基于PCC的造纸机电气传动控制系统设计.doc

毕 业 设 计 中 文 摘 要摘 要现今世界，纸在日常生活中的运用越来越广泛，人们对纸的需求量日益增长，从而导致对纸的质量有了更高的要求。以前的造纸机大多是小型和低速的，随着自动化水平的不断提高，现在向着大型和高速的方向发展。这就对造纸机工作过程中的各种控制有了较高的要求，如造纸机传动系统的张力控制。以前的造纸机采用的是最传统的机械总轴传动，相对于现在的科学技术水平来说，这种方式是属于比较落后的方式，系统难以进行响应较快的各种控制，如张力控制，已经不能满足生产要求。所以，现在的大中型造纸机大多数采用分部传动，用这种传动方式取代传统的机械总轴传动，即电气分轴传动。首先，本设计介绍了课题设计的背景及意义、课题设计的研究现状和本文的主要工作，接着介绍了造纸工艺流程和造纸传动方式分析，通过介绍b&r的pcc历史、特点，及用pcc代替plc的可行性研究，最终确定系统方案。以pcc的x20为核心控制器，设计造纸机的电气传动控制系统。其次，设计系统硬件电路，包括主控制器及相关模块的选择、变频器的选择、电机的选择以及同步、张力控制的设计等。最后，设计系统的软件流程图。关键词：造纸机 电气 分部传动 张力控制 pcc毕 业 设 计 外 文 摘 要title paper machine electric drive control system design based on pcc abstractin todays world, more and more widespread use of paper in everyday life, peoples growing demand for paper, resulting in the quality of the paper have higher requirements. most of the previous paper machine is small and low-speed, with the increasing levels of automation, toward the development of large-scale and high-speed direction. this various paper machine process control has greater tension control, such as paper machine drive system. previous paper machine is the most traditional mechanical shaft drive, with respect to the scientific and technological level, this approach is relatively backward, the system difficult to carry out rapid response control, such as tension control, been unable to meet production requirements. therefore, most of the large and medium-sized paper machine drive segment, this drive to replace the traditional mechanical the total shaft drive, the electrical shaft drive.first of all, the design describes the background and significance of the subject design, subject design research status quo and this papers main work, then introduce the analysis of the papermaking process and paper drive way, through the introduction of b & r pcc history, characteristics, and pcc instead plc the feasibility study, and ultimately determine the system program. pcc x20 that it is the core controller design electrical transmission, control system of the paper machine. secondly, the hardware circuit design system, including the selection of the master controller and associated modules, the selection of the inverter, the motor selection and synchronization, the tension control design. finally, design system of the software flow chart keywords paper machine electric section-drive tension control pcc目 次1 引 言11.1 课题设计的背景及意义11.2 课题设计的研究现状11.3 本文的主要工作22 系统分析32.1 造纸机工作流程及传动方式分析32.1.1 造纸工艺流程32.1.2 造纸机传动方式分析42.2 控制单元分析52.2.1 pcc的特点52.2.2 采用pcc的可行性研究62.3 方案的选择及确定72.4 本章小结83 系统硬件电路设计93.1 主控制器pcc及相关模块的选择93.2 变频器的选择93.3 电机的选择以及同步103.3.1 电机的选择103.3.2 电机的同步问题分析113.4 电路设计123.4.1 主电路设计123.4.3 控制电路133.5 造纸机电气传动控制系统设计143.5.1 张力控制设计143.6 i/o分配表173.7 元件清单表183.8 本章总结194 系统软件设计204.1 编程软件automation studio的介绍204.2 流程图204.2.1 主程序流程图204.2.2 张力控制结构流程图204.3 本章小结21结 论22致 谢23参 考 文 献24附录a pcc机柜卡件布置图25附录b pcc模块接线图25521 引 言1.1 课题设计的背景及意义从古文明开始，还没有纸的出现，直到东汉才出现了纸，这是蔡伦制成的。纸在初现期间，并没有得到广泛应用，直到魏晋南北朝时期，才广泛流传。直到现在，纸在我们的生活中随处可见。随着我国工业的发展，人们生活水平的提高，纸在我们的生活中应用越来越广泛，已经成为不可替代的生活用品，比如书籍、报纸、作业纸、包装纸、卫生纸等等，在我们的生活中随处可见。除了生活用纸外，纸在其他领域也有广泛的应用，如工业用纸、农业用纸和医疗用纸等。从这些方面可知，纸在我们的日常生活中的影响越来越大，人们的生活早已离不开纸。人们对纸的需求量日益增长，对纸的种类需求也越来越多，从作业纸到书籍用纸，从包装纸到卫生纸，再到餐巾纸等，纸的种类真的是多种多样，这就导致对纸的生产工艺和生产质量有了更高的要求。造纸术是我国的四大发明之一，对世界的文明有着深远的历史意义，从以前的手工制纸发展到现在的机制纸，可见我国的造纸技术有了很大的进步和发展。但这还远远不够，人们对纸的需求量的多样化，需要不断提高造纸工业的自动化水平，加快造纸行业的发展，才能满足人们对纸的需求。提高造纸业的自动化水平，对我国的造纸业有深远的指导意义。1.2 课题设计的研究现状纸的制造是一个非常复杂的过程，近年来，大型化、自动化和智能化是世界各国工业的发展趋势。为了提高纸张的质量、降低生产成本、节约自然资源、减少废气排放以及提高纸的产量，造纸业的自动化水平在不断地提高。造纸业早期的控制方式比较简单，使用的是应用常规仪器调节仪表的简单控制，目前大多数都使用plc来控制，大大的提高了造纸业的自动化水平。plc具有可靠性高、抗干扰能力强，编程比较简单、容易掌握，功能比较完善、使用灵活方便，体积小、质量轻、功耗低等优点。基于plc控制的造纸机不仅大大的提高了自动化水平，还节约成本。而pcc代表的是目前自动化领域最先进的自动化控制技术，不仅综合了plc和工业可编程控制器（pc）两者的技术优势，而且还有plc和pc所没有的优势。综合以上，在现今造纸技术的基础上，运用贝加莱pcc，可以提高系统的稳定性以及可靠性，还能克服恶劣的环境等。目前，贝加莱pcc已广泛应用于各个工业领域，如机械自动化和过程自动化，应用前景非常广阔。1.3 本文的主要工作本设计的主要内容是通过用主控制器pcc来实现造纸机的电气传动控制。通过对造纸机传动方式的分析，选择系统的硬件及相关模块，设计出系统的主电路以及控制电路。本文主要内容如下：（1） 研究造纸机电气传动控制原理，设计电气传动控制电路。（2） 通过对主控制器的分析与了解选择硬件及相关模块（3） 分析控制流程，编写相应程序流程图，实现基本的电气传动控制功能。（4） 对全文进行总结，并做进一步的探讨。2 系统分析2.1 造纸机工作流程及传动方式分析造纸机是一种非常复杂的机器，首先是把原材料进行打浆和调制，加工成符合抄纸要求的初始原料，其次是把加工好的初始原料通过其它的机械部分进行加工和制作，最后才能抄制成纸页。2.1.1 造纸工艺流程现代的造纸工艺流程一般可分为原材料制成浆、浆纸的调制、对纸进行抄造、对纸进行加工等主要步骤。一般的造纸工艺流程如图2.1所示。图2.1 造纸流程（1）原材料制浆。造纸的第一步是把原材料制造成浆，而使用的原材料一般是木材，把原材料制造成浆的方法一般有三种，分别为化学法、机械法和半化学法。（2）调制造纸的第二步是调制，调制为造纸流程中的一个关键环节，纸张制造成功后的优劣与调制过程直接相关。纸的调制过程一般可分为散浆、打浆、加胶和充填这几个步骤。（3）纸的抄造纸的抄造就是把纸浆制造成纸张的过程，这是造纸的第三步。把稀纸料经过加工和脱水等一系列工作，制成成品纸，这是抄造部门的主要工作。纸的抄造的一般常见流程如下：1）纸料的筛选。这一过程主要是把调制好的纸料进行稀释，将其稀释到一定低的浓度，然后再用筛选设备进行筛选，将里面的杂物和还没有解离的纤维束筛选出来，除掉，才能保持制纸质量，保护相关设备不被损坏。2）网部。网部的主要作用是对流到网上的纸浆进行加工和处理，若纸浆从头箱流到循环的网上时，就对网上的纸料进行均匀的分布以及交织等处理工作。3）压榨部。压榨部的主要作用是将湿纸进行脱水处理，主要过程是把从网面移过来的湿纸引导两个滚辘间，这两个滚辘上都附有毛布，滚辘可对湿纸进行压挤，毛布对湿纸有吸水作用，当这两种物体都对湿纸作用时，不仅能脱水，而且还能改变纸质使其更紧密，提高纸的质量。4）干燥部。干燥部的主要作用是将压榨过的湿纸进行进一步的干燥。湿纸进行压榨后，其中的含水量仍然较高，这时候不能用机械力将多余水分进行压除，只能用热蒸汽对纸进行干燥处理，因此可将湿纸经过圆筒表面进行干燥，圆筒内有流通的热蒸汽。5）压光部。压光部的主要作用是对干燥后的纸进行压光，以提高纸的品质，并使纸页全幅保持一样的厚度，减少纸页的透气度。6）卷纸。主要由卷纸机将压光过后的纸幅卷起，将其卷成生产所需的纸卷。7）裁切、选别、包装。将已经卷好的纸卷进行裁切，再进行筛选，把有污点和破损的纸张选出来，最后进行生产所需的包装。2.1.2 造纸机传动方式分析一般来说，传统的造纸机采用的是机械总轴这种传动方式，这种传动方式的各个传动轴通过机械装置连接在共同的主传动轴上，传动轴就能跟随主传动轴同步运行，如图2.2所示。图2.2 机械总轴传动机械总轴传动方式采用单原动机传动，大多数用于中、低速的 中、小型纸机上。这种传动方式上的各分部间速比的调节比较简单，单纯的靠机械的方法来调节，可以借助锥形皮带轮或者无级变速的三角皮带轮来实现，也可借助差动机构来实现。在传动过程中，可以用两种方式中的一种来控制各个分部的启停，第一种方式是借助摩擦离合器来控制各个分部的启动和停止，第二种方式是借助电磁离合器来控制各个分部的启动和停止。这种传动方式比较落后，难以进行响应较快的各种控制，如张力控制，已经远远不能满足生产需求。现在大多数中大型造纸机采用的传动方式是分部传动，这种传动方式的各个个分部各采用一台电机进行控制，也可采用几台电机进行控制，驱动各分部的运行，如图2.3所示。图2.3 分部传动在分部传动这种传动方式中，采用电气来进行调节，不仅能调节整个系统的车速，还能调节各个分部间的速比，用这个调节方法取代机械调节的方法，大大的简化了整个系统的装置。由于采用这种传动方式的各个分部传动依靠的是电气来实现各轴的同步运行的，所以又叫电气分轴传动。分部传动要比机械总轴传动简单的多，可以不用总轴、锥形皮带轮和皮带和离合器这些设备，大大的简化了传动过程所需的装置，运行也比机械总轴传动可靠的多。综合以上的两种传动方式的分析和对比，本设计采用的是分部传动这种传动方式。2.2 控制单元分析plc是使用最早的可编程控制器，到了近现代，随着个人计算机技术不断的发展，随之发展的还有自动化技术，网络通讯技术,于是一个新的控制器诞生了，那就是贝加莱公司生产的pcc。2.2.1 pcc的特点pcc是由奥地利的贝加莱公司推出的一种可编程控制器，这种控制器是一种新型的工业控制装置，集合了计算机、通信以及自动控制三种技术，代表了当今工业控制技术的发展趋势。从20世纪中期至今，可编程控制器从最初的plc，发展到pc，再发展到现在的pcc。现在的pcc是一种新型的工业控制装置，不仅以微处理器为基础，还具有高度集成化的特点。pcc具有可靠性高，编辑语言种类繁多，编程方式非常灵活，可根据使用者的习惯使用；功能函数非常丰富，控制功能较强，技术性能良好，扩展结构的使用很方便，优良的耐恶劣环境能力等一系列的优点，使之在工业控制中的应用越来越广泛，增长速度非常可观。pcc的主要优点如下：(1)pcc的可靠性较高，抗扰能力较强工业现场的条件决定了pcc必需具有很高的可靠性和抗干扰能力。在工业生产中，现场生产的过程大多是白天黑夜都在工作的，而且大多数工业的生产车间的工作环境比较恶劣，干扰现象比较严重，如电磁干扰。为了保证控制器的正常运行，pcc必须具有很高的可靠性和抗干扰能力。(2)pcc的编程较简单，容易掌握梯形图是一种简单易懂的编程语言，比其他的编程语言更容易掌握。因此广泛地被用户使用。随着it技术的发展，pcc也引入了更高级的语音，如basic语言和c语言，使编程更简便更灵活。(3)设计、安装方便简单，调试时间少、维护方便pcc安装方便简单，相关产品基本实现了系列化和标准化，能满足大多数用户的需求。面板的显示功能更多，各种指示灯可以在pcc运行时显示运行状态，方便调试和操作人员的监控，及时处理发生的故障。(4)丰富多样的模块品种、兼容能力强、功能强大pcc具有丰富多样的特殊功能的模块，如温度模块、pid模块、数字量混合模块、模拟量混合模块、直流模块、交流模块等。这就使控制系统更加灵活多变。系统的通用性好，处理功能强大。(5)体积较小，功耗非常低pcc集成度更高了，所以体积小。功率更低，一般都为几瓦。2.2.2 采用pcc的可行性研究首先，pcc的系统软件采用的是分时多任务的组成机构，这就使系统程序的运行周期只和系统的循环周期有关，不受程序长短的影响，大大的提高了运行的速度。其次，一般的plc具有高度灵活性，但是pcc比一般的plc更加灵活。由于pcc是多任务的操作系统，这就为软件的开发提供了更大的便利，可以根据任务的需要编制出具有相应功能的模块。通过各个模块的协调作用，共同构成一个具有多样性功能的系统。再次，pcc的软件和编程系统功能更加强大更丰富。pcc可以由编程者的习惯或者工程需要选择不同的编程语言。最后，pcc在硬件方面比plc更加强大。pcc的存储单元比一般的plc要打得多，而且在工业现场可以实现热插拔。所以，利用贝加莱pcc代替一般的plc控制器应用于工业自动化领域，已经成为世界工业自动化领域发展的总趋势。2.3 方案的选择及确定通过上述对比分析，本文最终确定以pcc的x20为主控制器，采用电气分部传动控制方式，设计造纸机电气传动控制系统，研究造纸机传动方式涉及的张力控制等问题，然后提出实现方法。利用pcc提供的高级语言进行编程，在现有设备的基础上，做相关实验，并进行改进，提高系统的综合性能。本文的系统结构框图如图2.4所示：图2.4 系统结构框图本文通过pcc控制变频器控制模块，进而控制电机控制模块，使其作用于造纸机各分部控制模块，从而带动各分部开始工作，电机控制模块还可作用于其他反馈模块，把信号通过变频器控制模块反馈给pcc。在造纸机的各分部中，压光部是整个传动系统的重点，压光部工作的情况将影响纸的品质，所以本设计主要对该环节进行设计，最终采用两台电机控制压光部。2.4 本章小结本章主要对造纸机的工艺流程、传动方式进行了对比介绍，并对系统采用pcc作为主控制器的可行性进行了分析。最终确定采用pcc为主控制器，通过控制变频器，进而控制电机的电气分部传动的控制方式。3 系统硬件电路设计本设计主要针对造纸流程中的压光部（关键部分）进行研究，该环节采用两台电机就可对压光部进行系统的控制，所以本设计只采用两台电机对其进行控制。本章将主要介绍系统的设计方案以及各模块元件的选型。3.1 主控制器pcc及相关模块的选择本设计主要以b&r的pcc为主控制器，通过改变变频器的频率控制电机的工作，对电机调速，进而控制造纸机的工作流程，其系统结构框图如3.1所示。图3.1 系统结构框图该环节包括多路模拟量的输入输出，以及要留有一定裕量的i/o点数，所以本设计选用了贝加莱的x20系列pcc作为其核心控制器件，其中的cpu选用的是x20cp1483-1，输入模块选用2个x20di9371和1个x20di4371，输出模块选用1个x20do9322模块，模拟量输入选用1个x20ai4622模块。3.2 变频器的选择变频器作为交流电动机的调速装置，因其节能、高效、调速性能优异，已被广泛应用于造纸、冶金、机械、化工等各个领域，并成为电气传动的发展方向之一。变频器的选择一般有四种方法，选择的基本原则是满足机械的负载要求。第一，根据风机水泵类负载进行选择；第二，根据恒转矩负载进行选择；第三，根据被控对象基本的静、动态性能要求进行选择；第四，根据被控对象具有较高的静态性能指标和动态性能指标进行选择。像造纸这类加工生产线，造纸机的传动方式是恒转矩负载型的，这就要求电机也必须是恒转矩调速的，这也意味着变频器的工作状态也要满足其要求，即恒转速调速控制是变频器的工作状态。而6se70是一种恒转矩变频器，其优点如下：（1） 这是一种工业型变频器，能适应工业生产现场的恶劣环境。（2） 标准化及模块化。（3） 抗扰性较高，运行可靠。（4） 适应电源电压波动广。（5） 具有自诊断处理功能，维护方便。（6） 频率精度高，控制精度高。综合以上分析，可知6se70这款变频器能满足造纸机的工作要求，所以本设计采用的是这一型号的变频器。3.3 电机的选择以及同步3.3.1 电机的选择一般来说，选择电动机的基本要求是能满足生产机械的动态和静态性能要求，在这个基本要求上应该优先选择电动机结构比较简单的，维护比较方便的，运行比较可靠和比较经济的。电动机的选择一般要考虑五个方面的内容：第一，考虑电动机的机械特性；第二，考虑电动机的调速性能；第三，考虑电动机的启动性能；第四，考虑电源种类；第五，考虑经济性。在造纸机的电气传动控制系统中，一般都是以直流电动机进行调速的，直流电动机具有调速范围较广，过载能力强等特点，但其成本较高、维护困难，不适用于环境较恶劣的场合。随着科学技术的发展，交流电动机比直流电动机的应用要广泛的多，且在交流电动机不能满足生产要求时才会选择直流电动机。一般来说，交流电机要比直流电机方便的多，价格还便宜，维护工作量更小，随其交流电动机的起制动和调速性能比不上直流电动机，但是可以选择变频器通过伺服驱动器控制交流电动机，这就能使交流电动机的起制动和调速性能等能满足生产要求。造纸机工作时的传动方式是恒转矩负载型的，这就要求电机也必须是恒转矩调速，而交流电机的机械特性和调速性能不能满足造纸机的生产要求，但是通过变频器控制的交流电机，其机械特性和调速性能都能满足造纸机的生产要求。因为本设计采用的方式是通过变频器对电机进行调速的，所以一般的交流电动机就能满足需求，本设计选用的电动机是异步电动机。其所选电机型号及性能如表3.1所示。表3.1所选电动机的性能及应用范围型号名称容量范围/kw转速范围/（r/min）电压/v结构型及性能应用范围y系列（ip23）低压三相异步电动机553555802950380采用径向和轴向通风，b级绝缘。工作制：s1一般用途，可用于变频调速3.3.2 电机的同步问题分析在高速造纸机中，影响系统的各种性能的因素是电机的同步，而且所用电机的台数越多，其同步问题越复杂。电机是否同步不仅能影响系统的控制精度，还能影响其可靠性。多电机同步传动一般有四种控制方式：第一，主从级联控制；第二，虚拟主轴控制；第三，交叉耦合控制；第四，主令参考控制。在第四种控制方式中，系统由同一个输入信号作用于各单元，每个轴的速度和其他轴的速度都有协调关系，且该关系是由系统的同步关系决定的。这种控制方式的线路比较简单，且比较容易实现，跟随性能和同步性能都很好。而第二种和第三种控制方式不能满足造纸机对电气传动系统的要求，第四种控制方式在工作时存在累计误差，所以本设计采用的是主令参考控制，如图3.2所示。图3.2 主令参考控制结构图在造纸机的电气传动控制系统中，其传动点较多，容易发生扰动，扰动会影响传动的速度，进而引起振荡。而本设计所选的控制方式中，就算发生扰动时，其同步性能也很好，影响较小。3.4 电路设计3.4.1 主电路设计系统的主电路如图3.3所示。图3.3 主电路图qf0是整个电路的总开关，qf1是控制异步电机m1的开关，qf2是m2的开关，qf3是控制变频器的开关，km1、km2是变频器控制变频运行时的接触器，km3、km4是工频运行的接触器。整个系统的主控制器还是pcc，当qf0和qf3闭合后，km0得电闭合，两个变频器开始工作；当变频器的频率达到工作的要求时，km3、km4得电闭合，电机m1、m2开始工作。假如要改变变频器的电机的转速时，可闭合qf1和qf2，接着km1、km2得电闭合，就可通过改变变频器的频率来改变电机的转速。当电路工作过程中发生电路过载、短路和失压时，断路器qf0、qf1、qf2、qf3能自动分断电路，保护电路不被损坏。热继电器fr1、fr2具有过载保护的功能，当电机过载时，可保护电机不被烧毁。接触器km0、km1、km2、km3、km4具有欠压失压保护的功能。3.4.3 控制电路1、系统控制电路系统控制电路如图3.4所示。图3.4 系统控制电路整个系统以pcc为核心控制器，系统的工作过程可通过控制柜sb来进行控制操作，通过接受变频器的启停信号，再根据控制要求，控制变频器的启停信号，进而控制整个分部的工作状态。pcc通过接受变频器工作频率信号，根据系统工作所需频率，控制变频器改变工作频率，可控制电机的工作状态，进而控制分部的运行状态。如张力传感器通过检测纸张的张力后，可直接反馈给pcc，pcc通过改变变频器频率控制电机的转速，进而改变纸张张力的大小。系统具有电气相应的保护及警示装置。具有断电、缺相、断相和相序保护功能，在主电源发生缺相，设备发生断相、反相时，保护器动作切断设备主电源；有报警、运行、电源、故障指示灯，对设备运转状态及异常情况报警。设有警告系统，设备运行时，警示灯闪烁，提醒人们注意安全。2、变频器控制电路变频器控制电路如图3.5所示。图3.5 变频器控制电路变频器主要是通过接受电机的转速信号，将信号传达给主控制器pcc，检查该信号是否符合正常工作的范围，然后pcc再将下一步的工作信号送到变频器，变频器通过改变频率控制电机的转速，进而控制压光部的工作过程。3.5 造纸机电气传动控制系统设计电气传动系统又称为电力拖动系统，该传动系统是以电动机作为原动机，进行工作的机械系统的统称。本设计对造纸机进行电气传动控制系统设计的控制要点是压光部的张力控制。3.5.1 张力控制设计纸张的张力的表现主要为纸张的弹性。在纸的抄造过程中，纸张牵引力的大小影响着纸张纵向张力和横向张力的大小，纸张的张力随着其牵引力的改变而改变，其改变的规律如图3.6及3.7所示。图3.6 纸张的牵引力与横向张力的关系由图3.6和3.7可知，当纸张的横向张力和纵向张力维持在t0和t1中间之间时，造纸机对纸的抄造处于最优良的工作状态，当然对纸张的张力可以通过改变牵引力来控制。若纸张的牵引力太大的话，会使纸张的纵向张力和横向张力超出最优良工作的最大值t1，引起断纸，从而影响纸的生产；若纸张的牵引力太小的话，会使纸张的纵向张力和横向张力达不到最优良工作的最小值t0，造成的结果是纸张会飘动，引起褶皱，也会影响纸的生产。总的来说，在纸的生产过程中，通过改变牵引力来控制纸张的纵向张力和横向张力，使之处于最优良的范围，不仅能大大的提高纸张的生产效率，还能提高纸的质量。图3.7 纸张的牵引力与纵向张力的关系纸张的张力是指拉伸纸张时，纸上两点之间所受到的拉伸力或弹性力。假设纸张1和2两点间,自然状态的纸张长度为l1，当通过改变牵引力控制张力拉伸纸张以后，纸,1、2两点间的长度为l2，l为纸张拉伸前后的差值，纸张拉伸前的长度如下式所示：l1+l=l2 (3-2)根据纸张的张力定义有： f12=kll1kll2 （3-3）其中，k是和材料有关的系数。当1、2两点同时处于运转状态时，不考虑其他因素的作用，则需要通过牵引力维持张力稳定，张力几乎没有变化，即保持纸张的拉伸力不变就行。假设1点的线速度为v1,2点的线速度为v2，经过单位时间t后，纸张中经过1点的长度为l1=v1t，再通过改变牵引力控制其拉伸后，纸张中经过2点的长度为l2=v2t。若l1=l2，则表示纸张没有被拉伸，即纸张上的张力f12=0。若l2l1，则表示纸张被拉伸了，其拉伸长度为l=l2-l1，它的相对拉伸率为l12/l1，两点间的张力为：f12=k(v2-v1)v1=k(k1-1) （3-4）由上式可知，在纸的制做过程中，纸张上1、2两点的张力与它们的速度大小无关，只与它们的速比有关，且它们的关系与张力是正比关系。当1点的线速度和2点的线速度相等时，纸张的张力为0；当2点的线速度大于1点的线速度时，纸张的张力大于0，这时候就应该控制张力处于最优的工作范围内，以免产生断纸现象；当1点的线速度大于2点的线速度时，纸张的张力小于0，会发生纸张堆积或者褶皱，这时间久需要调节张力大小，避免产生这种现象，影响纸张的质量。一般来说，张力控制可分为间接张力控制和直接张力控制。前一种控制方式不需要其它测量装置进行张力的测量，如张力传感器，且其控制系统中不用相关的调节器进行调节，该控制方式较简单，但是精度较低，不能反馈调节，不适用于造纸机这类对张力控制要求较高的系统。而直接张力这种控制方式，需要其它的测量装置进行测量，其控制系统还需要相关调节器进行调节，如张力调节器，该控制方式测量精度较高，能实现反馈调节，适用于造纸机。本设计采用的是直接张力控制和速度控制相结合的控制方式，把张力传感器安装在压光部的前导辊上，对纸张的张力进行测量，然后再送到pcc主控制器调节张力，从而控制其大小。当纸张还没到压光部的前导辊时，只有速度链控制在调节压光部，其它设备不对其作用，如张力传感器。当纸张到压光部的前导辊之后，可调节压光部的速度，使纸张的张力达到设定值，再进行张力控制，直接张力控制的原理如图3.8所示。图3.8 直接张力控制原理框图3.6 i/o分配表表3.2 i/o分配表变量名功能端口i00变频器故障信号输入i01变频器最低频率信号（送pcc）i02变频器正常工作信号i03张力过大信号i04手动运行按钮i05自动运行按钮i06选择m1开关i07选择m2开关i08启动按钮i09停止按钮i10手动时m1变频启动按钮i11手动时m1停机按钮i12手动时m2变频启动按钮i13手动时m2停机按钮i14手动时m1变频向工频切换按钮i15手动时m2变频向工频切换按钮i16故障复位按钮q00变频接前触器km0q01m1变频接触器km1输出q02m1工频接触器km3q03m2变频接触器km2q04m2工频接触器km4q05故障报警灯hlq06变频器启停aiw0纸张张力信号模拟aiw2来自变频器的频率各模块的接线图如附录所示。3.7 元件清单表由前面的硬件设计可得出相应的元件清单，如下表所示。表3.3 元件清单元件符号型号个数计算机可编程控制器pccx201483-11变频器6es7016-1ea612三相异步电动机my系列（ip23）2张力传感器mc181张力调节器ktc800a1编码器dks38061底板x20bm115模块前连接器x20tb125数字量输入模块dix20di93712数字量输入模块dix20di43711数字量输出模块dox20do93221模拟量输入模块aix20ai46221接触器kmcj20-4005热继电器frjr20-4002按钮sblay3-1116开关dz47 1p8故障报警器hllte-11011断路器qfdw15-40043.8 本章总结本章根据系统总体的设计方案，分别详细介绍了系统各部分硬件构成，主要包括主控制器pcc及相关模块的选择、变频器的选择、电机的选择以及同步、主电路设计、控制电路设计以及造纸机电气传动控制系统设计，在造纸机的电气传动控制中，主要对压光部的张力控制进行设计。其中，本章重点介绍了电机的选择及同步和造纸机的电气传动控制系统设计，张力控制是电气传动控制的核心内容，在纸的抄造过程中，在压光部中控制纸的张力，可以避免出现断纸和褶皱的现象，从而提高纸的产量以及质量。4 系统软件设计4.1 编程软件automation studio的介绍b&r的pcc编程软件是automation studio。在这款软件中，用户可以在同一个用户界面处理人机界面系统、控制系统、运动控制系统。该软件还具有丰富的函数库，用户可以根据自己的编程语言调用变准函数库中所有的功能块，也可以自己建立新的库，编制自己的函数和程序。这款软件还能很方便的对系统各部分进行测试，比如项目监测、pv变量监测，实时轨迹追踪和原代码调试。4.2 流程图4.2.1 主程序流程图设计主程序流程图时，要根据程序模块化和程序结构化进行还是设计，程序的扫描方式要快捷，程序简单，容易执行，还要对程序做相应的保护措施，以免造成不必要的损害。其主流程如图4.1所示。图4.1 主流程图4.2.2 张力控制结构流程图本设计采用的张力控制方式是直接张力控制和速度链控制相结合的控制方式，该控制方式的软件在开始工作前需检测张力的大小，判断该张力的实际值是否处于最优工作状态的范围内，然后再手动启动开始工作按钮，即投运按钮，就可启动张力控制相关软件，进行控制。若张力的实际值超出最优工作状态的范围，可通过pcc调节速度，直到张力处于最优工作状态的范围为止。若张力的实际值小于最优工作状态的范围，也可通过pcc调节速度，直到张力处于最优工作状态的范围为止。通过这一系列的调节以及控制，可以使张力稳定。当在压光部通过张力传感器检测到断纸时，控制模块直接退出，当然也可手动退出。张力控制结构流程如图4.2所示图4.2 张力控制结构流程图4.3 本章小结本章介绍了系统的编程软件，以及设计了软件编程的流程图，通过主流程图的张力控制结构流程图的介绍，分析了本设计的软件编程。结 论本文通过对造纸机传动方式的现状分析，设计了一套基于pcc的造纸机电气传动控制系统，主要内容是针对造纸流程中的压光部进行设计。通过本次设计，成功的解决了压光部张力分布不平衡所导致生产过程中出现纸的厚度不一致、光泽度不够、不够平滑、不够紧实等问题，提高了生产纸的品质，更容易满足人们对纸的需求。在本设计中遇到了几个重点难题，第一个是电机的同步问题，最终经过查阅相关的电机同步运行的控制方式和电气控制的特点，决定了采用主令参考控制这种方式来控制电机的同步运行，最终解决了电机同步的问题。第二个就是主控制器对异步电机进行调速的问题，主控制器难以直接对异步电机进行控制，经过臧老师的指导和查阅主控制器pcc的相关资料，最终确定了采用pcc通过变频器控制电机调速。总结本次设计，虽然解决了造纸机压光部的张力控制的问题，但造纸机其它分部的传动方式还有更多的问题需要解决，这些问题都有待进一步的研究和探讨。致 谢转眼间，大学生活就要结束了，回首往昔，有太多的怀念与感动。在即将离开这个曾经带给我欢乐和收获的母校之际，我有很多话要对你们说。首先，感谢母校给了我再次锻炼和成长的机会。让我有机会接受了众多学识渊博的老师的教导，丰富了学识，开阔了眼界。结识了更多充满青春活力、有理想、有激情的工大学子，让我的大学因此而丰富多彩。再次，要感谢在这次毕业设计中为我们精心指导的臧义副教授。在这次毕业设计中，从开题报告到毕业论文各个环节，臧老师都一直给予了我很大的指导和帮助，让我在毕业设计中学到了很多有用的专业知识。尤其是臧义老师渊博的学识、严谨的治学态度和亲切和蔼的待人方式，让我受益匪浅。最后，还要感谢身边的同学，他们给了我很大的帮助，特别是在这次毕业设计中和我一起学习、一起进步的同学们，谢谢你们！ 参 考 文 献1 王得胜，韩红彪 .电气控制系统设计m.电子工业出版社，2011，139141,2732922 吴国庆.纸机电气传动应用手册.siemens electrical drives ltd，2000 3 齐蓉.可编程计算机控制器原理及应用m.西北工业大学出版社，2002.4 隆言泉.制浆造纸工艺学m.北京：轻工业出版社，19815 齐蓉.新一代可编程计算机控制技术m.西北工业大学出版社，20006 张朝平.基于pcc的造纸机交流变频同步传动控制系统研究j，20027 柴瑞娟.西门子plc编程技术及工程应用m.机械工业出版社，20068 陈伯时.电力拖动自动控制系统m.机械工业出版社，20009 吴其华，徐邦荃.多电机同步传动控制系统分析j.兵工自动化，2003,22（1）：202410 孟彦京，许德玉，郝鹏飞.纸机变频传动的发展状况与特殊问题分析j.西北工业学院学报，200011 b.a.thorp（主编），曹邦威（译）.最新纸机抄造工艺m.北京：中国轻工业出版社，200212 阳宪惠.线程总线技术及其应用m.清华大学出版社，199913 肖维荣.可编程计算机控制器高级技术m.西北工业大学出版社，200114 张池,杨琳. 基于plc与变频器的造纸机张力控制系统j. 中国造纸,2010,(09):535515 孟彦京.造纸机变频传动原理与设计m.陕西人民出版社，200216 陆延，郑洲鹏.可靠性设计与分析m.国防工业出版社，199517 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800系列变频器是abb公司采用直接转矩控制（dtc）技术，结合诸多先进的生产制造工艺推出的高性能变频器。它具有很宽的功率范围，优良的速度控制和转矩控制特性。完整的保护功能以及灵活的编程能力。因而，它能够满足绝大多数的工业现场应用。dtc技术是 acs 800的核心：直接转矩控制对交流传动来说是一个最优的电机控制方法，它可以对所有交流电机的核心变量进行直接控制。它开发出交流传动前所未有的能力并给所有的应用提供了益处。1.2 profibus概述及协议分析 profibus是process fieldbus的缩写，是由德国西门子公司提出的一种现场总线标准，现在已成为了一种国际性的开放式现场总线标准, 即en50-170欧洲标准。目前世界上许多自动化技术生产厂家都为它们生产的设备提供profibus接口。profibus已经广泛应用于加工制造、过程和楼宇自动化，应用范围非常广泛。 profibus以其先进的技术和非凡的可靠性代表了当今现场总线的发展方向。 profibus根据应用特点分为profibusdp，profibusfms，profibuspa。三个版本，分别用于不同的场合。 profibus是一种现场总线，因此可以将数字自动化设备从底级(传感器执行器)到中间执行级(单元级)分散开来。通信协议按照应用领域进行了优化，故几乎不需要复杂的接口即可实现。参照isoosi参考模型，profibus只包含第l，2, 和7层。profibus协议层或子层说明如下：1)、profibus第1层 第1层phy：规定了线路介质、物理连接的类型和电气特性。profibus通过采用差分电压输出的rs485实现电流连接。在线性拓扑结构下采用双绞线电缆。树型结构还可能用到中继器。2)、profibus第2层 第2层mac：第2层的介质存取控制(mac)子层描述了连接到传输介质的总线存取方法。profibus采用一种混合访问方法。由于不能使所有设备在同一时刻传输，所以在profibus主设备(masters)之间用令牌的方法。为使profibus从设备(slave