S7200PLC在纸机传动中的应用毕业设计Word文档下载推荐.docx
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1.1概论
电气传动技术以运动机械的驱动装置——电动机为控制对象，以微电子装置为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下完成电气传动自动控制系统，控制电动机的转矩和转速，将电能转换成机械能，实现工作机械的旋转运动或反复运动。
因电机的种类的不同，我们可以将其分为直流电动机传动和交流电动机传动。
自19世纪80年代起至19世纪末，工业上传动用的电动机一直被直流电机垄断，到了19世纪末，出现了三相电源和结构简单且坚固耐用的交流鼠笼型电机以后，交流电机才在调速的领域代替了直流电动机传动装置。
随着生产的不断发展，速度可调节成了电动装置的一项基本要求，并且，除了满足一定的调速范围和连续可调的同时，还必须具有持续的稳定性和良好的瞬态性能。
随着电力电子学与电子技术的发展，使得采用半导体变流调速系统得以实现，70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，现代控制理论的应用，为交流电机拖动系统的发展创造了有利条件，促进了各种类型的交流电机调速系统，如串级调速系统、变频调速系统、无换相器电动机调速系统以及大量控制调速系统等的飞速发展。
1.2交流调速的发展概况
交流调速系统大致经历过以下几个阶段:
（1）异步电动机调压调速系统。
（2）串级调速系统。
（3）变频调速系统。
其中变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是运用最广、最有发展前途的调速方式。
交流电机变频调速系统的种类很多，有电压源型变频器，电流源型、脉宽调制型等各种变频器。
目前变频调速的主要方案有:
交一交变频调速，交一直一交变频调速，同步电动机自控式变频调速系统，正弦波脉宽调制（PSWM），矢量控制、直接转矩控制变频调速等，而且无速度传感技术日益成熟.许名智能技术逐步渗透到其中，如模糊控制、专家系统、神经网络、自适应控制等，与这些控制方式相结合，大大提高了变频器调速系统的控制效果，这些变频器调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平以及电力电子技术的发展水平。
日、美、德、英等国家在结合现代微处理器控制技术、电力电子技术、电机传动技术的基础上，相继推出了一系列的变频器，且不断进行更新换代。
1.3PLC技术的发展概况
第一台可编程控制器（以下简称PLC）的设计规范是美国通用汽车公司提出的。
美国数字设备公司D（EC）于1969年研制成第一台PLC，型号为PDP一14，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了令人满意的效果，从此开创了PLC的新纪元。
在短时间内，PLC在其他工业部门也得到应用。
到20世纪70年代初，食品、金属和制造等工业部门相继使用PLC代替继电器控制设备，迈出其实用化阶段的第一步。
70年代中期，由于大规模集成电路的出现，使8位微处理器和位片处理器相继问世，在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算。
闭环控制，提高了运算速度，扩大了输入输出规模。
70年代末由于超大规模集成电路的出现，使PLC向大规模、高速性能方向发展，形成了多种系列化产品。
进入八九十年代后，PLC的软硬件功能进一步得到加强，PLC已发展成为一种可提供诸多功能的成熟的控制系统，能与其他设备通信，生成报表，调度产出，可诊断自身故障及机器故障。
PLC未来的发展不仅依赖于对新产品的开发，还在于PLC与其他工业控制设备和工厂管理技术的综合。
无疑，LPC将在今后的工业自动化中扮演重要角色。
在未来的工业生产中，PLC技术和机器人、CAD/CMA将成为实现工业生产自动化的三大支柱。
目前PLC朝以下几个方向发展:
（1）大型网络化
（2）多功能（3）高可靠性、好兼容性（4）编程语言向高级语言发展。
1.4变频器在纸机传动中的应用
造纸机对电气传动系统的主要性能要求是线速的稳定性，要求速度长期稳定；
另一点就是速度的可调性及快速响应的特点。
全球一些著名的电气公司象西门子、ABB、东芝、三菱等，在这一领域的开发与研究都取得了巨大成就，使得变频调速技术迅速发展并日渐成熟，它较直流调速系统及其它类型的调速系统有以下3个最突出的特点：
（l）省电节能：
使电耗降低.是因为，一方面是因为交流电机的效率比其它类型的电机都要高；
另一方面，一般的电机控制回路中都有过流，过压，失相等安全保护元件，而“变频器——电机”控制回路则没有这些耗能元件，更不需要像直流源调速系统所必备的励磁电源，变压器等元件。
（2）系统造价低：
同直流传动系统相对比，异步电机的价格要比直流电机的价格低130-350；
另外，技术的发展使得变频器成本逐年下降，现市场价格约为1000元/千瓦，而直流整流设备110kw容量以下平均每套的价格约为21000元。
因此对于纸机电气传动系统，单机容量不超过160kw，在同样装机容量下，交流传动系统的造价要比直流传动系统低5%-15%。
针对中低档纸机来说，装机容量不太大交流调速具有大的价格优势。
（3）维护工作量小：
变频器普遍采用大规模、超大规模集成电路，设有附加的外围元器件，因此从某种意义上说，变频器是免费维护设备.直流电机的维护周期为l个月，而交流电机的维护周期为3个月以上，且维护工作量要小的多。
发展的明显的特征是变频器的体积在变小，同时功能逐渐增强，维护操作更为方便.并开始从模拟量速度链技术，发展到数字化技术使得更为高级的变频器诞生，内部采用模块化的结构，使得参数的配置与修改及各功能的实现乃至连接更为方便，速度链上传递的为数频信号，使系统的抗干扰能力更强，故障的诊断，信号的检查也很方便.数频处理、速度设定、马达控制等模块的链接位置让操作者修改参数比较直观、简洁，同时也进入变频器在纸厂应用发展的第三阶段.
第二章速度链与负荷分配
2.1速度链的定义
在纸机分布式传动中，由于各相邻传动点之间的速度应保持一定的比例，且在车速调整过程中，应满足只影响本级和本级以后的各传动点，而不影响前面各传动的速度，这样每传动点在前一级的基础上可以调整并把速度信号传送给下一级形成一个链式结构，即为速度链。
如何实现速度链是纸机传动中的一个关键性问题，设计时应考虑以下几个方面的因素。
a.精度，速度链一定要满足纸机传动中的精度。
b.稳定性，速度链一定要稳定、可靠、才能保证系统正常运行。
c.操作方便，由于工厂中工人的文化程不一，因此一定要注意操作不能太复杂。
d.性价比，一定要在满足系统性能的基础上尽量降低成本。
2.2速度链的分类
一般来说速度链可分为两类：
a.摸拟式速度链b.数字式速度链
其中数字链其根据操作又可分为按键式，触摸屏式，根椐控制器又可分为速度链控制器式，电动电位器、PLC控制式，工业控制计算机式，但无论是哪一种方式都具有操作方便、准确、抗干扰力强等优点。
由于模拟式速度链存在操作不便，易受干扰等缺陷，因此现在已基本上不使用了，只有在部分小型纸机中还在应用。
下面我们将对两种数字式速度链作以介绍。
（1）电动电位器型的速度链
该速度链的构成如图2-1所示：
它主要利用交流驱动装置本身所具有的数字频率输入功能来解决速度级联问题（如三菱变频器的遥控功能、ABB变频器的电动电位器功能）。
图2-1中只画出了速度增加部分，速度减少部分与此完全相同。
这种速度链的优点在于系统工作可靠，变频器的频率设定直接由数字信号设定，克服了模拟信号易受干扰的缺点。
K01-K0n为AC24V的继电器。
也可以根据用户的要求用PLC来完成以提高系统的可靠性和简化系统结构。
图2-1电动电位器型速度链的构成
（2）基于PLC、工业控制计算机通讯控制的速度链
随着计算机通讯技术的发展，纸机传动控制过程中广泛采用通讯控制方式，利用RS485总线或现场总线CAN总线、Profibus-DP总线与变频器通讯完成纸机传动控制。
传动控制中心一般采用PLC。
速度链控制由PLC内部软件来实现。
软件设计可以有多种方法。
下面介绍一种设计方法说明PLC速度链的软件设计。
（a）速度链结构设计
速度链结构采用二叉树数据结构算法，用于完成传递功能。
首先对各传动点进行数字抽象，确定速度链中各传动点编号，此编号应与变频器内部地址一致。
然后根据二叉树数据结构，确定各结点的上下、左或右编号。
即任一传动点由3个数据（“父子兄”或“父子弟”）确定其在速度链中的位置，填位置寄存器数值。
如图2-2所示。
图2-2位置寄存器示意图
该传动点速度给变频器后，访问位置寄存器，确定子寄存器结点号，若不为0，则对该经点进行相应处理，直到该链完全处理完；
再查兄弟寄存器结点号，处理另一支链。
故只须对位置寄存器初始化，即可构成任意分支速度链。
（b）算法设计
算法设计采用了调节变比的控制方法。
如图2-3所示，纸机第一分部点作为速度链
中的主节点，即它的速度就是整个纸机的工作车速，则其速度调节就调节了整个纸机车速。
图2-3PLC程序速度链原理图
在PLC内，我们检测到车速调节信号则改变车速单元值，1点处的速度就为第一台变频器的运行速度设定值，将其送第一台变频器执行，并送给第二台计算。
第一分部的速度值乘以第二分部的变比b1/a则为第二台变频器的运行值。
若第二分部速度不满足运行要求，说明第二分部变比不合适，可通过操作第二分部的加速、减速按钮实现，PLC检测到按钮信号后调节b1即调整了变比，使其适应生产要求。
任意无级调速。
若正常生产中变比合适，某种原因需要用紧纸、松纸时，按下该分部紧纸、松纸按钮，PLC将对应在速度链上附加一正或负的偏移量则实现紧纸、松纸功能。
图中2点就包含了调速和紧纸、松纸等操作指令的速度值，将它送给第二台变频器执行，同时送下一级计算。
依此类推，构成速度链控制系统。
2.3负荷分配控制的原理与实现
（1）负荷分配问题产生的原因和影响
在传动控制过程中经常遇到由几台电机同时拖动同一负载的情况。
例如压榨部两辊压榨，上下传动辊都有自己的传动电机，通过加压同步运行。
所以类似这样的传动只有电动机速度同步并不能满足实际系统的工作要求，实际系统还要求各传动点电机负载率相同，否则会出现某台电机出力大，某台电机出力小的情况。
对于造纸机如网部真空伏辊、驱网辊同时带一条网；
压榨部真空吸移、真空压榨等复合压榨；
光压上、下辊；
施胶机上、下辊等都属于多电机传动。
所以这些分部要求有负荷分配，它们之间要求速度同步的同时要求负载率均衡，否则会影响正常抄纸。
当负荷不能均匀分布时，有可能撕坏毛布或造成断纸。
（2）负荷分配原理
在多电机传动过程中要求各传动点电机负载率相同，即δ=Pi/Pie相同（Pi为i电机所承担负载功率，Pie为电机额定功率）。
而且在负荷分配调节过程中不能影响其它各分部的速度。
所以我们采用速度链主链与子链相结合的设计方法。
图2-4带负荷分配点的速度链图
负荷分配控制中我们选取一台电机作为本组主电机，连接在速度链上，其它电机作为子电机，形成子链控制结构。
以三点负荷分配为例,如图2-4所示，编号为0和4是需要负荷分配的前级和后级，负荷分配以1为主，2、3作为1的从机，处于速度链的子链上。
P1e、P2e、P3e为三台电机额定功率，Pe为额定总负载功率，Pe=P1e+P2e+P3e。
P为实际总负载功率，P1、P2、P3为电机实际负载功率，则P=P1+P2+P3。
系统工作要求P1=P*P1e/Pe，P2=P*P2e/Pe，P3=P*P3e/Pe。
负荷分配的目的就是使P1、P2、P3满足上述要求。
在实际控制当中，电机功率是一间接量。
实际控制近似以电机定子电流代替电机功率。
负荷分配就是依据电机电流，利用上述原理对控制的各台电机调节，使电机电流百分比一样，即各电机转矩电流和额定电流比值应相等。
这样完成负荷分配的自动控制。
2.4负荷分配设计方法
传动系统分为两大类直流传动和交流传动，所以负荷分配设计也依据传动形式有不同的控制方法。
下面主要说明交流传动负荷分配的设计。
交流传动采用变频调速后，交流电机没有像直流调速那样明确的电流环、速度环，又不能直接控制变频器内的电流环，所以做负荷分配较为复杂，现在常用也较为实用的方法有：
a.使用负荷分配控制器
负荷分配控制器是专门用来解决变频器、直流调速装置的负荷分配问题。
这种控制方法简单，价格低廉。
b.使用PLC控制负荷分配
有些变频器、直流调速装置没有通讯控制功能，负荷分配只能通过端口控制。
我们利用PLC作为负荷分配控制器，在PLC上扩展A/D模块，采样电机电流，依据负荷分配原理经过PLC运算处理，输出数字量的加速、减速信号连接到速度链控制回路，完成负荷分配控制功能。
这种控制方法简单，系统可靠，适用性较好。
c.PLC通讯控制负荷分配
上述的几种控制方法都属于模拟控制，适用于5台电机以下的负荷分配，控制精度比较低。
PLC通讯控制负荷分配采用全数字化控制，PLC采样电机电流转矩，依据负荷分配控制算法精确计算，控制变频器达到负荷平衡。
现在的大多数公司所生产的变频器都具有通讯功能。
通过现场总线，变频器可以和工控机、PLC之间进行通讯，交换数据。
解决负荷分配问题所使用的思路是通过PLC通讯，读到各传动点的转矩值，将转矩值加以比较，再通过PLC通讯调节各变频器的给定频率，加大或减小该电机的转差率，从而调整该电机的转矩。
使用PLC解决负荷分配问题，其优点是：
调试容易、工作可靠，但不适之处在于过于专业化，对用户技术要求较高。
PLC控制负荷分配可以达到20点以上，控制精度很高，负荷分配不平衡度可以控制在3%以内。
是上述其它控制所不能达到的效果。
d.使用高性能变频器的转矩控制性能
现在有些公司的变频器可以采用转矩控制方式，如ABB公司的ACX600系列，西门子公司的6ES70变频器等。
采用这些变频器可以利用转矩控制方式解决负荷分配的问题。
选取一台变频器作为负荷分配主机，这台变频器作为主机处于速度控制模式在速度链结构上，其它从机选用转矩控制模式，将主机的转矩输出作为从机的转矩给定，这样其它从机变频器的给定信号是转矩，而非一般变频器的频率信号。
从机时刻跟随主机转矩的变化，起到负荷分配控制的目的。
但是这样的控制适合于文化纸机的复合压榨部，不适合于网部、施胶机、光压等传动负荷分配。
这是因为当从机负载转矩较大时，电机转速低，当负载转矩较小时，电机转速高，空载时甚至达到最大频率。
这种特性有些类似于直流调速上的速度调节器饱和的电流控制方法。
所以要求负载在运行时必须一直处于加压状态或类钢性连接。
这种控制方法进度精度高，动态相应快，控制品质高，但适用范围小，对负载有一定的要求。
e.利用各公司自己的特殊软件解决负荷分配
各公司相继推出多传动的解决方案，通过其变频器附加软件或控制板实现，如ABB公司的主-从应用宏软件、西门子的工艺板等。
利用这些附件可以很好的解决负荷分配问题。
其控制的原理与负荷分配原理不矛盾，利用它可以获得良好的动态性能和具有速度限幅保护。
提高设备的运行性能和可靠性。
第三章PLC和变频器技术简介
3.1PLC概述
可编程程序控制器（ProgramlabelController），因为早期主要应用于开关量的控制，因此也称为PLC（programmableLogicController），即是可编程逻辑控制器。
现代的可编程控制器是以微处理器为基础，高度集成的新型工业控制装置，是计算机技术与工业控制技术相结合的产品。
PLC自问世以来，经过20年的发展，己经成为最受欢迎的工业控制类产品。
它之所以高速发展，除了工业自动化的客观需求外，还有许多独特的优点。
它较好的解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。
3.2PLC的基本组成与各部分的作用
3.2.1PLC的基本组成
PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。
按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。
整体式PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。
另外还有独立的I/0扩展单元与主机配合使用。
主机中，CUP是PLC的核心，I/O单元是连接CUP与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。
组合式PLC将CUP单元、输入单元,输出单元、智能I/0单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。
装有CPU单元的底板称为CUP底板，其它称为扩展底板。
CUP底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配置与组合。
3.2.2PLC各部分的作用
（1）中央处理单元（CPU）
CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。
它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务:
a.接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；
b.诊断电源、LPC内部电路的工作状态和编程的语法错误；
c.用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来；
d.PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作；
e.将用户程序的执行结果送至输出端。
（2）存储器
根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种:
a.系统程序存储器:
和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。
系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器RMO或EPROM。
b.用户程序存储器:
用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。
由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RMA。
由于ARM掉电会丢失数据，因此使用RMA作用户程序存储器的PLC，都有后备电池保护ARM，以免电源掉电时，丢失用户程序。
当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入EPROM。
目前较先进的PLC采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不用后备电池保护。
c.工作数据存储器:
工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。
这部分数据存储在ARM中，以适应随机存取的要求。
在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映像寄存器和数据表。
元件映像寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。
数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。
它存储用户程序执行时的某些可变参数值。
它还用来存放A/D转换得到的数字和数学运算的结果等。
根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可以保持数据的存储器区域称为数据保持区。
（3）I/O单元
l/0单元也称为1/0模块。
PLC通过I/0单元与工业生产过程现场相联系，输入单元接收操作指令和现场的状态信息，加控制按钮、操作开关和限位开关、光电管、继电器触点、行程开关、接近开关等信号，并通过输入电路的滤波、光电隔离和电平转换等将这些信号转换成CUP能够接收和处理的信号。
输出单元将CUP送出的弱电控制信号通过输出电路的光电隔离和功率放大等方法转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀、电磁铁等执行元件。
3.3A/D和D/A转换概念
3.3.1A/D和D/A原理
模拟t转换成数字f的基本原理:
输入信号是现场物理参数（如温度、压力和流量等）经传感器检测变成电信号（弱信号），再经过放大、滤波之后成为连续变化的波形。
根据事先确定的频率对波形采样，假定采样四次（1t、2t、、3t和4t），如图3-1。
将每次的采样值送给AD/变换器，则对应每次采样的电压值转换成的数字信号（H进制数字）。
将数字信号转换成为模拟量的原理:
首先将数字信号并行输入给DA/转换器，经转换后输出一个矩形波，经过放大滤波之后即变成一个连续变化的模拟量输出信号。
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