PCC的造纸机电气传动控制系统设计 精品.doc

1 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PCCX20XX83-11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。附录A PCC机柜卡件布置图附录B PCC模块接线图基于S7-400PLC造纸机电气系统设计系统利用西门子PROFIBUS总线通讯协议格式，实现S7-400PLC与ABBACS800变频器的通讯，完成造纸机速度链、负荷分配等控制功能，在造纸机传动中取得了较高的控制精度和稳定性，充分满足造纸机生产的需要。实践证明，该结构控制方式可应用于大型、高速纸机的电气传动控制。1. 概述 在纸机电气控制系统设计时，考虑到造纸机传动系统的特殊性，所以既要满足纸机传动控制系统的可靠性和良好的控制精度与稳定性，又要降低控制系统造价的原则。因此，我们选择西门子S7-400PLC和ABBACS800全数字多功能矢量控制变频器，利用PROFIBUS协议通信格式实现PLC与变频器的通信功能，组成该机的控制系统。 1.1 ACS 800系列变频器简介： ACS 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)之间也能传递信息，从设备由主设备循环查询。 PR0fIBUS第2层FlC：第2层的现场总线链路控制(FLC)子层规定了对低层接口(LLl)有效的第2层服务，提供服务访问点(SAP)的管理和与LLI相关的缓冲器。 PROFIBUS第2层FMAl2：第2层的现场总线管理(FMAl2)完成第2层(MAC)特定的总线参数的设定和第1层(PHY)的设定。FLC和LLI之间的SAPs可以通过FMAl2激活或撤消。此外，第1层和第2层可能出现的错误事件会被传递到更高层(FMA7)。3)、PROFIBUS第36层 第36层在PROFIBUS中没有具体应用，但是这些层要求的任何重要功能都已经集成在“低层接口”(LLI)中。例如，包括连接监控和数据传输的监控。4)、PROFIBUS第7层 PROFIBUS第7层LLI：低层接口(LLI)将现场总线信息规范(FMS)的服务映射到第2层(FLC)的服务。除了上面已经提到的监控连接或数据传输，LLI还检查在建立连接期间用于描述一个逻辑连接通道的所有重要参数。可以在LLI中选择不同的连接类型，主主连接或主从连接。数据交换既可是循环的也可是非循环的。 PROFIBUS第7层FMS：第7层的现场总线信息规范(FMS)子层将用于通信管理的应用服务和用于用户的用户数据(变量、域、程序、事件通告)分组。借助于此，才可能访问一个应用过程的通信对象。FMS主要用于协议数据单元(PDU)的编码和译码o PROFIBUS第7层fMA7：与第2层类似，第7层也有现场总线管理(FMA7)。FMA7保证FMS和LLI子层的参数化以及总线参数向第2层(FMAl2)的传递。在某些应用过程中，还可以通过FMA7把各个子层的事件和错误显示给用户。5)、PROFIBUS ALI ALI：位于第7层之上的应用层接口(ALI)，构成了到应用过程的接口。ALI的目的是将过程对象转换为通信对象。转换的原因是每个过程对象都是由它在所谓的对象字典(OD)中的特性(数据类型、存取保护、物理地址)所描述的。2. 系统的控制网络组成 要想组成PROFIBUS网络，必须有两个条件。主站的网络组态工具和从站的GSD文件，两者缺一不可。主站的网络组态工具是一个网络组态软件，用来将各个站组成网络，设置网络参数和站的参数，并将已设置好的网络组态传送给主站。GSD文件称为设备数据库文件。对一种设备类型的特征GSD文件以一种准确定义的格式给出其全面而明确的描述。GSD文件由生产厂商分别针对每一种设备类型准备并以设备数据库清单的形式提供给用户，此种明确定义的文件格式便于读出任何一种PROFIBUS设备的设备数据库文件，并且在组态总线系统时自动使用这些信息。在组态阶段，系统自动地对输入与整个系统有关的数据的输入误差和前后一致性进行检查核对。 在组网时，必须先把你所须的从站的GSD文件装载到网络组态工具里。这样在网络组态工具里就有了你所须的从站的选项。用网络组态工具建一个你所需要的网络，并设置网络参数，然后在网络上添加你所须的站，并设置站的参数，最后把设置好的网络组态传送给主站，这样就组建好了一个PROFIBUS网络。本控制系统结构图如图1所示。 系统选用ABB公司ACS800直接转矩控制（DTC）变频器，以PLC为控制中心， PLC通过PROFIBUS-DP现场总线与变频器构成DCS控制系统。PLC与上位机、现场触摸屏、变频器实行PROFIBUS高速通讯。 传动部下位控制中心为西门子S7-400 PLC，在PROFIBUS现场总线上S7-400 PLC是主站，选用CPU414-2 DP，有强大的通讯功能，自身带有一个PROFIBUS-DP接口，可与变频器及操作现场触摸屏采用PROFIBUS-DP总线实现高速通讯，完成整个纸机传动过程中的速度链、负荷分配、张力控制等功能。PLC接受上位机优化控制指令，可以根据纸张生产品种自动调节各分部速度以适应生产需求。同时PLC将各分部运行参数送往上位机，以便及时了解生产状况。 图中VVVF为ABB变频器、OP1-OP8为操作台、PG为脉冲编码器、M为传动电机整个系统全部实现全数字化操作控制，通过PROFIBUS现场总线通讯完成，简化了系统结构，提高系统的抗干扰能力。整个系统采用PROFIBUS现场总线控制技术，系统全部控制功能的实现都由现场总线通讯完成。只靠一条通讯电缆传输。系统中不在有整束的电缆，也省去了成千上万个线路接点。大大提高系统的可靠性，节约了控制电缆。同时实现了从操作到控制的全数字化。彻底杜绝了现场干扰对控制系统运行的影响。图1 控制系统结构图PLC主要完成功能： （1）、现场控制信号的采集，PLC通过PROFIBUS现场总线检测现场操作台操作信号。（2）、速度链的控制及计算，PLC根据工艺要求完成速度链的控制处理。调节前一级速度时后一级紧随前一级的速度变化。调节后一级的速度时前一级速度不变。（3）、速度控制的执行。PLC接受上位机控制指令，通过上位机操作，PLC可以根据纸张生产品种自动调节车速、分部变比以适应生产需求，并通过PROFIBUS现场总线控制各分部变频器的运行速度。（4）、自动负荷分配控制功能，对与负荷分配点，PLC要完成负荷分配运算及控制。（5）、PLC与触摸屏实行PROFIBUS现场总线高速通讯，将传动各分部点工作状态实时在触摸屏显示出来；并接受触摸屏上的操作指令，控制各传动执行相应的动作。本系统配有触摸屏8台，设立在控制现场，触摸屏上设有功能键、操作图形显示及设定值与实际值的显示等。还有变频器的运行状态及故障显示。可以对各传动点实现全部控制功能，具体控制功能如下：1） 起动/停止：用于控制本分部电机的起停控制。2） 爬行/运行：用于低速调试检修、正常抄纸切换。3） 单动/连动：对于要求负荷分配各传动点的单动/连动控制。4） 紧急停车：紧急停车功能。当纸机运行过程中出现意外事故，威胁到设备安全及人身安全时才可使用。5） 速度微增：用于本传动点的速度微调。6） 速度微减：用于本传动点的速度微调。7） 紧纸： 用于本传动点的紧纸调节。8） 松纸： 用于本传动点的松纸调节。9） 负荷分配功能：负荷分配点自动实现分配。监测功能有：1） 变频器运行、故障状态显示。2） 电机的电流、转矩、分部线速度显示。 本系统所用的主站是西门子的PLC,从站是ABB的变频器。所以网络组态工具用西门子的STEP7软件内集成的网络组态工具进行组态,组态好后就可以编写控制程序了,从站的地址在主站的程序中可以直接使用,这样通过程序主站就可以对从站进行操作了。网络的通信自动运行,不需要控制程序参与。3. 系统的软件设计与功能实现 控制系统的软件设计基于以下原则：1 程序模块化结构化设计，其中负荷分配、速度增减、初始化、紧纸、速比计算、校验、数据发送、接收等作为子程序调用;2 程序采用循环扫描的方式对传动点进行处理，简化程序，提高程序执行效率;3 采用中断子程序进行数据的发送、接收;确保数据的准确快速的传输;4 必要的软件保护措施，以免造成重大机械损害。因此该程序通用性强，可移植性好，使用不同的变频器，只须进行相应协议的格式的定义。即数据发送、接收、校验程序的相应修改即可，满足纸机运行的需要。主程序流程图如图2所示3.1 速度链设计及速差控制 速度链结构采用二叉树数据结构算法，完成数据传递功能。首先对各传动点位置进行数学抽象，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，填入位置寄存器数值。如图3所示。 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。所以只须对位置寄存器初始化，即可构成具有任意分支结构的速度链。 算法设计采用了调节变比的控制方法。如图五所示，纸机二压点作为速度链中的主节点，它的速度就是整个纸机的工作车速。在 PLC内，我们通过通信检测到车速调节信号则改变车速单元值，同时送给驱网、吸移、真压、一压分部，其速度值乘以相应的速比，即是该传动点的速度运行值。若某一分部速度不满足运行要求，说明该分部变比不合适，可通过操作该分部的加速、减速按钮实现，PLC检测到按钮信号后调整了变比，使其适应传动点间的速差控制要求。相当于在PLC内部有一个高精度的齿轮变速箱，可以任意无级调速。 若正常生产中变比合适，需要紧纸、松纸操作时，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。同时送下一级计算，依此类推，构成速度链及速差控制系统。前一级车速调整，后面跟随调整，后级调整不影响前级,适应纸机操作引纸的顺序要求。速度链的传递关系由图4来体现，由PLC软件实现。图4 纸机速度链结构图3.2 负荷分配的设计 负荷分配分三部分(如图五虚线范围内部分)。1）驱网辊与伏辊; 2）吸移辊、真空压榨辊与一压辊与二压辊; 3）施胶上辊与施胶下辊。 负荷分配的软件实现，首先基于合理的速度链结构,如图5所示。采用主链与子链相结合的结构，使具有负荷分配的传动点组在子链结构上，进行负荷动态调整时不影响其它传动点的状态。在纸机传动系统中，因为在有机械相联系的传动点由于所处位置不同，毛布的包角大小不一样，承受的载荷在不同的工作状态下不一样，是一个变量。实际系统还要求各传动点电机负载率相同，即=Pi/Pie相同（Pi为i电机所承担负载功率，Pie为电机额定功率）。在实际控制当中，由于电机功率是一间接量,实际控制电机定子电流或转矩代替电机功率，进行读取计算、调节。在一组负荷分配传动点中选取包角较大且功率较大的传动点作为主点，其余各点利用PLC通过总线读取电机电流或转矩，分别与主点电流或转矩进行比较，并以PID调节算法，相应调节从点变频器的输出，使其电流或转矩百分比与主点一致，而达到负荷分配的自动分配的目的。 为了保护机械装置和避免PLC调节过于频繁，在软件中设置上下限幅值。如果负荷不平衡度大于3%，PLC才进行调整。如负荷分配不平衡度调整量设置太小，容易造成震荡。如果大于不平衡上限幅值，进行停机处理，以防止机械损害发生。4. 结语 基于西门子公司PROFIBUS-DP协议的S7-400PLC纸机电气传动三级控制系统，较理想地实现了对该纸机的控制，纸机的稳速精度、动态响应、负荷分配效果、纸页质量、系统稳定性、可靠性都得到了用户的认可和赞许。纸机（为幅宽4200/450,工作车速为550m/min的纸机）在河北香河银象纸业稳定运行已近二年。实践证明，该结构控制方式可应用于大型、高速纸机的电气传动控制。 2负荷分配控制 在纸机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，否则会造成一个传动点由于过载而过流，另一传动点则由于被拖动而过压，由此可能造成传动单元报警甚至停机，影响生产。因此这两个传动点之间需要进行负荷分配控制。负荷分