与软件编程 22 4.2.1 系统硬件组态 22 4.2.2 软件流程图 22 4.2.3 PLC的软件编程 23 结 论 26 谢 辞 27 参考文献 28 附录1：系统控制原理图 29 附录2：PLC原理图 30 基于PLC的造纸机控制系统的设计 摘要 造纸业是与社会文明和经济发展息息相关的基础原材料产业,目前国内造纸业自动化水平与国外存在着一定差距，因此造纸系统
3、的设计对造纸业来说至关重要。本文设计了一套基于PLC的造纸机控制系统，系统以S7-300 PLC作为控制核心，以ABB变频器作为驱动单元，三相交流电机作为执行单元,由PLC通过Profibus-DP网络与变频器之间的通信完成各传动点的启动、停止、加速、减速、紧纸等操作。论文介绍了国内外造纸行业的发展历程，根据造纸机的控制要求确定了系统的控制方案；设计了控制系统的硬件电路图，介绍了其工作原理，并进行了元器件的选型；基于编程软件Step7完成了系统的硬件组态以及控制程序的编写。本文设计的基于PLC的造纸机控制系统，结构简单，成本低，控制方便。 关键词 造纸机；变频器；通讯控制；组态；Profibu
4、s-DP 引言 1.1 造纸机控制系统设计目的与意义 本次课题主要研究的是基于PLC的造纸机控制系统的设计。通过对造纸机控制系统的研究与设计，我可以了解造纸机传动的工艺要求、各个传动点的交流电机具体工作情况，系统硬件参数选择的依据，以及交流变频调速系统在造纸机传动控制系统中的应用。同时掌握PLC与变频器的控制方式，软硬件的配合调节交流电机的转速，培养我个人对知识的理解和使用，理论与实际结合以及对于处理细节问题方面 的能力。 目前，我国造纸业存在许多问题，诸如造纸技术设备陈旧、水平落后、现代技术含量低等等。本课题的设计，可以在一定程度上改善这些问题，提高造纸机械的装备水平，加强造纸机械加工能力和
5、电气控制的能力。同时，就我个人而言，对本课题的设计可以培养自己分析与解决问题的能力，同时也能对工业生产中运用到的如：电动机、变频器、PLC、通讯技术、现场总线、操作屏等有更深一步的理解，对于电动机的控制方法及运用了解的更为深入。 1.2 造纸机控制系统的研究现状 随着人们对纸和纸板及其制品品种多样化的要求和消费量日益增长, 造纸工业面临的主要问题仍是纤维原料的来源, 节约能源,降低污染, 设备的大型化、高速化、自动化等1。造纸工业只有在解决这些问题的过程中才能得到发展, 制浆技术和造纸技术的进步也无不紧紧围绕上述问题而发展着。目前，我国造纸工业的特点是：产业结构不合理、产业集中于劳动力密集型、
6、技术密集型、产品明显落后于发达工业国家、生产要素决定性作用正在削弱、产业能源消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源破坏力大、企业总体规模偏小、技术创新能力薄弱、管理水平落后等。近十几年以来，随着我国国民经济的不断发展和人民生活水平的日益提高，我国造纸工业也取得了快速的发展。我国造纸工业国际化、集中化、专业化的格局已初步形成，而且国内许多造纸企业引进了很多国外先进的技术装备，国内许多大的造纸企业已经完全与国际接轨。这都是我国造纸工业国际化的趋势。各个造纸企业都在向生产名牌专业产品而努力。但是从世界范围看，早期是基于经验的应用常规调节仪表的简单控制阶段，但由于纸机传动在生产中的特殊重要地位,如
7、今造纸机电气传动控制的一般配置由PLC控制单元、变频器单元等组成2，现在则是越来越多的基于PLC等稳定可靠先进控制器的控制系统，造纸工业正在飞速发展，在欧美等发达工业国家，车速更快的高速造纸机已在大量推广使用3。因此全面提升我国造纸行业整体的管理、装备和自动化水平，使我国造纸行业进入低污染、低消耗、高效益的强国之列。 1.3 本文的主要内容 本文设计的基于PLC的造纸机控制系统共有网部、真空、主压、大缸、一烘、二烘、压光、卷取八个传动点需要控制，其控制方案是以S7-300 PLC作为系统的控制中心，ABB 变频器为驱动单元，三相交流电机作为执行单元，同时由PLC通过Profibus-DP网络与
8、变频器之间的通信完成各传动点的启动、停止、加速、减速、紧纸操作。依据该控制方案，本文主要工作如下： （1）造纸机控制系统的控制要求以及控制方案，主要是利用S7-300PLC与ABB变频器之间的通讯控制，完成对传动点电机的各项操作。 （2）系统硬件电路的介绍，包括硬件电路图的工作原理以及图中的变频器、传动电机、SIMATIC S7 PLC等的选型、原理。 （3）系统软件的设计，在Step7环境下的的硬件组态，符号表的编辑，数据模块的编写，传动控制模块程序的编写等。 最后是对本文设计的造纸机控制系统做了一个总结。 2 造纸机控制系统 2.1 造纸机控制系统要求 传统的造纸机的主要传动点分别为：真空
9、伏辊、驱网辊、导网辊、真空吸移辊、毛毯压榨、传递压榨、烘缸、压光机和卷纸机等。根据造纸机型号与传动速度不同，其传动点个数有多有少。本文设计的造纸机控制系统所需控制的传动点主要由网部、真空、主压、大缸、一烘、二烘、压光、卷取。要求控制各传动点的转速使得生产的纸质平滑无褶皱，同时对于传动点的启动、停止、爬行、加速、减速等操作做到同步控制，避免造成生产的纸质不符合要求。造纸及工艺流程图如图2.1所示。 网部（真空） 压光 二烘 大缸 一烘 主压 卷取 图2.1 造纸机工艺流程 表2.1 八个传动点参数 传动点序号 传动点名称 传动点功率 1 网部 60KW 2 真空 45KW 3 主压 35KW 4
10、 大缸 25KW 5 一烘 35KW 6 二烘 30KW 7 压光 25KW 8 卷取 25KW 9 风扇电机 20KW 在图2.1所示工艺流程下，各传动点的功率参数见表2.1。八个传动点均采用三相交流变频电机驱动，另外八台驱动电机的风扇电机则使用统一功率22KW的交流电机。 2.2 造纸机控制系统的方案 对于工业机械设备的控制技术，其发展阶段大体为人工控制阶段、模拟仪表控制系统阶段、计算机集中式数字控制系统阶段、集散式控制系统阶段和现场总线控制系统阶段4。本次设计的基于PLC的造纸机控制系统主要利用PLC与变频器之间的通讯控制 ，实现PLC对三相交流电机的各项操作。主要控制方法是以S7-30
11、0 PLC作为系统的控制中心，ABB 变频器为驱动单元，三相交流电机作为执行单元，同时由PLC通过Profibus-DP网络与变频器之间的通信完成各传动点的启动、停止、加速、减速、紧纸操作。用Protel 99se绘制控制系统的电路原理图，完成硬件的选择，原理的理解。在Step7 V5.5环境中完成系统的硬件组态与系统的控制程序的编写。这里采用Profibus-DP主要是因为PROFIBUS-DP现场总线介绍现场总线控制是应用于工业现场、连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通讯网络，其总线标准是开放的、不依赖生产厂家通信系统标准5。总体控制方案见图2.2所示。 图2.2
12、 系统控制方案图 3 控制系统的硬件电路设计 3.1 硬件系统组成 3.1.1 硬件电路主要器件 本次设计的基于PLC的造纸机控制系统包括八个传动点，每个传动点采用变频器控制交流电机的转速，实现传动点的启动、停止、增速、减速、爬行操作。现主要介绍其中一个传动点的设计。设计中涉及到的主要硬件包括变频器，PLC，三相交流变频电机，电源模块。现将这些硬件 的工作原理先做如下介绍。 变频器：变频器包涵控制电路、整流器、中间电路、逆变器。变频器完成对主电路的控制，将信号传给整流器、中间电路和逆变器，同时接受来自这些部分的信号；整流器与单相或三相电源连接，产生脉动的直流电压，将交流变换为直流；直流中间电路
13、对整流电路的输出进行平滑滤波。将整流电压变换成直流电流，使脉动的直流电压变得稳定平滑，供逆变器使用；逆变器产生电动机电压的频率，逆变电路将直流电再逆变为交流电。 PLC：PLC由输入输出模块，中央处理单元，电源不见和编程器组成6。输入输出模块用来连接外围设备，接受外围信号并转换成CPU可处理信号，然后输出；中央处理单元用来处理接收的信号，包括微处理器，系统程序存储器和用户存储器；编程器用来完成人机对话；电源不见则用来给PLC各模块供电。本次设计的基于PLC的造纸机控制系统使用的是SIMATIC S7-300PLC。SIMATIC S7系列PLC是德国西门子公司在S5系列PLC基础上于1995年
14、陆续推出的性能价格比较高的PLC系统，其中，微型的有SIMATIC S7-20_系列，最小配置为8DI/6DO，可扩展2到7个模块，最大I/O点数为64DI/DO、12AI/4AO；中小型的有SIMATIC S7-300系列；中高档的有S7-400系列。SIMATIC S7系列PLC都采用了模块化、无排风扇结构且具有易于用户掌握等特点，使得S7系列PLC成为各种从小规模到中等性能要求以及大规模应用的首选产品。 三相交流电机：三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。我们知道，但相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度的，三相异步电
15、动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120度，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场，其产生的过程分四个时刻来描述旋转磁场的产生。电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周，即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的。旋转磁场的转速为： ，式中 为电源频率、 是磁场的磁极对数、 的单位是：每分钟转数。根据此式我们知道，电动机的转速与磁极数和使用电源的频率有关，为此，控制交流电动机的转速有两种方法：1、改变磁极法；2、变频法。以往多用第一种方法，现在则利用变频技术实现对交流电动机的无级变速控制。 3.1.2 硬件电路的工作原理 本次设计的基于PLC的造纸机控制系统，运用
16、变频器三相异步交流变频电机。主要涉及到变频调速等相关原理，现做如下介绍。 现场总线技术：现场总线作为计算机技术、通信技术、仪表技术以及控制技术高度集成与综合的产物,已成为当今自动化领域技术发展的热点之一。它是连接智能现场设备和自动化系统的全分散、数字式、双向、多变量、多站的通信网络7。在众多现场总线标准中,过程现场总线(PROFIBUS)以其国际化、开放式,高灵活性与高可靠性等优势,在过程自动化、制造自动化、_宇自动化等领域内得到广泛的应用。 PLC与变频器的通讯控制：ProfibusDP通讯协议的数据电报结构分为协议头、网络数据和协议层。网络数据即PPO消息类型，包括参数值PKW及过程数据P
17、ZD，ABB ACS550系列变频器共有五种PPO类型可供选择。每种类型包括控制字（PKW）过程数据（PZD）。控制字（PKW）是变频器运行时要定义的参数，如启动信号、给定频率等；过程数据（PZD）是变频器运行过程中要返回给PLC的一些参数，如频率给定值、速 度反馈值、电流反馈值等。 1)PKW的第一个字为控制字，用来控制变频器的启动和停止。通过网络通讯来控制变频器的起停与非网络控制方式有所不同，非网络控制变频器起停只需要一个启动或停止命令即可，而用网络控制时需要先后发送两个控制命令，第一个为变频器的“准备信号”，收到这个信号变频器便处于“软合闸”等待状态，并不运行；第二个命令为启动信号，收到
18、这个命令后变频器才会按照给定的频率开始运行。 2)PKW的第二个字为频率给定，变频器的频率就是通过这个字来设置的，其对应关系为十进制020_00对应频率050 HZ，线型的对应关系。例如需要变频器运行于25HZ,给定值应为10000；需要变频器运行于35HZ,给定值应为14000；需要变频器运行于50HZ,给定值应为20_00。PZD状态字和PKW控制字有所不同，PKW控制字是固定的，不可更改，PPO4模式中第一个PKW为控制字，第二个PKW为频率给定。 3）PZD状态字则是非固定的，需要自己定义，PZD状态字可以反映出变频器的：本地/远程模式、变频器的当前电流、变频器的输出电压、变频器的连续
19、运行时间、电机的实际转速（R/MIN）等等实际运行参数，需要什么参数就定义什么参数，通过PLC程序中调用SFC14读回即可，非常灵活。PPO类型如图3.1所示。 图3.1 PPO类型 变频调速：交流变频调速与直流调速系统相比，具有容量大、方便维护、节约耗能以及价格便宜等优点8。在一台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压，该电压将产生一个旋转磁场，其速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时，位于该磁场中的转子绕组将切割磁力线，并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电流，而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力，即转矩，使转子跟随旋转磁场旋转。当将三相异步电动机绕组的任意两相进行交换
20、时，所产生的旋转磁场的方向将发生改变。因此，电动机的转向也将发生改变。异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机的同步转速，其同步转速由电动机的磁极对数和电源频率所决定： （3-1） 其中 电机同步转速； 供电电源频率（Hz）； 电机定子磁极对数。 异步电动机的转速总是小于其同步转速，异步电动机的实际转速可由下式给出： （3-2） 式中 电机实际速度； 转差率（同步电动机时，s=0）。 由式（3-2）可知，改变参数f和s中的任意一个就可以改变电动机的转速，即对异步电动机进行调速控制。因此可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动机的调速。从某种意义上说，变频器就是一个可以任意改变频率的交流电源。在
21、电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量m，为额定值不变。磁通太弱，没有充分利用电机的磁心，是一种浪费；若要增大磁通，又会使磁通饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。对于直流电机来说，励磁系统是独立的，所以只要对电枢反应的补偿合理，保持m不变时很容易做到的。在交流异步电机中，磁通是定子和转子合成产生的。 三相异步电机定子每相电动势为： (3-3) 式中 气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值； 定子频率； 定子每相绕组串联匝数； 基波绕组因数； 每相气隙磁通量。 由公式可知。只要控制好 和 便可以控制磁通 不变。需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况： 基
22、频以下调速：即采用恒定的电动势。由上式可知，要保持 不变，但频率 从额定值 向下调节时，必须同时降低 。然而绕组中的感应电动势是难以控制的，但电动势较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 ，则得 常值。低频时， 和 都较小，定子阻抗压降所占的份量都比较显著，不能再忽略。这时,可以人为的把电压U抬高一些，以便近似的补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性为 线，无补偿的为 线。如图3.2所示。 端子相电压 频率 图3.2 基频以下调速恒压频比控制特性 基频以上调速：在基频以上调速时，频率可以从 往上增加，但电压 与频率成反比的降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。 把基频以
23、下和基频以上两种情况合起来，可得到异步电机的变频调速特性，如图3.3。如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，则电动机都能在温升容许的条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。在基频以下，属于“恒转矩调速”，而在基频以上，基本上属于“恒功率调速”，所谓恒功率调速就是机械调速时，通过改变传动比，改变负载的速度，而电机的额定转矩、额定速度不变；电机的额定转矩、额定速度不变，即电机的额定功率不变。恒功率调速时，负载可以获得成千成百倍的力矩或动力9！恒功率调速机械特性如图3.3所示。 恒转矩调速 恒功率调速 定子电压 频率 图3.3 基频以上调速异步电动机的变频调速控制特性 3.2系统硬件原理图 3.
24、2.1系统电机部分原理图 本部分系统硬件组成包括：变频器、断路器、继电器、接触器、PLC单元、风机系统、电动机、指示灯等。变频器是变频调速的核心，也是构成大型复杂传动系统的基本单元，实际上就是把固定电压，固定频率的交流变换成可调电压和频率的交流电的变换器。变频调速系统的组成和控制结构依然可以仿照直流系统的形式分为电源，反馈和控制三大部分。只不过人们习惯上把交流到直流的变换称为整流，把直流到交流的变换称为逆变。因此，变频调速系统就是由逆变单元或逆变器，反馈系统，调节控制单元组成的一个交流电机调速系统。 原理图如图2-4所示。图中L1、L2、L3为交流母线，N为中性线，为系统工作提供交流电，由断路
25、器控制系统与电网的接通与断开。H01为系统的电源指示灯。NPBA-12通讯适配器用来连接变频器与Profibus-DP网络。H02与H03分别是电机运行与停止的指示灯。电源模块MAF用来将交流电转换成直流电，给通讯适配器NPBA-12供电。风扇电机用来给传动点驱动电机散热，保证驱动电机在不同转速下拥有相同的散热效果。继电器KM1则保证了驱动电机与风扇电机的同步启动与停止。 图3.4 控制系统原理图 本部分采用的是变频调速，利用变频器控制三相交流变频电机，实现转速的调控。其中电路中各器件的工作原理作如下简介。 ABB ACS550变频器：ACS550变频器安装于一个拼装柜内，门上装有控制盘安装组
26、件及状态指示灯，柜体内配置了电源输入熔断隔离开关，含快速ACS550变频器安装于一个拼装柜内，门上装有控制盘安装组件及状态指示灯，柜体内配置了电源输入熔断隔离开关，含快速熔断器，并配有操纵手柄，具有隔离和短路保护双重功能；同时还配置进线接触器，控制逻辑回路等所需的设备，以利于系统更安全、可靠的运行柄，具有隔离和短路保护双重功能；同时还配置进线接触器控制逻辑回路等所需的设备，以利于系统更安全、可靠的运行。 ABB ACS550变频器的调速：ACS550是ABB公司标准型的无传感器矢量控制全数字交流变频器，它能够没有光码盘或测速电机的反馈的条件下，精确控制任何标准鼠笼电机的速度和转矩。ACS550
27、标准变频器模块从0.75KW至110KW所有功率范围都是IGBT功率模块，并且在变频器内部设置了直流摆式电抗器（0.75KW-37KW）或进线电抗器(45KW-110KW)，从而有效地抑制了高次谐波对电网的影响；ACS550紧凑型的设计已经标配了适用于第一及第二环境的RFI滤波器，而无需任何额外的外部滤波器就可满足EMC标准；ACS550还内置了使用RS485协议的Modbus接口，可以很方便地与PLC或计算机通讯。同时ACS550内部还可以安装三种类型的可选模块：I/O扩展模块、现场总线适配器、脉冲编码器接口模块等。在大多数应用中，ACS550所具有的磁通制动功能可以满足系统快速停车的应用需
28、要；如果系统需要频繁起制动或长时间制动，ACS550也可内置制动斩波器（可选）和制动电阻以实现有效的制动功率。ACS550变频器满足多种应用要求，从最简单的到最复杂要求的应用。 断路器F01：作用是用来进行电能的分配，给变频器配电，将变频器与交流母线进行接通与切断。对电动机、变频器等下属电路进行保护，具有过载、短路、欠电压的等保护功能，是配电电路的保护器件。在本控制系统中交流母线的三相电通过断路器F01配送给变频器供变频器工作和电量控制转换。在变频器、电机所在回路出现上述故障时断路器F01将自动切断供电电路，从而起到了对所在电路的保护作用。 风扇电机：用于传动点拖动的电机降温的，防止电动机因工
29、作功率过高产生热量过多不能及时散掉而烧坏电机。一般电机自身带有散热用的风扇，在电机工作功率不大时，其自身风扇就能满足散热要求，不需外加风机帮助散热。在本系统中，电机的功率较大，本身风扇不能满足散热要求，所以借助外部风机来帮助散热。对电机之间同步控制，有些情况下采用无线传感器控制方式，这种方式方便性能好，但对于本系统性价比不高10。不少电机的速度控制都采用并行同步控制方式，即将每个传动点的电动机都作为一个独立地速度控制对象来对待，这样就可以通过控制每个独立子系统的电动机速度，使每个电动机都工作在自己的设定速度上，彼此不相互影响，各自速度都收速度参考值控制11。 电源模块：电源模块是可以直接贴装在
30、印刷电路板上的电源供应器，其特点是可为专用集成电路（ASIC）、数字信号处理器(DSP)、微处理器、存储器、现场可编程门阵列 (FPGA) 及其他数字或模拟负载提供供电。模块式结构的优点甚多，因此模块电源广泛用于交换设备、接入设备、移动通讯、微波通讯以及光传输、路由器等通信领域和汽车电子、航空航天等。本设计中涉及到给通讯适配器NPBA-12供电，在参考其使用参数的情况下，设计中选用的电源模块型号为MAF150-220S24。 3.2.2 PLC与变频器连接的硬件电路 PLC与变频器之间存在两种控制方式。第一，硬接线的方式，即模拟量控制或数字量控制，变频器自带的DI,DO,AI,AO口子与PLC
31、的DI,DO,AI,AO通过线连接起来。实现方法大体就是通过编程控制PLC的DO模块输出，为变频器提供一对干触点（无源触点），再用这对干触点来驱动变频器的启动，停止或者电动等。然后PLC的AO模块输出4-20mA等模拟信号连接到变频器的AI口子实现一个模拟给定控制变频器输出频率达到调速的目的。变频器的DO口子可以输出一些如运行、故障等状态信号接入PLC的DI模块，当然也有变频器的AO口子输出如变频器的频率、温度、电流等4-20mA模拟信号进入PLC的AI模块；第二，通讯的方式，而通讯的方式呢现在最常见的是Profibus-DP的方式。这需要变频器支持这种通讯方式，一般是需要附加订一个DP通讯板
32、（硬件）安装在变频器上面，当然也有通讯板外置然后通过光纤与变频器的控制单元连接的如ABB的NPBA-12通讯模块。PLC与变频器之间连接好DP通讯线缆，其他不需要任何硬连接的线了。那么接下来的工作就是通过PLC编程来控制变频器了。采用方式一这种机械的硬件方式实现各传动点速度的同步控制，存在各方面的问题：首先，这种方式其动力只来源于一台总电动机，其次机械的东西在运行时考虑到结构的复杂，该方式会给灵活性带来限制，最后就是这种硬件方式的连接会使系统整个的使用寿命受到影响12。本次设计采用的是通讯控制方式，因为模拟量控制或数字量控制通过PLC开关量启动变频器，通过模拟量信号控制变频器输出频率。此方法优
33、点是编程简单，缺点是硬件投入比较贵。通讯控制通过通讯模式控制变频器启停以及频率给定，此方法是编程复杂，不同变频器的通讯格式不一样。 如原理图所示，本部分包括SIMATIC S7-300 PLC，ABB ACS550变频器，Profibus-DP网，以及PLC的CPU与信号模块。断路器F04控制PLC的电源模块与电网之间的供电通断，选择接入一相交流电。PLC的CPU模块选用315-2DP，其自带总线接入接口，无需接转换模块。 图3.5 硬件电路概图 图中PLC与八台变频器之间通过Profibus-DP网连接在一起，PLC与变频器之间采用通讯控制变频器与总线之间有一个通讯适配器NPBA-12.变频
34、器选用ABB ACS550变频器，PLC则选用SIMATIC S7-300PLC。各器件模块详细介绍如下。 S7-300PLC：德国西门子公司的可编程控制器（PLC）继S5系列后 ,90年代初又研制出S7系列 ,并获得巨大成功13。S7系列在功能和使用上比5系列有了很多改进 ,性能价值比更优 ,它主要包括S7-20_、S7-300、S7-400三种产品。其中SIMATIC S7-300PLC是一种通用型的PLC，满足中、小规模的控制要求，适用于自动化工程的各种场合，尤其是在生产制造工程中的应用12。模块化、无排风结构、易于实现分布式的配置以及用户易于掌握等特点，使得S7-300在很多工业行业中
35、实施各种控制任务，成为一种既经济又符合实际的解决方案。 Profibus-DP：Profibus-DP的DP即Decentralized Periphery。用于自动化系统中单元级控制设备与分布式I/O的通信14。它具有高速低成本的优点。PROFIBUSDP协议还明确规定了用户数据怎样在总线各站之间传递，但用户数据的含义是在PROFIBUS行规中具体说明的。另外，行规还具体规定了PROFIBUSDP如何用于应用领域。使用行规可使不同厂商所生产的不同设备互换使用，而工厂操作人员毋须关心两者之间的差异。 3.2.3 PLC的模块电路 电路数字量输入模块原理图如下。本部分电路包括SIMATIC S7
36、-300的三个数字量输入模块、一个电源模块。电源模块MAF用来给三个数字量输入模块所接的开关供电。 图3.6 数字模块1 本数字输入模块主要负责电机1到电机3的起动、停止、加减速等控制，即真空、网部和主压三个传动点的控制。为16个输入点的数字输入模块。 图3.7 数字模块2 本数字输入模块主要负责控制一烘、二烘、大缸三个传动点驱动电机的启停、加减速、爬行操作控制。与SM01一样，为16点输入的数字输入模块。 图3.8 数字模块3 本数字输入模块SM03与SM01、SM02一样，为16点输入的数字输入模块，用来控制压光、卷取两个传动点的驱动电机的启停、加减速、爬行操作的控制。下面对数字输入模块功
37、能做详细介绍。 本系统一共包括八台电机，每台电机包涵启动、停止、加速、减速、爬行五种操作，使用PLC的开关量控制电动机实现这些功能，故共需要40个输入点。在此选用3个16点输入的数字输入模块来满足控制功能的需要。各选用模块具体介绍如下。 PLC数字量输入模块：这里选用SIMATIC S7-300系列的数字输入模块，型号为6ES7 321-1BH50-0AA0。数字输入模块用来实现PLC与数字量过程信号的连接，把从过程发送来的外部数字信号电平转换成PLC内部信号电平，用于连接工业现场的标准开关和两线接近开关（BERO）。 系统PLC模拟量输出与数字量输出模块原理图如图3.9、图3.10所示。 图
38、3.9 数字输出模块 本模块SM04为8点输出数字输出模块，在不考虑裕量的情况下是满足控制要求的。八点输出接八个继电器线圈，用来控制八个传动点的风扇电机与驱动电机的同步启动与停止。 图3.10 模拟输出模块 本模块SM05为八点输出的模拟输出模块，用来外接八个数显表，显示八台驱动电机的转速，方便人工直观观察控制各传动点的转速。下面对着两模块做详细介绍。 图中包括PLC的数字输出模块与模拟输出模块。考虑到八台电机转速需要通过数显表显示出来，此处选用一个8点输出的模拟输出模块，用来连接数显表，显示电机转速。同时为控制驱动电机在不同转速下风扇电机拥有相同的散热效果，此处选用一个8点输出的数字输出模块
39、， 接入八个继电器，用来控制风扇电机与驱动电机的同步启动与停止，但风扇电机转速却不受驱动电机影响。各模块的原理介绍如下。 数字量输出模块：数字量输出模块用于从控制器向过程变量输出数字信号，吧S7-300的内部信号电平转换成过程所要求的外部信号电平，用于连接电磁阀、接触器、小功率电机、灯和电机启动器。在与低漏电流的电路一同使用时，网络可以断开，不会发出假的ON状态信号。当负载较小时，输出可以直接驱动，但大电流负载，需要经过中间继电器进行转换，用中间继电器的触点进行驱动。为了提高系统的抗干扰能力与工作可靠性，通常也都采用光耦合隔离的措施，同时还设计有各种滤波电路等。这里参考系统要求选用型号为6ES
40、7 322-1HF01-0AA0的数字量输出模块。 模拟量输出模块：模拟量输出模块将PLC的数字信号转换成过程所需要的模拟信号，用于连接模拟量执行器，对其进行调节和控制。本次设计的系统中模拟量输出模块选用型号为6ES7 332-5HF00-0AB0。 数显表：本设计选用数显表为HLP2B-80，数显表是一种用于显示的电子仪表，目前在各行各业均有应用，因为其显示数据精确而且一目了然，所以在很多场合下已经代替了指针式仪表。应用范围：配电箱，工业自动化，自动化变电站，_宇自动化。由于要显示驱动电机的转速，故系统中需要使用到数显表。依据造纸机系统的要求此处选用型号为HLP2B-80的数显表，经济实用，
41、能很好满足要求。 4 系统软件设计 4.1 系统软件设计的介绍 4.1.1 Step7软件内容 本系统依靠Protel完成硬件原理图的绘制，而软件部分，使用软件Step7完成对S7-300PLC的编程和Profibus-DP网的组态以及通讯配置。 STEP 7编程软件用于西门子系列工控产品包括SIMATICS7、M7、C7和基于PC的Win AC的编程、监控和参数设置，是SIMATIC工业软件的重要组成部分。具有硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。本次设计使用到的是Step7 V5.5版本，使用其强大功完成对本系统的软件设计 PLC和变频器控制系统
42、采用了ProfibusDP现场总线控制模式后，不但整个系统接线简单，而且运行稳定，操作简便，反馈的信息全面，可实时掌握电机的各种状态信息，可根据现场的工艺要求在后台随时修改参数，大大减少了人力和物力资源，真正实现了“分散控制，集中管理”。它可以实现现场设备层到车间监控的分散式数字控制和现场通信网络，为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了切实可行的解决方案15。 4.1.2 添加通讯适配器 STEP7编程软件环境下的硬件组态与编程准备工作：确定系统所需的SIMATIC S7-300 PLC所使用模块的具体型号，包括数字输入模块，数字输出模块，电源模块，CPU模块，模拟量输出模块。另外系统中涉
43、及的通讯适配器NPBA-12也需要添加到系统中。即将NPBA-12的GSD(设备数据库)文件，文件名为ABB_6012.GSD)导人STEP7的编程环境中，为后面的相关工作做好准备。 4.2 系统硬件组态与软件编程 4.2.1 系统硬件组态 本系统采用S7-300PLC，ABB ACS550变频器组成控制系统，对于硬件组态，使用STEPTV54版编程软件，进入Hardware Configure完成S7-300 PLC(315-DDP)的硬件组态。选定315-DDP为主站系统，添加到系统文件中的NPBA-12通讯适配器的GSD文件作为从站，连接到Profibus-DP网上，并选定使用的PPO类
44、型，设定站点网络地址,保存编译并退出Hardwre Configure环境。组态电路如图4.1所示。 图4.1 PLC的硬件组态 图中选用CPU 315-2DP，其自带Profibus-DP接口，同时满足所需的控制要求。组态中包含三个数字量输入模块，一个数字量输出模块和一个模拟量输出模块。用NPBA-12通讯适配器与Profibus-DP网连接在一起，适配器相当于变频器。 4.2.2 软件流程图 造纸机控制系统包括软件和硬件两个部分，前面已介绍硬件电路原理图，下面介绍软件流程图。如图4-2所示，造纸机的控制程序编写主要包括初始化，加速、减速、启动、停止、爬行。具体详情后面会介绍。 初始化 逻辑
45、控制 加减子程序 速度连比计算 Y 加减速？ 速度控制 通讯 图4.2 软件编程流程图 本设计的程序包括主程序块OB，数据块DB，功能块FC。程序包含启动程序、停止程序、加速程序、减速程序、爬行程序与通讯程序。通讯程序主要是用来交换PLC与通讯适配器之间的指令数据，使PLC很好的控制变频器，使得电动机能很好工作。 4.2.3 PLC的软件编程 符号表：为了编程方便，这里编辑了符号表，对于八台需要控制的传动电机与八台风扇电机,对于传动电机包括五个需要控制的操作，即加速、减速、启动、停止、爬行。对于各个电机的控制点如图 4.3所示。 图 4.3 符号表 电机的启动程序，这里采用通讯控制，将控制启动
46、指令47F发送到数据模块DB1中，由通讯程序负责将数据块中的指令数据发送到变频器的通讯适配器中，由变频器执行相关指令。同时通讯模块还负责将变频器中的指令数据反馈给PLC，实现PLC与变频器之间数据的实时交换。启动程序如图4.4所示。 图4.4 电机的启动程序 与电机的启动类似，使用专用指令代码十六进制数447，有数据模块将其发送到ABB变频器的专用通讯适配器中，控制变频器的停止操作。 图4.5 电机的停止程序 数据模块是PLC与变频器之间的通讯媒介，存放着PLC与变频器之间的交换数据，FC模块功能的实现则是通过调用DB模块中的数据，或者将数据赋到数据块中，再有数据块将其转送给变频器。数据块如图
47、4.6所示。 图4.6 数据模块DB 结论 本文依据造纸机的工艺要求，结合自动化所学知识，设计了一套基于PLC的造纸机控制系统。该系统利用PLC与变频器之间的通讯控制，实现对三相交流电机的起动、加速、减速与爬行控制。同时考虑对工作电极的散热，系统加进了一个风扇电机。相对于传统造纸机械，本系统具有操作简便，成本低廉，自动化程度高等优点。 设计虽然完成了，但我只是掌握了传动系统中很少的一部分知识，还有很多深奥的专业知识等着我们去挖掘、去探索、去学习。我也将会在今后的工作学习中不断充实自己，不断完善自己的专业知识，为自身的发展打下坚实的基础。由于所学知识和时间有限，加上缺乏实践经验，在设计过程中难免
48、出现错误，敬请各位老师批评指正。 参 考 文 献 1邹哲明化机浆主体设备技术性能的研究J中国造纸学报，20_5(增下)：303307 2李方圆.西门子S7-20_的设计与应用J.自动化博览，2021年，第06期:25 3杨旭.中国造纸机械制造业现状及发展趋势J.中华纸业，2021，（12）：610 4刘桂雄,冯云庆,申柏华.现场总线与虚拟仪表技术相融合的发展新趋势J.传感器技,;20_2年,第07期:35 5陈静，张丽娜.基于PLC和PROFIBUS现场总线的变频器群控技术应用J科技信息，2021年，第22期:13 6王建平,朱成辉.电气控制与PLCM.北京:机械工业出版社.20_ 7 龙凯.基于PROFIBUS的PLC控制系统的设计研究D.武汉科技大学.2021 8陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统M。