基于PCC的造紙機電氣傳動控制系統(tǒng)設(shè)計

1、畢 業(yè) 設(shè) 計 中 文 摘 要摘 要現(xiàn)今世界，紙在日常生活中的運用越來越廣泛，人們對紙的需求量日益增長，從而導(dǎo)致對紙的質(zhì)量有了更高的要求。以前的造紙機大多是小型和低速的，隨著自動化水平的不斷提高，現(xiàn)在向著大型和高速的方向發(fā)展。這就對造紙機工作過程中的各種控制有了較高的要求，如造紙機傳動系統(tǒng)的張力控制。以前的造紙機采用的是最傳統(tǒng)的機械總軸傳動，相對于現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)水平來說，這種方式是屬于比較落后的方式，系統(tǒng)難以進行響應(yīng)較快的各種控制，如張力控制，已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)要求。所以，現(xiàn)在的大中型造紙機大多數(shù)采用分部傳動，用這種傳動方式取代傳統(tǒng)的機械總軸傳動，即電氣分軸傳動。首先，本設(shè)計介紹了課題設(shè)計的背景

2、及意義、課題設(shè)計的研究現(xiàn)狀和本文的主要工作，接著介紹了造紙工藝流程和造紙傳動方式分析，通過介紹B&R的PCC歷史、特點，及用PCC代替PLC的可行性研究，最終確定系統(tǒng)方案。以PCC的X20為核心控制器，設(shè)計造紙機的電氣傳動控制系統(tǒng)。其次，設(shè)計系統(tǒng)硬件電路，包括主控制器及相關(guān)模塊的選擇、變頻器的選擇、電機的選擇以及同步、張力控制的設(shè)計等。最后，設(shè)計系統(tǒng)的軟件流程圖。關(guān)鍵詞：造紙機 電氣 分部傳動 張力控制 PCC畢 業(yè) 設(shè) 計 外 文 摘 要Title Paper machine electric drive control system design based on PCC Abst

3、ractIn today's world, more and more widespread use of paper in everyday life, people's growing demand for paper, resulting in the quality of the paper have higher requirements. Most of the previous paper machine is small and low-speed, with the increasing levels of automation, toward the dev

4、elopment of large-scale and high-speed direction. This various paper machine process control has greater tension control, such as paper machine drive system. Previous paper machine is the most traditional mechanical shaft drive, with respect to the scientific and technological level, this approach i

5、s relatively backward, the system difficult to carry out rapid response control, such as tension control, been unable to meet production requirements. Therefore, most of the large and medium-sized paper machine drive segment, this drive to replace the traditional mechanical the total shaft drive, th

6、e electrical shaft drive.First of all, the design describes the background and significance of the subject design, subject design research status quo and this paper's main work, then introduce the analysis of the papermaking process and paper drive way, through the introduction of B & R PCC

7、history, characteristics, and PCC instead PLC the feasibility study, and ultimately determine the system program. PCC X20 that it is the core controller design electrical transmission, control system of the paper machine. Secondly, the hardware circuit design system, including the selection of the m

8、aster controller and associated modules, the selection of the inverter, the motor selection and synchronization, the tension control design. Finally, design system of the software flow chart Keywords Paper machine Electric Section-drive Tension control PCC目 次1 引 言11.1 課題設(shè)計的背景及意義11.2 課題設(shè)計的研究現(xiàn)狀11.3 本文

9、的主要工作22 系統(tǒng)分析32.1 造紙機工作流程及傳動方式分析32.1.1 造紙工藝流程32.1.2 造紙機傳動方式分析42.2 控制單元分析52.2.1 PCC的特點52.2.2 采用PCC的可行性研究62.3 方案的選擇及確定72.4 本章小結(jié)83 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計93.1 主控制器PCC及相關(guān)模塊的選擇93.2 變頻器的選擇93.3 電機的選擇以及同步103.3.1 電機的選擇103.3.2 電機的同步問題分析113.4 電路設(shè)計123.4.1 主電路設(shè)計123.4.3 控制電路133.5 造紙機電氣傳動控制系統(tǒng)設(shè)計143.5.1 張力控制設(shè)計143.6 I/O分配表173.7 元件清單

10、表183.8 本章總結(jié)194 系統(tǒng)軟件設(shè)計204.1 編程軟件Automation Studio的介紹204.2 流程圖204.2.1 主程序流程圖204.2.2 張力控制結(jié)構(gòu)流程圖204.3 本章小結(jié)21結(jié) 論22致 謝23參 考 文 獻24附錄A PCC機柜卡件布置圖25附錄B PCC模塊接線圖25271 引 言1.1 課題設(shè)計的背景及意義從古文明開始，還沒有紙的出現(xiàn)，直到東漢才出現(xiàn)了紙，這是蔡倫制成的。紙在初現(xiàn)期間，并沒有得到廣泛應(yīng)用，直到魏晉南北朝時期，才廣泛流傳。直到現(xiàn)在，紙在我們的生活中隨處可見。隨著我國工業(yè)的發(fā)展，人們生活水平的提高，紙在我們的生活中應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)成為不可替

11、代的生活用品，比如書籍、報紙、作業(yè)紙、包裝紙、衛(wèi)生紙等等，在我們的生活中隨處可見。除了生活用紙外，紙在其他領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)用紙、農(nóng)業(yè)用紙和醫(yī)療用紙等。從這些方面可知，紙在我們的日常生活中的影響越來越大，人們的生活早已離不開紙。人們對紙的需求量日益增長，對紙的種類需求也越來越多，從作業(yè)紙到書籍用紙，從包裝紙到衛(wèi)生紙，再到餐巾紙等，紙的種類真的是多種多樣，這就導(dǎo)致對紙的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)質(zhì)量有了更高的要求。造紙術(shù)是我國的四大發(fā)明之一，對世界的文明有著深遠的歷史意義，從以前的手工制紙發(fā)展到現(xiàn)在的機制紙，可見我國的造紙技術(shù)有了很大的進步和發(fā)展。但這還遠遠不夠，人們對紙的需求量的多樣化，需要不斷提

12、高造紙工業(yè)的自動化水平，加快造紙行業(yè)的發(fā)展，才能滿足人們對紙的需求。提高造紙業(yè)的自動化水平，對我國的造紙業(yè)有深遠的指導(dǎo)意義。1.2 課題設(shè)計的研究現(xiàn)狀紙的制造是一個非常復(fù)雜的過程，近年來，大型化、自動化和智能化是世界各國工業(yè)的發(fā)展趨勢。為了提高紙張的質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、節(jié)約自然資源、減少廢氣排放以及提高紙的產(chǎn)量，造紙業(yè)的自動化水平在不斷地提高。造紙業(yè)早期的控制方式比較簡單，使用的是應(yīng)用常規(guī)儀器調(diào)節(jié)儀表的簡單控制，目前大多數(shù)都使用PLC來控制，大大的提高了造紙業(yè)的自動化水平。PLC具有可靠性高、抗干擾能力強，編程比較簡單、容易掌握，功能比較完善、使用靈活方便，體積小、質(zhì)量輕、功耗低等優(yōu)點。基于P

13、LC控制的造紙機不僅大大的提高了自動化水平，還節(jié)約成本。而PCC代表的是目前自動化領(lǐng)域最先進的自動化控制技術(shù)，不僅綜合了PLC和工業(yè)可編程控制器（PC）兩者的技術(shù)優(yōu)勢，而且還有PLC和PC所沒有的優(yōu)勢。綜合以上，在現(xiàn)今造紙技術(shù)的基礎(chǔ)上，運用貝加萊PCC，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性，還能克服惡劣的環(huán)境等。目前，貝加萊PCC已廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)領(lǐng)域，如機械自動化和過程自動化，應(yīng)用前景非常廣闊。1.3 本文的主要工作本設(shè)計的主要內(nèi)容是通過用主控制器PCC來實現(xiàn)造紙機的電氣傳動控制。通過對造紙機傳動方式的分析，選擇系統(tǒng)的硬件及相關(guān)模塊，設(shè)計出系統(tǒng)的主電路以及控制電路。本文主要內(nèi)容如下：（1） 研究

14、造紙機電氣傳動控制原理，設(shè)計電氣傳動控制電路。（2） 通過對主控制器的分析與了解選擇硬件及相關(guān)模塊（3） 分析控制流程，編寫相應(yīng)程序流程圖，實現(xiàn)基本的電氣傳動控制功能。（4） 對全文進行總結(jié)，并做進一步的探討。2 系統(tǒng)分析2.1 造紙機工作流程及傳動方式分析造紙機是一種非常復(fù)雜的機器，首先是把原材料進行打漿和調(diào)制，加工成符合抄紙要求的初始原料，其次是把加工好的初始原料通過其它的機械部分進行加工和制作，最后才能抄制成紙頁。2.1.1 造紙工藝流程現(xiàn)代的造紙工藝流程一般可分為原材料制成漿、漿紙的調(diào)制、對紙進行抄造、對紙進行加工等主要步驟。一般的造紙工藝流程如圖2.1所示。圖2.1 造紙流程（1）原

15、材料制漿。造紙的第一步是把原材料制造成漿，而使用的原材料一般是木材，把原材料制造成漿的方法一般有三種，分別為化學(xué)法、機械法和半化學(xué)法。（2）調(diào)制造紙的第二步是調(diào)制，調(diào)制為造紙流程中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，紙張制造成功后的優(yōu)劣與調(diào)制過程直接相關(guān)。紙的調(diào)制過程一般可分為散漿、打漿、加膠和充填這幾個步驟。（3）紙的抄造紙的抄造就是把紙漿制造成紙張的過程，這是造紙的第三步。把稀紙料經(jīng)過加工和脫水等一系列工作，制成成品紙，這是抄造部門的主要工作。紙的抄造的一般常見流程如下：1）紙料的篩選。這一過程主要是把調(diào)制好的紙料進行稀釋，將其稀釋到一定低的濃度，然后再用篩選設(shè)備進行篩選，將里面的雜物和還沒有解離的纖維束篩選

16、出來，除掉，才能保持制紙質(zhì)量，保護相關(guān)設(shè)備不被損壞。2）網(wǎng)部。網(wǎng)部的主要作用是對流到網(wǎng)上的紙漿進行加工和處理，若紙漿從頭箱流到循環(huán)的網(wǎng)上時，就對網(wǎng)上的紙料進行均勻的分布以及交織等處理工作。3）壓榨部。壓榨部的主要作用是將濕紙進行脫水處理，主要過程是把從網(wǎng)面移過來的濕紙引導(dǎo)兩個滾轆間，這兩個滾轆上都附有毛布，滾轆可對濕紙進行壓擠，毛布對濕紙有吸水作用，當(dāng)這兩種物體都對濕紙作用時，不僅能脫水，而且還能改變紙質(zhì)使其更緊密，提高紙的質(zhì)量。4）干燥部。干燥部的主要作用是將壓榨過的濕紙進行進一步的干燥。濕紙進行壓榨后，其中的含水量仍然較高，這時候不能用機械力將多余水分進行壓除，只能用熱蒸汽對紙進行干燥處理

17、，因此可將濕紙經(jīng)過圓筒表面進行干燥，圓筒內(nèi)有流通的熱蒸汽。5）壓光部。壓光部的主要作用是對干燥后的紙進行壓光，以提高紙的品質(zhì)，并使紙頁全幅保持一樣的厚度，減少紙頁的透氣度。6）卷紙。主要由卷紙機將壓光過后的紙幅卷起，將其卷成生產(chǎn)所需的紙卷。7）裁切、選別、包裝。將已經(jīng)卷好的紙卷進行裁切，再進行篩選，把有污點和破損的紙張選出來，最后進行生產(chǎn)所需的包裝。2.1.2 造紙機傳動方式分析一般來說，傳統(tǒng)的造紙機采用的是機械總軸這種傳動方式，這種傳動方式的各個傳動軸通過機械裝置連接在共同的主傳動軸上，傳動軸就能跟隨主傳動軸同步運行，如圖2.2所示。圖2.2 機械總軸傳動機械總軸傳動方式采用單原動機傳動，大

18、多數(shù)用于中、低速的 中、小型紙機上。這種傳動方式上的各分部間速比的調(diào)節(jié)比較簡單，單純的靠機械的方法來調(diào)節(jié)，可以借助錐形皮帶輪或者無級變速的三角皮帶輪來實現(xiàn)，也可借助差動機構(gòu)來實現(xiàn)。在傳動過程中，可以用兩種方式中的一種來控制各個分部的啟停，第一種方式是借助摩擦離合器來控制各個分部的啟動和停止，第二種方式是借助電磁離合器來控制各個分部的啟動和停止。這種傳動方式比較落后，難以進行響應(yīng)較快的各種控制，如張力控制，已經(jīng)遠遠不能滿足生產(chǎn)需求。現(xiàn)在大多數(shù)中大型造紙機采用的傳動方式是分部傳動，這種傳動方式的各個個分部各采用一臺電機進行控制，也可采用幾臺電機進行控制，驅(qū)動各分部的運行，如圖2.3所示。圖2.3

19、分部傳動在分部傳動這種傳動方式中，采用電氣來進行調(diào)節(jié)，不僅能調(diào)節(jié)整個系統(tǒng)的車速，還能調(diào)節(jié)各個分部間的速比，用這個調(diào)節(jié)方法取代機械調(diào)節(jié)的方法，大大的簡化了整個系統(tǒng)的裝置。由于采用這種傳動方式的各個分部傳動依靠的是電氣來實現(xiàn)各軸的同步運行的，所以又叫電氣分軸傳動。分部傳動要比機械總軸傳動簡單的多，可以不用總軸、錐形皮帶輪和皮帶和離合器這些設(shè)備，大大的簡化了傳動過程所需的裝置，運行也比機械總軸傳動可靠的多。綜合以上的兩種傳動方式的分析和對比，本設(shè)計采用的是分部傳動這種傳動方式。2.2 控制單元分析PLC是使用最早的可編程控制器，到了近現(xiàn)代，隨著個人計算機技術(shù)不斷的發(fā)展，隨之發(fā)展的還有自動化技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)

20、通訊技術(shù),于是一個新的控制器誕生了，那就是貝加萊公司生產(chǎn)的PCC。2.2.1 PCC的特點PCC是由奧地利的貝加萊公司推出的一種可編程控制器，這種控制器是一種新型的工業(yè)控制裝置，集合了計算機、通信以及自動控制三種技術(shù)，代表了當(dāng)今工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。從20世紀中期至今，可編程控制器從最初的PLC，發(fā)展到PC，再發(fā)展到現(xiàn)在的PCC?，F(xiàn)在的PCC是一種新型的工業(yè)控制裝置，不僅以微處理器為基礎(chǔ)，還具有高度集成化的特點。PCC具有可靠性高，編輯語言種類繁多，編程方式非常靈活，可根據(jù)使用者的習(xí)慣使用；功能函數(shù)非常豐富，控制功能較強，技術(shù)性能良好，擴展結(jié)構(gòu)的使用很方便，優(yōu)良的耐惡劣環(huán)境能力等一系列的優(yōu)點

21、，使之在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來越廣泛，增長速度非?？捎^。PCC的主要優(yōu)點如下：(1)PCC的可靠性較高，抗擾能力較強工業(yè)現(xiàn)場的條件決定了PCC必需具有很高的可靠性和抗干擾能力。在工業(yè)生產(chǎn)中，現(xiàn)場生產(chǎn)的過程大多是白天黑夜都在工作的，而且大多數(shù)工業(yè)的生產(chǎn)車間的工作環(huán)境比較惡劣，干擾現(xiàn)象比較嚴重，如電磁干擾。為了保證控制器的正常運行，PCC必須具有很高的可靠性和抗干擾能力。(2)PCC的編程較簡單，容易掌握梯形圖是一種簡單易懂的編程語言，比其他的編程語言更容易掌握。因此廣泛地被用戶使用。隨著IT技術(shù)的發(fā)展，PCC也引入了更高級的語音，如BASIC語言和C語言，使編程更簡便更靈活。(3)設(shè)計、安裝方便簡

22、單，調(diào)試時間少、維護方便PCC安裝方便簡單，相關(guān)產(chǎn)品基本實現(xiàn)了系列化和標準化，能滿足大多數(shù)用戶的需求。面板的顯示功能更多，各種指示燈可以在PCC運行時顯示運行狀態(tài)，方便調(diào)試和操作人員的監(jiān)控，及時處理發(fā)生的故障。(4)豐富多樣的模塊品種、兼容能力強、功能強大PCC具有豐富多樣的特殊功能的模塊，如溫度模塊、PID模塊、數(shù)字量混合模塊、模擬量混合模塊、直流模塊、交流模塊等。這就使控制系統(tǒng)更加靈活多變。系統(tǒng)的通用性好，處理功能強大。(5)體積較小，功耗非常低PCC集成度更高了，所以體積小。功率更低，一般都為幾瓦。2.2.2 采用PCC的可行性研究首先，PCC的系統(tǒng)軟件采用的是分時多任務(wù)的組成機構(gòu)，這就

23、使系統(tǒng)程序的運行周期只和系統(tǒng)的循環(huán)周期有關(guān)，不受程序長短的影響，大大的提高了運行的速度。其次，一般的PLC具有高度靈活性，但是PCC比一般的PLC更加靈活。由于PCC是多任務(wù)的操作系統(tǒng)，這就為軟件的開發(fā)提供了更大的便利，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制出具有相應(yīng)功能的模塊。通過各個模塊的協(xié)調(diào)作用，共同構(gòu)成一個具有多樣性功能的系統(tǒng)。再次，PCC的軟件和編程系統(tǒng)功能更加強大更豐富。PCC可以由編程者的習(xí)慣或者工程需要選擇不同的編程語言。最后，PCC在硬件方面比PLC更加強大。PCC的存儲單元比一般的PLC要打得多，而且在工業(yè)現(xiàn)場可以實現(xiàn)熱插拔。所以，利用貝加萊PCC代替一般的PLC控制器應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域

24、，已經(jīng)成為世界工業(yè)自動化領(lǐng)域發(fā)展的總趨勢。2.3 方案的選擇及確定通過上述對比分析，本文最終確定以PCC的X20為主控制器，采用電氣分部傳動控制方式，設(shè)計造紙機電氣傳動控制系統(tǒng)，研究造紙機傳動方式涉及的張力控制等問題，然后提出實現(xiàn)方法。利用PCC提供的高級語言進行編程，在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，做相關(guān)實驗，并進行改進，提高系統(tǒng)的綜合性能。本文的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.4所示：圖2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本文通過PCC控制變頻器控制模塊，進而控制電機控制模塊，使其作用于造紙機各分部控制模塊，從而帶動各分部開始工作，電機控制模塊還可作用于其他反饋模塊，把信號通過變頻器控制模塊反饋給PCC。在造紙機的各分部中，壓光

25、部是整個傳動系統(tǒng)的重點，壓光部工作的情況將影響紙的品質(zhì)，所以本設(shè)計主要對該環(huán)節(jié)進行設(shè)計，最終采用兩臺電機控制壓光部。2.4 本章小結(jié)本章主要對造紙機的工藝流程、傳動方式進行了對比介紹，并對系統(tǒng)采用PCC作為主控制器的可行性進行了分析。最終確定采用PCC為主控制器，通過控制變頻器，進而控制電機的電氣分部傳動的控制方式。3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計本設(shè)計主要針對造紙流程中的壓光部（關(guān)鍵部分）進行研究，該環(huán)節(jié)采用兩臺電機就可對壓光部進行系統(tǒng)的控制，所以本設(shè)計只采用兩臺電機對其進行控制。本章將主要介紹系統(tǒng)的設(shè)計方案以及各模塊元件的選型。3.1 主控制器PCC及相關(guān)模塊的選擇本設(shè)計主要以B&R的PCC為

26、主控制器，通過改變變頻器的頻率控制電機的工作，對電機調(diào)速，進而控制造紙機的工作流程，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如3.1所示。圖3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖該環(huán)節(jié)包括多路模擬量的輸入輸出，以及要留有一定裕量的I/O點數(shù)，所以本設(shè)計選用了貝加萊的X20系列PCC作為其核心控制器件，其中的CPU選用的是X20CP1483-1，輸入模塊選用2個X20DI9371和1個X20DI4371，輸出模塊選用1個X20DO9322模塊，模擬量輸入選用1個X20AI4622模塊。3.2 變頻器的選擇變頻器作為交流電動機的調(diào)速裝置，因其節(jié)能、高效、調(diào)速性能優(yōu)異，已被廣泛應(yīng)用于造紙、冶金、機械、化工等各個領(lǐng)域，并成為電氣傳動的發(fā)展方向之

27、一。變頻器的選擇一般有四種方法，選擇的基本原則是滿足機械的負載要求。第一，根據(jù)風(fēng)機水泵類負載進行選擇；第二，根據(jù)恒轉(zhuǎn)矩負載進行選擇；第三，根據(jù)被控對象基本的靜、動態(tài)性能要求進行選擇；第四，根據(jù)被控對象具有較高的靜態(tài)性能指標和動態(tài)性能指標進行選擇。像造紙這類加工生產(chǎn)線，造紙機的傳動方式是恒轉(zhuǎn)矩負載型的，這就要求電機也必須是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的，這也意味著變頻器的工作狀態(tài)也要滿足其要求，即恒轉(zhuǎn)速調(diào)速控制是變頻器的工作狀態(tài)。而6SE70是一種恒轉(zhuǎn)矩變頻器，其優(yōu)點如下：（1） 這是一種工業(yè)型變頻器，能適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。（2） 標準化及模塊化。（3） 抗擾性較高，運行可靠。（4） 適應(yīng)電源電壓波動廣。

28、（5） 具有自診斷處理功能，維護方便。（6） 頻率精度高，控制精度高。綜合以上分析，可知6SE70這款變頻器能滿足造紙機的工作要求，所以本設(shè)計采用的是這一型號的變頻器。3.3 電機的選擇以及同步3.3.1 電機的選擇一般來說，選擇電動機的基本要求是能滿足生產(chǎn)機械的動態(tài)和靜態(tài)性能要求，在這個基本要求上應(yīng)該優(yōu)先選擇電動機結(jié)構(gòu)比較簡單的，維護比較方便的，運行比較可靠和比較經(jīng)濟的。電動機的選擇一般要考慮五個方面的內(nèi)容：第一，考慮電動機的機械特性；第二，考慮電動機的調(diào)速性能；第三，考慮電動機的啟動性能；第四，考慮電源種類；第五，考慮經(jīng)濟性。在造紙機的電氣傳動控制系統(tǒng)中，一般都是以直流電動機進行調(diào)速的，直

29、流電動機具有調(diào)速范圍較廣，過載能力強等特點，但其成本較高、維護困難，不適用于環(huán)境較惡劣的場合。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，交流電動機比直流電動機的應(yīng)用要廣泛的多，且在交流電動機不能滿足生產(chǎn)要求時才會選擇直流電動機。一般來說，交流電機要比直流電機方便的多，價格還便宜，維護工作量更小，隨其交流電動機的起制動和調(diào)速性能比不上直流電動機，但是可以選擇變頻器通過伺服驅(qū)動器控制交流電動機，這就能使交流電動機的起制動和調(diào)速性能等能滿足生產(chǎn)要求。造紙機工作時的傳動方式是恒轉(zhuǎn)矩負載型的，這就要求電機也必須是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，而交流電機的機械特性和調(diào)速性能不能滿足造紙機的生產(chǎn)要求，但是通過變頻器控制的交流電機，其機械特性和調(diào)速

30、性能都能滿足造紙機的生產(chǎn)要求。因為本設(shè)計采用的方式是通過變頻器對電機進行調(diào)速的，所以一般的交流電動機就能滿足需求，本設(shè)計選用的電動機是異步電動機。其所選電機型號及性能如表3.1所示。表3.1所選電動機的性能及應(yīng)用范圍型號名稱容量范圍/KW轉(zhuǎn)速范圍/（r/min）電壓/V結(jié)構(gòu)型及性能應(yīng)用范圍Y系列（IP23）低壓三相異步電動機553555802950380采用徑向和軸向通風(fēng)，B級絕緣。工作制：S1一般用途，可用于變頻調(diào)速3.3.2 電機的同步問題分析在高速造紙機中，影響系統(tǒng)的各種性能的因素是電機的同步，而且所用電機的臺數(shù)越多，其同步問題越復(fù)雜。電機是否同步不僅能影響系統(tǒng)的控制精度，還能影響其可靠

31、性。多電機同步傳動一般有四種控制方式：第一，主從級聯(lián)控制；第二，虛擬主軸控制；第三，交叉耦合控制；第四，主令參考控制。在第四種控制方式中，系統(tǒng)由同一個輸入信號作用于各單元，每個軸的速度和其他軸的速度都有協(xié)調(diào)關(guān)系，且該關(guān)系是由系統(tǒng)的同步關(guān)系決定的。這種控制方式的線路比較簡單，且比較容易實現(xiàn)，跟隨性能和同步性能都很好。而第二種和第三種控制方式不能滿足造紙機對電氣傳動系統(tǒng)的要求，第四種控制方式在工作時存在累計誤差，所以本設(shè)計采用的是主令參考控制，如圖3.2所示。圖3.2 主令參考控制結(jié)構(gòu)圖在造紙機的電氣傳動控制系統(tǒng)中，其傳動點較多，容易發(fā)生擾動，擾動會影響傳動的速度，進而引起振蕩。而本設(shè)計所選的控制

32、方式中，就算發(fā)生擾動時，其同步性能也很好，影響較小。3.4 電路設(shè)計3.4.1 主電路設(shè)計系統(tǒng)的主電路如圖3.3所示。圖3.3 主電路圖QF0是整個電路的總開關(guān)，QF1是控制異步電機M1的開關(guān)，QF2是M2的開關(guān)，QF3是控制變頻器的開關(guān)，KM1、KM2是變頻器控制變頻運行時的接觸器，KM3、KM4是工頻運行的接觸器。整個系統(tǒng)的主控制器還是PCC，當(dāng)QF0和QF3閉合后，KM0得電閉合，兩個變頻器開始工作；當(dāng)變頻器的頻率達到工作的要求時，KM3、KM4得電閉合，電機M1、M2開始工作。假如要改變變頻器的電機的轉(zhuǎn)速時，可閉合QF1和QF2，接著KM1、KM2得電閉合，就可通過改變變頻器的頻率來改

33、變電機的轉(zhuǎn)速。當(dāng)電路工作過程中發(fā)生電路過載、短路和失壓時，斷路器QF0、QF1、QF2、QF3能自動分斷電路，保護電路不被損壞。熱繼電器FR1、FR2具有過載保護的功能，當(dāng)電機過載時，可保護電機不被燒毀。接觸器KM0、KM1、KM2、KM3、KM4具有欠壓失壓保護的功能。3.4.3 控制電路1、系統(tǒng)控制電路系統(tǒng)控制電路如圖3.4所示。圖3.4 系統(tǒng)控制電路整個系統(tǒng)以PCC為核心控制器，系統(tǒng)的工作過程可通過控制柜SB來進行控制操作，通過接受變頻器的啟停信號，再根據(jù)控制要求，控制變頻器的啟停信號，進而控制整個分部的工作狀態(tài)。PCC通過接受變頻器工作頻率信號，根據(jù)系統(tǒng)工作所需頻率，控制變頻器改變工作

34、頻率，可控制電機的工作狀態(tài)，進而控制分部的運行狀態(tài)。如張力傳感器通過檢測紙張的張力后，可直接反饋給PCC，PCC通過改變變頻器頻率控制電機的轉(zhuǎn)速，進而改變紙張張力的大小。系統(tǒng)具有電氣相應(yīng)的保護及警示裝置。具有斷電、缺相、斷相和相序保護功能，在主電源發(fā)生缺相，設(shè)備發(fā)生斷相、反相時，保護器動作切斷設(shè)備主電源；有報警、運行、電源、故障指示燈，對設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)及異常情況報警。設(shè)有警告系統(tǒng)，設(shè)備運行時，警示燈閃爍，提醒人們注意安全。2、變頻器控制電路變頻器控制電路如圖3.5所示。圖3.5 變頻器控制電路變頻器主要是通過接受電機的轉(zhuǎn)速信號，將信號傳達給主控制器PCC，檢查該信號是否符合正常工作的范圍，然后P

35、CC再將下一步的工作信號送到變頻器，變頻器通過改變頻率控制電機的轉(zhuǎn)速，進而控制壓光部的工作過程。3.5 造紙機電氣傳動控制系統(tǒng)設(shè)計電氣傳動系統(tǒng)又稱為電力拖動系統(tǒng)，該傳動系統(tǒng)是以電動機作為原動機，進行工作的機械系統(tǒng)的統(tǒng)稱。本設(shè)計對造紙機進行電氣傳動控制系統(tǒng)設(shè)計的控制要點是壓光部的張力控制。3.5.1 張力控制設(shè)計紙張的張力的表現(xiàn)主要為紙張的彈性。在紙的抄造過程中，紙張牽引力的大小影響著紙張縱向張力和橫向張力的大小，紙張的張力隨著其牽引力的改變而改變，其改變的規(guī)律如圖3.6及3.7所示。圖3.6 紙張的牽引力與橫向張力的關(guān)系由圖3.6和3.7可知，當(dāng)紙張的橫向張力和縱向張力維持在T0和T1中間之間

36、時，造紙機對紙的抄造處于最優(yōu)良的工作狀態(tài)，當(dāng)然對紙張的張力可以通過改變牽引力來控制。若紙張的牽引力太大的話，會使紙張的縱向張力和橫向張力超出最優(yōu)良工作的最大值T1，引起斷紙，從而影響紙的生產(chǎn)；若紙張的牽引力太小的話，會使紙張的縱向張力和橫向張力達不到最優(yōu)良工作的最小值T0，造成的結(jié)果是紙張會飄動，引起褶皺，也會影響紙的生產(chǎn)。總的來說，在紙的生產(chǎn)過程中，通過改變牽引力來控制紙張的縱向張力和橫向張力，使之處于最優(yōu)良的范圍，不僅能大大的提高紙張的生產(chǎn)效率，還能提高紙的質(zhì)量。圖3.7 紙張的牽引力與縱向張力的關(guān)系紙張的張力是指拉伸紙張時，紙上兩點之間所受到的拉伸力或彈性力。假設(shè)紙張1和2兩點間,自然狀

37、態(tài)的紙張長度為L1，當(dāng)通過改變牽引力控制張力拉伸紙張以后，紙,1、2兩點間的長度為L2，L為紙張拉伸前后的差值，紙張拉伸前的長度如下式所示：L1+L=L2 (3-2)根據(jù)紙張的張力定義有： F12=K×LL1K×LL2 （3-3）其中，K是和材料有關(guān)的系數(shù)。當(dāng)1、2兩點同時處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)時，不考慮其他因素的作用，則需要通過牽引力維持張力穩(wěn)定，張力幾乎沒有變化，即保持紙張的拉伸力不變就行。假設(shè)1點的線速度為V1,2點的線速度為V2，經(jīng)過單位時間t后，紙張中經(jīng)過1點的長度為L1=V1t，再通過改變牽引力控制其拉伸后，紙張中經(jīng)過2點的長度為L2=V2t。若L1=L2，則表示紙張沒有

38、被拉伸，即紙張上的張力F12=0。若L2>L1，則表示紙張被拉伸了，其拉伸長度為L=L2-L1，它的相對拉伸率為L12/L1，兩點間的張力為：F12=K(V2-V1)V1=K(K1-1) （3-4）由上式可知，在紙的制做過程中，紙張上1、2兩點的張力與它們的速度大小無關(guān)，只與它們的速比有關(guān)，且它們的關(guān)系與張力是正比關(guān)系。當(dāng)1點的線速度和2點的線速度相等時，紙張的張力為0；當(dāng)2點的線速度大于1點的線速度時，紙張的張力大于0，這時候就應(yīng)該控制張力處于最優(yōu)的工作范圍內(nèi)，以免產(chǎn)生斷紙現(xiàn)象；當(dāng)1點的線速度大于2點的線速度時，紙張的張力小于0，會發(fā)生紙張堆積或者褶皺，這時間久需要調(diào)節(jié)張力大小，避免產(chǎn)

39、生這種現(xiàn)象，影響紙張的質(zhì)量。一般來說，張力控制可分為間接張力控制和直接張力控制。前一種控制方式不需要其它測量裝置進行張力的測量，如張力傳感器，且其控制系統(tǒng)中不用相關(guān)的調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，該控制方式較簡單，但是精度較低，不能反饋調(diào)節(jié)，不適用于造紙機這類對張力控制要求較高的系統(tǒng)。而直接張力這種控制方式，需要其它的測量裝置進行測量，其控制系統(tǒng)還需要相關(guān)調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，如張力調(diào)節(jié)器，該控制方式測量精度較高，能實現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)，適用于造紙機。本設(shè)計采用的是直接張力控制和速度控制相結(jié)合的控制方式，把張力傳感器安裝在壓光部的前導(dǎo)輥上，對紙張的張力進行測量，然后再送到PCC主控制器調(diào)節(jié)張力，從而控制其大小。當(dāng)紙張還沒

40、到壓光部的前導(dǎo)輥時，只有速度鏈控制在調(diào)節(jié)壓光部，其它設(shè)備不對其作用，如張力傳感器。當(dāng)紙張到壓光部的前導(dǎo)輥之后，可調(diào)節(jié)壓光部的速度，使紙張的張力達到設(shè)定值，再進行張力控制，直接張力控制的原理如圖3.8所示。圖3.8 直接張力控制原理框圖3.6 I/O分配表表3.2 I/O分配表變量名功能端口I00變頻器故障信號輸入I01變頻器最低頻率信號（送PCC）I02變頻器正常工作信號I03張力過大信號I04手動運行按鈕I05自動運行按鈕I06選擇M1開關(guān)I07選擇M2開關(guān)I08啟動按鈕I09停止按鈕I10手動時M1變頻啟動按鈕I11手動時M1停機按鈕I12手動時M2變頻啟動按鈕I13手動時M2停機按鈕I1

41、4手動時M1變頻向工頻切換按鈕I15手動時M2變頻向工頻切換按鈕I16故障復(fù)位按鈕Q00變頻接前觸器KM0Q01M1變頻接觸器KM1輸出Q02M1工頻接觸器KM3Q03M2變頻接觸器KM2Q04M2工頻接觸器KM4Q05故障報警燈HLQ06變頻器啟停AIW0紙張張力信號模擬AIW2來自變頻器的頻率各模塊的接線圖如附錄所示。3.7 元件清單表由前面的硬件設(shè)計可得出相應(yīng)的元件清單，如下表所示。表3.3 元件清單元件符號型號個數(shù)計算機可編程控制器PCCX201483-11變頻器6ES7016-1EA612三相異步電動機MY系列（IP23）2張力傳感器MC181張力調(diào)節(jié)器KTC800a1編碼器DKS3

42、8061底板X20BM115模塊前連接器X20TB125數(shù)字量輸入模塊DIX20DI93712數(shù)字量輸入模塊DIX20DI43711數(shù)字量輸出模塊DOX20DO93221模擬量輸入模塊AIX20AI46221接觸器KMCJ20-4005熱繼電器FRJR20-4002按鈕SBLAY3-1116開關(guān)DZ47 1P8故障報警器HLLTE-11011斷路器QFDW15-40043.8 本章總結(jié)本章根據(jù)系統(tǒng)總體的設(shè)計方案，分別詳細介紹了系統(tǒng)各部分硬件構(gòu)成，主要包括主控制器PCC及相關(guān)模塊的選擇、變頻器的選擇、電機的選擇以及同步、主電路設(shè)計、控制電路設(shè)計以及造紙機電氣傳動控制系統(tǒng)設(shè)計，在造紙機的電氣傳動控

43、制中，主要對壓光部的張力控制進行設(shè)計。其中，本章重點介紹了電機的選擇及同步和造紙機的電氣傳動控制系統(tǒng)設(shè)計，張力控制是電氣傳動控制的核心內(nèi)容，在紙的抄造過程中，在壓光部中控制紙的張力，可以避免出現(xiàn)斷紙和褶皺的現(xiàn)象，從而提高紙的產(chǎn)量以及質(zhì)量。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 編程軟件Automation Studio的介紹B&R的PCC編程軟件是Automation Studio。在這款軟件中，用戶可以在同一個用戶界面處理人機界面系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)。該軟件還具有豐富的函數(shù)庫，用戶可以根據(jù)自己的編程語言調(diào)用變準函數(shù)庫中所有的功能塊，也可以自己建立新的庫，編制自己的函數(shù)和程序。這款軟件還能很方

44、便的對系統(tǒng)各部分進行測試，比如項目監(jiān)測、PV變量監(jiān)測，實時軌跡追蹤和原代碼調(diào)試。4.2 流程圖4.2.1 主程序流程圖設(shè)計主程序流程圖時，要根據(jù)程序模塊化和程序結(jié)構(gòu)化進行還是設(shè)計，程序的掃描方式要快捷，程序簡單，容易執(zhí)行，還要對程序做相應(yīng)的保護措施，以免造成不必要的損害。其主流程如圖4.1所示。圖4.1 主流程圖4.2.2 張力控制結(jié)構(gòu)流程圖本設(shè)計采用的張力控制方式是直接張力控制和速度鏈控制相結(jié)合的控制方式，該控制方式的軟件在開始工作前需檢測張力的大小，判斷該張力的實際值是否處于最優(yōu)工作狀態(tài)的范圍內(nèi)，然后再手動啟動開始工作按鈕，即投運按鈕，就可啟動張力控制相關(guān)軟件，進行控制。若張力的實際值超出

45、最優(yōu)工作狀態(tài)的范圍，可通過PCC調(diào)節(jié)速度，直到張力處于最優(yōu)工作狀態(tài)的范圍為止。若張力的實際值小于最優(yōu)工作狀態(tài)的范圍，也可通過PCC調(diào)節(jié)速度，直到張力處于最優(yōu)工作狀態(tài)的范圍為止。通過這一系列的調(diào)節(jié)以及控制，可以使張力穩(wěn)定。當(dāng)在壓光部通過張力傳感器檢測到斷紙時，控制模塊直接退出，當(dāng)然也可手動退出。張力控制結(jié)構(gòu)流程如圖4.2所示圖4.2 張力控制結(jié)構(gòu)流程圖4.3 本章小結(jié)本章介紹了系統(tǒng)的編程軟件，以及設(shè)計了軟件編程的流程圖，通過主流程圖的張力控制結(jié)構(gòu)流程圖的介紹，分析了本設(shè)計的軟件編程。結(jié) 論本文通過對造紙機傳動方式的現(xiàn)狀分析，設(shè)計了一套基于PCC的造紙機電氣傳動控制系統(tǒng)，主要內(nèi)容是針對造紙流程中的

46、壓光部進行設(shè)計。通過本次設(shè)計，成功的解決了壓光部張力分布不平衡所導(dǎo)致生產(chǎn)過程中出現(xiàn)紙的厚度不一致、光澤度不夠、不夠平滑、不夠緊實等問題，提高了生產(chǎn)紙的品質(zhì)，更容易滿足人們對紙的需求。在本設(shè)計中遇到了幾個重點難題，第一個是電機的同步問題，最終經(jīng)過查閱相關(guān)的電機同步運行的控制方式和電氣控制的特點，決定了采用主令參考控制這種方式來控制電機的同步運行，最終解決了電機同步的問題。第二個就是主控制器對異步電機進行調(diào)速的問題，主控制器難以直接對異步電機進行控制，經(jīng)過臧老師的指導(dǎo)和查閱主控制器PCC的相關(guān)資料，最終確定了采用PCC通過變頻器控制電機調(diào)速?？偨Y(jié)本次設(shè)計，雖然解決了造紙機壓光部的張力控制的問題，但造紙機其它分部的傳動方式還有更多的問題需要解決，這些問題都有待進一步的研究和探討。致 謝轉(zhuǎn)眼間，大學(xué)生活就要結(jié)束了，回首往昔，有太多的懷念與感動。在即將離開這個曾經(jīng)帶給我歡樂和收獲的母校之際，我有很多話要對你們說。首先，感謝母校給了