S7200PLC在纸机传动中的应用毕业设计.doc
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1、毕业设计S7-200PLC在纸机传动中的应用摘 要 本文是关于纸机传动控制系统的设计,该系统实际上是异步电机变频调速的PLC控制系统,PLC和变频器之间通过Modbus协议进行串行数据通讯,共同实现对电机的速度同步控制。首先对PLC和变频器的工作原理和主要组成进行了介绍,在此基础上,再对变频调速的基本原理进行了一定的讨论。变频器采用的是ABB公司的变频器,因此本文对ACS550变频器的参数设置也进行了讨论。而PLC采用的是西门子公司S7-200系列,变频器和PLC之间的通讯协议在文中也有很详细的介绍。最后是系统的具体设计,包括硬件和控制程序的设计,对其设计思路也有相应的讨论,控制程序部分不仅给
2、出了具体的程序,还有相应的注解。该系统能够实现交流传动的速度链和负荷分配以及张力控制,具有很强的工程模拟性能和实用价值。关键词:可编程序控制器(PLC),MODBUS协议,变频器Based on the Paper Machine S7-200 PLC Control SystemABSTRACTThis paper is on the paper machine transmission control system design, the system is actually asynchronous motor VVVF the PLC control system, PLC and i
3、nverter agreement between the Modbus serial data communication, common to achieve the speed synchronous motor control .First of all PLC and inverter of the working principle and the main components were introduced, on the basis of this, then the VVVF the basic principle of a certain amount of discus
4、sion. the inverter is used in ABBs inverter, this converter on the set of parameters ACS550 also discussed.The PLC is based Siemens S7-200 series, Drives and communications between the PLC in the text of the agreement are also very detailed presentation. Finally, there is a specific system design, h
5、ardware and control procedures, including the design, its design concept is also a corresponding discussion, the control procedures are not only part of a specific procedure, the corresponding notes. The system can be realized exchange rate of transmission chain and load distribution, and tension co
6、ntrol, with strong engineering simulation performance and practical value.KEYWORDS:Programmable Logic Controller (PLC),MODBUS agreement,Converter 目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1概论11.2交流调速的发展概况11.3 PLC技术的发展概况21.4变频器在纸机传动中的应用2第二章 速度链与负荷分配42.1速度链的定义42.2速度链的分类42.3 负荷分配控制的原理与实现62.4负荷分配设计方法7第三章 PLC和变频器技术简介93.
7、1 PLC概述93.2 PLC的基本组成与各部分的作用93.2.1 PLC的基本组成93.2.2 PLC各部分的作用93.3 A/D和D/A转换概念103.3.1 A/D和D/A原理103.3.2模拟量输入输出系统113.3.3 输入输出数据的处理113.4 PLC的主要特点123.5 SiemensS7-200系列PLC特性123.6 变频器简介133.6.1 变频器主电路133.6.2变频器的控制电路143.6.3变频调速的基本原理153.6.4 变频调速的优点163.6.5 ABB公司的ACS550变频器性能介绍16第四章 通信协议184.1 Modbus协议概述184.2 Modbus
8、的数据传输方式194.3 Modbus消息帧204.3.1 消息帧的组成204.3.2 消息帧组成部分具体定义204.4 Modbus错误检测方法22第五章 系统的设计实现265.1 系统结构265.1.1 PLC控制系统与系统构建265.1.2 .工业现场265.2 系统硬件实现285.2.1上位机人机交互设备的选型:285.2.2 PLC及其它模块的选型285.3 变频器的选型及其系统功能设定295.3.1.容量选择295.3.2 ACS550系列变频器的参数及设置295.4 系统的实现315.4.1 技术数据315.4.2 变频器及低压电器的选择325.5 电路图简介335.5.1变频器
9、电路图335.5.2 变频器其它电路图简介365.5.3 PLC部分的设计38图5-10 S7-200PLC接线电路图错误!未定义书签。5.6系统程序实现405.6.1 程序流程图405.6.2 具体程序415.7抗干扰措施535.8系统运行情况53第六章 全文总结54致 谢55参 考 文 献56第一章 绪 论1.1概论 电气传动技术以运动机械的驱动装置电动机为控制对象,以微电子装置为核心,以电力电子功率变换装置为执行机构,在自动控制理论的指导下完成电气传动自动控制系统,控制电动机的转矩和转速,将电能转换成机械能,实现工作机械的旋转运动或反复运动。因电机的种类的不同,我们可以将其分为直流电动机
10、传动和交流电动机传动。自19世纪80年代起至19世纪末,工业上传动用的电动机一直被直流电机垄断,到了19世纪末,出现了三相电源和结构简单且坚固耐用的交流鼠笼型电机以后,交流电机才在调速的领域代替了直流电动机传动装置。随着生产的不断发展,速度可调节成了电动装置的一项基本要求,并且,除了满足一定的调速范围和连续可调的同时,还必须具有持续的稳定性和良好的瞬态性能。随着电力电子学与电子技术的发展,使得采用半导体变流调速系统得以实现,70年代以来,大规模集成电路和计算机控制技术的发展,现代控制理论的应用,为交流电机拖动系统的发展创造了有利条件,促进了各种类型的交流电机调速系统,如串级调速系统、变频调速系
11、统、无换相器电动机调速系统以及大量控制调速系统等的飞速发展。1.2交流调速的发展概况交流调速系统大致经历过以下几个阶段:(1)异步电动机调压调速系统。(2)串级调速系统 。(3)变频调速系统。其中变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点,是运用最广、最有发展前途的调速方式。交流电机变频调速系统的种类很多,有电压源型变频器,电流源型、脉宽调制型等各种变频器。目前变频调速的主要方案有:交一交变频调速,交一直一交变频调速,同步电动机自控式变频调速系统,正弦波脉宽调制(PSWM),矢量控制、直接转矩控制变频调速等,而且无速度传感技术日益成熟.许名智能技术逐步渗透到其中,如模糊控制、专家系统、神经网络、
12、自适应控制等,与这些控制方式相结合,大大提高了变频器调速系统的控制效果,这些变频器调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平以及电力电子技术的发展水平。日、美、德、英等国家在结合现代微处理器控制技术、电力电子技术、电机传动技术的基础上,相继推出了一系列的变频器,且不断进行更新换代。1.3 PLC技术的发展概况第一台可编程控制器(以下简称PLC)的设计规范是美国通用汽车公司提出的。美国数字设备公司D(EC)于1969年研制成第一台PLC,型号为PDP一14,投入通用汽车公司的生产线控制中,取得了令人满意的效果,从此开创了PLC的新纪元。在短时间内,PLC在其他工业部门也得到应用。到
13、20世纪70年代初,食品、金属和制造等工业部门相继使用PLC代替继电器控制设备,迈出其实用化阶段的第一步。70年代中期,由于大规模集成电路的出现,使8位微处理器和位片处理器相继问世,在逻辑运算功能的基础上,增加了数值运算。闭环控制,提高了运算速度,扩大了输入输出规模。70年代末由于超大规模集成电路的出现,使PLC向大规模、高速性能方向发展,形成了多种系列化产品。进入八九十年代后,PLC的软硬件功能进一步得到加强,PLC已发展成为一种可提供诸多功能的成熟的控制系统,能与其他设备通信,生成报表,调度产出,可诊断自身故障及机器故障。PLC未来的发展不仅依赖于对新产品的开发,还在于PLC与其他工业控制
14、设备和工厂管理技术的综合。无疑,LPC将在今后的工业自动化中扮演重要角色。在未来的工业生产中,PLC技术和机器人、CAD/CMA将成为实现工业生产自动化的三大支柱。目前PLC朝以下几个方向发展:(1)大型网络化 (2)多功能(3)高可靠性、好兼容性 (4)编程语言向高级语言发展。1.4变频器在纸机传动中的应用造纸机对电气传动系统的主要性能要求是线速的稳定性,要求速度长期稳定;另一点就是速度的可调性及快速响应的特点。全球一些著名的电气公司象西门子、ABB、东芝、三菱等,在这一领域的开发与研究都取得了巨大成就,使得变频调速技术迅速发展并日渐成熟,它较直流调速系统及其它类型的调速系统有以下3个最突出
15、的特点:(l)省电节能:使电耗降低.是因为,一方面是因为交流电机的效率比其它类型的电机都要高;另一方面,一般的电机控制回路中都有过流,过压,失相等安全保护元件,而“变频器电机”控制回路则没有这些耗能元件,更不需要像直流源调速系统所必备的励磁电源,变压器等元件。(2)系统造价低:同直流传动系统相对比,异步电机的价格要比直流电机的价格低130-350;另外,技术的发展使得变频器成本逐年下降,现市场价格约为1000元/千瓦,而直流整流设备110kw容量以下平均每套的价格约为21000元。因此对于纸机电气传动系统,单机容量不超过160kw,在同样装机容量下,交流传动系统的造价要比直流传动系统低5%-1
16、5%。针对中低档纸机来说,装机容量不太大交流调速具有大的价格优势。(3)维护工作量小:变频器普遍采用大规模、超大规模集成电路,设有附加的外围元器件,因此从某种意义上说,变频器是免费维护设备.直流电机的维护周期为l个月,而交流电机的维护周期为3个月以上,且维护工作量要小的多。发展的明显的特征是变频器的体积在变小,同时功能逐渐增强,维护操作更为方便.并开始从模拟量速度链技术,发展到数字化技术使得更为高级的变频器诞生,内部采用模块化的结构,使得参数的配置与修改及各功能的实现乃至连接更为方便,速度链上传递的为数频信号,使系统的抗干扰能力更强,故障的诊断,信号的检查也很方便.数频处理、速度设定、马达控制
17、等模块的链接位置让操作者修改参数比较直观、简洁,同时也进入变频器在纸厂应用发展的第三阶段.第二章 速度链与负荷分配 2.1速度链的定义在纸机分布式传动中,由于各相邻传动点之间的速度应保持一定的比例,且在车速调整过程中,应满足只影响本级和本级以后的各传动点,而不影响前面各传动的速度,这样每传动点在前一级的基础上可以调整并把速度信号传送给下一级形成一个链式结构,即为速度链。如何实现速度链是纸机传动中的一个关键性问题,设计时应考虑以下几个方面的因素。 a.精度,速度链一定要满足纸机传动中的精度。 b.稳定性,速度链一定要稳定、可靠、才能保证系统正常运行。 c.操作方便,由于工厂中工人的文化程不一,因
18、此一定要注意操作不能太复杂。 d.性价比,一定要在满足系统性能的基础上尽量降低成本。 2.2速度链的分类一般来说速度链可分为两类: a.摸拟式速度链 b.数字式速度链 其中数字链其根据操作又可分为按键式,触摸屏式,根椐控制器又可分为速度链控制器式,电动电位器、PLC控制式,工业控制计算机式,但无论是哪一种方式都具有操作方便、准确、抗干扰力强等优点。 由于模拟式速度链存在操作不便,易受干扰等缺陷,因此现在已基本上不使用了,只有在部分小型纸机中还在应用。下面我们将对两种数字式速度链作以介绍。(1)电动电位器型的速度链该速度链的构成如图2-1所示:它主要利用交流驱动装置本身所具有的数字频率输入功能来
19、解决速度级联问题(如三菱变频器的遥控功能、ABB变频器的电动电位器功能)。图2-1中只画出了速度增加部分,速度减少部分与此完全相同。这种速度链的优点在于系统工作可靠,变频器的频率设定直接由数字信号设定,克服了模拟信号易受干扰的缺点。K01-K0n为AC24V的继电器。也可以根据用户的要求用PLC来完成以提高系统的可靠性和简化系统结构。 图2-1电动电位器型速度链的构成(2)基于PLC、工业控制计算机通讯控制的速度链随着计算机通讯技术的发展,纸机传动控制过程中广泛采用通讯控制方式,利用RS485总线或现场总线CAN总线、Profibus-DP总线与变频器通讯完成纸机传动控制。传动控制中心一般采用
20、PLC。速度链控制由PLC内部软件来实现。软件设计可以有多种方法。下面介绍一种设计方法说明PLC速度链的软件设计。(a)速度链结构设计速度链结构采用二叉树数据结构算法,用于完成传递功能。首先对各传动点进行数字抽象,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,填位置寄存器数值。如图2-2所示。图2-2位置寄存器示意图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
21、链。故只须对位置寄存器初始化,即可构成任意分支速度链。(b)算法设计算法设计采用了调节变比的控制方法。如图2-3所示,纸机第一分部点作为速度链中的主节点,即它的速度就是整个纸机的工作车速,则其速度调节就调节了整个纸机车速。图2-3 PLC程序速度链原理图在PLC内,我们检测到车速调节信号则改变车速单元值,1点处的速度就为第一台变频器的运行速度设定值,将其送第一台变频器执行,并送给第二台计算。第一分部的速度值乘以第二分部的变比b1/a则为第二台变频器的运行值。若第二分部速度不满足运行要求,说明第二分部变比不合适,可通过操作第二分部的加速、减速按钮实现,PLC检测到按钮信号后调节b1即调整了变比,
22、使其适应生产要求。任意无级调速。若正常生产中变比合适,某种原因需要用紧纸、松纸时,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。图中2点就包含了调速和紧纸、松纸等操作指令的速度值,将它送给第二台变频器执行,同时送下一级计算。依此类推,构成速度链控制系统。 2.3 负荷分配控制的原理与实现(1)负荷分配问题产生的原因和影响在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
23、会出现某台电机出力大,某台电机出力小的情况。对于造纸机如网部真空伏辊、驱网辊同时带一条网;压榨部真空吸移、真空压榨等复合压榨;光压上、下辊;施胶机上、下辊等都属于多电机传动。所以这些分部要求有负荷分配,它们之间要求速度同步的同时要求负载率均衡,否则会影响正常抄纸。当负荷不能均匀分布时,有可能撕坏毛布或造成断纸。(2)负荷分配原理在多电机传动过程中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)。而且在负荷分配调节过程中不能影响其它各分部的速度。所以我们采用速度链主链与子链相结合的设计方法。图2-4 带负荷分配点的速度链图负荷分配控制中我们选取
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- S7200PLC 传动 中的 应用 毕业设计

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