纸机传动控制系统的设计说明书

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1、. . . . 摘要造纸工业的发展直接关系整个国民经济的发展，在现代社会对各类纸的消费水平在某种程度上标志着一个国家的文明程度。随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，人们对各类纸的消费需求越来越大，进而对纸机的自动化控制要求也越来越高。据此，本文结合纸机的生产工艺与其工作过程分析了纸机对其电气传动控制系统的设计要求，并按照对控制系统的要求分析研究了各分部的控制原理得出相应的控制方案。 本文采用国外较成熟的总体设计结构，即三级控制网络，变频器与电机等相关的控制设备构成第一控制级，通过Profibus-DP与整个控制系统的核心单元也就是第二控制级PLC进行数据的通信，PLC不仅可以通过Profi

2、bus-DP与现场的操作面板进行数据通信以达到实时控制的作用，而且又能通过高速的工业以太网与第三控制级即上位机管理操作控制室进行连接，最后设计了基于现场总线的纸机电气传动控制系统，该控制系统的设计解决了纸机整体复杂的控制系统难以控制的问题。所设计的系统经过在实际生产中的投入运行，纸机的车速得到了进一步的提高，满足了纸机对控制系统的各项要求，且具有较高的稳定性和可靠性，提高了企业的生产效率与效益，促进了造纸工业自动化技术的发展水平，所以该系统的设计与研究的成果具有在工业应用力推广的价值。关键词:现场总线；变频器；Profibus-DP；PLCABSTRACTThe paper industry

3、is closely linked with national economic development and social civilizationThe paper and paperboard consumption level is a measurement of one of the important symbol of the degree of modernization and civilization of a countryWith the development of national economy and the improve of peoples livin

4、g standards，peoples consumption demand for various types of paper is increasing，thus the machine automation control requirements have become more sophisticatedAccordingly,this paper combined the paper machine production process and its working process，analyzed design requirements of the machine to i

5、ts electric transmission control systemand in accordance with the requirements of the control system，analysis and study of the various segments of the control principle to draw the corresponding control programThis paper used more mature overall design structure at home and abroad that is the three

6、level control network，inverter and motor and related control devices constitute the first control level，data communication via Profibus-DP with the core unit of entire control system that is the second control level PLC，PLC not only via Profibus-DP and the scene of the operation panel for data commu

7、nication in order to achieve real-time control，but also by highspeed industrial Ethernet connect to the third control level that is the host computer management operations control roomFinally, the paper designed the electric drive control system of paper machine based on FieldbusThe designed of the

8、control system to solve the problem of the overall complex control system of the machine being is difficult to control The designed system has been put into the actual production running，paper machine speed has been further improved，meet the requirements of machinecontrol systems and has high stabil

9、ity and reliability, improved the production efficiency and effectiveness of enterprise，promoted the level of development of paper industry automation technology, so the design and the results of research for this system have the value to promote in industrial applicationsKEY WORDS：fieldbus；inverter

10、 ；Profibus-DP；PLC目录1 摘要I1 abstractII1 绪论11引言11.2 选题背景与研究意义11.3 国外发展现状与趋势21.4 本文研究主要容42 纸机工艺概述与对控制系统的要求52.1 纸机生产工艺的介绍52.2 纸机生产能力的计算82.3 纸机功率的计算92.4 纸机的技术参数102.5 纸机对控制系统的要求112.6 本章小结133 现场总线技术的分析与应用研究143.1 现场总线技术的概述143.2 现场总线系统的特点与优点153.3 PROFIBUS的通信模型163.4 现场总线的通信协议163.5 PROFIBUS-DP的协议183.6 PROFIBUS传

11、输技术介绍193.6.1 PROFIBUS电缆的传输193.6.2 光纤的传输203.6.3 RS-485串行通信接口203.6.4 PROFIBUS插头与使用213.7 PROFIBUS-DP系统的总线访问控制223.7.1 PROFIBUS-DP系统组成223.7.2 PROFIBUS-DP系统的总线访问控制233.8 PROFIBUS-DP系统的工作过程243.9 基于PROFIBUS-DP的纸机电气传动数据的传输253.9.1 DP从站数据的读取273.9.2 DP从站数据的写入283.9.3 数据通信部分程序编写283.10 PROFIBUS-DP主从站的通信与组态293.10.1

12、PROFIBUS-DP主从站通信的介绍293.10.2 PROFIBUS-DP主从站通信的组态293.11 本章小结314 纸机传动控制系统的硬件设计与选型334.1 PLC控制系统设计方法334.2 PLC的硬件选型354.2.1 CPU的选型354.2.2 电源模块选型364.2.3 I/O模块选型364.2.4 接口模块选型394.3 变频器的特点与工作原理404.4 变频器的选择与容量的计算414.4.1 变频器的容量计算414.4.2 变频器的类型选择434.5 变频器的主要控制功能444.5.1 频率设定功能444.5.2 PID控制功能444.5.3 制动控制功能454.5.4

13、网络通信功能454.5.5 主/从宏功能454.6 变频器外围部分的硬件设计464.7 变频器主要运行参数的设定484.8编码器的选型504.9 本章小结525 基于现场总线的纸机电气传动控制系统的设计535.1 整体结构的设计535.2 S7-300 CPU部分的设计555.3 PLC与0P27之间的通信565.4 速度链的设计与控制575.5 负荷分配的控制605.6 力控制635.7 纸机的实际生产运行状况645.8 本章小结65设计总结66参考文献68致72外文资料73中文翻译8186 / 921 绪论1.1 引言纸在人类文化、科学、工业、农业、国防和商业等各方面的发展进程中起着举足轻

14、重的作用，自从人类发明了纸，悠久的文化知识才得到了更好的继承与保存以与迅速的传播人，从而推动了整个人类的精神文明与物质文明的的不断进步。造纸工业在西方发达国家已成为重要的国民经济支柱产业，在我国随着科学技术生产力的不断发展与进步，国民经济的发展和人民的生活水平也得到了很提高，进而造纸业的发展也显得非常重要。目前，我国造纸工业在产量、质量、品种方面都取得了较大的发展，有力地促进了国民经济的发展和人民生活水平的提高，但人均占有量与世界发达国家相比，还是相差甚远，生产和消费水平比较低1。与国际先进造纸工业发展水平相比，存在如下主要问题：纤维原料中木材的比重很小，现有木材没有得到充分的合理利用；原材料

15、与能耗消耗偏高；企业规模较小，对生产管理和对“三废的治理带来很大的困难；技术装备扔较落后，机械化、自动化水平不高，劳动生产率较低。目前，纵观国外造纸工业的发展，其趋势向高速、高效、高质量、低消耗、连续化、自动化的工业方向发展，因此要进一步实现我国造纸工业的现代化，使之具有世界先进水平，还需要作巨大的努力。1.2 选题背景与研究意义造纸工业的发展直接关系整个国民经济的发展，在现代社会对各类纸的消费水平在某种程度上标志着一个国家的文明程度。“十二五时期是我国全面建设小康社会的关键时期，是深化改革开放、加快转变经济发展方式的攻坚时期，工业化的深入发展是加快转变经济发展方式的重要着力点之一2。目前，我

16、国仍处于并将长期处于工业化和城镇化迅速发展阶段，国民经济的收入也在逐步提高，人们的消费结构模式也在不断升级，所以给我国造纸工业的发展创造了很大空间，也为改善旧技术与采用新技术、提高生产效率创造了有利的条件，同时也促使了落后产能的淘汰，加快了我国造纸工业发展方式的转变与产业结构的调整。纸机的电气传动控制系统是整个造纸工业生产过程控制的重要基础，它综合机械制造技术、计算机技术、现场总线技术、电力电子技术与智能控制技术等汇集一体的机电控制系统，该控制系统的性能直接关系着纸机的高效、稳定的生产运行。目前我国造纸工业的技术与国外相比仍相对落后，大多数纸机的车速在300mmin，其部分纸机的控制系统也多为

17、开环式的控制结构，车速为300m/min550mmin的中速纸机在正常生产运行时常出现速度波动、断纸等不良现象，造成资源的浪费与经济的损失，而车速在600mmin以上的纸机则主要依赖进口，因此每年导致大量的资金流向国外。近年来，随着机械制造业、电力电子技术与现场总线技术的发展与应用，国外的造纸工业对自动化程度的要求也不断提高，纸机的高速与稳定性、快速性是人们对纸机的控制系统不断追求的目标，依据变频器调速具有高效节能、现场总线技术具有高传输率、强抗干扰性与使用方便等优点，在此基础上对我国纸机电气传动控制技术的应用与研究是提高我国造纸工业自动化技术水平的重要途径，可以进一步满足人们日益增长的物质文

18、化需求，并使我国的造纸工业在世界的纸机市场上立于不败之地，具有重要的经济和社会效益。1.3 国外发展现状与趋势随着机械制造业、电力电子技术与现场总线技术的发展，人们对纸机控制系统的性价比要求也日益提高，国外相关公司为了占据更大的市场与赢取更大的利润，都在挣先研究设计新产品并改善传统的产品，使其产品的控制性能更加成熟与完善且可靠性精度更高。随着国家对造纸行业的不断重视，现在，越来越多的研究人员和机构，开始从事造纸机械自动化技术的研究。近几年，虽然我国的造纸工业技术水平得到了很大提高，但是国外的相关技术与产品(如美国和德国)仍然占据着我国造纸行业的大部分市场份额3。至今，结合国外从事造纸控制系统的

19、研发机构与各类技术单位大多采用3级控制结构的网络模式对纸机的整体控制系统进行设计，其结构如图1-1所示，系统的差别只在于选择不同的硬件装置和软件系统4。国的电气传动公司大多都采用西门子、ABB、欧姆龙、贝加莱等知名公司的产品，近些年，国产和利时公司的产品也在造纸行业得到了迅猛的发展，并抢占了一部分国外的纸机市场。随着科学技术的发展，纸机设备也得到了不断的改进，其生产工艺过程得到了不断完善，在控制系统的设计方面应用了现代智能控制理论与最新的网络通信技术，进一步地提高了整个造纸生产线的自动化控制技术水平。近几年国外的一般纸机的技术指标可以达到幅宽为10m、车速为2315m/min，最近上线投产的卫

20、生纸机可达到2650m/min的车速，富阳造纸工业基地的大部分高强度瓦楞纸机的车速也达到了1700m/min，且这些纸机的产能大多一般为1500t/D以上5。在国，从事该行业的研究人员与技术专家经过长时期的探索逐步积累了相关的经验并对技术进行了改进，至今文化纸机的车速可以达到850m/min、纸的幅度宽为4600mm左右，白板纸机的正常生产车速也已经可以达到650m/min、生产幅宽为4850mm，瓦楞纸机的车速为800m/min、生产幅宽为6600ram，以上纸机的机械装备与工业技术除了个别关键设备与技术引进国外，其他的机械设备与技术，我国几乎都可以完全自我解决。所以总的来说，我国整个造纸工

21、业技术的发展得到了很大的进步，但相对于国外的纸机，国产纸机在速度与对其控制的精度和自动化程度都还存在一定的差距，所以要提高整个民族造纸工业的技术发展水平，不但要顺应国际化市场的形式与发展，还要继续加大对纸机控制系统性能的研究与应用。图1-1纸机传动控制系统方框图随着现代工业网络数据通信技术的发展与造纸装备技术水平的不断提高，纸机电气传动系统也进入了以网络通信技术为核心的发展时期，各类纸的生产车速越来越高且其幅宽也越来越宽，对纸机生产的操作也逐渐智能化，该趋势将成为今后纸机发展的主要方向。目前，仅有一些特种纸(比如纤维)受其生产工艺与当今技术水平的影响外，其他纸机的生产均已在高速化、宽幅化等技术

22、方面取得了较大的进步且带来了一定的效益，与此同时，人们对纸机的生产工艺与其机械制造、自动化生产技术等方面的要求也越来越高，尤其是操作人员对在纸机生产时所要求的能够采取便捷操作等技术方面的实时监控的要求678。1.4 本文研究主要容在纸机的传动控制系统中，电动机的速度控制是设计的难点也是重点，因为它直接受纸机的力、速度、负荷等不稳定的变量和参数影响以与被影响着，它直接关系到整个纸机控制系统生产运行的可靠性与控制精度，因此，设计纸机电气传动控制系统的关键点在于：速度链的控制，在纸机的电气传动控制系统中，其负荷分配和力等主要方面的控制都将递归到去控制整个系统的速度链；纸机各分部工作次序的复杂控制，其

23、控制直接影响着纸机的正常生产，比如纸机各分部间与整体的单动、联动的动作等。对于纸机电气传动控制系统的设计其主要的难点可归结为：高稳定性和可靠性是整个纸机控制系统的重要控制技术指标也是其控制的难点；如何有效的去实现纸机整个传动系统所需的大量数据的高速通信与其控制；在纸机高速运行生产时，针对负荷分配和力所控制对象的非线性和耦合性如何去有效地实施控制；如何消除变频器和整个控制网络的的通信易受外界环境的干扰而引起的整个控制系统的不稳定9 101112。因此，现场总线通信技术的特点与应用和设计、PLC与变频器相关控制系统的设计方法与选型等，最终结合某纸厂纸机的工艺结构与要求设计基于Profibus-DP

24、总线的纸机传动控制系统，利用PLC的模块化设计的方法的思想，以上位机、PLC和变频器构成三级网络控制系统实现纸机整个传动组与各分部传动的复杂控制以与各控制部分间数据的高速传输，在此基础上结合二叉树算法进一步的达到对整个纸机的速度控制,负荷分配控制以与其他相关辅助连锁控制等控制的要求。2 纸机工艺概述与对控制系统的要求2.1 纸机生产工艺的介绍纸机是一个系统复杂的联动机械机组，其主要设备可分为干部和湿部两大部分，有时根据某些纸种生产工艺的要求还需要配置施胶压榨、半干压光、机涂布以与其他辅助系统单元13。湿部主要由上将流送系统、网部、压榨部等部分构成；干部主要由烘干部和涂布部以与卷纸部等部分组成。

25、成浆池中的浆料通过上浆流送系统输送到纸机的流浆箱，再经过纸机的网部、压榨部、干燥部与压光部后，纸浆被制成原纸，又经过机外涂布部和复卷机的加工，原纸被加工成成品纸。一般较通用的造纸典型工艺流程如图2-1所示，有时也可以简化为在参考文献上比较多见的图2-2所示的流程图，现就其流程的主要工序做下介绍。(1)浆料准备浆料准备是制浆厂与纸机之间的分界，对于浆纸联合工厂，浆料准备始于浓浆稀释，终于混浆。对于单独造纸工厂，浆料准备从碎浆开始，直至浆料流送系统，浆料准备的目的是制备能够达到抄造条件的纸浆和助剂，因此需要预先处理各配料组分，然后将所有组分连续均一地混合，一般情况下其具体工艺有为碎浆、磨浆、浆料净

26、化、混浆。 碎浆:通常使用水力碎浆机将成品浆(如桨板)分散在水中形成泥浆或悬浮液。此工序分为连续和间歇两种，最终达到浆送要求。浆料的净化:浆料净化主要是去除浆料的重质杂质和轻质杂质。目前使用的设备主要是除砂器和压力筛。 磨浆:磨浆或打浆的作用是为了通过回转刀片的机械作用改变纸浆的纤维状态，使其达到抄纸配料所需最佳状态，使用的设备通常是磨盘。混浆：混浆的作用是为了得到连续均一稳定的材料，保持后续流送系统的稳定。(2)纸机湿部上浆系统:指冲浆泵循环回路，在此系统进行计量、稀释，混入助剂，并在网前对浆料进行筛选、净化、脱气，进入流浆箱，其围指从纸机储浆槽至流浆箱，该系统中冲浆泵是动力源，它混合浆料和

27、白水，使浆料经过筛浆机去除大杂志、大块纤维，再用除砂器去除细小物质后，进行脱气，经压力筛后进入流浆箱。流浆箱:其作用是接受冲浆泵送来的浆料，将管道浆流转换成与纸机匀称的宽度，并在纸机纵向形成均一流速的矩形浆流，其基本原理都是利用纸浆的重力或施加的压力，通过堰般控制流量，将流浆均一匀速地流送到网部。 图2-1造纸工艺流程图 1 网部:该部是纸页成形部位，其原理是通过逐步增大的真空脱水作用，使流浆在网部成形。根据纸不同，成形网可分为单网、双网、三网，其中单网是常用的成形部，根据其形状可分为长网和圆网，不同类型的纸机其网部具有不同的传动控制，其中单网网部的传动控制依据其传动点只要有组负荷分配即可，多

28、网网部需要具备单网所有的负荷分配的控制，同时对各网之间的速差的比值也有一定的要求，所以多网对控制策略的要求更高。图2-2纸机工艺的流程图 2 压榨部:纸机的压榨部的主要是对纸进行固结成形以与脱水，提高纸的疏密强度与表面的光滑度，可看作是从网部开始脱水过程的延伸，其主要流程是纸幅从成形部传递，并在毛毯上受压脱水，使纸幅固结。(3)纸机干部干燥部:该部通过热蒸发脱去残余的水分，湿纸幅经过一系列旋转的蒸汽烘缸，水分被蒸发掉并通过排风被带走，是提高高速纸机性能的重要环节。涂布部:纸机的涂布部是干部的重要组成部分也称作施胶部，其主要作用是在原纸的表面涂上一定量配比的涂料，以提高纸的外观或使用特性。基于人

29、们对纸机运行车速日益提高的要求，涂布机也得到了较快的发展，对电气传动控制系统的要求也逐步增高，所以简单的速度链结构的控制和对负荷分配的控制均已无法很好地满足涂布生产运行过程的需要，据此本文可采用基于现场总线的系统结构来解决这个问题11 43。压光部:该部主要是用辊子进行碾压，目的是为了获得光滑的印刷表面。本文所述的纸机是带有1个传动点的四辊压光机，通过这仅有的传动点与纸机整个传动部分上速度链相连接来实现其运行；在正常工作运行时该部退纸辊的电动机处于发电状态，其它两点则相应的置于电动状态，因此采用基于现场总线的PLC控制对其力进行控制的方法解决纸耦合作用的问题11。卷纸部:该部将成品的纸卷成规定

30、的纸卷，近几年所投产的具备辊库设备的卷纸机不但具有自动换辊的功能，而且还具有对纸机的力控制与其所产纸的长度显示的功能，尤其还可以通过其辅助的控制部分多方式的控制去实现纸机的单动、联动等控制，在卷纸机生产运行时其转速的计算公式如下11： （2-1）式中：一卷纸机的转速(rmin)；一纸幅度的运行速度(mmin)；一纸的厚度(m)；、一卷纸辊的始、末半径(m)。由此可知，在卷纸机正常生产运行时要保持其与前后分部所设计的速度比值的关系，则要求卷纸机滚筒的速度实时的随着所卷曲纸的厚度的增大而不断降低，仅仅依靠对整体速度链的控制不能保证纸幅卷曲的相对平稳，所以需要在卷纸机与其纸机的其他分部去实施相应的力

31、控制以确保纸页的良好卷曲。据此，纸机的整个传动控制系统要采用基于现场总线的控制网络结构，就可以进一步的达到纸机整体电气传动控制系统的要求，更好地确保了纸机生产运行时的稳定性与动态性能43。2.2 纸机生产能力的计算纸机的生产能力是人们判断与选购纸机的最关键参考因素，也是工程技术人员对其设计相关控制系统所需要参考虑的最重要的技术数据，其生产能力的计算公式如下1： （2-2）式中：一造纸机运行生产的能力(t/d)；一造纸机的车速(mmin)；一纸的抄宽(m)；一纸的定量(g/m2)；一抄造率，即纸机正常产纸运行时的比率，一般为0.95-0.98；一成品率，即所生产合格品的比率，对一般纸要求达到93

32、-98,对薄叶纸要求达到88-90；一平均日作业时间，即除换网、换毛毯与小修等，平均每昼夜运转的小时数，一般取值为22h-23.5h；通常讲的一台纸机生产规模是指该纸机的年生产能力，计算时以日生产能力乘以330345即得，这是指每年扣除15-30d的大中修时间。2.3 纸机功率的计算纸机的功率消耗主要是指在实际生产运行中所有传动装置的输入功率在单位时间用于克服轴承间辊筒之间的滚动摩擦以与刮刀对辊面和烘缸表面的摩擦等所耗的功率。单位指标法是一种估算纸机功率消耗的方法，它能够对纸机在实际生产运行中消耗的功率进行较准确的测定，然后再以lm的纸机幅度宽和车速为lmmin时来计算所需用的功率，计算公式如

33、下41： （2-3）式中：一单位功率耗用指标，kWm(mmin)；一纸机的幅门宽度(m)：一纸机的车速(mmin)：纸机各分部的平均单位功率耗用指标K可参考表2-1。表2-1在纸机上耗用功率的平均单位指标纸机的分布耗用的单位指标（kWm(mmin)）备注长网部0.075普通压榨辊0.021真空压榨辊0.029光泽压榨辊0.007烘干部0.0019压光部0.042辊数8时滚筒式卷纸机0.0120.019新闻纸或印刷纸等牛皮纸一般而言，干燥部的功率消耗占造纸机全部功率的25-40，而伏辊和压光机则各占12-17。当纸机空运转时，其功率大致为生产纸时的70-75，出纸时，伏辊和压光机的负荷有显著的增

34、加。2.4 纸机的技术参数本章首先介绍接制动器试验台制动原理，分析了实车制动的受力状态，以与试验台的组成，并对其采用技术进行了简单的介绍，着重介绍了电流驱动技术，为后面章节建立电动机驱动力电流可观测的数学模型的试验、仿真以与控制方法改进奠定了基础。纸机因其所生产的纸类不同而其机械结构形式、工作车速、纸幅宽度等技术参数也就不同，所以各自所对应的控制系统的具体要求也就不一样，本文结合2010至201 1年度西微测控工程(原科技大学微机测控研究所)与某纸厂所合作的4400600纸机电气传动控制系统的设计项目，其现场实物如图2-3所示，并以该项目的纸机为例可得出如下主要基本参数：生产品种：高强瓦楞纸；

35、纸定量：1001509m2；净纸宽度：4400 mm；工作车速：450-600 mmin；传动车速：600 mmin；传动形式：变频传动。图2-3 4400600纸机现场实物图纸机的种类不同，其所需要配置的传动参数也就不同，这里结合纸机的具体工艺流程与实际生产情况，上文所述项目中的4400600纸机所需要控制的主要传动点其基本配置参数如表2-2所示41:表2-2 4400600纸机的基本主传动配置参数序号传动点部位所配电机功率/Kw传动点数量备注1面网付辊1321符合分配 从2面网-复合辊751符合分配 主3芯网-驱动辊1601符合分配 主4芯网复合辊1101符合分配 从5底网助动辊451负荷

36、分配 主6真空付辊3151负荷分配 从7底网驱动辊3551负荷分配 主8真空吸移辊552负荷分配 从9大压榨辊1324负荷分配 主10第1组烘缸1601分部传动11第2、3组烘缸3602分部传动12第4组烘缸1601分部传动13施胶机452分部传动点控制14主压上辊2001负荷分配 主15主压下辊2001负荷分配 从16水平圆筒卷纸机751分部传动点控制17引纸辊助动46分部传动点控制18卷纸辊助动7.51分部传动点控制19引纸绳传动222分部传动点控制2.5 纸机对控制系统的要求在如今倡导追求绿色节能可持续发展的社会大背景下，人们对纸机性价比的要求与其智能化生产的要求也越来越高，现如今所设计

37、的纸机的电气传动控制系统与以往相比有较大区别，大多数都在研究设计并采用具有全数字信号通讯控制的现场总线的控制系统，整个纸机生产线的控制通过上位机或现场的操作面板就可以集中或部分的去控制各个生产流程，逐步实现了无人现场操作化的现代工厂，推动了造纸工业自动化技术水平的发展迈向了新的阶段。 现根据纸机的工艺流程与其项目所对应的工作车速和幅宽，并结合纸厂的具体情况，纸机的传动系统是一个较为复杂的控制系统，其传动点多，几个传动点带动一个负荷运动等，在保证纸机正常运行的情况下如何提高纸机的动、静稳态精度、高速化与智能化的水准，得出如下纸机对控制系统的主要具体要求为：(1)纸机传动控制系统最重要的一个技术指

38、标就是维持车速的稳定，纸机工艺的改变、机械传动条件的变化、电源电压的波动与网和毛毡的清洁度等都会带来车速的不稳定，最终造成纸定量的波动与断头，给企业带了不必要的损失，所以对其速度控制的静态精度额定转速的0.02、动态精度0.3，两个相邻分部之间的速比控制精度0.05，在有干扰时的短时间其速度偏差0.05，在加速和制动的过程中其定速期间的短时间的力的控制精度2，从定速转换到加速或制动状态时的力的控制精度5，只有满足以上要求，才能在动、静态的调整中使纸机得到快速的响应，确保纸机正常高效的生产16。通常，把按照正常生产运行条件下调整好的各分部车速对纸机干部的卷纸机或烘干部的车速的比值即是所谓的速比4

39、3。假设烘干部的车速为100，且烘干部各组的车速一样，列出了表2-3中几种纸机各分部速比的数据41。表2-3纸机各分部的速比分部名称纸机的速比（单位：%）付辊第一压榨部第二压榨部第三压榨部烘干部压光部卷纸机一般工业用纸（如羊皮纸）89-9194-9597-9898.5-99100100.05-100.15100.01-100.03书写纸和印刷纸等94-95.596-9797.5-9898.5-99100100.05-100.15100.01-100.03(2)为了适应纸机生产不同品种、不同定量的纸，要求纸机有较宽的调速围，一般情况下设定调速的围为：专用造纸机(如新闻纸)的调速围是l：(2-2.

40、5)、生产印刷纸和书写纸的纸机的调速围是l：5、生产工业用纸与高级纸的纸机的调速围是1:(8-10)，则就可以较好的满足纸机生产不同品种、不同定量的纸的要求。(3)纸机传动的各个分部之间要能够形成一个良好的动态性能的速度链结构，各分部应具备停止、爬行、运行、微升、微降、点动、正向点动(烘缸)、反向点动(烘缸)、点、投失、力给定等功能，且相关联的各传动分部之间应具有单动、联动的功能。在纸机正常生产一段时间后，需要对其进行整机检查与清洗毛毡的情况，所以需要对其各分部的爬行速度设置为可调的围为15-25m/min10。(4)现代纸机的运行负载基本上是一个恒转矩负载，要求其负荷均衡，所以须要选用具有恒

41、定转矩特性的变频器且具备较高的频率分辨率和良好的通讯性能。(5)据日本工业界权威人士认为，产品的可靠性是未来世界市场竞争的焦点，如果可靠性能够提高1，那么即使成本提高10也是划算的。假设一台4400/600高强瓦楞纸机日生产能力为220t/D，如停机一小时则就会造成损失35万元人民币，所以为了不断提高纸机的安全可靠性，避免其因各种故障停机而造成的损失，现代纸机需要具备对速度、电流、负荷、速差、状态、微调、负荷分配关系、故障提示等现场的各种信号的监视功能。2.6 本章小结 本章首先从纸机的干、湿两大部分重点介绍并分析了其生产的工艺流程，给出了纸机的生产能力、功率的计算公式与方法，并结合实际中的具

42、体项目得出了纸机的基本技术参数与其主传动部分参数，最后综合纸机的工艺、技术条件、发展的趋势方向等总结出纸机对电气传动控制系统的要求，为后文的研究设计与应用指明了方向。3 现场总线技术的分析与应用研究3.1 现场总线技术的概述PROFIBUS是由Siemens等公司组织研发的一款性能优越且具备较大开放性的现场总线，它符合欧洲和国际的通信技术标准，并于2001年成为我国的机械行业标准(/T10308.3-2001)。现场总线的通信结构简单、传输高且稳定，非常适合应用于PLC与现场分散的I/O设备之间的通信17。现代控制系统一般包括装有监控软件的上位机、PLC系统、执行软件和通信网络，对于本文所述的

43、电气传动控制系统的通信网络来说，它包括上位机与PLC通信与PLC与自动设备的通信。PROFIBUS通信主要用于将工业现场的设备层数据传送到车间级和工厂管理级以实现工业自动化的实时监控和操作，其传输速率可在9.6KB/s12MB/s间选择。图3-1 Profibus现场总线连接示意图PROFIBUS通信主要由Profibus-DP(车间级通信)、Profibus-PA(现场级通信)和Profibus-FMS(工厂级通信)三个相互兼容的部分组成，如图3一l所示，每一级可采用不同的通信方式19。Profibus-DP是一种可以替代DC24V或4.20mA信号传输的通信，其数据通信率高且成本低，主要应

44、用于工业现场设备层的控制系统和车间级与以上的I/O的数据通信传输；带有本征安全规特性的Profibus-PA，是为过程自动化专门设计的，并且执行机构和传感器位于同一根总线上；Profibus-FMS是一种具有令牌功能结构的网络，具有较强的实时性，其主要应用在整个控制系统的车间级层20。PROFIBUS连接的系统由主站和从站组成，主站和从站可以是一个，也可以是多个。主站能够控制总线，多主站时通过令牌的传递来决定哪个主站享有控制权，从站一般为传感器、变送器、驱动器等。3.2 现场总线系统的特点与优点现场总线的系统在技术研发与应用上拥有以下特点172122:(1)开放性:现场总线是开放式的网络，用户

45、可以购置不同厂家的现场总线产品，把它们集成在一个控制系统中，并进行相互的信息交换。(2)智能化:由于工业现场的设备采用了现场总线的控制网络，就可以把控制系统所需的各种信号以数字的方式传送到控制室，并且在现场就可以完成相应的功能操作，还可以提供更加丰富的生产过程信息，除传输测量控制的状态与数值信息外，还可提供参数调整、故障诊断、阀门开关的动作次数等信息，提高了系统的智能化操作水平。(3)相互操作性:其中包括了机器设备的可互换性以与对其的可互操作性。可互换性，具体是设备虽然由不同厂商制造，但设备的功能可以由其他生产厂商生产的且具备一样功能的同类设备相互换；可互操作性具体是即使设备由不同厂商提供，但

46、在各自的厂商操作环境中可以顺利实现其功能，并且相互之间可以通信。(4)适应环境性:该类总线能够较好的去适应各种工业现场的生产环境，其主要表现在通信传输可以采用多种媒介，并具有较强的抗电磁干扰的性能，还可以采用总线的方式进行供电。(5)分散控制采用:该技术可以使整体控制系统分散为若干个子系统去单独控制，其信号的输入、输出、控制功能模块置入现场设备，实现了现场的实际控制。由于现场总线技术的以上特点，使现场总线相关的控制系统从设计到现场的安装与投运实际生产中进行运行与后期对相关设备的维护与改进，都体现出了它的应用的优越性，其具体体现为节省硬件的投资以与安装维护的成本，能够对多复杂生产线的多变量进行检

47、测以与将数据进行传输，最大限度的减少了设备安装的时间，为用户对产品的选择提供了更大的空间，在生产运行时能够最大的提高数据的传输能力、增强信息管理与安全性等。3.3 PROFIBUS的通信模型PROFIBUS的通信模型其结构设计简单、所执行的协议具有易学易用易普与的优点，同时又能满足各种工业控制系统的要求，其性价比较高。针对PROFIBUS所设计的通信模型采用了0SI模型的第1、2和7层，并基于其通信的特性又在0SI模型相对应的第三层开设了现场总线专有的访问子层，这种简化后的通信模型在数据链路层中多数据通信的流量与差错进行控制，这与OSI的模型有一定的差异，其对应关系如图32所示18:OSI参考

48、模型现场总线协议FF模型PROFI-DPPROFI-FMS应用层7应用层用户层功能块应用与设备描述用户接口应用层接口表示层6-应用层信息规低层接口会话层5传输层4报文子层通信栈除去3-7层除去3-6层网络层3总线访问子层访问子层数据链路层2数据链路层链路层数据链路层数据链路层物理层1物理层物理层物理层物理层图3-2 0SI模型与部分现场总线通信模型的对应关系3.4 现场总线的通信协议现场总线以数字通信为基础，然而进行数据的通信就必须要有协议，因此现场总线就是一个定义硬件接口和通信协议的标准。国际标准化组织(ISO)的开放系统互连(OSI)协议，是为计算机互联网而制定的7层参考模型，只要网络中索

49、要处理的要素是通过共同的路径进行通信，则该参考模型就适用于任何网络22。目前，在生产现场总线与相关的产品时虽然没有标准的协议，各生产单位还是以0SI标准协议为依据，选用OSI标准协议的第1、2和7层，并在此基础上开发了第8层，即用户层。PROFIBUS是IEC61158类型为3的过程现场总线，它把数字自动化设备从底层(传感器/执行器)与中间执行级(单元级)进行分散，并可以对通信协议按照具体的工业应用领域进行优化，所以该协议的实现不需要复杂的通信接口。参照ISO/OSI参考模型，PROFIBUS有3个版本，PROFIBUS-DP侧重于工厂自动化，使用RS-485传输技术，3种DP通信协议版本和一

50、种或多种典型工厂自动化的应用行规。PROFIBUS-PA侧重于过程自动化，使用总线供电的传输技术和通信协议，是PROFIBUS-DP在现场级通信的扩展，并采用PROFIBUS-DP基本功能实现实时过程数据的传输。如果PROFIBUS-DP与PROFIBUS-PA采用数据传输速率不同，那么这两者之间数据的通信就需要使用DP/PA耦合器或DP/PA链路设备作为它们二者之间的网关。PROFIBUS-FMS侧重于车间级的通信，完成PLC与计算机PC之间的通信，因此，其实时性要求比PFOFIBUS-DP和PA要低，但信息的管理功能较强17。PROFIBUS只包含了OSI模型中的第l、2和7层，其协议层或

51、子层结构如图3-3所示:层次 OSI参考模型PROFIBUS层次模型8ALI(至应用过程)7应用层FMSFMA76表示层LLI5会话层无4传输层3网络层FLCFMA1/22数据链路层MAC1物理层PHY图3-3 OSI模型与PROFIBUS体系结构比较第1层(PHY)为物理层，规定了通信的媒介与其物理连接的方式和机械电气特性。PROFIBUS通过采用差分电压输出的RS-485实现电流连接，PROFIBUS-DP与FMS的物理层采用RS-485传输技术，传输距离与传输速率有关，传输速率9.6Kbps12Mbps，传输距离为100-1200m。Profibus-PA采用IEC61158-2的传输技

52、术，传输速率为3125Kbps，传输距离与所挂接的站数有关，也可采用光纤传输技术。第2层可分为媒体存取控制子层(MAC)和现场总线链路控制子层(FLC)以与现场总线管理子层(FMA)。MAC对连接到传输媒体的总线存取方法进行了说明，由于PROFIBUS采用了一种混合的访问控制方法使所有的设备不能在同一时刻传输，所以，在PROFIBUS主设备(Master Station)之间采用令牌控制方法，从设备(Slave Station)之间的信息传递采用主设备循环查询从设备的方法实现，如图3-4所示。FLC对服务站点(SAP)的管理和低层接口提供相关的缓冲器，并对有效的低层接口LLI第2层服务进行规定

53、；FMAl/2负责完成设定第1层PHY和第2层MAC的特定总线参数：FLC和LLI之间的服务访问点只有通过第2层的FMAI2子层才能进行相应的激活或撤销，与应用层所对应的更高子层(FMA7)则接受第l、2层可能出现的错误事件。图3-4 PROFIBUS总线存取协议第7层的组成部分有低层接口(LLI)和PROFIBUS通信所规的子层与现场总线管理(FMA7)，LLI集成OSI模型的第3-6层的功能，它将PROFIBUS通信所规的子层服务一一对应到OSI模型第2层(FLC)的服务，具有监控连接和传输数据的作用。在低层接口中可以依据需要选择主/主或主/从连接等不同的类型，并且可以针对数据进行循环或非

54、循环的交换。PROFIBUS通信所规的子层即可应用于通信的管理，也可以用于用户的用户数据分组，通过该层用户才能对应用过程的通信对象进行访问。为了将过程对象转换为通信对象，在第7层的上层开发了应用层接口ALI。3.5 PROFIBUS-DP的协议PROFIBUS-DP主要应用于工业现场级的一种通信系统，其价位便宜且对数据的传输率可高达12Mbit/s，并可替代现场的24V或420mA的并行信号传输技术，它被设计成为自控制系统(如PLC等)和分散的现场设备(I/O、驱动器、阀门等)之间进行通信使用。PROFIBUS-DP的协议结构根据IEEE802标准委员会制定局域网的标准，并根据工业上的实际需求

55、省略了OSI模型的第36层，建立了仅含有第l层、第2层和应用层的通讯参考模型(如图3-5所示)，该参考模型的第l层依据RS-485通讯数据的标准，对其所要传输的媒介、通信双方的物理连接与其设备的电气特性做了相应的规定；该模型的第二层定义为PROFIBUS的数据链路层(FDL)，该层所包含的PROFIBUS数据链路控制(FLC)具有对用户层可以进行数据的延时缓存以与对所提供的服务存取点实施管理，第l层和第2层所共同开设的PROFIBUS管理(FMAl/2)可以对第1、2层设定总线的参数，并且可以把这两层出现错误的信息数据进行上传。用户层DP设备行规DP基本功能和扩展功能DP用户接口（直接数据链路

56、映射程序DDLM）第3-7层空第2层（数据链路层）现场总线数据链路层（FDL）FMA2/1第一层（物理层）物理层（PHY）图3-5 PROFIBUS-DP的协议结构3.6 PROFIBUS传输技术介绍3.6.1 PROFIBUS电缆的传输PROFIBUS最大允许的总线长度(段长度)与所选用的传输速率有关，如表3-1所示，传输速率可选用96kbit/s12 Mbit/s，只要一有设备投入了正常生产的运行，其它PROFIBUS上所有的设备都应选用统一的传输速率。表3-1最大段长度与波特率的关系波特率（kbit/s）9.619.293.75187.5500150012000段长度/m（A型电缆）12

57、00120012001000400200100段长度/m（B型电缆）120012001200600200-3.6.2 光纤的传输一般情况下，在工业现场比较恶劣而又对电磁干扰要求相对较高且通信数据传输率也比较高的场合往往使用光纤进行数据的传输，PROFIBUS系统在使用光纤进行时数据传输的可以依据实际现场情况设计成星形或环形的网络通信结构。目前的市场上已经有专门针对光纤进行数据通信连接的耦合器，光纤通过该耦合器可以实现与其他通信设备与接口之间的数据转换。3.6.3 RS-485串行通信接口在工业通信网络的应用中，RS-485串行通信接口主要应用于DP和FMS的数据传输，由于纸机现场的设备与工控机

58、的距离往往较远，而RS一232C通信距离又较近，所以采用RS-485串行通信接口。RS-485接口采用二线制以差分的方式进行平衡的传输数据，现假设供电的电源电压为+5V时，则RS-485接口的信号可以定义为：当差分电压的信号是-2500-200mV时，为逻辑“0”；当差分电压的信号是+200+2500mV时，为逻辑“1”； 当差分电压的信号是-200+200mV时，为“高阻状态”。RS-485的差分平衡电路如图3-6所示，A导线上的电压与B导线上的电压方向相反大小相等，两导线的差值为接收器的输入电压24。另外，RS-485没有规定标准的连接器和各个具体信号的功能以与各引脚的具体分配，为了使两根

59、信号线相邻，两根差动导线应置于同一根双绞线且引脚A与引脚B不能调换。RS-485串行通信传输的基本特性如表3-2所示：图3-6差分平衡电路表3-2 RS-485传输技术的基本特性名称特性网络拓扑介质站点数插头连接器线性总线，两端需设置有缘的总线终端电阻。短截线的波特率15Mbps根据环境条件可选用屏蔽双绞电缆或非屏蔽双绞电缆不带中继器每个网段可挂32个站，带中继器做多可挂127个站最好9针D型插头3.6.4 PROFIBUS插头与使用图3-7 PROFIBUS插头的使用PROFIBUS插头用于连接PROFIBUS电缆和PROFIBUS站点，如图3-7所示，在PROFIBUS插头上，有一个进线孔

60、(In)和一个出线孔(Out)，这二个孔可分别连接前后站，依据RS485串行通信技术的规定，通过插头或网线将各站点连接到网络上时每个物理网段需要支持32个物理设备，为了防止浪涌而确保通讯质量还需要在物理网段终端的站点处设置终端电阻。终端电阻设置在PROFIBUS插头上，可根据需要接入(On)和切除(Off)，当需要中断出线端口“Out”后面的网段的信号时，把终端的电阻设置为“On”即可。因此，在每个物理网段两个终端站点上的插头需要将网线连接在进线口“111，同时将终端电阻设置为“On”，而位于网段中间的站点需要依次将网线连接在迸线口“In和出线口“Out”，同时将终端电阻设置为“Off”如图3

61、-8所示28。图3-8 PROFIBUS插头的连接和设置3.7 PROFIBUS-DP系统的总线访问控制本文根据所述的纸机传动控制系统的结构与功能要求，采用三层结构的现场总线控制系统，在该类系统中，控制装置完成控制系统的基本控制运算，并实现下层的协调和控制功能。除了现场总线用于连接控制装置和现场总线设备外，还设置了高速通信网，用于连接控制装置和操作管理装置，例如使用高速以太网。3.7.1 PROFIBUS-DP系统组成PROFIBUSDP系统的设备由主站(包括l类主站和2类主站的主动站)和从站(被动站)两部分组成，主/从站可选用的地址为O.127，并以统一的方式进行数据的编制。主站可以主动的去获取总线访问的控制权限(令牌)，在获得令牌后主站就可以占用总线，并能对报文进行传输，而从站只能被动的去应答所要接受的报文以与在收到主站的请求后进行传输的数据。(1)1类主站1类主站(简称DPMI)是PROFIBUS-DP系统的中央控制单元，DPM1具有对总线的数据进行通信的管理以与对其进行相应的控制，还可以循环地与分布式的站(如从站)在预先设定好的定的周期交换数据信息。为了能够使数据在输入输出时达到同步的目的，DPM1通过运行Global _Control(全局控制)的命令通知各个DP从站，