畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于PROFIBUS的腈綸紡絲控制系統(tǒng)（前紡）

1、安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 i 安徽建筑工業(yè)學(xué)院安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文) 課 題 基于 profibus 的腈綸紡絲控制系統(tǒng)（前紡）專(zhuān) 業(yè) 班 級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 2009 年 6 月 9 日安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 i 摘摘 要要我國(guó)早期的腈綸紡絲生產(chǎn)線存在控制精度低、故障率高、參數(shù)調(diào)整困難等缺點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，plc 技術(shù)、通訊技術(shù)、變頻器技術(shù)得到了極大的發(fā)展。這為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的腈綸紡絲線控制系統(tǒng)提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)和理論基礎(chǔ)。 本文闡述了腈綸紡絲線的工藝流程，設(shè)計(jì)了基于 profibus 的腈綸紡絲（前紡）控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)以是以 profibus

2、 為主要通信網(wǎng)絡(luò)，以西門(mén)子 plc的 s7-300 做主要控制器，為腈綸紡絲的流水線生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)。 該控制系統(tǒng)以 s7-300 plc 為控制核心，用交流變頻器控制同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，通過(guò) profibus-dp 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn) plc 與變頻器之間的數(shù)字通信，從而達(dá)到生產(chǎn)線速度協(xié)調(diào)控制的目的。本文最后給出了控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)圖紙。在充分了解腈綸紡絲生產(chǎn)的工藝和流程基礎(chǔ)上 ,設(shè)計(jì)出了控制系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、 plc 控制系統(tǒng)等。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：腈綸紡絲； plc；profibus-dp；變頻器；step-7安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 ii abstract there are ma

3、ny problems in the former acrylic fiber plant control system such as low precision、high breakdown frequency and difficulty in adjusting parameters. with the important improvement of science and technology, the technology of plc、communication and frequency convert or also make prominent progress, whi

4、ch support us with good foundation of technology and theory .this paper briefly introduces the craft of acrylic fiber first. the control system is the main communication network profibus to the plc siemens s7-300 to do the main controller, the pipeline for the production of acrylic fiber spinning de

5、signed controls system. the basic idea of control is as follows: the control center is s7-300 plc; ac frequency convector is used to govern the speed of synch motor; and the communication between plc and frequency convector is realized through profibus-dp. so we can achieve the results that the spee

6、d of the whole acrylic fiber plant is coordinate. at last, the sketch of software and hardware will be attached.in full knowledge of the production of acrylic fiber spinning technology and process based on the design of electrical control system structure, network structure, plc control systems.keyw

7、ords： acrylic fiber； plc；profibus-dp；frequency convector；step-7 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 iv 目錄第一章 緒論.11.1 選題背景及研究意義 .11.2 腈綸紡絲工藝介紹 .11.2.1 腈綸紡絲的工序介紹.11.2.2 系統(tǒng)的工藝流程介紹.21.3 主要研究?jī)?nèi)容 .2第二章 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì).32.1 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的特點(diǎn) .32.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案 .42.3 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .42.4 系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì) .52.5 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì).6第三章 系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).73.1 系統(tǒng)電路的整體介紹 .73.2 變頻技

8、術(shù) .73.2.1 變頻器的原理.73.2.2 td 系列變頻器.83.2.3 變頻器調(diào)速.93.3 整流電路.93.4 保護(hù)電路.103.5 前紡電機(jī)拖動(dòng)電路.11第四章 plc 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) .134.1 plc 控制的介紹.134.1.1 plc 的簡(jiǎn)介.134.1.2 可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu).134.2 plc 的比較選型.134.3 s7-300 的介紹.144.3.1 s7-300 基本結(jié)構(gòu).144.3.2 s7-300 的功能.154.4 plc 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).154.5 plc 通信的實(shí)現(xiàn).164.5.1 plc 主站.164.5.2 變頻器智能從站.164.6 plc 的

9、 i/o 模塊.17安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 v 第五章 基于 profibus 總線通信的設(shè)計(jì).195.1 profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù).195.1.1profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)概述.195.1.2 profibus 的基本特點(diǎn).195.1.3 profibus 的類(lèi)型.195.2 profibusdp 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù).205.2.1 profibusdp 協(xié)議結(jié)構(gòu).205.2.2 profibusdp 特性.205.2.3 profibus-dp 系統(tǒng)配置和設(shè)備類(lèi)型.205.2.4 profibus-dp 基本功能.215.3 工業(yè) pc 和 plc 的通信.215.3.1 mpi

10、通信介紹.215.3.2 pc/mpi 適配器介紹.215.3.3 工業(yè) pc 和 plc 的通信設(shè)置.225.4 plc 與變頻器的聯(lián)接.225.4.1 總線適配器的接線.225.4.2 plc 和變頻器通信的實(shí)現(xiàn).23第六章 控制系統(tǒng)的 step7 的組態(tài)設(shè)計(jì) .256.1 step7 編程軟件簡(jiǎn)介.256.2 step7 的組態(tài)設(shè)計(jì).256.2.1 創(chuàng)建組態(tài)項(xiàng)目.256.2.2 硬件組態(tài)與通訊組態(tài).256.3 軟件編程.276.3.1 plc 的循環(huán)執(zhí)行過(guò)程.276.3.2 控制系統(tǒng)程序.27結(jié) 論.29謝 辭.30參考文獻(xiàn).31附錄 1：軟件設(shè)計(jì)圖.32附錄 2 電路圖.37英文原文.

11、39英文翻譯.43安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 1 第一章第一章 緒論緒論1.11.1 選題背景及研究意義選題背景及研究意義 世界腈綸工業(yè)年代初實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，腈綸的優(yōu)良性能，使其在服裝、裝飾、產(chǎn)業(yè)三大領(lǐng)域都有應(yīng)用。 我國(guó)每年腈綸纖維使用量約為 90 萬(wàn)噸左右，而我國(guó)每年的生產(chǎn)總量?jī)H為 47 萬(wàn)噸左右，還需大量進(jìn)口。我國(guó)腈綸纖維目前仍存在著較大缺口，因此我國(guó)的腈綸企業(yè)有一個(gè)很大的發(fā)展空間。在發(fā)達(dá)國(guó)家 腈綸生產(chǎn)裝置工藝控制方面，電氣傳動(dòng)已由直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展到全交流、全變頻的調(diào)速系統(tǒng)，過(guò)程儀表及集散控制系統(tǒng)也由機(jī)械式、傳統(tǒng)的模擬量?jī)x表等，向高度數(shù)字化、智能化發(fā)展，形成了以高性能計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)作為核心，電氣傳

12、動(dòng)、過(guò)程儀表及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的三位一體化，工藝控制及生產(chǎn)決策達(dá)到智能化。 而某廠腈綸絲生產(chǎn)線鑒于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的限制，采用的是模擬量控制的變頻調(diào)速方式，控制精度低，參數(shù)調(diào)整困難，運(yùn)行平穩(wěn)性差，故障率高。而且，隨著使用年限的增加，由于器件老化，參數(shù)發(fā)生漂移，系統(tǒng)的故障率增加，維修難度增大。這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了紡絲線的正常生產(chǎn)。因此，對(duì)生產(chǎn)線的改造勢(shì)在必行。而腈綸紡絲廠有規(guī)劃進(jìn)行改組、擴(kuò)大產(chǎn)能、產(chǎn)量，提高現(xiàn)有裝置的規(guī)模，合理地選擇腈綸生產(chǎn)工藝路線，將會(huì)為企業(yè)生產(chǎn)空間開(kāi)拓新的天地。1.21.2 腈綸紡絲工藝介紹腈綸紡絲工藝介紹.1 腈綸紡絲的工序介紹腈綸紡絲的工序介紹 本廠采用濕法紡

13、絲，濕法紡絲是化學(xué)纖維主要紡絲方法之一，簡(jiǎn)稱(chēng)濕紡。濕紡包括的工序是：(1)制備紡絲原液；(2)將原液從噴絲 壓出形成細(xì)流；(3)原液細(xì)流凝固成初生纖維；(4)初生纖維卷裝或直接進(jìn)行后處理。如下圖 1 圖 1 濕法紡絲安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 2 .2 系統(tǒng)的工藝流程介紹系統(tǒng)的工藝流程介紹腈綸紡絲生產(chǎn)線工藝很復(fù)雜，為了滿足生產(chǎn)工藝要求，生產(chǎn)線共有 20 個(gè)絲束處理單元，按驅(qū)動(dòng)功能劃分為 20 個(gè)工位，稱(chēng)為 f1-f20 如圖 1。其中，f1 為紡絲機(jī)；f2 為轉(zhuǎn)向拉出輥;f3 為牽引輥;f4 為溶劑引入口輥;f5 為溶劑引出口輥;f6-10 為水洗機(jī)拖動(dòng)輥;f11 為預(yù)熱箱入口

14、輥;f12 為熱牽伸入口輥;f13 為熱牽伸輥;f14 為驟冷拉出輥;f15 調(diào)濕調(diào)溫 機(jī);f16 為定型機(jī)入口輥;f17 為定型機(jī)出口輥;f18 為再牽伸入口輥;f19 為再牽伸輥;f20 為卷曲機(jī)。f1 到 f12 為前紡，負(fù)責(zé)紡絲的成型和熱牽伸，f13 到 f20 為后紡，負(fù)責(zé)定型和卷取。工藝流程如圖 2f1計(jì)量泵f4限幅f5引出溶劑拉伸f6f10絲束水洗f12限幅f13引出f14急冷f15調(diào)濕調(diào)溫機(jī)f16入口f17牽引松緊調(diào)節(jié)輥f18再牽伸松緊調(diào)節(jié)輥f20卷取機(jī)熱牽伸piv蒸汽定形機(jī)輸送機(jī)松弛線圈f2拖引輥（f19）工藝流程 圖 21.31.3 主要研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容 本設(shè)計(jì)是針對(duì)晴

15、綸腈綸廠腈綸生產(chǎn)線（前紡）的原控制系統(tǒng)存在通信協(xié)議是非公開(kāi)協(xié)議、設(shè)備老化、故障率高、沒(méi)有上位機(jī)等一系列問(wèn)題而設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)基 profibusdp 腈綸紡絲線控制系統(tǒng)（前紡）。 控制系統(tǒng)為兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),監(jiān)控級(jí)采用 mpi 作為通信網(wǎng)絡(luò)，由工控機(jī)、plc 作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。工控機(jī)中安裝 step7 編程軟件，既可以對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控又可以對(duì)生產(chǎn)線的plc 進(jìn)行編程?，F(xiàn)場(chǎng) 級(jí)采用 profibusdp 作為通信網(wǎng)絡(luò)，由 plc 作為主站，分布式 i/o 和變頻器作為從站。plc 完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制、信號(hào)的采集與傳輸。本設(shè)計(jì)介紹了腈綸紡絲的工藝流程，分析生產(chǎn)線的特點(diǎn)后，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及電氣結(jié)

16、構(gòu)，設(shè)計(jì)了 plc 控制系統(tǒng)。 具體設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容如下： 1）了解腈綸紡絲的生產(chǎn)流程以及生產(chǎn)工藝； 2）設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)；3）設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)； 4）設(shè)計(jì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 3 第二章第二章 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 2.12.1 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 腈綸紡絲生產(chǎn)工藝很復(fù)雜，這就對(duì)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性、速度協(xié)調(diào)性與穩(wěn)定性要求非常高。各驅(qū)動(dòng)工位在生產(chǎn)時(shí)通過(guò)絲束聯(lián)系，在加減速時(shí)要求各工位同步。生產(chǎn)工藝要求生產(chǎn)線的許多環(huán)節(jié)對(duì)絲束進(jìn)行一定比率的牽伸，并保持一定的張力，因此，系統(tǒng)的各個(gè)功能單元必須嚴(yán)格地按預(yù)定的比率協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)。具體控制要求有

17、： (1) 絲束張力調(diào)節(jié) 系統(tǒng)在運(yùn)行的時(shí)候，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩和加減速率的變化等原因會(huì)造成的各功能單元線速差異，使絲束過(guò)分“拉緊”或“松 馳”，導(dǎo)致?tīng)可炻什蛔慊蛟斐衫p輥，影響質(zhì)量。 (2) 牽伸率控制 根椐 生產(chǎn)工藝要求，在二次牽伸部分，即 f18 與 f19 之間要實(shí)現(xiàn)對(duì)絲束一定倍率 的牽伸(如 =1.40)。（3）變頻器能量回饋處理 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)候，腈綸紡絲生產(chǎn)線上很多電機(jī)在同時(shí)運(yùn)行，有的處在電動(dòng)狀態(tài)，有的處在發(fā)電狀態(tài)，怎樣才能使得發(fā)電狀態(tài)的電機(jī)產(chǎn)生的能量得到合理利用呢？如：在當(dāng) f19 與 f18 之間以一定的牽伸比(1)運(yùn)行時(shí)，f18 電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。如何處理 f18 電機(jī)所產(chǎn)生的能量？我們

18、選擇把能量通過(guò)直流母線反饋回電網(wǎng)。我們可以把 f18 變頻器的直流端子通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān) k 接在直流母線上，剛起動(dòng)時(shí)，開(kāi)關(guān) k 處于 off 狀態(tài)，f18 電機(jī)產(chǎn)生的電能消耗在制動(dòng)電阻上，正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，開(kāi)關(guān) k 閉合，f18 電機(jī)產(chǎn)生的電能通過(guò)直流母線給其他電動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)消耗掉。實(shí)踐證明，這種處理方式非常成功，既達(dá)到了一定的牽伸率，又節(jié)約了電能。 (4) profibus 總線速度控制 對(duì)于多電機(jī)同步拖動(dòng)系統(tǒng)，為了達(dá)到工藝要求的控制精度，無(wú)論是在過(guò)渡狀態(tài)還是在穩(wěn)定狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)各單元的電機(jī)均應(yīng)協(xié)調(diào)運(yùn)行。同時(shí)，該系統(tǒng)還要求全線在不同的整組速度下運(yùn)行，且各單元電機(jī)又能單獨(dú)調(diào)速，完成不同的牽伸比。安徽建筑

19、工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 4 2.22.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案1.系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)總體分為：電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。電氣方面包括整流電路，變頻調(diào)速電路，保護(hù)電路。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括主站 plc，從站變頻器，以及通信網(wǎng)絡(luò) profibus。2. 生產(chǎn)線供電方式：系統(tǒng)電源采用三相 380v 交流供電，經(jīng)兩個(gè)整流電路后整流為 500v 直流電，分別通過(guò)直流母線送往前紡和后紡的多臺(tái)變頻器，變頻器通過(guò)變頻將 500dv 轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘟涣麟姽┙o電機(jī)使用。3、計(jì)算機(jī)和 plc 采用 mpi 進(jìn)行通訊連接、plc 和變頻器、遠(yuǎn)程 i/o 通過(guò)profibusdp 的通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)中使用了大量的變頻器

20、、計(jì)量泵，繼電氣，控制更合理，更安全更節(jié)能。5、主要控制方式為：上位機(jī)通過(guò)通訊控制 s7300 plc，并且相互交換信息，s7300 plc 通過(guò)程序控制變頻器的輸出，以及其他繼電器和儀器設(shè)備。變頻器通過(guò)輸出的頻率控制電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，各類(lèi)繼電器相互協(xié)調(diào)通斷控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。4.系統(tǒng)具有延展性，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)應(yīng)合理，容量適度，擴(kuò)展靈活，使系統(tǒng)源配置可靈活增加，系統(tǒng)規(guī)模便于擴(kuò)大，預(yù)留適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展空間。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有高可靠性，出現(xiàn)故障要具有可靠的恢復(fù)手段，系統(tǒng)要具有一定的容錯(cuò)能力。2.32.3 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖 3：系統(tǒng)的“人”字型結(jié)構(gòu)框圖所示：系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)

21、設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，兩條主線，非常明確。系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)作用主要是為系統(tǒng)的各類(lèi)設(shè)備提供電能，而系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作用是控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)穩(wěn)定的運(yùn)行。系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)由整流電路、保護(hù)電路、變頻電路組成，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由 profibus 總線設(shè)計(jì)、plc 控制設(shè)計(jì)、以及 step7 軟件的組態(tài)、編程等設(shè)計(jì)組成。電氣結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就像人的左右手一樣，相互配合，相互制約，共同來(lái)為系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行服務(wù)，電氣結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)運(yùn)行提供能量，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)的運(yùn)行提供控制的“智慧” 。同時(shí)，電氣結(jié)構(gòu)中的系統(tǒng)的上電，斷電，系統(tǒng)的各類(lèi)繼電器的通斷都由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)控制，而網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中各類(lèi)設(shè)備所用的電能則由電氣結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)供給。整個(gè)系統(tǒng)框

22、圖如一個(gè)“人” ， “控制”是系統(tǒng)的心臟，兩個(gè)結(jié)構(gòu)是心痛得的臂膀。安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 5 人為為為為為為為 為為為為為為為為為為為為為為為為為為為為系系統(tǒng)統(tǒng)整整體體設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)人人人人人人人人人plc為為人step7為為人profibus為為為為人為為為為為為為為控制供電圖 3 系統(tǒng)的“人”字型結(jié)構(gòu)框圖需要指出的是，本設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于控制方面，因此關(guān)于網(wǎng)絡(luò)方面的設(shè)計(jì)會(huì)比較詳盡一些，而電氣方面的設(shè)計(jì)則比較粗落。第三章主要介紹電氣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，第四章、第五章、第六章主要介紹網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。2.42.4 系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)為為為為(3p)生生產(chǎn)產(chǎn)線線主主供供電電系系統(tǒng)統(tǒng)框框圖

23、圖ac380后后紡紡供供電電系系統(tǒng)統(tǒng)sm前前紡紡供供電電系系統(tǒng)統(tǒng)smf2為 6為為為為為為為為為為為為為為為為為f16-f20為為為為為為為sm為為為1f4-f12為為500dvsm500dvsmsm為為為為為為為為為2為為為為為為為為為為為為為為為為為 為為為為為為為為smsmsmsmsmsm為為為smsmf1 30為為為 圖 4 生產(chǎn)線供電系統(tǒng)圖安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 6 一條腈綸生產(chǎn)線根據(jù)工藝的不同分為前紡和后紡，電氣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)的好壞直接影響生產(chǎn)線的運(yùn)行，因此我們生產(chǎn)線供電網(wǎng)絡(luò)采取分支型供電方式，前紡和后紡分開(kāi)由直流母線供電。如下圖 4 所示生產(chǎn)線供電系統(tǒng)圖生產(chǎn)線系統(tǒng)的電源進(jìn)線為 3

24、80v 的三相交流電，電源指示燈用來(lái)直接觀察系統(tǒng)電源的情況，交流母線分別為控制柜冷卻風(fēng)機(jī)供電、傳感器供電。交流母線上的交流電經(jīng)兩整流器 1 和整流器 2 后轉(zhuǎn)變?yōu)?500v 的直流電分別送往直流母線供 前紡和后紡的變頻器使用。其中保護(hù)電路是用來(lái)保護(hù)系統(tǒng)的，當(dāng)電機(jī)發(fā)生回饋制動(dòng)時(shí)候，就相當(dāng)于發(fā)電機(jī)發(fā)電，直流母線上就會(huì)出現(xiàn)泵升電壓，當(dāng)電壓超過(guò)一定的閥值時(shí)，保護(hù)電路動(dòng)作，電機(jī)制動(dòng)，保護(hù)電路還有過(guò)流保護(hù)功能。變頻器將直流電變?yōu)榻涣麟娍刂齐姍C(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。 本設(shè)計(jì)主要研究前紡控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。2.52.5 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是用來(lái)控制系統(tǒng)運(yùn)行的，它的結(jié)構(gòu)框圖如下圖 5。整個(gè)核心

25、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 控制系統(tǒng)以 s7-300 plc 為控制核心，上位工控 pc 和 plc 用 mpi 總線進(jìn)行通信，中間用 pc 適配器進(jìn)行信號(hào)（rs485/rs232）的轉(zhuǎn)換。通過(guò)profibus-dp 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn) plc 與變頻器之間的數(shù)字通信，用交流變頻器控制同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速， 達(dá)到生產(chǎn)線速度協(xié)調(diào)控制的目的，從而使的系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。 為為為pc為為為s s7 7- -3 30 00 0 p pl lc c為 為 為 為 為為 為 為 為 為為 為 為 為 為為為為為為為為為為p pr ro of fi ib bu us s- -d dp pmpi為為人人人人人人人圖 5 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖安徽

26、建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 7 第三章第三章 系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.13.1 系統(tǒng)電路的整體介紹系統(tǒng)電路的整體介紹在第一章中我們已經(jīng)講述了腈綸紡絲的生產(chǎn)工藝，它的生產(chǎn)工藝很復(fù)雜，共有 20 個(gè)絲束處理單元。 按照工藝可講 20 個(gè)處理單元分為前紡和后紡，前紡 主要負(fù)責(zé)腈綸紡絲 成型、溶劑拉伸、熱牽伸，后方主要負(fù)責(zé) 蒸汽定型、再牽伸、卷取。由于前紡和后紡的工藝大不相同，我們采取前紡、后紡分別供電的方式。以前紡為例，下邊我們來(lái)詳細(xì)分析前紡電路方面的設(shè)計(jì)。3.23.2 變頻技術(shù)變頻技術(shù) 變頻器是集電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和控制技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品。它通過(guò)將標(biāo)準(zhǔn)的交流電轉(zhuǎn)換成電壓和頻率都可

27、變化的交流電，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流感應(yīng)電機(jī)的變速驅(qū)動(dòng)。變頻器的成功運(yùn)用，是交流傳動(dòng)領(lǐng)域里的一次革命性成果。 .1 變頻器的原理變頻器的原理 變頻器按照能量變換的環(huán)節(jié)可以分為交-交變頻器和交-直-交變頻器。交-交變頻器是把頻率固定的交流電直接變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電，主要優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有中間環(huán)節(jié)，故變換效率高，但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍窄，故它主要用于容量較大的低速拖動(dòng)系統(tǒng)中。交-直-交變頻器是把頻率固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電。如圖 6 所示。為為為為為為為為為為為為為為vvvf為為為a/d 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 8 圖 6 交-直-交變頻器原理框圖

28、 交-直-交變頻器按照直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能方式又可以分為電流型交-直-交變頻器和電壓型 交-直-交變頻器，兩者的區(qū)別在于前者輸出電流的波形是脈寬調(diào)制波（pwm） ，后者輸出電壓的波形是脈寬調(diào)制波（pwm） 。如圖 7 所示。目前，在中小容量的變頻器中，絕大多數(shù)采用交-直-交電壓型變頻器。 圖 7 電壓型 交-直-交變頻器 .2 tdtd 系列變頻器系列變頻器 td 系列變頻器就是交-直-交電壓型變頻器。 其基本原理框圖如圖 8 所示。圖 8 td3000 基本原理框圖td 系列變頻器由以下幾個(gè)部分組成： 一、輸入濾波部分 ：吸收電壓浪涌、電壓脈沖、電網(wǎng)噪聲。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論

29、文 9 二、交流-直流變換部分 1 、整流橋 ：整流部分由六只整流管組成三相整流橋，將電源的三相交流全波整流成直流。整流后平均直流電壓 ud 的大小為： ud=1.35 ul 當(dāng) ul=380v時(shí)，整流后的直流電壓 ud=510v。2、濾波電容器：濾去整流后的電壓紋波；當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，使直流電壓保持平穩(wěn)。 3、緩沖電阻 r1 與接觸器觸點(diǎn)開(kāi)關(guān) j1：在變頻器合上電源的瞬間，濾波電容器 c5 、c6 上的充電電流是很大的。過(guò)大的沖擊電流將可能使三相整流橋損壞。為了保護(hù)整流橋，在變頻器剛接通電源的一段時(shí)間里，電路內(nèi) 串入緩沖電阻r1，以限制電容器 c5 、c6 上的充電電流。當(dāng)濾波電容器 c5 、c

30、6 充電電壓達(dá)到一定程度時(shí)，令 j1 接通，將 r1 短路掉。 三、直流-交流變換部分 逆變部分由六只 igbt 管和六只續(xù)流二極管組成。通過(guò)控制 igbt 管的開(kāi)關(guān)順序和開(kāi)關(guān)時(shí)間，變頻器可以將直流電變成頻率可變、電壓可變的交流電，電壓波形為脈寬調(diào)制波。 本設(shè)計(jì)所用用的變頻器就是艾默森的 td3000 溪流變頻器..3 變頻器調(diào)速變頻器調(diào)速由電機(jī)學(xué)理論可知三相感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為： n=60f1(1-s)/p 通過(guò)上式可知，改變交流電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法有三種。即變頻調(diào)速、變極調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 與定子電源頻率成正比，因此連續(xù)的改變供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電動(dòng)

31、機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種方法稱(chēng)為變頻調(diào)速。由于變轉(zhuǎn)差率調(diào)速調(diào)速范圍窄、效率低，對(duì)電網(wǎng)污染較大，不能滿足交流調(diào)速應(yīng)用的廣泛需求。變頻調(diào)速時(shí)，從高速到低速 都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍范圍廣、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)。隨著電力半導(dǎo)體的發(fā)展，交流變頻技術(shù)漸漸取代直流調(diào)速成為傳動(dòng)領(lǐng)域的主流。隨著一些新技術(shù)新理論在變頻調(diào)速中的應(yīng)用，它將向更高性能、更大容量以及智能化等方向發(fā)展。安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 10 3.33.3 整流電路整流電路生產(chǎn)線的整流器用的是 td3000 系列的變頻器的整流部分,它將 380 的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?500v 的直流電后,直接由直流母線的正負(fù)輸出端子引出, 圖

32、 9 為 td3000 系列的端子功能表.圖 9 td3000 系列的端子功能表.電源三相 u1,v1,w1 分別接 td3000 的 r,s,t 端子.直流母線由(+)(-)端子引出,pe接地，控制端子負(fù)責(zé)控制整流器的工作。3.43.4 保護(hù)電路保護(hù)電路在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，為了將腈綸絲束按一定比例牽伸，各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的線速度不盡相同，因此會(huì)造成 f4、f12、f18三臺(tái)電機(jī)分別被 f5、f13、f19拖到發(fā)電狀態(tài)。處于發(fā)電狀態(tài)的電機(jī)就會(huì)通過(guò)變頻器整流橋向直流側(cè)反饋能量，抬高變頻器直流側(cè)的電壓，可能因電壓過(guò)高而使變頻器產(chǎn)生保護(hù)動(dòng)作，影響生產(chǎn)。28bu0128hl01(27a3)(29c4)(76c5)2

33、8bu0228bu0328kh0128kh0228kh0327b528br0128br0228br0327b527b5 整流器con20127ka05x9.4x9.528kh0128kh0228kh03故障27ka04圖 10 保護(hù)電路為了解決這個(gè)問(wèn)題，系統(tǒng) 采用共直流母線拖動(dòng)技術(shù)。前紡 和后紡分別安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 11 采用一個(gè)整流器的直流母線，直流 母線上接有制動(dòng)單元。 當(dāng)一些電 動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，可以將能量反送到 公共直流母線上，被其他的處于電動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)消耗掉，這樣不僅解決了 上述的問(wèn)題，還節(jié)省了能量，一舉兩得。 在系統(tǒng)停車(chē)時(shí)，電機(jī)處于制動(dòng)發(fā)電狀態(tài)，為了防止直流母線上的電壓

34、過(guò)高，在直流母線上并聯(lián)了制動(dòng)單元 和制動(dòng)電阻 。如果直流母線上的電壓過(guò)高，則制動(dòng)單元工作，通過(guò)制動(dòng)單元，可將停車(chē)時(shí)所產(chǎn)生的電能消耗在制動(dòng)電阻上。如圖 10保護(hù)電路圖 ，具體保護(hù)過(guò)程為：當(dāng)直流母線上的電壓很大，超過(guò)熱繼電器 （常開(kāi)） 的閥值時(shí)，三個(gè) 熱繼電器 線圈帶電 ，常閉觸點(diǎn)打開(kāi)。當(dāng)變頻器的控制電源只要 斷電，則27ka04（常開(kāi)）線圈失電 ，常開(kāi)斷開(kāi)。因此它們通過(guò) 串聯(lián)的邏輯組合， 通過(guò)中間繼電器（ 27ka05）來(lái)控制變頻器的三相交流輸入 電源斷路器 的斷開(kāi)，同時(shí)變頻器停止工作 。而且，當(dāng)熱繼電器動(dòng)作時(shí)，制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻也開(kāi)始接通，制動(dòng)電阻把直流母線上的能量變成熱能消耗掉。3.53.5

35、 前紡電機(jī)拖動(dòng)電路前紡電機(jī)拖動(dòng)電路腈綸紡絲工藝的特殊要求，為保證腈綸纖維質(zhì)量，就要求系統(tǒng)各個(gè)工位轉(zhuǎn)速具備較 高精度的牽伸比，因此 要求在整組加速、減速已及平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)各個(gè)工位的輥?zhàn)拥木€速度保持恒定的比值，也就是要求各個(gè)變頻器的運(yùn)行頻率保持恒定的比值。其中 前紡f1f12為同步電機(jī)， 后紡f13f20為異步電機(jī)。前紡電機(jī)拖動(dòng)結(jié)構(gòu)圖如下，圖 11圖11 前紡電機(jī)拖動(dòng)結(jié)構(gòu)圖安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 12 f1變頻器直流側(cè)并聯(lián) 100000f電容，因?yàn)?f1電機(jī)帶動(dòng) 計(jì)量泵將腈綸原液噴出，經(jīng)過(guò)凝 固浴生成初生纖維，初生纖維的強(qiáng)度比較 低，f1輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)速稍有波動(dòng)，都有可能造成斷絲，影響后面所有工序的生產(chǎn)

36、。為了保證f1電機(jī)以很平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，要求 f1變頻器輸出頻率很穩(wěn)定， 所以在f1變頻器整流橋的直流側(cè)并聯(lián)了 100000f電容作為大的儲(chǔ)能元件。這樣可以減小輸入側(cè)電網(wǎng)波動(dòng)對(duì) f1變頻器的影響 。f2帶6臺(tái)電機(jī)，除了 f3和f11，每個(gè)變頻器分別 控制一臺(tái) 電機(jī)。選擇通用變頻器時(shí)，應(yīng)以電動(dòng)機(jī)的額定電流和負(fù)載特性為依據(jù)選擇通用變頻器的額定容量。由于通用變頻器輸出含有諧波成分，其電流有所增加，應(yīng)適當(dāng)考慮加大容量，其次應(yīng)考慮最小和最大運(yùn)行速度極限，以防止低于頻率下限運(yùn)行。 我們由電機(jī)的功率，在查閱艾默森td3000 系列變頻器 手冊(cè)中的系列型號(hào)如下 表，我們選擇變頻器的型號(hào)為f1 我們選擇型號(hào)為 ：

37、f1、f5、f11 型號(hào) td3000-4t0370g，f2 型號(hào) td3000-4t0037g， f7 型號(hào)td3000-4t0300g ，f4、f9、f8、f6 型號(hào) td3000-4t0110g，f10 型號(hào)為td3000-4t0185g 變頻器。td3000 系列變頻器系列型號(hào)表安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 13 第四章第四章 plc 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.14.1 plcplc 控制的介紹控制的介紹.1 plcplc 的簡(jiǎn)介的簡(jiǎn)介可編程序控制器簡(jiǎn)稱(chēng)為 plc?，F(xiàn)代的可編程序控制器是以微處理器為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置，是將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的嶄新產(chǎn)品。19

38、85年 1 月，國(guó)際電工委員會(huì)(iec)對(duì) plc 作了如下定義:“可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。.2 可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu)可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu) plc 實(shí)際上是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。從結(jié)構(gòu)上分，plc 分為固定式和組合式(模塊式)兩種。固定式 plc 包括 cpu 板、i/o 板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式 plc 包括 cpu 模塊、i/o 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置?？删幊绦蚩刂破鞯幕窘Y(jié)構(gòu)框圖如下，圖 12。 圖 12 plc 基本結(jié)構(gòu)4.24

39、.2 plcplc 的比較選型的比較選型因?yàn)殡婢]紡絲生產(chǎn)工藝復(fù)雜，生產(chǎn)線 前紡 有多臺(tái)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，這就對(duì)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性、速度協(xié)調(diào)性與穩(wěn)定性要求非常高。西門(mén)子 plc simatic s7-200/300/400 系列的強(qiáng)大功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 14 中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。而且 s7 系列具有極高的性能/價(jià)格比。s7 系列 plc 適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。結(jié)構(gòu)緊湊，有強(qiáng)大的控制功能，聯(lián)網(wǎng)通信功能，友好的人機(jī)界面，診斷功能，口令保護(hù)功能。因此我們選擇用西門(mén)子的 plc 做從站控制。因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)的復(fù)雜性，小型

40、的 s7-200 的 i/o 點(diǎn)數(shù)已經(jīng)其他參數(shù)無(wú)法滿足控制要求，而 s7-400 雖然能滿足控制要求，但是有些大材小用，很不經(jīng)濟(jì)，因此我們選擇由西門(mén)子 s7-300 做控制從站，控制整個(gè)生產(chǎn)線的協(xié)調(diào)運(yùn)行。4.34.3 s7-300s7-300 的介紹的介紹s7 系列 plc 是 siemens 公司的新型 plc，其中的 s7-200 是小型 plc，s7-300 型是中 plc，s7-400 是大型 plc。s7-300 是緊湊型、模塊化的中 plc，適于在要求快速過(guò)程處理或?qū)?shù)據(jù)處理能力有特別要求的控制系統(tǒng)中使用。它有極強(qiáng)的計(jì)算能力，完善的指令系統(tǒng)，全面的故障診斷功能，無(wú)槽位 限制的模塊化

41、結(jié)構(gòu)，有 mpi 接口和通過(guò) sinec 局域網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的能力。.1 s7-300s7-300 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)s7-300 屬于模塊式 plc，各種模塊安裝在機(jī)架上，通過(guò) cpu 模塊或通信模塊上的通信接口，plc 被連接到通信網(wǎng)絡(luò)上，可以與計(jì)算機(jī)、其他 plc 或其他設(shè)備通信。下邊是 s7-300 模塊的作用。（1）cpu 模塊主要由微處理器和存儲(chǔ)器組成，集成了過(guò)程控制功能，用于執(zhí)行用戶程序，每個(gè) cpu 都有一個(gè)編程用的 rs-485 接口。（2）輸入和輸出模塊通稱(chēng)為信號(hào)模塊，它是聯(lián)系外部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和 cpu 模塊的橋梁。（3）功能模塊（fm）：為了增強(qiáng) plc 的功能，擴(kuò)大其

42、應(yīng)用領(lǐng)域而開(kāi)發(fā)的模塊。主要用于對(duì)實(shí)時(shí)性和存儲(chǔ)容量要求高的控制任務(wù)。（4）通信處理器：用于 plc 之間、plc 與遠(yuǎn)程 i/o 之間、plc 與計(jì)算機(jī)和其它智能設(shè)備之間的通信。（5）接口模塊：cpu 模塊所在的機(jī)架稱(chēng)為中央計(jì)架，可以增設(shè)一個(gè)或多個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，接口模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)中央機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架之間的通信。安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 15 .2 s7-300s7-300 的功能的功能1.高速的指令處理:0.6-0.1us 的指令處理時(shí)間在中等到較低的性能要求范圍內(nèi)開(kāi)辟了全新的應(yīng)用領(lǐng)域。2. 浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算:用此功能可以有效地實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算3. 方便用戶的參數(shù)賦值4.人機(jī)界面(hm

43、i):方便的人機(jī)界面服務(wù)已經(jīng)集成在 s7-300 操作系統(tǒng)內(nèi)。因此人機(jī)對(duì)話的編程要求大大減少。simatic 人機(jī)界面(hmi)從 s7-300 中取得數(shù)據(jù)，s7-300 按用戶指定的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)。s7-300 操作系統(tǒng)自動(dòng)地處理數(shù)據(jù)的傳送。5.診斷功能:cpu 的智能化的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常、記錄錯(cuò)誤和特殊系統(tǒng)事件(例如:超時(shí)，模塊更換，等等)。6.口令保護(hù):多級(jí)口令保護(hù)可以使用戶高度、有效地保護(hù)其技術(shù)機(jī)密，防止未經(jīng)允許的復(fù)制和修改。7.操作方式選擇開(kāi)關(guān):操作方式選擇開(kāi)關(guān)像鑰匙一樣可以拔出，當(dāng)鑰匙拔出時(shí)，就不能改變操作方式。這樣就防止非法刪除或改寫(xiě)用戶程序。8.通訊:方

44、便用戶的 step7 的用戶界面提供了通訊組態(tài)功能，這使得組態(tài)非常容易、簡(jiǎn)單。simatic57-300 具有多種不同的通訊接口。4.44.4 plcplc 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)腈綸紡絲是一個(gè)連續(xù)、復(fù)雜的過(guò)程，現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)處于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層，直接連接現(xiàn)場(chǎng)的各臺(tái)設(shè)備，包括i/o 設(shè)備、變頻與驅(qū)動(dòng)裝置，網(wǎng)絡(luò)上傳遞的主要是控制信號(hào)，因此，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和確定性有很高的要求。為實(shí)現(xiàn)各個(gè)工位電動(dòng)機(jī)高速、同步、大范圍控制、穩(wěn)定運(yùn)行等生產(chǎn)工藝要求，采用通信速度快、實(shí)時(shí)性好、組態(tài)配置靈活的 profibus-dp 作為現(xiàn)場(chǎng)的通信總線。在本控制系統(tǒng)中，對(duì)每個(gè)工位（f1-f12）采用一臺(tái)變頻器來(lái)進(jìn)行頻

45、率的調(diào)節(jié)控制。plc 發(fā)出控制信號(hào)，由 profibus-dp 作為信號(hào)的傳輸通道，將控制信號(hào)傳送給變頻器，完成對(duì)電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)控制。變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)具有完善的保護(hù)功能，它通過(guò)接受 plc 的信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速大小，并且向 plc 反饋?zhàn)陨淼墓ぷ鳡顟B(tài)信號(hào)。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，能夠向 plc 及上位機(jī)發(fā)出警報(bào)信號(hào)。安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 16 4.54.5 plcplc 通信的實(shí)現(xiàn)通信的實(shí)現(xiàn).1 plcplc 主站主站現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的主站是plc，每臺(tái)plc通過(guò)profibus-dp網(wǎng)絡(luò)與i/o站以及10臺(tái)變頻器通信，傳輸?shù)闹饕畔⑹禽斎肓俊⑤敵隽亢妥冾l器的控制參數(shù)等。plc與上位工控pc

46、用mpi通信，工控pc機(jī)裝有系統(tǒng)控制和編程的應(yīng)用軟件step7，運(yùn)行前工控pc將程序傳到plc的存儲(chǔ)器里面，運(yùn)行時(shí)plc的cpu執(zhí)行提前存儲(chǔ)的程序，并且不斷掃描i/o點(diǎn)的信息，進(jìn)而控制各個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。在運(yùn)行過(guò)程中，管理人員可以通過(guò)友好的人機(jī)界面來(lái)觀察生產(chǎn)線的運(yùn)行情況，并可以通過(guò)修改程序以及參數(shù)，改變系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)。如圖13 plc控制結(jié)構(gòu)圖圖13 plc控制結(jié)構(gòu)圖.2 變頻器智能從站變頻器智能從站這里我們選用的是艾默生 td3000 系列變頻器，它是一種高品質(zhì)、多功能、低噪音的矢量控制通用變頻器。通過(guò)對(duì)電機(jī)磁通電流和轉(zhuǎn)矩電流的解耦控制，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確控制，能以很

47、高的控制精度進(jìn)行寬范圍的調(diào)速運(yùn)行。適用功率范圍是 2.2kw-75kw。變頻器智能從站要與 plc 控制站通信，需要 通過(guò)總線適配器 tds-pa01 接入 profibus-dp 總線，這樣變頻器的運(yùn)行參數(shù)和plc 的控制參數(shù)可以通過(guò)總線相互傳遞。前紡共有10 臺(tái)變頻器， f1 變頻器控制 30 臺(tái)電安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 17 機(jī)，f2 變頻器控制 6 臺(tái)電機(jī)，其 余每臺(tái)變頻器控制一臺(tái)電機(jī)。 下圖 14為 plc 和變頻器的連接圖圖14 plc和變頻器的連接圖 4.64.6 plcplc 的的 i/oi/o 模塊模塊為實(shí)現(xiàn)整個(gè)腈綸紡絲的工藝流程，對(duì)于前紡每個(gè)工位，分別設(shè)置四個(gè)數(shù)字輸入點(diǎn)

48、，分別是起動(dòng)、停止、升速、降速。通過(guò)手動(dòng)操作，將這些數(shù)字信號(hào)傳給 plc，通過(guò) plc 內(nèi)部的軟件程序，把輸出控制信號(hào)再通過(guò)通訊方式傳回到變頻器，從而控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。同樣，為了升速降速的需要，還需要輸出模擬量信號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而更好地控制升速降速的過(guò)程。圖 15 plc 模塊連接圖 15，前紡共用到六個(gè)模塊，其中有電源模塊 ps、cpu 模塊、還有兩個(gè) di模塊 sm01、sm02，用于控制信號(hào)輸入。ao 模塊 sm03、sm04，用于電機(jī)速度輸出，在速度計(jì)顯示，用于更好的調(diào)速和監(jiān)測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖 16 f1 數(shù)字輸入安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 18 圖 16 是 f1 數(shù)字量輸入電氣連接圖

49、。數(shù)字量輸入模塊用于連接外部的機(jī)械觸點(diǎn)。這里主要是連接四個(gè)數(shù)字輸入：起動(dòng)、停止、升速、降速。另外，對(duì)于全部前紡生產(chǎn)線還需加一個(gè)急停按鈕，以防止特殊情況。整個(gè)前紡 采用的 di模塊 sm01、sm02 是輸入點(diǎn)數(shù)為 32 的模塊。圖 17 電機(jī)速度輸出圖 17 是部分工位電機(jī)速度輸出。整個(gè)前紡生產(chǎn)線用了兩個(gè)模擬量輸出模塊sm03、sm04 以把電機(jī)當(dāng)前的速度顯示到速度板上。模擬量輸出模塊用于將 cpu 送給它的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為成比例的電流信號(hào)（4-20ma） ，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，其主要組成部分是 d/a 轉(zhuǎn)換器。sm03和 sm04 分別有 a01-0a01-7 八個(gè)輸出端，分別輸出一個(gè)

50、f1-f12 的電機(jī)轉(zhuǎn)速。安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 19 第五章第五章 基于基于 profibus 總線通信的設(shè)計(jì)總線通信的設(shè)計(jì)本章主要介紹上位機(jī)和 plc、plc 和變頻器之間通信的具體實(shí)現(xiàn)，在研究現(xiàn)場(chǎng)總線的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與 s7-300 之間的 mpi 通信，以及 s7-300 plc與變頻器之間的 profibusdp 通信。5.15.1 profibusprofibus 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)5.1.1profibus5.1.1profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)概述現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)概述profibus 誕生于 1987 年， 1989 年被立項(xiàng)為德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) din19245。其后的

51、幾年 profibus -fms ,profibus-dp , profibus-pa 先后被批準(zhǔn)實(shí)施。1996 年 3 月被歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)。近幾年來(lái)，profibus 在全世界得到了廣泛的應(yīng)用。 profibus 是涵蓋現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和單元級(jí)的控制網(wǎng)絡(luò). 在這里單元級(jí)是指工廠、生產(chǎn)線等級(jí)別的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò). profibus 以 fms , p a 類(lèi)型兼容單元級(jí)網(wǎng)絡(luò)，以 dp 和 pa 類(lèi)型適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)層。而管理層是以工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ). 這種自下而上的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使工廠企業(yè)的全系統(tǒng)信息集成成為可能。信息可以從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)逐級(jí)上傳、匯總， 為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案，

52、 不僅能大大提高企業(yè)的自動(dòng)化水平，而且可以大幅度提高企業(yè)的管理水平。.2 profibusprofibus 的基本特點(diǎn)的基本特點(diǎn)profibus 定義了串行現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的技術(shù)特征。 串行現(xiàn)場(chǎng)總線可以從 現(xiàn)場(chǎng)級(jí)到單元級(jí) 使分散的可編程的控制器形成網(wǎng)絡(luò)。profibus 系統(tǒng)中的設(shè)備類(lèi)型可分為主站和從站.profibus 是一個(gè)多主站系統(tǒng)，它允許若干個(gè)帶各自 分散外設(shè)的自動(dòng)化系統(tǒng)、工程系統(tǒng)或可視化系統(tǒng)在一條總線上聯(lián)合運(yùn)行。.3 profibusprofibus 的類(lèi)型的類(lèi)型(1) profibus-dp：是一種高速低成本通信，用于 現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制系統(tǒng)與分散式 i/o 的

53、通信。使用 profibus-dp 可取代辦 24vdc 或 4-20ma 信號(hào)傳輸。(2) profibus-pa：專(zhuān)為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)在安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 20 一根總線上，并有本征安全規(guī)范。(3) profibus-fms：用于車(chē)間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)使用了 profibus-dp 現(xiàn)場(chǎng)總線，下面詳細(xì)論述。5.25.2 profibusprofibusdpdp 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù).1 profibusprofibusdpdp 協(xié)議結(jié)構(gòu)協(xié)議結(jié)構(gòu)profibusdp 協(xié)議結(jié)構(gòu)以開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（open

54、 system interconnection-osi）作為參考模型的。profibusdp 定義了第一、二層和用戶接口。這種精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)確保了高速數(shù)據(jù)傳輸。profibusdp 特別適合于 plc 與現(xiàn)場(chǎng)分布式 i/o（例如西門(mén)子 et200）設(shè)備之間的通信。s7-200/300 系列 plc 均配備有集成的 profibusdp 接口，同時(shí) s7-300/400 也可以通過(guò)通信處理器連接到 profibusdp 現(xiàn)場(chǎng)總線上。 .2 profibusprofibusdpdp 特性特性profibusdp 用于現(xiàn)場(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸

55、出信息。總線循環(huán)時(shí)間必須要比主站（plc）程序循環(huán)時(shí)間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，profibusdp 還提供智能化設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)診斷和報(bào)警處理。profibusdp 的 rs485 傳輸 profibusdp 符合 rs-485 標(biāo)準(zhǔn)，傳輸介質(zhì)采用價(jià)格便宜的屏蔽雙絞線電纜或光纜。波特率從 9.6kbps-12mbps。.3 profibus-dpprofibus-dp 系統(tǒng)配置和設(shè)備類(lèi)型系統(tǒng)配置和設(shè)備類(lèi)型profibus-dp 允許構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng)。在同一總線上最多可連接126 個(gè)站點(diǎn)。系統(tǒng)配置的描述包括：站數(shù)、站地址、輸入/輸出地址、輸入/輸出數(shù)據(jù)格

56、式、診斷信息格式及所使用的總線參數(shù)。每個(gè) profibus-dp 系統(tǒng)可包括以下三種不同類(lèi)型設(shè)備：(1) 一類(lèi) dp 主站（dpm1）：一類(lèi) dp 主站是中央控制器，它在預(yù)定的信息周期內(nèi)與分散的站（如dp 從站）交換信息。典型的 dpm1 如 plc 或pc。(2) 二類(lèi) dp 主站（dpm2）：二類(lèi) dp 主站是編程器、組態(tài)設(shè)備或操作面板，在 dp 系統(tǒng)組態(tài)操作時(shí)使用，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 21 (3) dp 從站：dp 從站是進(jìn)行 輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍 設(shè)備（i/o 設(shè)備、驅(qū)動(dòng)器、 hmi、閥門(mén)等） 。除了這三類(lèi)設(shè)備外，要組成一個(gè)完整的 profib

57、usdp 通信網(wǎng)絡(luò)，還需要profibus 網(wǎng)絡(luò)部件，如：通信介質(zhì)（電纜或光纖） 、總線部件、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接器等。.4 profibus-dpprofibus-dp 基本功能基本功能（1）總線存取方法：各主站間令牌傳送，主站與從站間數(shù)據(jù)傳送為主-從循環(huán)傳送支持單主站或多主站系統(tǒng)。總線上最多站點(diǎn)數(shù)為 126 個(gè)。（2）循環(huán)數(shù)據(jù)交換：dp 功能可以實(shí)現(xiàn)中央控制器與分布式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的快速循環(huán)數(shù)據(jù)交換，主站發(fā)出請(qǐng)求報(bào)文，從站收到后返回響應(yīng)報(bào)文。主站和從站間的數(shù)據(jù)傳送分為 3 個(gè)階段：參數(shù)化、組態(tài)和數(shù)據(jù)交換。（3）診斷功能：經(jīng)過(guò)擴(kuò)展的 profibusdp 診斷，能對(duì) 站級(jí)、模塊級(jí)、通道級(jí)

58、這 3 級(jí)故障進(jìn)行診斷和快速定位，診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。（4）保護(hù)功能：dp 功能可以對(duì) dp 從站的輸出進(jìn)行存取保護(hù)。（5）網(wǎng)絡(luò)功能；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)：動(dòng)態(tài)激活或關(guān)閉 dp 從站，對(duì) dp 主站進(jìn)行配置，可以設(shè)置站點(diǎn)的數(shù)目、dp 從站的地址、輸入/輸出數(shù)據(jù)的格式、診斷報(bào)文的格式等。（6）同步與鎖定功能：主站可以發(fā)送同步命令給一個(gè)從站或一組從站。接收到主站的同步命令后，從站進(jìn)入同步模式。5.35.3 工業(yè)工業(yè) pcpc 和和 plcplc 的通信的通信.1 mpimpi 通信通信介紹介紹多點(diǎn)接口 mpi 是 simatic s7 的編程設(shè)備接口，它允許通過(guò)一個(gè)中央端

59、口就能夠訪問(wèn)到一定數(shù)量的編程模塊和操作面板等。連接在 mpi 網(wǎng)絡(luò)上的結(jié)點(diǎn)之間通過(guò) mpi 就可以互相通信。由 mpi 可以用于同時(shí)連接編程器、pc 機(jī)、人機(jī)界面系統(tǒng)及其他 simatic s7/m7 等自 動(dòng)化控制系統(tǒng)，所以對(duì)于構(gòu)成中小規(guī)模的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)講，采用 mpi 網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)經(jīng)濟(jì)而有效的解決方案。.2 pc/mpipc/mpi 適配器介紹適配器介紹pc/mpi (isolated) cable 適配器亦稱(chēng)為 pc 適配器,實(shí)現(xiàn) rs232 到 rs485安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 22 接口的電平轉(zhuǎn)換和 rs232 到 mpi 協(xié)議的轉(zhuǎn)換,用于連接 siemens s

60、7-300/400 系列 plc 的 mpi 口(rs485)和 pc 的 com 口(rs232).如下圖 18pc/mpi 適配器示意圖 pc/mpi 適配器,在 rs232 端口和 rs485 端口均設(shè)有浪涌保護(hù)和防雷擊保護(hù)電路,可任意帶電插拔,適用于西門(mén)子 s7-300/400 全系列 plc 及其它帶有 mpi 接口的裝置。 圖 18 pc/mpi 適配器示意圖 .3 工業(yè)工業(yè) pcpc 和和 plcplc 的通信設(shè)置的通信設(shè)置（1）硬件聯(lián)接：將適配器 mpi 口(rs485)連接在 plc s7-300/400 系列的mpi 口，將適配器的 rs232 聯(lián)接在 pc