完整版基于PLC的造纸机控制系统设计毕业论文.docx

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完整版基于PLC的造纸机控制系统设计毕业论文

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S7-300PLC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，Profibus-DP

DesignofPaperMachineControlSystemBasedonPLC

Abstract：

Paperindustryisabasicrawmaterialindustrywhichcloselylinkedwiththesocialcivilizationaneconomicdevelopment.Atpresent,thereisacertaingapinautomationlevelbetweendomesticpaperindustriesandabroad.Sodesignofpapermakingsystemiscrucialtothepaperindustry.ThereisapapermachinecontrolsystembasedonPLCdesignedinthispaper.Inthesystem,weusetheS7-300PLCasthecontrolcore,theABBconverterasdriveunit,three-phaseACmotorasexecutionunit.ByPLCthroughthecommunicationbetweenProfibus-DPnetworkandinvertertocompleteeverytransmissionpointstart,stop,acceleration,deceleration,tightetc.Andthedevelopmentprocessofdomesticandinternationalpaperindustryalsointroducedinthispaper,papermakingmachineaccordingtothesystemcontrolrequirementstodeterminethecontrolscheme.Thedesignofofthecomponents,programmingsoftwarebasedonStep7andcompletedthesystem’sandcontrolprogram.thedesignofthecontrolsystemofpapermachinebasedonPLCinthispapercontrol,configuration,Profbus-DP

1绪论

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、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S7-300PLC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。

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、SIMATICS7PLC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。

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

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S7-300PLC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Protel99se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Step7V5.5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SIMATICS7-300PLC。

SIMATICS7系列PLC是德国西门子公司在S5系列PLC基础上于1995年陆续推出的性能价格比较高的PLC系统，其中，微型的有SIMATICS7-200系列，最小配置为8DI6DO，可扩展2到7个模块，最大IO点数为64DIDO、12AI4AO；中小型的有SIMATICS7-300系列；中高档的有S7-400系列。

SIMATICS7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、楼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：

Profibus—DP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PZD，ABBACS550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0～20000对应频率0～50HZ，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20000。

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、变频器的连续运行时间、电机的实际转速（RMIN）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3.1PPO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。

在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量Φm，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Φm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。

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。

3.2系统硬件原理图

3.2.1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。

ABBACS550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。

ABBACS550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：

IO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MAFS24。

3.2.2PLC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