基于PLC的造纸机控制系统设计毕业论文

嘉兴职业技术学院毕业论文（设计）0附页嘉兴职业技术学院毕 业 设 计 （论 文）题目名称： 姓 名： 所在分院： 专业班级： 指导教师： 二一七年四月八日目 录1引言 .11.1 造纸机控制系统设计目的与意义 .31.2 造纸机控制系统的研究现状 .31.3 本文的主要内容 .42 造纸机控制系统 .52.1 造纸机控制系统要求 .52.2 造纸机控制系统的方案 .63 控制系统的硬件电路设计 .73.1 硬件系统组成 .73.1.1 硬件电路主要器件 .73.1.2 硬件电路的工作原理 .83.2 系统硬件原理图 .123.2.1 系统电机部分原理图 .123.2.2 PLC 与变频器连接的硬件电路 .143.2.3 PLC 的模块电路 .174 系统软件设计 .214.1 系统软件设计的介绍 .214.1.1 Step7 软件内容 .214.1.2 添加通讯适配器 .214.2 系统硬件组态与软件编程 .224.2.1 系统硬件组态 .224.2.2 软件流程图 .224.2.3 PLC 的软件编程 .23结 论 .26谢 辞 .27参考文献 .28附录 1：系统控制原理图 .29附录 2：PLC 原理图 .302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 S7-300 PLC 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-DP3引言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4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 S7-300 PLC 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、SIMATIC S7 PLC 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。52 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 60KW2 真空 45KW3 主压 35KW4 大缸 25KW网部（真空） 主压 一烘 大缸二烘 压光图 2.1 造纸机工艺流程卷取65 一烘 35KW6 二烘 30KW7 压光 25KW8 卷取 25KW9 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 S7-300 PLC 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 Protel 99se 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 Step7 V5.5 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。7图 2.2 系统控制方案图83 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 SIMATIC S7-300PLC。SIMATIC S7 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 SIMATIC S7-200 系列，最小配置为 8DI/6DO，可扩展2 到 7 个模块，最大 I/O 点数为 64DI/DO、12AI/4AO；中小型的有 SIMATIC S7-300 系列；中高档的有 S7-400 系列。SIMATIC S7 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9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60/nfpfp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n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：ProfibusDP 通讯协议的数据电报结构分为协议头、网络数