毕业设计（论文）基于PROFIBUS的腈纶纺丝控制系统（前纺）

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1、安徽建筑工业学院 毕业论文 I 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕 业 设 计 (论 文) 课 题 基于 PROFIBUS 的腈纶纺丝控制系统（前纺）专 业 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 2009 年 6 月 9 日安徽建筑工业学院 毕业论文 I 摘摘 要要我国早期的腈纶纺丝生产线存在控制精度低、故障率高、参数调整困难等缺点。随着科学技术的进步，PLC 技术、通讯技术、变频器技术得到了极大的发展。这为实现现代化的腈纶纺丝线控制系统提供了良好的技术基础和理论基础。 本文阐述了腈纶纺丝线的工艺流程，设计了基于 PROFIBUS 的腈纶纺丝（前纺）控制系统。该控制系统以是以 PROFIBUS

2、 为主要通信网络，以西门子 PLC的 S7-300 做主要控制器，为腈纶纺丝的流水线生产而设计的控制系统。 该控制系统以 S7-300 PLC 为控制核心，用交流变频器控制同步电动机进行调速，通过 PROFIBUS-DP 网络实现 PLC 与变频器之间的数字通信，从而达到生产线速度协调控制的目的。本文最后给出了控制系统的软、硬件设计图纸。在充分了解腈纶纺丝生产的工艺和流程基础上 ,设计出了控制系统的电气结构、网络结构、 PLC 控制系统等。 关键词关键词：腈纶纺丝； PLC；PROFIBUS-DP；变频器；Step-7安徽建筑工业学院 毕业论文 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 安徽建筑工业学院 毕业论文 IV 目录第一章 绪论.11.1 选题背景及研究意义 .11.2 腈纶纺丝工艺介绍 .11.2.1 腈纶纺丝的工序介绍.11.2.2 系统的工艺流程介绍.21.3 主要研究内容 .2第二章 控制系统整体设计.32.1 生产线控制系统的特点 .32.2 系统设计的方案 .42.3 系统的整体结构设计 .42.4 系统电气结构整体设计 .52.5 系统网络结构整体设计.6第三章 系统电气结构设计.73.1 系统电路的整体介绍 .73.2 变频技

8、术 .73.2.1 变频器的原理.73.2.2 TD 系列变频器.83.2.3 变频器调速.93.3 整流电路.93.4 保护电路.103.5 前纺电机拖动电路.11第四章 PLC 控制系统设计 .134.1 PLC 控制的介绍.134.1.1 PLC 的简介.134.1.2 可编程序控制器的基本结构.134.2 PLC 的比较选型.134.3 S7-300 的介绍.144.3.1 S7-300 基本结构.144.3.2 S7-300 的功能.154.4 PLC 控制系统的设计.154.5 PLC 通信的实现.164.5.1 PLC 主站.164.5.2 变频器智能从站.164.6 PLC 的

9、 I/O 模块.17安徽建筑工业学院 毕业论文 V 第五章 基于 PROFIBUS 总线通信的设计.195.1 PROFIBUS 现场总线技术.195.1.1PROFIBUS 现场总线技术概述.195.1.2 PROFIBUS 的基本特点.195.1.3 PROFIBUS 的类型.195.2 PROFIBUSDP 现场总线技术.205.2.1 PROFIBUSDP 协议结构.205.2.2 PROFIBUSDP 特性.205.2.3 PROFIBUS-DP 系统配置和设备类型.205.2.4 PROFIBUS-DP 基本功能.215.3 工业 PC 和 PLC 的通信.215.3.1 MPI

10、通信介绍.215.3.2 PC/MPI 适配器介绍.215.3.3 工业 PC 和 PLC 的通信设置.225.4 PLC 与变频器的联接.225.4.1 总线适配器的接线.225.4.2 PLC 和变频器通信的实现.23第六章 控制系统的 STEP7 的组态设计 .256.1 STEP7 编程软件简介.256.2 STEP7 的组态设计.256.2.1 创建组态项目.256.2.2 硬件组态与通讯组态.256.3 软件编程.276.3.1 PLC 的循环执行过程.276.3.2 控制系统程序.27结 论.29谢 辞.30参考文献.31附录 1：软件设计图.32附录 2 电路图.37英文原文.

11、39英文翻译.43安徽建筑工业学院 毕业论文 1 第一章第一章 绪论绪论1.11.1 选题背景及研究意义选题背景及研究意义 世界腈纶工业年代初实现工业化，腈纶的优良性能，使其在服装、装饰、产业三大领域都有应用。 我国每年腈纶纤维使用量约为 90 万吨左右，而我国每年的生产总量仅为 47 万吨左右，还需大量进口。我国腈纶纤维目前仍存在着较大缺口，因此我国的腈纶企业有一个很大的发展空间。在发达国家 腈纶生产装置工艺控制方面，电气传动已由直流调速系统发展到全交流、全变频的调速系统，过程仪表及集散控制系统也由机械式、传统的模拟量仪表等，向高度数字化、智能化发展，形成了以高性能计算机网络作为核心，电气传

12、动、过程仪表及计算机网络控制系统的三位一体化，工艺控制及生产决策达到智能化。 而某厂腈纶丝生产线鉴于当时技术水平的限制，采用的是模拟量控制的变频调速方式，控制精度低，参数调整困难，运行平稳性差，故障率高。而且，随着使用年限的增加，由于器件老化，参数发生漂移，系统的故障率增加，维修难度增大。这些问题严重制约了纺丝线的正常生产。因此，对生产线的改造势在必行。而腈纶纺丝厂有规划进行改组、扩大产能、产量，提高现有装置的规模，合理地选择腈纶生产工艺路线，将会为企业生产空间开拓新的天地。1.21.2 腈纶纺丝工艺介绍腈纶纺丝工艺介绍1.2.11.2.1 腈纶纺丝的工序介绍腈纶纺丝的工序介绍 本厂采用湿法纺

13、丝，湿法纺丝是化学纤维主要纺丝方法之一，简称湿纺。湿纺包括的工序是：(1)制备纺丝原液；(2)将原液从喷丝 压出形成细流；(3)原液细流凝固成初生纤维；(4)初生纤维卷装或直接进行后处理。如下图 1 图 1 湿法纺丝安徽建筑工业学院 毕业论文 2 1.2.21.2.2 系统的工艺流程介绍系统的工艺流程介绍腈纶纺丝生产线工艺很复杂，为了满足生产工艺要求，生产线共有 20 个丝束处理单元，按驱动功能划分为 20 个工位，称为 F1-F20 如图 1。其中，F1 为纺丝机；F2 为转向拉出辊;F3 为牵引辊;F4 为溶剂引入口辊;F5 为溶剂引出口辊;F6-10 为水洗机拖动辊;F11 为预热箱入口

14、辊;F12 为热牵伸入口辊;F13 为热牵伸辊;F14 为骤冷拉出辊;F15 调湿调温 机;F16 为定型机入口辊;F17 为定型机出口辊;F18 为再牵伸入口辊;F19 为再牵伸辊;F20 为卷曲机。F1 到 F12 为前纺，负责纺丝的成型和热牵伸，F13 到 F20 为后纺，负责定型和卷取。工艺流程如图 2F1丝 丝 丝F4丝 丝F5丝 丝丝 丝 丝 丝F6丝 F10丝 丝 丝 丝F12丝 丝F13丝 丝F14丝 丝F15丝 丝 丝 丝 丝F16丝 丝F17丝 丝丝 丝 丝 丝 丝F18丝 丝 丝丝 丝 丝 丝 丝F20丝 丝 丝丝 丝 丝PI V丝 丝 丝 丝 丝丝 丝 丝丝 丝 丝 丝

15、F2丝 丝 丝丝 F19丝工艺流程 图 21.31.3 主要研究内容主要研究内容 本设计是针对晴纶腈纶厂腈纶生产线（前纺）的原控制系统存在通信协议是非公开协议、设备老化、故障率高、没有上位机等一系列问题而设计的控制系统基 PROFIBUSDP 腈纶纺丝线控制系统（前纺）。 控制系统为两层网络结构,监控级采用 MPI 作为通信网络，由工控机、PLC 作为网络节点。工控机中安装 STEP7 编程软件，既可以对系统运行状态进行监控又可以对生产线的PLC 进行编程。现场 级采用 PROFIBUSDP 作为通信网络，由 PLC 作为主站，分布式 I/O 和变频器作为从站。PLC 完成对现场设备的控制、信

16、号的采集与传输。本设计介绍了腈纶纺丝的工艺流程，分析生产线的特点后，设计系统的网络结构以及电气结构，设计了 PLC 控制系统。 具体设计研究内容如下： 1）了解腈纶纺丝的生产流程以及生产工艺； 2）设计系统的整体结构；3）设计系统的电气结构； 4）设计系统的网络结构；安徽建筑工业学院 毕业论文 3 第二章第二章 控制系统整体设计控制系统整体设计 2.12.1 生产线控制系统的特点生产线控制系统的特点 腈纶纺丝生产工艺很复杂，这就对生产线控制系统的可靠性、实时性、速度协调性与稳定性要求非常高。各驱动工位在生产时通过丝束联系，在加减速时要求各工位同步。生产工艺要求生产线的许多环节对丝束进行一定比率

17、的牵伸，并保持一定的张力，因此，系统的各个功能单元必须严格地按预定的比率协调运转。具体控制要求有： (1) 丝束张力调节 系统在运行的时候，由于负载转矩和加减速率的变化等原因会造成的各功能单元线速差异，使丝束过分“拉紧”或“松 驰”，导致牵伸率不足或造成缠辊，影响质量。 (2) 牵伸率控制 根椐 生产工艺要求，在二次牵伸部分，即 F18 与 F19 之间要实现对丝束一定倍率 的牵伸(如 =1.40)。（3）变频器能量回馈处理 系统运行时候，腈纶纺丝生产线上很多电机在同时运行，有的处在电动状态，有的处在发电状态，怎样才能使得发电状态的电机产生的能量得到合理利用呢？如：在当 F19 与 F18 之

18、间以一定的牵伸比(1)运行时，F18 电机处于发电状态。如何处理 F18 电机所产生的能量？我们选择把能量通过直流母线反馈回电网。我们可以把 F18 变频器的直流端子通过一个开关 K 接在直流母线上，刚起动时，开关 K 处于 OFF 状态，F18 电机产生的电能消耗在制动电阻上，正常运转后，开关 K 闭合，F18 电机产生的电能通过直流母线给其他电动状态的电机消耗掉。实践证明，这种处理方式非常成功，既达到了一定的牵伸率，又节约了电能。 (4) PROFIBUS 总线速度控制 对于多电机同步拖动系统，为了达到工艺要求的控制精度，无论是在过渡状态还是在稳定状态，整个系统各单元的电机均应协调运行。同

19、时，该系统还要求全线在不同的整组速度下运行，且各单元电机又能单独调速，完成不同的牵伸比。安徽建筑工业学院 毕业论文 4 2.22.2 系统设计的方案系统设计的方案1.系统的研究设计总体分为：电气结构设计和系统网络结构设计。电气方面包括整流电路，变频调速电路，保护电路。网络结构包括主站 PLC，从站变频器，以及通信网络 PROFIBUS。2. 生产线供电方式：系统电源采用三相 380V 交流供电，经两个整流电路后整流为 500V 直流电，分别通过直流母线送往前纺和后纺的多台变频器，变频器通过变频将 500DV 转变为三相交流电供给电机使用。3、计算机和 PLC 采用 MPI 进行通讯连接、PLC

20、 和变频器、远程 I/O 通过PROFIBUSDP 的通讯进行数据交换。系统中使用了大量的变频器、计量泵，继电气，控制更合理，更安全更节能。5、主要控制方式为：上位机通过通讯控制 S7300 PLC，并且相互交换信息，S7300 PLC 通过程序控制变频器的输出，以及其他继电器和仪器设备。变频器通过输出的频率控制电机的协调运转，各类继电器相互协调通断控制系统的安全稳定运行。4.系统具有延展性，系统的总体结构应合理，容量适度，扩展灵活，使系统源配置可灵活增加，系统规模便于扩大，预留适当的扩展空间。网络系统具有高可靠性，出现故障要具有可靠的恢复手段，系统要具有一定的容错能力。2.32.3 系统的整

21、体结构设计系统的整体结构设计如下图 3：系统的“人”字型结构框图所示：系统设计分为系统的电气结构设计和系统的网络结构设计，两条主线，非常明确。系统的电气结构作用主要是为系统的各类设备提供电能，而系统的网络结构作用是控制系统协调稳定的运行。系统的电气结构由整流电路、保护电路、变频电路组成，系统网络结构设计由 PROFIBUS 总线设计、PLC 控制设计、以及 STEP7 软件的组态、编程等设计组成。电气结构和网络结构就像人的左右手一样，相互配合，相互制约，共同来为系统的平稳运行服务，电气结构为系统运行提供能量，网络结构为系统的运行提供控制的“智慧” 。同时，电气结构中的系统的上电，断电，系统的各

22、类继电器的通断都由网络结构来控制，而网络结构中各类设备所用的电能则由电气结构负责供给。整个系统框图如一个“人” ， “控制”是系统的心脏，两个结构是心痛得的臂膀。安徽建筑工业学院 毕业论文 5 人为为为为为为为 为为为为为为为为为为为为为为为为为为为为丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝人人人人人人人人人PLC为为人STEP7为为人PROFIBUS为为为为人为为为为为为为为控制供电图 3 系统的“人”字型结构框图需要指出的是，本设计重点在于控制方面，因此关于网络方面的设计会比较详尽一些，而电气方面的设计则比较粗落。第三章主要介绍电气结构的设计结构，第四章、第五章、第六章主要介绍网络结

23、构的设计。2.42.4 系统电气结构整体设计系统电气结构整体设计为为为为(3P)丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝AC380丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝SM丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝 丝SMF2为 6为为为为为为为为为为为为为为为为为F16-F20为为为为为为为SM为为为1F4-F12为为500DVSM500DVSMSM为为为为为为为为为2为为为为为为为为为为为为为为为为为 为为为为为为为为SMSMSMSMSMSM为为为SMSMF1 30为为为 图 4 生产线供电系统图安徽建筑工业学院 毕业论文 6 一条腈纶生产线根

24、据工艺的不同分为前纺和后纺，电气结构的设计的好坏直接影响生产线的运行，因此我们生产线供电网络采取分支型供电方式，前纺和后纺分开由直流母线供电。如下图 4 所示生产线供电系统图生产线系统的电源进线为 380V 的三相交流电，电源指示灯用来直接观察系统电源的情况，交流母线分别为控制柜冷却风机供电、传感器供电。交流母线上的交流电经两整流器 1 和整流器 2 后转变为 500V 的直流电分别送往直流母线供 前纺和后纺的变频器使用。其中保护电路是用来保护系统的，当电机发生回馈制动时候，就相当于发电机发电，直流母线上就会出现泵升电压，当电压超过一定的阀值时，保护电路动作，电机制动，保护电路还有过流保护功能

25、。变频器将直流电变为交流电控制电机的运转。 本设计主要研究前纺控制系统的设计。2.52.5 系统网络结构整体设计系统网络结构整体设计 系统网络结构是用来控制系统运行的，它的结构框图如下图 5。整个核心网络结构 控制系统以 S7-300 PLC 为控制核心，上位工控 PC 和 PLC 用 MPI 总线进行通信，中间用 PC 适配器进行信号（RS485/RS232）的转换。通过PROFIBUS-DP 网络实现 PLC 与变频器之间的数字通信，用交流变频器控制同步电动机进行调速， 达到生产线速度协调控制的目的，从而使的系统安全稳定的运行。 为为为PC为为为S S7 7- -3 30 00 0 P P

26、L LC C为 为 为 为 为为 为 为 为 为为 为 为 为 为为为为为为为为为为P PR RO OF FI IB BU US S- -D DP PMPI为为人人人人人人人图 5 系统网络结构图安徽建筑工业学院 毕业论文 7 第三章第三章 系统电气结构设计系统电气结构设计3.13.1 系统电路的整体介绍系统电路的整体介绍在第一章中我们已经讲述了腈纶纺丝的生产工艺，它的生产工艺很复杂，共有 20 个丝束处理单元。 按照工艺可讲 20 个处理单元分为前纺和后纺，前纺 主要负责腈纶纺丝 成型、溶剂拉伸、热牵伸，后方主要负责 蒸汽定型、再牵伸、卷取。由于前纺和后纺的工艺大不相同，我们采取前纺、后纺分

27、别供电的方式。以前纺为例，下边我们来详细分析前纺电路方面的设计。3.23.2 变频技术变频技术 变频器是集电力电子技术、微电子技术和控制技术于一体的高科技产品。它通过将标准的交流电转换成电压和频率都可变化的交流电，来实现对交流感应电机的变速驱动。变频器的成功运用，是交流传动领域里的一次革命性成果。 3.2.13.2.1 变频器的原理变频器的原理 变频器按照能量变换的环节可以分为交-交变频器和交-直-交变频器。交-交变频器是把频率固定的交流电直接变换成频率连续可调的交流电，主要优点是没有中间环节，故变换效率高，但其连续可调的频率范围窄，故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。交-直-交变频器是把频

28、率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。如图 6 所示。为为为为为为为为为为为为为为VVVF为为为A/D 安徽建筑工业学院 毕业论文 8 图 6 交-直-交变频器原理框图 交-直-交变频器按照直流环节的储能方式又可以分为电流型交-直-交变频器和电压型 交-直-交变频器，两者的区别在于前者输出电流的波形是脉宽调制波（PWM） ，后者输出电压的波形是脉宽调制波（PWM） 。如图 7 所示。目前，在中小容量的变频器中，绝大多数采用交-直-交电压型变频器。 图 7 电压型 交-直-交变频器 3.2.23.2.2 TDTD 系列变频器系列变频器 TD 系列变频器就是交-直-

29、交电压型变频器。 其基本原理框图如图 8 所示。图 8 TD3000 基本原理框图TD 系列变频器由以下几个部分组成： 一、输入滤波部分 ：吸收电压浪涌、电压脉冲、电网噪声。 安徽建筑工业学院 毕业论文 9 二、交流-直流变换部分 1 、整流桥 ：整流部分由六只整流管组成三相整流桥，将电源的三相交流全波整流成直流。整流后平均直流电压 UD 的大小为： UD=1.35 UL 当 UL=380V时，整流后的直流电压 UD=510V。2、滤波电容器：滤去整流后的电压纹波；当负载变化时，使直流电压保持平稳。 3、缓冲电阻 R1 与接触器触点开关 J1：在变频器合上电源的瞬间，滤波电容器 C5 、C6

30、上的充电电流是很大的。过大的冲击电流将可能使三相整流桥损坏。为了保护整流桥，在变频器刚接通电源的一段时间里，电路内 串入缓冲电阻R1，以限制电容器 C5 、C6 上的充电电流。当滤波电容器 C5 、C6 充电电压达到一定程度时，令 J1 接通，将 R1 短路掉。 三、直流-交流变换部分 逆变部分由六只 IGBT 管和六只续流二极管组成。通过控制 IGBT 管的开关顺序和开关时间，变频器可以将直流电变成频率可变、电压可变的交流电，电压波形为脉宽调制波。 本设计所用用的变频器就是艾默森的 TD3000 溪流变频器.3.2.33.2.3 变频器调速变频器调速由电机学理论可知三相感应电机的转速为： n

31、=60f1(1-s)/p 通过上式可知，改变交流电机转速的方法有三种。即变频调速、变极调速和变转差率调速。电机转子转速 n 与定子电源频率成正比，因此连续的改变供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电动机的转速，这种方法称为变频调速。由于变转差率调速调速范围窄、效率低，对电网污染较大，不能满足交流调速应用的广泛需求。变频调速时，从高速到低速 都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有调速范围范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点。随着电力半导体的发展，交流变频技术渐渐取代直流调速成为传动领域的主流。随着一些新技术新理论在变频调速中的应用，它将向更高性能、更大容量以及智能化等方向发展。安徽建筑工业学

32、院 毕业论文 10 3.33.3 整流电路整流电路生产线的整流器用的是 TD3000 系列的变频器的整流部分,它将 380 的交流电转变为 500V 的直流电后,直接由直流母线的正负输出端子引出, 图 9 为 TD3000 系列的端子功能表.图 9 TD3000 系列的端子功能表.电源三相 U1,V1,W1 分别接 TD3000 的 R,S,T 端子.直流母线由(+)(-)端子引出,PE接地，控制端子负责控制整流器的工作。3.43.4 保护电路保护电路在系统运行时，为了将腈纶丝束按一定比例牵伸，各个传动点的线速度不尽相同，因此会造成 F4、F12、F18三台电机分别被 F5、F13、F19拖到

33、发电状态。处于发电状态的电机就会通过变频器整流桥向直流侧反馈能量，抬高变频器直流侧的电压，可能因电压过高而使变频器产生保护动作，影响生产。28BU 0128HL01( 27A3)( 29C 4)( 76C 5)28BU 0228BU 0328KH 0128KH 0228KH 0327B528BR 0128BR 0228BR 0327B527B5 丝丝丝CO N20127KA 05X9. 4X9. 528KH 0128KH 0228KH 03丝丝27KA 04图 10 保护电路为了解决这个问题，系统 采用共直流母线拖动技术。前纺 和后纺分别安徽建筑工业学院 毕业论文 11 采用一个整流器的直流母

34、线，直流 母线上接有制动单元。 当一些电 动机处于发电状态时，可以将能量反送到 公共直流母线上，被其他的处于电动状态的电机消耗掉，这样不仅解决了 上述的问题，还节省了能量，一举两得。 在系统停车时，电机处于制动发电状态，为了防止直流母线上的电压过高，在直流母线上并联了制动单元 和制动电阻 。如果直流母线上的电压过高，则制动单元工作，通过制动单元，可将停车时所产生的电能消耗在制动电阻上。如图 10保护电路图 ，具体保护过程为：当直流母线上的电压很大，超过热继电器 （常开） 的阀值时，三个 热继电器 线圈带电 ，常闭触点打开。当变频器的控制电源只要 断电，则27KA04（常开）线圈失电 ，常开断开

35、。因此它们通过 串联的逻辑组合， 通过中间继电器（ 27KA05）来控制变频器的三相交流输入 电源断路器 的断开，同时变频器停止工作 。而且，当热继电器动作时，制动单元和制动电阻也开始接通，制动电阻把直流母线上的能量变成热能消耗掉。3.53.5 前纺电机拖动电路前纺电机拖动电路腈纶纺丝工艺的特殊要求，为保证腈纶纤维质量，就要求系统各个工位转速具备较 高精度的牵伸比，因此 要求在整组加速、减速已及平稳运行时各个工位的辊子的线速度保持恒定的比值，也就是要求各个变频器的运行频率保持恒定的比值。其中 前纺F1F12为同步电机， 后纺F13F20为异步电机。前纺电机拖动结构图如下，图 11图11 前纺电

36、机拖动结构图安徽建筑工业学院 毕业论文 12 F1变频器直流侧并联 100000F电容，因为 F1电机带动 计量泵将腈纶原液喷出，经过凝 固浴生成初生纤维，初生纤维的强度比较 低，F1辊子的转速稍有波动，都有可能造成断丝，影响后面所有工序的生产。为了保证F1电机以很平稳的转速运行，要求 F1变频器输出频率很稳定， 所以在F1变频器整流桥的直流侧并联了 100000F电容作为大的储能元件。这样可以减小输入侧电网波动对 F1变频器的影响 。F2带6台电机，除了 F3和F11，每个变频器分别 控制一台 电机。选择通用变频器时，应以电动机的额定电流和负载特性为依据选择通用变频器的额定容量。由于通用变频

37、器输出含有谐波成分，其电流有所增加，应适当考虑加大容量，其次应考虑最小和最大运行速度极限，以防止低于频率下限运行。 我们由电机的功率，在查阅艾默森TD3000 系列变频器 手册中的系列型号如下 表，我们选择变频器的型号为F1 我们选择型号为 ：F1、F5、F11 型号 TD3000-4T0370G，F2 型号 TD3000-4T0037G， F7 型号TD3000-4T0300G ，F4、F9、F8、F6 型号 TD3000-4T0110G，F10 型号为TD3000-4T0185G 变频器。TD3000 系列变频器系列型号表安徽建筑工业学院 毕业论文 13 第四章第四章 PLC 控制系统设计

38、控制系统设计4.14.1 PLCPLC 控制的介绍控制的介绍4.1.14.1.1 PLCPLC 的简介的简介可编程序控制器简称为 PLC。现代的可编程序控制器是以微处理器为基础的新型工业控制装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的崭新产品。1985年 1 月，国际电工委员会(IEC)对 PLC 作了如下定义:“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。4.1.24.1.2 可编程序控制器的基本结构可编程序控制器的基本结构 PLC 实际上是一种工业控制计算机。从结构上分，PLC 分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式 PLC 包括 CPU 板、I/O 板、显示面板

39、、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式 PLC 包括 CPU 模块、I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。可编程序控制器的基本结构框图如下，图 12。 图 12 plc 基本结构4.24.2 PLCPLC 的比较选型的比较选型因为腈纶纺丝生产工艺复杂，生产线 前纺 有多台电机同时运行，这就对生产线控制系统的可靠性、实时性、速度协调性与稳定性要求非常高。西门子 PLC SIMATIC S7-200/300/400 系列的强大功能使其无论在独立运行安徽建筑工业学院 毕业论文 14 中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。而且 S7 系列具有极

40、高的性能/价格比。S7 系列 PLC 适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。结构紧凑，有强大的控制功能，联网通信功能，友好的人机界面，诊断功能，口令保护功能。因此我们选择用西门子的 PLC 做从站控制。因为控制系统的复杂性，小型的 S7-200 的 I/O 点数已经其他参数无法满足控制要求，而 S7-400 虽然能满足控制要求，但是有些大材小用，很不经济，因此我们选择由西门子 S7-300 做控制从站，控制整个生产线的协调运行。4.34.3 S7-300S7-300 的介绍的介绍S7 系列 PLC 是 SIEMENS 公司的新型 PLC，其中的 S7-200 是小型 PLC，S

41、7-300 型是中 PLC，S7-400 是大型 PLC。S7-300 是紧凑型、模块化的中 PLC，适于在要求快速过程处理或对数据处理能力有特别要求的控制系统中使用。它有极强的计算能力，完善的指令系统，全面的故障诊断功能，无槽位 限制的模块化结构，有 MPI 接口和通过 SINEC 局域网联网的能力。4.3.14.3.1 S7-300S7-300 基本结构基本结构S7-300 属于模块式 PLC，各种模块安装在机架上，通过 CPU 模块或通信模块上的通信接口，PLC 被连接到通信网络上，可以与计算机、其他 PLC 或其他设备通信。下边是 S7-300 模块的作用。（1）CPU 模块主要由微处

42、理器和存储器组成，集成了过程控制功能，用于执行用户程序，每个 CPU 都有一个编程用的 RS-485 接口。（2）输入和输出模块通称为信号模块，它是联系外部现场设备和 CPU 模块的桥梁。（3）功能模块（FM）：为了增强 PLC 的功能，扩大其应用领域而开发的模块。主要用于对实时性和存储容量要求高的控制任务。（4）通信处理器：用于 PLC 之间、PLC 与远程 I/O 之间、PLC 与计算机和其它智能设备之间的通信。（5）接口模块：CPU 模块所在的机架称为中央计架，可以增设一个或多个扩展机架，接口模块用来实现中央机架和扩展机架之间的通信。安徽建筑工业学院 毕业论文 15 4.3.24.3.2

43、 S7-300S7-300 的功能的功能1.高速的指令处理:0.6-0.1us 的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。2. 浮点数运算:用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算3. 方便用户的参数赋值4.人机界面(HMI):方便的人机界面服务已经集成在 S7-300 操作系统内。因此人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC 人机界面(HMI)从 S7-300 中取得数据，S7-300 按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300 操作系统自动地处理数据的传送。5.诊断功能:CPU 的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件(例如:超时，模

44、块更换，等等)。6.口令保护:多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改。7.操作方式选择开关:操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式。这样就防止非法删除或改写用户程序。8.通讯:方便用户的 STEP7 的用户界面提供了通讯组态功能，这使得组态非常容易、简单。SIMATIC57-300 具有多种不同的通讯接口。4.44.4 PLCPLC 控制系统的设计控制系统的设计腈纶纺丝是一个连续、复杂的过程，现场通信网络处于工业网络系统的底层，直接连接现场的各台设备，包括I/O 设备、变频与驱动装置，网络上传递的主要是控制信号，因此，对网络的实

45、时性和确定性有很高的要求。为实现各个工位电动机高速、同步、大范围控制、稳定运行等生产工艺要求，采用通信速度快、实时性好、组态配置灵活的 PROFIBUS-DP 作为现场的通信总线。在本控制系统中，对每个工位（F1-F12）采用一台变频器来进行频率的调节控制。PLC 发出控制信号，由 PROFIBUS-DP 作为信号的传输通道，将控制信号传送给变频器，完成对电动机的自动控制。变频器对电动机具有完善的保护功能，它通过接受 PLC 的信号控制电机转速大小，并且向 PLC 反馈自身的工作状态信号。当发生故障时，能够向 PLC 及上位机发出警报信号。安徽建筑工业学院 毕业论文 16 4.54.5 PLC

46、PLC 通信的实现通信的实现4.5.14.5.1 PLCPLC 主站主站现场通信网络的主站是PLC，每台PLC通过PROFIBUS-DP网络与I/O站以及10台变频器通信，传输的主要信息是输入量、输出量和变频器的控制参数等。PLC与上位工控PC用MPI通信，工控PC机装有系统控制和编程的应用软件STEP7，运行前工控PC将程序传到PLC的存储器里面，运行时PLC的CPU执行提前存储的程序，并且不断扫描I/O点的信息，进而控制各个电机的协调运行。在运行过程中，管理人员可以通过友好的人机界面来观察生产线的运行情况，并可以通过修改程序以及参数，改变系统运行的状态。如图13 PLC控制结构图图13 P

47、LC控制结构图4.5.24.5.2 变频器智能从站变频器智能从站这里我们选用的是艾默生 TD3000 系列变频器，它是一种高品质、多功能、低噪音的矢量控制通用变频器。通过对电机磁通电流和转矩电流的解耦控制，实现了转矩的快速响应和准确控制，能以很高的控制精度进行宽范围的调速运行。适用功率范围是 2.2KW-75KW。变频器智能从站要与 PLC 控制站通信，需要 通过总线适配器 TDS-PA01 接入 PROFIBUS-DP 总线，这样变频器的运行参数和PLC 的控制参数可以通过总线相互传递。前纺共有10 台变频器， F1 变频器控制 30 台电安徽建筑工业学院 毕业论文 17 机，F2 变频器控

48、制 6 台电机，其 余每台变频器控制一台电机。 下图 14为 PLC 和变频器的连接图图14 PLC和变频器的连接图 4.64.6 PLCPLC 的的 I/OI/O 模块模块为实现整个腈纶纺丝的工艺流程，对于前纺每个工位，分别设置四个数字输入点，分别是起动、停止、升速、降速。通过手动操作，将这些数字信号传给 PLC，通过 PLC 内部的软件程序，把输出控制信号再通过通讯方式传回到变频器，从而控制电机的运行状态。同样，为了升速降速的需要，还需要输出模拟量信号电机转速，从而更好地控制升速降速的过程。图 15 PLC 模块连接图 15，前纺共用到六个模块，其中有电源模块 PS、CPU 模块、还有两个

49、 DI模块 SM01、SM02，用于控制信号输入。AO 模块 SM03、SM04，用于电机速度输出，在速度计显示，用于更好的调速和监测电机的转速。图 16 F1 数字输入安徽建筑工业学院 毕业论文 18 图 16 是 F1 数字量输入电气连接图。数字量输入模块用于连接外部的机械触点。这里主要是连接四个数字输入：起动、停止、升速、降速。另外，对于全部前纺生产线还需加一个急停按钮，以防止特殊情况。整个前纺 采用的 DI模块 SM01、SM02 是输入点数为 32 的模块。图 17 电机速度输出图 17 是部分工位电机速度输出。整个前纺生产线用了两个模拟量输出模块SM03、SM04 以把电机当前的速

50、度显示到速度板上。模拟量输出模块用于将 CPU 送给它的数字信号转换为成比例的电流信号（4-20mA） ，对执行机构进行调节和控制，其主要组成部分是 D/A 转换器。SM03和 SM04 分别有 A01-0A01-7 八个输出端，分别输出一个 F1-F12 的电机转速。安徽建筑工业学院 毕业论文 19 第五章第五章 基于基于 PROFIBUS 总线通信的设计总线通信的设计本章主要介绍上位机和 PLC、PLC 和变频器之间通信的具体实现，在研究现场总线的基础上，实现了上位机与 S7-300 之间的 MPI 通信，以及 S7-300 PLC与变频器之间的 PROFIBUSDP 通信。5.15.1

51、PROFIBUSPROFIBUS 现场总线技术现场总线技术5.1.1PROFIBUS5.1.1PROFIBUS 现场总线技术概述现场总线技术概述PROFIBUS 诞生于 1987 年， 1989 年被立项为德国国家标准 DIN19245。其后的几年 PROFIBUS -FMS ,PROFIBUS-DP , PROFIBUS-PA 先后被批准实施。1996 年 3 月被欧洲电工标准化委员会批准为欧洲标准。近几年来，PROFIBUS 在全世界得到了广泛的应用。 PROFIBUS 是涵盖现场级和单元级的控制网络. 在这里单元级是指工厂、生产线等级别的监控网络. PROFIBUS 以 FMS , P

52、A 类型兼容单元级网络，以 DP 和 PA 类型适应现场层。而管理层是以工业以太网为基础. 这种自下而上的网络结构使工厂企业的全系统信息集成成为可能。信息可以从工业现场逐级上传、汇总， 为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案， 不仅能大大提高企业的自动化水平，而且可以大幅度提高企业的管理水平。5.1.25.1.2 PROFIBUSPROFIBUS 的基本特点的基本特点PROFIBUS 定义了串行现场总线系统的技术特征。 串行现场总线可以从 现场级到单元级 使分散的可编程的控制器形成网络。PROFIBUS 系统中的设备类型可分为主站和从站.PROFIBUS 是一个多主站系统，它

53、允许若干个带各自 分散外设的自动化系统、工程系统或可视化系统在一条总线上联合运行。5.1.35.1.3 PROFIBUSPROFIBUS 的类型的类型(1) PROFIBUS-DP：是一种高速低成本通信，用于 现场级控制系统与分散式 I/O 的通信。使用 PROFIBUS-DP 可取代办 24VDC 或 4-20mA 信号传输。(2) PROFIBUS-PA：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在安徽建筑工业学院 毕业论文 20 一根总线上，并有本征安全规范。(3) PROFIBUS-FMS：用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。本设计控制系统使用了 PROFIBUS-DP

54、现场总线，下面详细论述。5.25.2 PROFIBUSPROFIBUSDPDP 现场总线技术现场总线技术5.2.15.2.1 PROFIBUSPROFIBUSDPDP 协议结构协议结构PROFIBUSDP 协议结构以开放式系统互联网络（Open System Interconnection-OSI）作为参考模型的。PROFIBUSDP 定义了第一、二层和用户接口。这种精简的结构确保了高速数据传输。PROFIBUSDP 特别适合于 PLC 与现场分布式 I/O（例如西门子 ET200）设备之间的通信。S7-200/300 系列 PLC 均配备有集成的 PROFIBUSDP 接口，同时 S7-30

55、0/400 也可以通过通信处理器连接到 PROFIBUSDP 现场总线上。 5.2.25.2.2 PROFIBUSPROFIBUSDPDP 特性特性PROFIBUSDP 用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUSDP 还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态诊断和报警处理。PROFIBUSDP 的 RS485 传输 PROFIBUSDP 符合 RS-485 标准，传输介质采用价格便宜的屏蔽双绞线电缆或光缆。波特率从 9.6Kbps-12Mbps。5.2.35.2

56、.3 PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP 系统配置和设备类型系统配置和设备类型PROFIBUS-DP 允许构成单主站或多主站系统。在同一总线上最多可连接126 个站点。系统配置的描述包括：站数、站地址、输入/输出地址、输入/输出数据格式、诊断信息格式及所使用的总线参数。每个 PROFIBUS-DP 系统可包括以下三种不同类型设备：(1) 一类 DP 主站（DPM1）：一类 DP 主站是中央控制器，它在预定的信息周期内与分散的站（如DP 从站）交换信息。典型的 DPM1 如 PLC 或PC。(2) 二类 DP 主站（DPM2）：二类 DP 主站是编程器、组态设备或操作面板，在 DP 系

57、统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。安徽建筑工业学院 毕业论文 21 (3) DP 从站：DP 从站是进行 输入和输出信息采集和发送的外围 设备（I/O 设备、驱动器、 HMI、阀门等） 。除了这三类设备外，要组成一个完整的 PROFIBUSDP 通信网络，还需要PROFIBUS 网络部件，如：通信介质（电缆或光纤） 、总线部件、网络转接器等。5.2.45.2.4 PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP 基本功能基本功能（1）总线存取方法：各主站间令牌传送，主站与从站间数据传送为主-从循环传送支持单主站或多主站系统。总线上最多站点数为 126 个。（2）循环数据交换：DP 功能可以

58、实现中央控制器与分布式现场设备之间的快速循环数据交换，主站发出请求报文，从站收到后返回响应报文。主站和从站间的数据传送分为 3 个阶段：参数化、组态和数据交换。（3）诊断功能：经过扩展的 PROFIBUSDP 诊断，能对 站级、模块级、通道级 这 3 级故障进行诊断和快速定位，诊断信息在总线上传输并由主站采集。（4）保护功能：DP 功能可以对 DP 从站的输出进行存取保护。（5）网络功能；通过网络可以实现：动态激活或关闭 DP 从站，对 DP 主站进行配置，可以设置站点的数目、DP 从站的地址、输入/输出数据的格式、诊断报文的格式等。（6）同步与锁定功能：主站可以发送同步命令给一个从站或一组从

59、站。接收到主站的同步命令后，从站进入同步模式。5.35.3 工业工业 PCPC 和和 PLCPLC 的通信的通信5.3.15.3.1 MPIMPI 通信通信介绍介绍多点接口 MPI 是 SIMATIC S7 的编程设备接口，它允许通过一个中央端口就能够访问到一定数量的编程模块和操作面板等。连接在 MPI 网络上的结点之间通过 MPI 就可以互相通信。由 MPI 可以用于同时连接编程器、PC 机、人机界面系统及其他 SIMATIC S7/M7 等自 动化控制系统，所以对于构成中小规模的数据通信网络来讲，采用 MPI 网络是一个经济而有效的解决方案。5.3.25.3.2 PC/MPIPC/MPI

60、适配器介绍适配器介绍PC/MPI (Isolated) Cable 适配器亦称为 PC 适配器,实现 RS232 到 RS485安徽建筑工业学院 毕业论文 22 接口的电平转换和 RS232 到 MPI 协议的转换,用于连接 Siemens S7-300/400 系列 PLC 的 MPI 口(RS485)和 PC 的 COM 口(RS232).如下图 18PC/MPI 适配器示意图 PC/MPI 适配器,在 RS232 端口和 RS485 端口均设有浪涌保护和防雷击保护电路,可任意带电插拔,适用于西门子 S7-300/400 全系列 PLC 及其它带有 MPI 接口的装置。 图 18 PC/M

61、PI 适配器示意图 5.3.35.3.3 工业工业 PCPC 和和 PLCPLC 的通信设置的通信设置（1）硬件联接：将适配器 MPI 口(RS485)连接在 PLC S7-300/400 系列的MPI 口，将适配器的 RS232 联接在 PC 的 COM 口，拧紧适配器的螺丝，以防止松动，选择适配器的速率。（2）软件设置进入 STEP7 编程软件主界面（SIMATIC Manager），点击“Options”菜单下的“Set PG/PC Interface”选项进入 PG/PC 设置界面。1 双击“PC Adapter(MPI)”进入 RS232 和 MPI 接口参数设置。2 单击“Loca

62、l Connection”选项设置 RS232 接口参数，正确选择PC/MPI 连接在电脑上 COM 口（RS232），选择 RS232 通信的波特率 19200bps 或38400bps 均可，PC/MPI 会自动适应所选择的波特率。3 单击“MPI”选项设置适配器 MPI 接口参数，可将波特率设置成187.5Kbps 或 19.2Kbps 均可，适配器会自动适应 PLC 的 MPI 端口的波特率。5.45.4 PLCPLC 与变频器的联接与变频器的联接5.4.15.4.1 总线适配器的接线总线适配器的接线 PLC 和变频器的通信是通过 PROFIBUS-DP 连接的，但是在必须经过总线适配

63、安徽建筑工业学院 毕业论文 23 器进行信号转换后，变频器才能识别，我们选用的变频器是 TD3000 系列的，因此总线适配器我们选择 TDS-PA01，如下 图 19 总线适配器相应管脚意义。图 20变频器与总线适配器联接。 图 19 总线适配器相应管脚意义PEDGBAP24COMRS485+RS485-RS485-RS485+COMP24PROFIBUS-DP为为变频器TDS-PA01图 20变频器与总线适配器连接5.4.25.4.2 PLCPLC 和变频器通信的实现和变频器通信的实现变频器智能从站要与 PLC 控制站通信，需要 通过总线适配器 TDS-PA01 接入 PROFIBUS-DP

64、 总线，这样变频器的运行参数和PLC 的控制参数可以通过总线相互传递。在周期性通信中 PROFIBUS-DP 协议使用 PPO 类型作为数据传递的格式，不同的 PPO 类型有各自的数据组成，如图21 所示。安徽建筑工业学院 毕业论文 24 图 21 PPO 数据结构参数区（ PKW）：ID参数标识 IND参数索引 VALUE参数值过程数据区（ PZD）：CW控制字 SW-状态字 REF给定值（主站到从站） ACT实际值（从站到主站） PZD3PZD10过程数据（由用户确定）上述五种 PPO类型数据，由用户在通信参数中配置，分别在主站和从站中指定，并要求一致。 PPO类型的选择取决于该传动在自动

65、化网络中的任务，它的过程数据在网络通信中有最高的优先权在最短的时间片中处理。具体数据传输格式如图 22所示。帧头帧尾参数区 PKW 过程数据区 PZD用户数据PPO图 22 变频器从站数据传输格式根据系统的控制要求，变频器的数据传递的格式选为 PPO1。 安徽建筑工业学院 毕业论文 25 第六章第六章 控制系统的控制系统的 STEP7 的组态设计的组态设计6.16.1 STEP7STEP7 编程软件简介编程软件简介STEP7 用于 SIMATIC S7、M7、C7，是供它们编程、监控和参数设置的标准工具。STEP7 配置了三种基本的编程语言：梯形图、功能块图和语句表。具有以下功能：硬件配置和参

66、数设置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文本建档、运行和诊断功能等。STEP7 程序允许结构化用户程序，也就是说可以将程序分解为单个的、自成体系的程序部分。6.26.2 STEP7STEP7 的组态设计的组态设计针对系统所选的 PLC 硬件配置，采用西门子公司提供的专用编程软件 STEP 7-V5.3。 它是一个用于 SIMATIC 可编程逻辑控制器的组态和编程的标准软件 包， 可对硬件和网络实现组态， 从而完成 S7-300、S7- 400 系列 PLC 的编程， 具有简单直观、便于修改、功能强大、通用性强、升级方便等优点 。 6.2.16.2.1 创建组态项目创建组态项目组态硬件前，首先通过 STEP7 创建一个项目，创建新项目有两种方式 ：直 接创建和使用向导创建.两者区别在于直接创建将产生一个空项目，用户需要手动添加项目框架中的各项内容。新建项目导向则向用户提供一系列选项，据用户 选择，自动生成整个项目的框架。 在此，我们使用向导创建项目过程如下：打开【SIMATIC Manager】 ，在【File】菜单下单击【New Project】 ，单击【Next】 进入下一步选择