PLC负荷分配控制器的设计

武汉科技大学毕业论文PAGEPAGE23PLC负荷分配控制器的设计摘要本文以造纸系统中多电机拖动同一负载为研究对象,介绍了负荷分配产生的原因及其影响,从而引出了用PLC实现负荷分配的设计方法,在此基础上分析了负荷分配产生的原因并建立数学模型,为以后的工程实现提供了理论依据。介绍了气垫式流浆箱的结构与控制原理，并根据其数学模型进行了仿真分析，利用前馈解耦方法完成总压与浆位的完全解耦，采用PID调节器来实现对总压和浆位的控制。通过MATLAB仿真表明这种处理是有效的，从阶跃响应曲线可以看出系统是稳定的，设计达到了控制要求，完成了以SIMATICS-200PLC为控制器的基于DCS结构的控制系统。论文从负荷分产生的原因及其影响开始,分别介绍直流传动和交流传动的负荷分配实现方法,从而建立数学模型,得出了解决负荷分配的理论依据;继而介绍了系统实现的硬件和软件,以及PLC与变频器之间的通信网络;最后通过算法和程序实现负荷分配。关键词:可编程逻辑控制器,负荷分配,变频传动,控制器,变频器

AbstractThepurposeofthispaperistostudyasameloadbeingdrivenbymorethanonemotorinpapermanufacturingsystem.Thecauseandeffectofloaddistributionisintroduced,andThemethodologyofusingPLCtoimplementloaddistributionisexamined.Basedonthenpreviousfinding,mathematicalmodelsandtheoreticalbasisareprovidedforengineeringpractise.ThecontrolprincipleandruleoftheAir-Cushionedheadboxanditseffectsonthepaperqualityareanalyzed,whichbasesonthetechnologicalprocessesofpapermachine,andthemathematicalmodeloftheheadboxisanalyzed.Theresultisthatthereisthefiercecouplingbetweenthestressandtheliquidlevel.Sothefeedforwarddecouplingisintroduced,andthemodelisdecoupledcompletely.ThePIDcontrollerisusedtomakethesystemstabilization,andthesystemissimulatedbytheMATALB.Thecurveofthestepresponseindicatesthatthesystemisstabilizedandaccordingtotherequestofthedesign.ThemultilevelDistributingConntrolSystem(DCS)isintroduced,whichismadeupofTheSIMATICS7-200PLCtoimplementthiscontrolprocedure.Paperreasonandinfluencewhichpeoducesfromtheloadassignment，introducesthedirect-currenttransmissionandtheexchangetransmissionloadassignmentrealizationmethodseparately,thushasestablishedthemathematicalmodel,hasobtainedthesolutionloadassignmenttheorybasis,subsequentlyintroducedthesystemrealizationhardwareandThesoftware,aswellasPLCwithfrequencychangerbetweencommunicationnetwork,Finallythroughalgorithmandprocedurerealizationloadassignment.KEYWORDS:programmablelogiccontroller,loaddistribution,variablefrequencydrive,Controller,transducer

目录摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1纸机传动系统及简介 11.2国内外变频传动控制技术现状 11.3负荷分配的应用及其意义 21.4研究的意义 3第2章负荷分配原因及实现方法介绍 42.1负荷分配问题产生的原因和影响 42.2解决负荷分配问题的理论依据 42.3符合分配功能常用的几种方法 6第3章负荷分配原理及计算 73.1直流传动的负荷分配 73.1.1直流电机介绍 73.1.2直流电机的机械特性曲线 73.1.3直流传动负荷分配设计 83.2交流传动的负荷分配 93.2.1交流电机机械特性 93.2.2从转矩方面考虑负荷分配原理 103.3纸机负荷分配设计应考虑的问题 11第4章负荷分配PLC控制器的设计 134.1硬件组成 134.1.1PLC简介 134.1.2ABB变频器的简介 144.2通信协议 144.3算法及程序 17第5章结论 195.1本文的结论 195.2本文的不足 195.3前景的展望 20致谢 21参考文献 22第1章绪论1.1纸机传动系统及简介压光卷纸七至十一烘缸毛布施胶动轴施面固定定光压下光压上一至六组缸真空压榨施面辊导网\曲网流浆箱造纸工业中广泛使用的造纸机可以看作是一种由多台设备组成的联动机,如图1-1所示.造纸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、压光机和卷纸机等。压光卷纸七至十一烘缸毛布施胶动轴施面固定定光压下光压上一至六组缸真空压榨施面辊导网\曲网流浆箱图1-1造纸机传动系统简图从纸机传动系统的发展过程来看，早期造纸机的电气传动系统通常使用单独的电动机传动，由它带动天轴和地轴通过皮带以驱动造纸机的网部、压榨部、烘干部以及压光和卷取部分。为了适应纸机改变品种的要求，驱动电动机通常采用直流电动机，并借助于改变电枢电压或磁场电流来实现纸机的调速。随着计算机网络技术的发展，纸机变频传动系统也正在进入一个以通讯网络技术为核心的发展时期，纸机变频传动系统以成为以通讯网络为结构框架的大型控制系统，并且成为车间DCS系统的一个重要子系统,网络化和计算机集中控制正在成为传动系统的主要发展趋势。.纸机传动系统正在向多功能化、智能化发展，使其再在生产过程及质量管理过程中发挥重要作用。1.2国内外变频传动控制技术现状近几年来，我国造纸工业取得了很大的发展，造纸机装备水平不断提高。纸机的幅宽不断增加，车速也达到了700~800m/min左右。新投产的板纸机由过去的年生产能力约3~5万吨，提高到了30~40万吨，并且随着交流变频技术的不断成熟，变频传动已经取代了纸机直流传动的统治地位。传统的纸机传动方式主要有直流分部和直流总轴传动等，但都因为维护量大，可靠性差等原因逐渐被淘汰了。目前国内大部分都使用变频传动，纸机采用变频传动后，机械维护量几乎为零。但是变频器属于高科技产品，在其使用过程当中，因使用不当而使变频器频繁保护甚至损坏，对生产造成影响这是众多厂家所关心的问题。以负荷不均而使变频器出现保护现象是最常见的问题之一。解决这些问题的方法在国内还属于摸索阶段，主要靠广大现场技术人员通过经练来解决。可编程控制器（ProgrammableController），简称PC，因早期主要应用于开关量的逻辑控制，因此也称为PLC（ProgrammableLogicController）。它诞生于上世纪60年代，经过了几十年的发展。可编程控制器作为一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它结合计算机技术，自动控制技术和通信技术，用面向控制过程，面向用户的“自然语言”编程，是一种简单易懂，操作方便，可靠性高的新一代通用工业控制装置。可编程控制器及其有关的外围设备，都按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。国外解决负荷分配问题的主要方法之一是使用高性能变频器的转矩控制功能，如Siemens公司的6SE70系列工程型变频器和ABB公司的ACS600系列变频器，可以通过转矩控制方式实现负荷分配的目的。以一台变频器作为主传动，并选用速度控制模式，奇遇的辅传动选用转矩控制模式，将主传动的转矩输出作为辅传动的转矩给定，这样辅传动的给定信号是转矩而非频率。辅传动跟随主传动的转矩变化而变化，起到负荷分配控制的目的。这种控制方式的控制精度高，动态响应快，但适用范围小，对负荷载有一定的要求。这是因为辅传动负载转矩较大时，电机转速低；负载转矩较小时，电机转速高；空载时甚至可以达到最大频率。这种提醒有些像直流调速上的速度调节器饱和的电流控制方式，所以要求负载运行时必须处于加压状态或类似刚性连接，例如光压上，下辊。虽然国际上有专门的硬件措施来解决负荷分配，但也没有提升到理论的高度。总之，在解决负荷分配的问题上还没有一个统一模型，没有提升到理论高度，基本上处于初步阶段。1.3负荷分配的应用及其意义大约在20世纪50年代，分部传动造纸机逐渐替代了总轴传动造纸机。分部传动大大简化了机械传动设备，提高了稳速精度，并且使相邻分部间速度和张力调节十分方便。但是随着高速，大型纸机的出现以及新工艺的采用，为了进一步简化造纸机械，需要使造纸机的某个分部采用多个电动机传动。在这种多点传动情况下，造纸机的某个分部除了要具备调速和稳速的性能外，还需要各个电动机满足负荷分配的要求。在20世纪80年代中期，国外开始将变频调速系统应用于纸机，国内大约始于90年代初期。交流变频调速以其结构简单，坚固耐用，动态响应好，效率高，经济可靠，抗恶劣环境能力强，易于向高电压，高速度，大容量发展等优点逐步取代直流调速系统而占据了传动系统的主导地位。造纸机采用变频传动以后，机械的维护量几乎为零。但是变频器属于复杂精细的高科技产品，在其使用过程中，若使用不当会使变频器频繁保护甚至损坏，对正常生产造成影响。其中以由于多点传动而引起的负荷不均而使变频器出现保护现象最为常见。在生产工艺稍有边变化时，多点传动电机失去平衡，当有的电机的负荷过大时，电流剧增甚至过流过载，出现调闸保护；有的电机负荷降低，甚至不出力以至作发电机运行而出现过电压保护，造成很大的功率损耗，并可能对生产和设备造成影响或损坏。由于纸机的某些分部（如网部，压榨部）有两台或多台电机连在一起，辊筒的线速度必须保持一致，否则毛布或者铜网会被拉断，为了保证速度同步，同时有需要各个电机按照起额定值进行比例分配，即产生了负荷分配问题。1.4研究的意义本课题针对负荷分配问题加以理论研究，建立负荷分配数学模型，并且针对变频传动部分，以西门子S7-226PLC为控制器组建PLC和变频器的通信网络，实现负荷分配制。这对于制定负荷分配的控制方案具有一定的理论意义，对于我国造纸技术的发展有一定的帮助。本课题采用了PLC通信控制变频的方式来实现负荷分配的控制，主要是通过变频器本身的物理接口或扩展通信板，将变频器接入现场总线，变频器与PLC进行通信，交换数据。负荷分配的思路是通过通信，PLC读取个分部的转矩值，将主，辅传动的转矩进行比较，再通过PLC通信调节个辅传动的给定频率，加大或减小该分部电机的转差率，从而调节电机的转矩。这种控制方法目前使用广泛，工作可靠，控制精度高。

第2章负荷分配原因及实现方法介绍2.1负荷分配问题产生的原因和影响采用分部传动时，几台电机拖动同一负载，每台电机有一个变频器驱动。例如压榨部两辊压合，将两辊看做一个负载，有两台电机拖动。当线速度一样时，两台电机有可能出现一台出力大一台出力小的现象。这就产生了负荷分配问题，如图2-1所示。上压榨电机上压榨电机下压榨电机纸张图2-1压榨部两台电动机工作示意图在造纸机械设计中，还有多达七台电机拖动一个负载的情况，这就要求电机速度一致。否则，有些变频器会出力过大，出现过流或过载保护，有些会因不出力甚至转为发电状态而出现过电压保护，这些现象都应避免或解决。2.2解决负荷分配问题的理论依据在纸机、印染机或其他传动系统中，只是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，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)。以三点负荷分配为例，P1e、P2e、P3e为三台电机额定功率，Pe为额定总负载功率，Pe=P1e+P2e+P3e。P为实际总负载功率，P1、P2、P3为电机实际负载功率，则P1=P*P1e/Pe,P2=P*P2e/Pe,P3=P*P3e/Pe。负载分配的目的就是使P1、P2、P3满足上述要求。现以变频传动系统为例说明负载分配控制器工作过程。以三点负荷分配为例（见图2-2），变频器1、2、3负荷分配，变频器1在速度链的主链上，作为负荷分配主机，其它变频器将以此变频器为基础，负荷分配控制器只采集其电压电流数据，不对其做任何调整；变频器2、3处于速度链分支上，负荷分配控制器将对它们进行自动检测、自动控制和自动调整。对于电机拖动负载的比例计算，以电机负载率表示：Λ=Pl/Pe(2-1)其中：Pe为电机额定功率；Pl为负载功率。解决负荷分配问题，就是要求所有电机的负载率都应一样。变频器0变频器0变频器1变频器4负荷分配控制器变频器3变频器2例如：负载总功率为37.5Kw，有两台功率45Kw、30kW的电机拖动，则负载平衡时45kW电机出力22.5Kw，30kW电机出力15kW，计算公式为PL1=30*37.5/75=15KWPL2=45*37.5/75=22.5KW对于多台电机的计算公式为Pli=Pei*PL/∑Pei其中：PLi为第i台电机出力功率；Pei为第i台电机额定功率；PL为负载总功率。在实际控制当中，电机功率是一间接量，不方便直接测量。Tli=Tni*Tz/∑Tni其中：Tli为为第i台电机出力转矩；Tni为第i台电机额定转矩；Tz为负载总转矩。电机转矩可通过变频器输出端子测量，也可通过计算机通信获得。负载总转矩不必直接测量出来，解决负荷分配问题就是要使电机转矩百分比一样，对于各电机来说就是各电机出力转矩和额定转矩比值应相等，这样就完成了符合分配的自动控制。2.3符合分配功能常用的几种方法1.使用PLC通信控制变频器现在大多数造纸机传动控制系统都用二级控制，即PLC与变频器控制，主要是通过变频器本身的物理接口或扩展通信板，将变频器接入现场总线，变频器与PLC进行通信，交换数据。符合分配的思路是通过PLC读取各分部的转矩值，将主、辅传动的转矩进行比较，再通过PLC调节各辅传动的给定频率，加大或减小该分部电机的转差率，从而调节该分部电机的转矩。这种控制方法目前使用广泛，工作可靠，控制精度高。2.使用高性能变频器的转矩控制功能Siemens公司的6SE70系列工程型变频器和ABB公司的ACS600系列变频器，这些变频器可以通过转矩控制方式实现负荷分配的目的。其方法是以一台变频器控制主传动，这台变频器为速度控制模式，其余的辅传动选用转矩控制模式，将主传动的转矩输出作为辅传动的转矩给定，这样辅传动的给定信号是转矩而非频率。辅传动跟随主传动转矩的变化而变化，起到负荷分配控制目的。这种控制方式的控制精度高，动态响应快，但适用范围小，对负载有一定的要求。这是因为辅传动负载转矩较大时，电机转速低，负载转矩较小时，电机转速高，空载时甚至可以达到最大频率。这种特性有些像直流调速上的速度调节器饱和的电流控制方法。所以要求负载在运行时必须一直处于加压状态或类似刚性连接，比如光压上、下辊。3.利用各种系列变频器的特殊软件实现负荷分配控制许多公司都有解决多电机传动的负荷分配控制的方案，如Siemens公司的PID自由功能块、ABB公司的主从应用宏软件。其控制原理与负荷分配原理是一样的，同样可以获得非常好的控制精度。Siemens公司的PID自由功能块和ABB公司的主从应用宏在目前的负载分配控制中应用非常广泛。4.使用PLC扩展A/D模块实现负荷分配控制有些变频器没有通信功能，负荷分配控制只能通过A/D端口控制。可利用PLC作为负荷分配控制器，在PLC上扩展A/D模块，采用电机电源，依据负荷分配控制原理经过PLC运算处理，完成负荷分配控制功能。5.通过转矩限幅间接实现负荷分配功能这种方法是通过让辅传动的速度稍高于主传动的速度，然后给辅传动加上转矩限幅使得主、辅传动的转矩基本保持平衡，以达到负荷分配的目的。第3章负荷分配原理及计算3.1直流传动的负荷分配3.1.1直流电机介绍直流机主要由三个部分组成，即磁极、电枢、换相器。直流电机是机械能和直流电能互相转换的旋转机械装置。其原理是建立在电磁力和电磁感应的基础上的，直流电机用作发电时，它将机械能转换为电能；用作电动机时，将电能转换为机械能。3.1.2直流电机的机械特性曲线N0N000NnnTn△n0Tn其中:Tn:额定转矩△n:转速降T:电动机电磁转矩N0:理想空载转速n:电动机转速Nn:额定转速3.1.3直流传动负荷分配设计1.电枢串联法这种方法通常使用于两台电动机型号规格相同而要求负荷平均分配的情况。两台电动机，一台为主电动机（D1），一台为辅电动机（D2），其中1D作为主导电动机，它带有测速发电机及双闭稳速装置，而2D作为辅助电动机与1D相串联，并共用一套可控硅整流电源。由于电枢串联，所以两台电动机的电枢电流是相同的。若两台电动机的励磁磁通也相同，则电动机1D与2D的力矩相等，即为Md1=Cm1Id=Cm2Id=Md2(3-14)由于Md1+Md2=Mc(3-15)因此有Md1=Md2=Mc/2(3-16)可以看出两台电动机的负荷力矩是相等的,并均分负载。由于1D具有急速及调速的性能，而2D与1D是通过毛毯实现柔性连接的，因此2D也具有急速及调速的性能。若要改变1D、2D负荷分配的比例，则改变磁场的串联电阻R即可。这种负荷分配方案的优点是在全部调速范围内负荷分配是均匀的；它的急速精度与单个电动机相同的；只需要一台测素速发电机和双闭环装置。其缺点是当电动机多于两台且容量不相同时，由于不能实现电枢串联故难以实现负荷分配。2.电枢并联法当多点的电动机多于两个且容量不相等时，则可以用电枢并联法来实现负荷分配。该方法用三台电动机来实现，它们均由可控硅装置供电，三台电动机的负荷分配借助于磁场变阻器。电动机电枢并联法的优点是实用于多台电动机的负荷分配，其负荷分配调解是通过调磁来实现的。其缺点是在调速范围内由于电动机机械特性变化，无法保持原来的负荷分配比例。换句话说，改变速度，负荷分配要重新调整。3.辅助电动机电流指令法为了克服电动机电枢并联法在调速范围内负荷不均，以及辅助电动机经常处于弱磁的缺点，采用电流环的方法，使辅助电动机一直处于恒流，而其磁场保持在额定状态，其电流指令值可用电位器来调节。该方法可推广到多台电动机的情况，主导电动机与普通的双闭环稳速系统相同这种方法涉及到的元件有，速度调节器、电流调节器、电流变换器、调节电位器，以及触发装置、可控整流装置，调节电位器即可整定辅助电动机的工作电流。对于辅助电动机只有一个电流环，其参数选择与普通的双闭环系统相同。这种方案广泛的用于复卷机系统中。辅助电动机电流指令法适合于多电动机的负荷分配，且负荷分配值在整个调速范围内保持不变，系统稳定性也是可靠的。其缺点是需要增加一套可控硅整流装置。4.负荷调节法辅助电动机电流指令法虽然使用于多台电动机，而且负荷分配调节比较方便，但由于没有测速机与速度调节器，所以辅助电动机稳速能力差。它通过毛毯或钢网的柔性连接来实现与主导电动机速度一致。为了进一步提高稳速精度，可以对辅助电动机采用双闭环稳速装置。由于主、辅电动机均采用双闭环稳速，所以提高了控制品质。负荷分配采用负荷平衡调节器，其中两台电动机均有各自的双闭环稳速装置供电，并各自带有测速发电机。为了实现负荷平衡调节，设置了负荷调节器。负荷调节器的一个输入来自辅助电动机的电流指令，并经电位器分压。为了构成差值控制，辅助电动机的电流指令值经过反相器。当两台电动机的电流比值与设定值不一致时，负荷调节器输出一个正比于电流差的信号，经负荷调节器放大后去调节辅助电动机的速度给定，以达到主、辅电动机的电流比例恒定。由于负荷调节器、速度调节器和反相器所构成的负荷调节器环的作用，速度调节器的输出正比于主导电动机的电流给定值。当辅助电动机由于负荷增加而转速下降时，首先通过自身的测速反馈，使转速恢复；其次通过柔性连接使主电动机负荷增加，从而使速度调节器的输出增加来恢复原来的转速。因此它的稳速精度比不带测速机的电流指令法高。对于上述四种负荷分配法，可以用多点传动的实用性、稳速精度、调速协调性和所消耗费来进行比较。表3-1列举了优缺点以供综合比较。表3-1四种负荷分配法的比较方法\比较项目多电机适用性稳速精度调速协调性费用串联法仅两台好好少并联法适用差差少电流指令法适用中好中等负荷调节器法适用好好稍大3.2交流传动的负荷分配3.2.1交流电机机械特性NN0NnTnTstTmaxn0Tb其中:Tn:额定转矩Tmax:最大转矩Tst:启动转矩n:电动机的转速T:电动机的电磁转矩Nn:额定转速N0:理想空载转速3.2.2从转矩方面考虑负荷分配原理交流传动采用变频调速后，交流电机没有像直流调速那样有明确的电流环、速度环，也不能直接控制变频器内的电流环，所以负荷分配较为复杂，可采用PLC控制负荷分配，并从转矩方面考虑负荷分配原理。根据异步电动机的技术数据计算异步电动机的参数，一般异步电动机的产品目录中可以查到的一些技术参数：(a)额定功率Pn(kw)(b)额定定子线电压U1n(v)(c)额定定子线电流I1n(A)(d)额定转速nN(r/min)(e)额定效率ηN(%)(f)过载倍数Kt(Kt=Tm/Tn)一般取1.8~3.0(g)我国额定功率 为50Hz，即f1=50Hz 在已知上述数据的基础上，可以用工程计算方法计算异步电动机参数如下。1.额定转矩TNTN=9550*PN/Nn(N*m)(3-32)式中PN的单位为KW；nN的单位为r/min。2.最大转矩TmTm=KT*TN(3-33)S=(no-nN)/no(3-34)no=60f1/p(r/min)(3-35) 3.临界转差率SmSm=Sn(KT+KT*KT-1)(3-36)假如只有两台电机，需满足Tz1/T1=Tz2/T2(3-37)Tz=Tz1+Tz2(3-38)其中：T1、T2为电机额定转矩（常量）；Tz1、Tz2为电机各自的转矩；Tz为电机的总负载转矩。又有工程计算式：T=2Tm/(S/Sm+Sm/S)(3-39)式中及可由电动机产品目录中查的数据得。而S=(no–nN)/no=(f-fN)/f(3-40)式中fN为额定频率。整理上式可得：T=2Tm*Sm(f*f-fN*f)/[(1+Sm*Sm)*f*f-2f2*f+fN*fN](3-41)即T是f的函数。故由上式可知：要想使Tz1和Tz2满足式（3-37）和式（3-38），只需调整对应电机的频率即可。即要想实现负荷分配，只需调整对应的电动机的频率即可。当有多台电机时，同样可以得到上述结论，即要想实现负荷分配，只需调整对应的电机的频率即可。3.3纸机负荷分配设计应考虑的问题纸机传动系统负荷分配要求速度稳定、分配平衡，纸机负载多变，传动情况复杂，所以要求负荷分配稳定有效，能够随时适应负载变化。进行负荷分配设计时应考虑以下问题。1.负荷分配控制算法要求负荷分配一般要求采样各分部电机的转矩，简单的负荷分配算法要求简单，可以进行简化处理，主机与从机比较就可以进行调节。这种算法适合余传动点数在4点以下的负荷分配。对于传动点数多的负荷分配，必须以及负荷分配平均算法，计算出系统总负荷转矩，根据系统总符合转矩可以计算出负载平衡时的期望值转矩，计算平均负荷转矩依据负荷分配原理进行计算。负荷分配控制器根据平均期望转矩M和实际转矩ML比较进行调节。纸机负载随时波动，所以计算出的平均期望转矩M也根据实际负载变化，因此这种控制算法可以准确计算出总负荷和每台电机应该输出的转矩，便于准确控制。2.负荷分配控制调节要求纸机对传动系统要求稳、准、快、所以负荷分配控制也要求快速、稳定、无震荡。负荷分配控制器根据平均期望转矩M和实际转矩ML比较，得到偏差信号，根据偏差信号的大小进行PID控制算法调节。对于简单负荷分配控制系统，传动点数在4~5点以下，可以采用简单调整；对于传动点数多的系统必须采用PID调节，也就是说每一个从机都要采用PID算法调节，否则会引起系统震荡。3.负荷分配智能化设计在实际生产过程中，传动点的负荷分配关系可能随时变化，如两辊加压则处于负荷分配状态，卸压则处于速度控制状态，所以要求负荷分配能够跟随负载情况随时变更。通过PLC的数字端子控制可以变更控制方式和算法，也就是说负荷分配设计要能够满足工艺控制变更的要求。4.负荷分配保护功能负荷分配应该有速度限幅保护，以防止起动过程中速差太大损害设备，而且有的传动点会出现打滑现象，采用速度限幅保护就可以有效抑制打滑现象。负荷分配控制点应该设有单动/联动功能。在调试检修过程中可能需要单独启动其中1台电机，在正常运行中需要同时启动、同时停止，所以在单动状态时各负荷分配控制点可以单独调速、单独操作，在联动状态时可以同时启动、同时停止、联动调速。负荷分配设计应该根据工艺传动要求和工艺操作要求进行合理设计，具体控制设计要根据实际的负载性质进行。负荷分配与速度链控制既独立又有关联，所以使用PLC控制时应注意负荷分配与速度链的衔接问题。

第4章负荷分配PLC控制器的设计4.1硬件组成4.1.1PLC简介可编程序控制器PLC是一种专为工业环境下应用而设计的工业控制计算机。在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备都按易于使工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计，除了能完成各种各样的控制功能外，还有与其他计算机通信连网的功能。现代社会要求制造业对市场需求做出迅速反应，成产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，这就需要寻求一种新的控制装置来取代老式的继电器控制系统，使电气控制系统的工作更加可靠，更容易维修，更能适应经常变动的工艺条件。可编程序控制器正是顺应这一要求出现的。现在可编程序控制器的推广应用在我国得到了迅猛的发展，它已经大量地应用在各种新设备中，各行各业也涌现了大批应用可编程序控制器改造设备的成果。西门子公司的SIMATICS7-200系列属于小型可编程序控制器，可在简单控制场合代替电器，也可以用于复杂的自动化控制系统。它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。S7-200的可靠性高，可用梯形图、语句表（既指令表）和功能块图3种语言来编程。它的指令丰富，指令功能强，易于掌握，操作方便；内容有高速计数器、告诉输出、PID控制器、RS-485通信/编程接口、PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信功能，I/Q端子排可以很容易地拆卸；最大可扩展到248点数字量I/Q或35路模拟量，最多有26KB程序和数据存储空间，已经在诸多领域中得到了广泛的应用。S7-200CPU的指令功能强，有传送、比较、移位、循环移位、产生补码、调用子程序、脉冲宽度调剂、脉冲序列输出、跳转、数制转换、算术运算、字逻辑运算、浮点数运算、开平方、三角函数和PID控制指令等，在主程序最多可有8级子程序和中断程序的程序结构，用户可使用1~255ms的定时中断。用户程序可设3级口令保护，监控定时器的定时时间为300ms。数字量输入中有4个可用作硬件中断，6个用于高速功能。32位高速加/减计数器的最高计数频率为30kHz，可对增量式编码器的两个互差90度的脉冲列计数，计数值等于设定值。计数方向改变时产生中断，在中断程序中可及时地对输出进行操作。4.1.2ABB变频器的简介ABB变频器的应用较为广泛，现在主要有两大系列：ACS600系列和ACS400系列，包括2.2kW到30kW范围内的各种功率等级。另外在小功率当中还有ACS100系列。ABB变频器以其稳定的性能而在纸机传动系统中被广泛应用。下面就ABB变频器在纸机传动应用中遇到的、需要经常改动的一些参数加以说明。1.ACS600系列变频器的介绍ACS600系列变频器（2.2-300KW）是ABB公司采用直流转矩控制（DTC）技术，ACS600SingleDrive可对标准鼠笼电机进行精确的精度和转矩控制，并且3增加成本及繁琐的脉冲编码器反馈。结合诸多先进的生产制造工艺推出的高性能变频器，完善的保护功能以及灵活的编程能力。并且具备以下特点：（1）电机辩识运行（IDRUN）及速度自我微调功能（2）内置PID控制器，降低了你的投资成本（3）工具软件对传动的全方位支持：DrivesSize选型软件,DrivesBuilder工程设计软件（4）零转速下，不需速度反馈就能提供电机满转矩（5）AC600SingleDrive能够提供可挖且平稳的最大启动转矩,可达到200%的额定转矩2.ACS400系列变频器的介绍ACS400变频器在2.2-37KW的范围内，带给你最大的利益享受：接约能源，控制准确，安全可靠，铸铝件和塑料件的使用，保证了足够的加工精度，ACS400预置了九种应用宏。主电源：230-500V50/60HZ控制电源：115—230V。在励磁部分中采用了最新的IGBT控制技术，不在需要磁场电压匹配变压器，磁场进线熔断器和电抗器也一集成在ACS400模块中。由于磁场部分采用了三相进线供电方式，且直接取自为电枢供电的三相电源，因而ACS400不在需要单独的磁场电源进线。ACS400拥有多种调试工具。在调试向导的引导下进行参数设定，加上全部的自优化调试过程，ACS400的典型调试时间为15分钟。4.2通信协议通信系统采用了RS-485网络的结构，软件协议采用支持RS-485网络的Modbus工业通信协议。Modbus通信协议是当今全球工业领域最流行的协议，它支持传统的RS232、RS-422、RS-485和以太网设备。许多工业设备，包括单片机、PLC、智能仪表等都使用Modbus协议作为它们之间的通信标准。利用Modbus协议可以将各变频器连成网络，进行集中监控。RS-485总线具有信号传输速率快、传输距离远、抗干扰能力强等优点。其接口可以有多个驱动器和接收器，很容易实现一台OLC与多个变频器之间的串行通信。组成RS-485通信控制总线有两个方面：一是硬件组建，按照RS-485电气标准将各控制部件连接起来；二是软件设置及编程，依据通信部件的通信协议进行设置和编程设计。1.RS-485网络硬件组建RS-485总线要求有物理标准和协议标准。在RS-485总线上的各部件必须具有标准RS-485通信接口，所有的RS-485接口的DATA+和DATA-分别连接在一起，在通信两端配置终端电阻。同时在RA-485总线上的各部件必须遵从同一种通信协议，不同的通信协议产品不能同时挂在同一个RS-485总线上。图4-1所示就是西门子PLC与ABB公司ACS600、ACS400系列变频器混合组成的RS-485总线的网络结构。PLC接口为RS-232口，通过RS-232/485通信转换模块将RS-232信号转换成RS-485信号。ACS400变频器接口为RS-485，A为通信线数据负，B为通信线数据正，将正、负分别连接到RS-485总线。ACS600变频器的X28、X29端为RS-485通信接口，4脚为数据正，3脚为数据负。如图4—1所示，在ACS600和ACS400上都可以选择配置终端电阻，现将中间的变频器都配置位飞终端模式，将最两边的变频器配置为终端工作模式。ModbusDATADATA+8383PLCAB34ABn个变频器图4-1通信网络结构图有些公司的变频器没有RS-485总线终端电阻配置选择，可通过在通信线的两终端外接120Ω电阻完成终端的配置。2.通信参数设置在RS-485总线上，各部件必须具有相同的通信参数。即具有相同的波特率、相同数据位、相同的校验位、相同的停止位。还必须对各部件分配总线地址，每个部件必须有唯一的总线地址，地址不能重复。现以ABB400变频器组成RS-485通信控制总线为例，通信总线波特率采用9600，PLC通讯参数设置为波特率9600，数据为8为，停止位为7为。RS-232/RS-485位置通讯位通讯数据为11位，通信拨特率为9600。经过上述设置连线，Modbus网络已全部设置完成,可以进行软件编程设计了.3.Modbus通讯协议Modbus协议是应用于电子控制器上的一中通讯语言.通过此协议,控制器之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通讯.它已经成为通讯标准.有了它,不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络,进行集中监控.词协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,不管它们是经过何种网络进行通信的.它描述了控制器请求访问其它设备的过程,如何应来自其它设备的请求,以及怎样侦测错误并记录等,它制定了消息城格局和内容的公共格式.当在网络上通讯时，Modbus协议决定每个控制器需要知道设备地址,识别按地址发来的消息,决定要产生何种行动.如果需要回应,控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出.在其它网络上,包含了Modbus协议的消息转换为在词网络上使用的帧或包结构.这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法.(1)在Modbus网络上转输.标准的Modbus口使用RS-232C兼容串行接口,它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输拨特率、奇偶校验。控制器能直接或经由Modbus组网.控制器通信使用主从技术,即仅设备(主设备)能初始化串输(查询),其它设备(从设备)根据主设备查询提供的数据做出相应反映.典型的主设备有主机和可编程仪表等.典型的从设备有可能编程控制器等.主设备可单独和从设备通信,也能以广播方式和所以从设备通信.如果单独通信,从设备返回消息作为辉映;如果是以广播方式通信的,则不作任何回应.Modbus协议建立了主设备查询的格式:设备(或广播)地址、功能代码、所有要发送的数据、错误检测域。从设备将建立错误消息并把它作为回应发过去。(2)在起它类型网络上转输。在其它网络上，控制器使用对等技术通信，这样在单独的通信过程中，控制器既可作为从设备，提供的多个内部通道可允许同时发生的串输进程。在消息位，Modus协议仍建立了主从原则,尽管网络通讯方法是”对等”.如果控制器发送消息,它只作为主设备,并期望从设备得到回应.同样,当控制器按受到消息时,它将建立从设备回应格式并返回给发送的控制器.(3)查询-回应周期.主从查询-回应周期表如图4-2所示.查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能.数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息.例如功能代码03是要求从设备读保持寄存器数量.错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。设备地址设备地址功能代码数据段数据段主设备的查询信息从设备的回应消息错误检测错误检测功能代码设备地址图4-2主从查询-回应周期表如果从设备产生正常的回应,在回应消息中的功能代码是对查询消息中的功能代码的回应。数据段包括了从设备搜集的数据,如寄存器值或状