1、基于 S7-200PLC文化纸机传动控制系统硬件设计摘 要随着世界经济的发展，制浆造纸业已经成为我国工业经济增长的重要支柱，国际上先进的造纸机都朝高效率、低消耗方向发展，这是市场竞争的需要。而目前国内有很多正在运行的造纸机在这方面则处于劣势，有必要进行技术改造，而对于造纸机械的厂家也必须迎头赶上，从设计的源头进行性能提升。传动作为造纸机的核心部分，其发展要求是提高车速和自动化程度。所以研究高性能的纸机电气传动控制系统，对我国造纸行业的发展有着极为重要的意义。本次设计的为文化纸机传动控制系统，用 ABB 变频器和西门子 PLC 所组成的控制网络来完成造纸机电气控制系统设计的,其电气传动控制系统是
2、基于 PLC 控制的交流变频调速控制系统。通过本课题的设计，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、工控机、通讯、现场总线、触摸屏等有更深一步的理解。对于电动机的控制方法运用更为深入。关键词：造纸机，速度链，分部传动，负荷分配IBased on the S7-200 PLC culture paper machine transmission control system hardware designABSTRACTAs the world economic development, pulp and paper industry has b
3、ecome an important pillar of industrial growth, the international advanced paper machines in the high efficiency, low consumption and direction, which is the market competition. And there are a lot of running the paper machine is at a disadvantage in this respect, it is necessary to upgrade the tech
4、nological transformation, and for paper-making machinery manufacturers also must catch up, the source from the design to enhance performance. Drive as a core part of the paper machine, the development requirements is to improve the speed and automation.The design of the paper machine drive control s
5、ystem for the culture, with ABB Drives and Siemens PLC control network consisting of paper to complete the electrical control system design, the electric drive control system is PLC-based control of AC frequency control system. Through this project is designed to develop their own analysis and probl
6、em solving skills, but also can apply to industrial production, such as: motor, inverter, PLC, industrial computer, communications, field bus, touch screen, which are deeper understanding. Motor Control Methods for a more in depth. KEY WORDS: Paper machine, Speed chain, Division drive, Load distribu
7、tionII目 录摘 要 .IABSTRACT .II1 绪论 .11.1 目的和意义 .11.2 课题背景 .11.3 国内外发展状况 .11.4 纸机的类型及工艺流程 .21.5 本设计的主要任务 .42 变频调速基础知识 .52.1 变频器 .52.1.1 变频器基础原理知识 .52.1.2 变频器的组成和分类 .52.1.3 变频器工作原理 .62.1.4 变频器功能与控制方式 .62.2 ACS550 系列变频器 .72.2.1 ACS550 变频装置的组成和功能 .72.2.2 ACS550 的构成及功能 .82.2.3 ACS550 的功能描述 .83 变频调速和直接转矩控制 .
8、113.1 变频调速 .113.1.1 变频传动系统的发展 .113.1.2 变频调速系统的组成及原理 .113.1.3 变频调速的优点 .133.1.4 变频调速系统的性能指标 .143.2 直接转矩控制变频器原理 .153.2.1 直接转矩控制的主要特点 .153.2.2 直接转矩控制工作原理 .153.2.3 直接转矩控制的实现和系统结构 .163.3 脉宽调试变频器工作原理 .174 系统设计 .194.1 系统设计要求 .194.1.1 硬件设计的依据 .194.1.2 系统原件的布置及负荷分配 .20III4.1.3 操作说明 .204.1.4 速度链控制 .214.1.5 负荷分
9、配控制 .224.2 系统控制实现 .234.2.1 硬件组成及功能实现 .234.2.2 系统主要硬件选择 .304.2.3 系统逻辑实现过程 .39结 束 语 .41致 谢 .42参 考 文 献 .43附录 .44附图-1 .45附图-2 .46附图-3 .47附图-4 .48附图-5 .49附图-6 .50附图-7 .51附图-8 .52附图-9 .53附图-10 .54附图-11 .55附图-12 .56附图-13 .57附图-14 .58陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 01 绪论1.1 目的和意义本次课题主要研究基于 S7-200 文化纸机传动控制系统的硬件设计。通过对纸机传动控
10、制的研究使我们了解文化纸机传动的工艺与要求、掌握交流变频调速系统在文化纸机传动控制系统的应用、掌握文化纸机变频传动 PLC 控制的特殊问题、培养我们对现埸总线在文化纸机变频传动 PLC 控制中的应用和文化纸机变频传动控制系统的设计。为了缩小我国造纸机械的装备水平，提高我国的造纸机械加工能力和电气控制的水平，部分引进和消化吸收高新技术并有所创新，逐步提高纸机装备国产化比例是较现实的道路。特别是尽快提高国内纸机的自动化水平是从事电气控制工作的人们的职责所在。通过对本课题的设计，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
11、深一步的理解。对于电动机的控制方法运用更为深入。 1.2 课题背景纸机变频传动国外始于80年代中期，国内大约在90年代初期。变频调速技术的推广应用在风机水泵等领域取得了显著的经济效益，在某些机械行业也发挥了重要作用。造纸机是一种负载基本恒定、转速恒定的稳速系统，其最大的特点是要求速度长期稳定，同时要求动态恢复时间尽可能短。因此，纸机传动系统要求的是高稳定性和快速动态响应。进入90年代，国内一些中小纸厂对纸机变频调速由尝试到广泛应用，使得这些企业确实收到了良好的经济效益。1.3 国内外发展状况造纸产业是一个与国民经济发展和社会文明建设息息相关的重要产业。近几十年，世界各国工业向着大型化、连续好和
12、综合化的方向发展。为了提高竞争能力，造纸工业正在不断地提高自动化水平，以提高产品质量、降低生产成本、节约能源和增强企业国际竞争力。造纸工业生产过程的特点决定了其控制的复杂性。目前，世界发达国家造纸企业依靠科技创新，调整技术结构，优化科技资源配置、广泛使用信息网络、自动化控制等技术使造纸的技术集成化程度和自动化程度大大提高，制浆、造纸设备也向着大型化、自动化、高效化方向发展。我国是一个消费纸的大国，造纸产业在国民经济中占有重要的地位。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、技术密集型产品明基于 S7200PLC 文化纸机传动控制系统硬件设计 1显落后于发达工业国家、生
13、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，虽然可以说我国已经是一个造纸大国，但并不是一个造纸强国。目前我国的造纸企业约有几千家，虽然涌现出一批国内甚至国际出名的造纸企业，但
14、绝大多数企业由于历史原因，规模偏小，技术和装备落后，生产和管理水平低，环境污染严重，再加上原料结构不合理，以及其他一些客观因素的影响，纸张产品质量差、档次低，原材料消耗大、成本高，在国内外市场上缺乏竞争力。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。为了适应纸机不断向高速、宽幅发展的需求，造纸机传动形式也在更新。并随着纸机更高功能需求、控制精度、系统可靠性和功能化以及降低运行周期成本变化而变化。概括地将造纸机传动形式经历了四大阶段和各自的特点。(1)交直流总轴传动阶段。在该传动形式下，各个分部的传动比例分配是靠机械调节来实现。该传动
15、形式的结够复杂、占地面积大、效率低。(2)直流分部传动阶段。当直流控制理论与控制技术的发展已经成熟可控硅的制造技术已经成熟的情况下逐步发展起来的。其控制精度可满足纸机对传动控制的需要。(3)交流变频分部传动阶段。交流变频技术是应实际中交流电机无级调速的需要而诞生的。并随着新的控制理论和技术如：矢量控制、直接转矩控制、无速度传感器控制及基于模糊控制、滑模变结构控制、神经网络控制等智能控制等理论的逐步完善，使交流变频技术日益成熟。交流变频调速系统在许多性能指标如：调速范围、调速精度、动态响应、零速转矩、功率因数、运行效率和使用方便、维护简单等中有些方面甚至超过了直流调速系统。因此在许多领域交流变频
16、调速系统有逐步取代直流调速系统的趋势，得到了广泛的应用。(4)交流变频分部直接传动阶段。该阶段是在对纸机传动形式和对纸机传动特性的深入研究探讨和实际纸机传动系统运行经验的基础上提出的。它是在大功率电机和大功率变频单元的日益成熟的前提下，为适应纸机传动的高稳态性和高动态性而采用的方案。该传动控制方式已经被 ABB 公司成功地运用到大型高速纸机的传动中，使用效果是非常理想的。现在正被大力使用。1.4 纸机的类型及工艺流程按造纸机网部结构的不同，造纸机 1有下列几种主要的类型：长网类型、圆网类型、陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 2夹网类型、叠网类型和带有饰面辊等一些结构比较特殊的造纸机网造纸机是
17、造纸工业中最广泛使用的一种造纸机。造纸机可以看作是一种由多台设备组成的联动机。通常可分为湿部和干部两大部分。湿部包括浆料流送设备、网部和压榨部；干部包括干燥部、压光机和卷纸机。经过配浆、施胶、加填和净化以后，具有适于抄纸的性能的浆料，在 0.31.3%的浓度下进入造纸机的浆料流送设备。在这里，纸料经过浆流分布器和流浆箱对浆流的分布和匀整以后，均匀而稳定地流送到运动着的成形网的网面上。浆流在网案的胸辊中心线附近上网以后，逐渐地过滤、脱水，形成连续的湿的纸幅。网案上通常设有案辊、真空吸水箱、伏辊等成形-脱水元件。当湿纸幅脱水到一定干度(通常是 20%左右)，便可以从网面剥离，送至压榨部继续脱水。造
18、纸机的压榨部是由若干组辊式压榨组成。湿纸幅是由压榨毛毯支托着，在压辊间用机 械挤压的方法脱水的。为了保持压榨毛毯的良好脱水性能，压榨上辊配设有毛毯洗涤装置。经压榨部后，湿纸幅的干度一般可达 40%左右。湿纸幅在纸机上进一步脱水，通常是用加热蒸发干燥的方法。造纸机的干燥部通常是 由许多用蒸汽从内部加热的烘缸组成。烘缸上包覆着干毯(或帆布、干网) ，目的是将纸幅紧压到缸面上，提高传热效率和增进纸幅的表面质量。干燥后，通常使用由 68 辊组成的压光机来提高纸幅表面质量。最后用卷纸机卷成纸筒，供整饰工段进一步加工使用。长网造纸机的用途广泛，可以生产绝大多数品种的纸张。小型长网造纸机的生产能力每天只有数
19、吨大型长网造纸机的日产量可达 500 吨以上。各种用途和大小的长网造纸机基本上是类似的，它们有相同的工作原理和相似的结构组成，只是由于生产能力和产品不同结构上有一些局部的差异。长网造纸机的传动点依据纸机的大小不同而配置不同。小型纸机只有一个主传动点，真空伏辊，此类纸机传动比较容易控制，没有特殊要求。中大型纸机网部采用多电机传动，主传动点有真空伏辊、驱网辊，有些纸机还有导网辊传动。这类纸机在传动控制中应设有负荷分配。网部负荷变化在造纸机中是最剧烈、最大的，所以网部负荷分配控制比较复杂。网部真空伏辊包角比较小，在没有开真空度时与网摩擦力较小，而且上浆后真空度的变化引起负荷的变化，会造成打滑现象。当
20、网较为松弛时，负荷分配调节有可能造成驱网辊打滑。所以网部负荷分配应充分考虑到这几种工作状态，必须设置负荷不平衡度限制和速度限幅保护功能。有导网辊的纸机由于导网辊传动功率在网部所占比例非常小，不能让其参与负荷分配运算，只能把其当作从机，利用软特性和负荷分配调节配合完成负荷分配功能。圆网造纸机与长网造纸机的组成基本相同，也是由网部、压榨部、干燥部和卷纸机等组成。与长网造纸机不同之处，主要是在于网部是主网笼和网槽组成。圆网造纸机在国内小型造纸厂中被广泛地采用。它主要是用来生产一些质量要求不高、定量较低的纸张，如有光纸、邮封纸、火柴纸和一般的文化、印刷用纸等，多圆网多烘缸纸机广泛地用在纸板的生产中，并
21、在造纸工业中用来生产某些定量较大的绘图纸、卡片纸等。复合造纸机，使用上述各类型造纸机的网部，即使用不同型式的基于 S7200PLC 文化纸机传动控制系统硬件设计 3纸幅成形装置所组合起来的造纸机，都可以称为复合造纸机。根据产品的需要，复合造纸机有很多可能的组合形式。现在最常见的是由多个圆网和一个长网组合成的纸机它常用来生产多层板纸。通常是用质量较差的浆料在圆网上抄造板纸的内层，用质量较好的浆料在长网上抄成板纸的面层，两种湿的纸层复合在一起后，可以得到具有良好表面质量的板纸。1.5 本设计的主要任务本课题主要对文化纸机硬件传动控制系统的机械结构及各部分原理的了解和纸机速度链、负荷分配等功能实现进
22、行详细阐述。通过对文化纸机变频传的工艺、工业控制现埸总线在文化纸机变频传动中的应用、文化纸机变频传动控制系统特殊问题的了解，对本课题有一个全面的掌握。纸机的基本组成部分按照纸张成型的顺序分为网部、压榨、前干燥、后压榨、后干燥、压光机、卷纸机等。本课题设计主要基于文化纸机网部和压榨部的传动控制，采用交流多点传动方式。为了防止纸张在传动过程中出现断裂、卷曲、褶皱、压痕等问题。本课题主要在传动过程部分进行高精度的速度控制（速度链问题） ，以达到高质量的延伸特性。纸机各部分之间的张力控制，以使纸机生产线对应于脱水及干燥度等工艺参数，从而保证了纸张按成纸方向所限定的伸展率进行延伸。在造纸机压榨、压光部等
23、控制中，需要采取负荷配比控制方式。在纸机的网部等多传动网控制中需要有静态补偿控制。同时还要解决西门子 S7-200PLC 与 ABB 公司的 ACS550 变频工摸屏之间的通讯方式和控制程序等。陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 42 变频调速基础知识2.1 变频器2.1.1 变频器基础原理知识变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/ 过压/过载保护等功能。国内技术较领先的品牌有英威腾、汇川、三 晶、紫日电器科技公司、雷诺尔、欧瑞 (原烟台惠丰)、蓝海华腾。2.1.2 变频器的组成和分
24、类控制电路：控制电路完成对主电路的控制。它将信号传给整流器、中间电路和逆变器，同时接受来自这些部分的信号。整流器: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。中间电路：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：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。一般的三相变频器 2的整流电路由三相桥式全控整流桥组成。它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路的主要分类有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和
25、零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电路能够得到质量较高的直流电源。此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制动电阻以及其他辅助电路。逆变电路是变频器主要的部分之一。它是利用六个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的主开关元器件的通与断，得到任意频率的三相交流电输出。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动还是发电制动状态，变频器功率因素总不会为 1。因此，在直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量就靠中间直流环节的储能元件来缓冲。它的主要作用是
26、在控制电路的控制下，将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。变频器的分类基于 S7200PLC 文化纸机传动控制系统硬件设计 5变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为 PAM 控制变频器、PWM 控制变频器和高载频 PWM 控制变频器；按照工作原理分类，可以分为 V/f 控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。2.1.3 变频器工作原理
27、主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的整流器，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路 ”，以及将直流功率变换为交流功率的“ 逆变器”。变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF 变频或矢量控制变频） ，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压
28、均可控制的交流电源以供给电动机。变频器主要由整流（交流变直流） 、滤波、再次整流（直流变交流） 、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。整流电路：VD1-VD6 六个整流二极管组成不可控全波整流桥。对于 380V 额定电源，一般二极管反向耐压值应选 1200V，二极管正向电流为电机额定电流 1.414-2 倍。2.1.4 变频器功能与控制方式 自 70 年代初产生的变频器调速技术，经过 30 年的发展已经进入了一个理论上成熟，技术上完善的电力拖动控制设备。但是，不论技术上如何变化，变频器本质上的功能不会变化，基本原理和基本功能不会变化。例如最初的变频器电压和频率的控制规律简称 V/F
29、 曲线是由设定的电压 /频率曲线或图形来表示和实现的。而现在的变频器则大多以转差补偿、转矩提升等形式给出，虽然没有原来那样直观但是却增加了许多智能化的成分。例如，确定的 V/F 曲线，可以理解为就是一个变频电源，至于实际的电机运行情况变频器是不予理会的。而转矩或转差补偿就不一样了，他是一种实时计算过程，根据预先输入的电机参数通过电机模型计算电机应有的电流和转矩，再根据设定的转矩控制输出电压和频率。只要电机参数基本准确，这种补偿比起 V/F 控制要先进多了，理论上说可以实现真正的转矩补偿。但是，这种功能对于使用者来说需要对变频器原理和自动控制原理方面的知识进行学习。因为设定和使用这些参数发挥最佳效果必须经过试验和反复调整，如果设定不好可能还不如简单的 V/F 曲线好。变频器的常见的几种控制方式如下：
