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PLC负荷分配控制器的设计--毕业设计论文.doc
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PLC负荷分配控制器的设计--毕业设计论文.doc
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PLC 负荷分配控制器的设计
1
目 录
目 录 ..........................................................1
第 1 章 绪 论 ...................................................2
1.1 负 荷 分 配 的 应 用 及 其 战 略 意 义 ..............................2
1.2 国 内 外 技 术 现 状 ..........................................3
1.2.1 国 内 技 术 现 状 ......................................3
1.2.2 国 外 技 术 现 状 ......................................3
1.3 纸 机 传 动 现 状 介 绍 ........................................4
1.4 本 研 究 的 意 义 和 存 在 的 问 题 ................................4
第 2 章 负 荷 分 配 原 因 及 影 响 ......................................5
2.1 负 荷 分 配 问 题 产 生 的 原 因 和 影 响 ............................5
2.2 解 决 负 荷 分 配 问 题 的 理 论 根 据 ..............................5
第 3 章 负 荷 分 配 原 理 及 计 算 方 法 ..................................8
3.1 直 流 传 动 的 负 荷 分 配 ......................................8
3.1.1 直 流 电 机 的 功 率 介 绍 ................................8
3.1.2 直 流 电 机 的 机 械 特 性 曲 线 ............................9
3.1.3 直 流 传 动 负 荷 分 配 设 计 .............................10
3.2 交 流 传 动 的 负 荷 分 配 设 计 ................................14
第 4 章 负 荷 分 配 PLC 控 制 器 的 设 计 ...............................19
4.1 硬 件 组 成 ..............................................19
4.1.1 PLC 介 绍 .........................................19
4.1.2 ABB 变 频 器 介 绍 ...................................22
4.2 通 讯 协 议 ...............................................26
4.3 算 法 及 程 序 .............................................33
第 5 章 结 论 ...................................................35
5.1 本 文 的 结 论 及 意 义 .......................................35
5.2 本 文 的 不 足 .............................................35
5.3 前 景 展 望 ...............................................35
致 谢 .........................................................36
参 考 文 献 ...................................................37
陕西科技大学毕业设计(论文)说明书
2
第 1 章 绪 论
1.1 负 荷 分 配 的 应 用 及 其 战 略 意 义
纵 观 纸 机 传 动 系 统 的 发 展 历 史 , 早 期 造 纸 机 的 电 气 传 动 系 统 通 常 使 用
单 独 的 电 动 机 传 动 , 由 它 带 动 天 轴 或 地 轴 通 过 皮 带 以 驱 动 造 纸 机 的 网 部 、
压 榨 部 、 烘 干 部 以 及 压 光 和 卷 取 分 部 。 为 了 适 应 纸 机 改 变 品 种 的 要 求 , 驱
动 电 动 机 通 常 采 用 直 流 电 动 机 , 并 借 助 于 改 变 电 枢 电 压 或 磁 场 电 流 来 实 现
纸 机 的 调 速 。
大 约 在 上 个 世 纪 五 十 年 代 , 分 部 传 动 造 纸 机 逐 渐 替 代 了 总 轴 传 动 造 纸
机 , 分 部 传 动 大 大 简 化 了 机 械 传 动 设 备 , 提 高 了 稳 速 精 度 , 并 且 使 相 邻 分
部 间 速 度 和 张 力 调 节 十 分 方 便 。 但 是 随 着 高 速 、 大 型 纸 机 的 出 现 以 及 新 工
艺 的 采 用 , 为 进 一 步 简 化 造 纸 机 械 , 需 要 使 纸 机 的 某 个 分 部 采 用 多 个 电 动
机 传 动 。 在 这 种 多 点 传 动 的 情 况 下 , 造 纸 机 的 某 个 分 部 除 了 要 具 备 调 速 和
稳 速 的 性 能 外 , 还 需 要 各 个 电 动 机 满 足 负 荷 分 配 的 要 求 。
在 八 十 年 代 中 期 国 外 开 始 将 变 频 调 速 系 统 应 用 于 纸 机 , 国 内 大 约 始 于
九 十 年 代 初 期 。 交 流 变 频 调 速 以 其 结 构 简 单 , 坚 固 耐 用 , 动 态 响 应 好 , 效
率 高 , 经 济 可 靠 , 抗 恶 劣 环 境 能 力 强 , 易 于 向 高 电 压 , 高 速 度 , 大 容 量 发
展 等 优 点 逐 步 取 代 直 流 调 速 系 统 而 占 据 了 传 动 系 统 的 主 导 地 位 。
造 纸 机 采 用 变 频 传 动 以 后 , 机 械 的 维 护 量 几 乎 为 零 。 但 是 变 频 器 属 于
复 杂 精 细 的 高 科 技 产 品 , 在 其 使 用 过 程 中 , 若 使 用 不 当 而 使 变 频 器 频 繁 保
护 甚 至 损 坏 , 对 正 常 生 产 造 成 影 响 。 其 中 以 由 于 多 点 传 动 而 引 起 的 负 荷 不
均 而 使 变 频 器 出 现 保 护 现 象 最 为 常 见 。 在 生 产 工 艺 条 件 稍 有 变 化 时 , 多 点
传 动 电 机 的 负 荷 失 去 平 衡 , 有 的 电 机 的 负 荷 过 大 时 , 电 流 剧 增 甚 至 过 流 过
载 , 跳 闸 保 护 , 有 的 电 机 负 荷 降 低 , 甚 至 不 出 力 以 至 作 发 电 机 运 行 而 出 现
过 电 压 保 护 , 造 成 很 大 的 功 率 损 耗 , 从 而 可 能 对 生 产 和 设 备 造 成 影 响 或 损
坏 。由 于 纸 机 的 某 些 分 部 (如 网 部 ,压 榨 部 )是 由 两 台 或 多 台 电 机 连 在 一 起 ,
辊 筒 的 线 速 度 必 须 保 持 一 致 , 否 则 毛 布 或 者 铜 网 会 被 拉 断 或 打 褶 , 为 了 保
证 速 度 同 步 , 同 时 又 需 要 各 个 电 机 按 照 其 额 定 值 进 行 比 例 分 配 , 这 就 是 负
荷 分 配 问 题 。
PLC 负荷分配控制器的设计
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1.2 国 内 外 技 术 现 状
1.2.1 国 内 技 术 现 状
近 几 年 , 我 国 造 纸 工 业 取 得 了 很 大 的 发 展 , 造 纸 机 装 备 水 平 不 断 提 高 。
纸 机 的 幅 宽 不 断 增 加 , 车 速 也 达 到 了 700----800m/min 左 右 。 新 投 产 的 板
纸 机 由 过 去 的 年 生 产 能 力 约 3---5 万 吨 , 提 高 到 了 30—40 万 吨 。并 且 纸 机
交 流 变 频 技 术 不 断 成 熟 , 已 经 取 代 了 直 流 传 动 系 统 的 统 治 地 位 。
目 前 ,国 内 大 部 分 纸 机 传 动 部 分 都 使 用 变 频 传 动 。传 统 的 传 动 方 法 或 者
为 直 流 分 部 传 动 , 或 者 为 直 流 总 轴 传 动 , 但 都 因 为 维 护 量 大 , 可 靠 性 差 等
原 因 而 被 淘 汰 了 , 纸 机 采 用 变 频 传 动 后 , 机 械 维 护 量 几 乎 为 零 。 但 是 变 频
器 属 于 高 科 技 产 品 , 在 其 使 用 过 程 中 , 若 使 用 不 当 而 使 变 频 器 频 繁 保 护 甚
至 损 坏 , 对 生 产 造 成 影 响 是 众 多 厂 家 所 关 心 的 问 题 。 其 中 , 以 负 荷 不 均 而
使 变 频 器 出 现 保 护 现 象 最 为 常 见 。 而 解 决 这 种 问 题 的 方 法 在 国 内 只 是 处 于
摸 索 阶 段 , 主 要 靠 我 们 广 大 的 现 场 技 术 人 通 过 经 验 来 解 决 。
1.2.2 国 外 技 术 现 状
可 编 程 控 制 器 ( Programmable controller) ,简 称 PC,因 早 期 主 要 应 用
于 开 关 量 的 逻 辑 控 制 ,因 此 也 称 为 PLC(Programmable Logic controller).
它 诞 生 于 上 世 纪 60 年 代 ,经 过 几 十 年 的 发 展 , 可 编 程 控 制 器 作 为 一 种 进 行
数 字 运 算 的 电 子 系 统 ,是 专 为 在 工 业 环 境 下 的 应 用 而 设 计 的 工 业 控 制 器 ,它
采 用 了 可 编 程 序 的 存 储 器 ,是 以 微 处 理 器 为 基 础 ,结 合 计 算 机 技 术 、自 动 控
制 技 术 和 通 信 技 术 , 用 面 向 控 制 过 程 、 面 向 用 户 的 “ 自 然 语 言 ” 编 程 , 是
一 种 简 单 易 懂 , 操 作 方 便 、 可 靠 性 高 的 新 一 代 通 用 工 业 控 制 装 置 。 可 编 程
控 制 器 及 其 有 关 的 外 围 设 备 , 都 按 易 于 与 工 业 系 统 连 成 一 个 整 体 , 易 于 扩
充 其 功 能 的 原 则 设 计 。
目 前 , 国 际 上 解 决 负 荷 分 配 问 题 主 要 方 法 之 一 是 使 用 高 性 能 变 频 器 的
转 矩 控 制 功 能 , SIEMENS 公 司 的 6SE70 系 列 工 程 型 变 频 器 和 ABB 公 司 的
ACS600 系 列 变 频 器 , 这 些 变 频 器 可 以 通 过 转 矩 控 制 方 式 实 现 负 荷 分 配 的 目
的 。
方 法 是 : 以 一 台 变 频 器 作 为 主 传 动 , 这 台 变 频 器 为 速 度 控 制 模 式 , 其
余 的 辅 传 动 选 用 转 矩 控 制 模 式 , 将 主 传 动 的 转 矩 输 出 作 为 辅 传 动 的 转 矩 给
定 , 这 样 辅 传 动 的 给 定 信 号 是 转 矩 而 非 频 率 。 辅 传 动 跟 随 主 传 动 的 转 矩 的
变 化 而 变 化 , 起 到 负 荷 分 配 控 制 的 目 的 。
陕西科技大学毕业设计(论文)说明书
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这 种 控 制 方 式 的 控 制 精 度 高 , 动 态 响 应 快 , 但 适 用 范 围 小 , 对 负 载 有
一 定 的 要 求 。 这 是 因 为 辅 传 动 负 载 转 矩 较 大 时 , 电 机 转 速 低 , 负 载 转 矩 较
小 时 , 电 机 转 速 高 , 空 载 时 甚 至 可 以 达 到 最 大 频 率 , 这 种 特 性 有 些 像 直 流
调 速 上 的 速 度 调 节 器 饱 和 的 电 流 控 制 方 法 。 所 以 要 求 负 载 载 运 行 时 必 须 一
直 处 于 加 压 状 态 或 类 似 刚 性 连 接 , 比 如 光 压 上 、 下 辊 。
虽 然 国 际 上 有 专 门 的 硬 件 措 施 来 解 决 负 荷 分 配 , 但 是 也 没 有 提 升 到 理
论 的 高 度 。 总 之 , 在 解 决 负 荷 分 配 的 问 题 上 还 没 有 一 个 统 一 模 型 , 都 没 有
提 升 到 理 论 高 度 , 基 本 上 处 于 初 步 阶 段
1.3 纸 机 传 动 现 状 介 绍
随 着 计 算 机 网 络 技 术 的 发 展 ,纸 机 变 频 传 动 系 统 也 正 在 进 入 一 个 以 通
讯 网 络 技 术 为 核 心 的 发 展 时 期 , 纸 机 变 频 传 动 系 统 正 在 以 通 讯 网 络 为 结 构
框 架 的 大 型 控 制 系 统 , 并 且 成 为 车 间 乃 至 DCS 系 统 的 部 分 或 子 系 统 。 所 以
网 络 化 和 计 算 机 集 中 控 制 正 在 成 为 传 动 系 统 的 主 要 发 展 趋 势 。
纸 机 变 频 传 动 网 络 化 发 展 的 同 时 ,在 配 置 结 构 上 公 共 直 流 母 线 式 结 构
也 是 一 种 发 展 趋 势 。 由 于 目 前 这 种 系 统 全 部 由 国 外 公 司 垄 断 , 所 以 价 格 比
非 公 共 直 流 母 线 系 统 要 高 , 但 实 际 上 其 成 本 应 当 比 非 公 共 母 线 式 低 , 且 安
装 和 调 试 工 作 量 要 少 ; 但 这 种 系 统 也 有 缺 点 : 当 某 一 传 动 点 故 障 时 可 能 会
影 响 全 线 的 工 作 , 甚 至 引 起 全 线 停 机 , 相 对 处 理 时 间 较 长 , 维 护 费 用 和 时
间 也 要 增 加 。
总 之 ,在 自 动 化 功 能 方 面 ,纸 机 传 动 系 统 在 向 多 功 能 化 、智 能 化 进 一
步 发 展 , 使 其 在 生 产 过 程 及 质 量 管 理 过 程 中 发 挥 作 用 。
1.4 本 研 究 的 意 义 和 存 在 的 问 题
本 课 题 针 对 负 荷 分 配 问 题 加 以 理 论 研 究 ,做 出 负 荷 分 配 数 学 模 型 。并
且 针 对 变 频 传 动 部 分 , 以 西 门 子 S7-226PLC 为 控 制 器 组 建 PLC 和 变 频 器 的
通 讯 网 络 , 实 现 负 荷 分 配 控 制 。 这 对 于 我 们 拥 有 自 己 解 决 负 荷 分 配 的 控 制
器 要 一 定 的 理 论 指 导 意 义 , 对 于 我 国 造 纸 技 术 的 发 展 有 一 定 的 帮 助 。
存 在 的 问 题 : 由 于 国 外 公 司 的 垄 断 , 我 们 在 实 现 整 体 技 术 上 会 存 在 一
定 的 困 难 。
PLC 负荷分配控制器的设计
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第 2 章 负 荷 分 配 原 因 及 影 响
2.1 负 荷 分 配 问 题 产 生 的 原 因 和 影 响
采 用 变 频 器 分 部 传 动 , 当 几 台 电 机 拖 动 同 一 负 载 , 例 如 压 榨 部 两 辊 压
合 , 将 两 辊 看 作 一 个 负 载 , 由 两 台 电 机 拖 动 。 当 线 速 度 一 样 时 , 两 台 电 机
有 可 能 出 现 一 台 出 力 大 一 台 出 力 小 的 现 象 。这 就 产 生 负 荷 分 配 问 题 。如 图:
图 2- 1 压 榨 部 两 台 电 动 机 工 作 示 意 图
在 纸 机 机 械 设 计 上 , 还 有 可 能 多 电 机 拖 动 一 个 负 载 , 最 多 七 点 。 这 就
要 求 速 度 完 全 一 致 。 否 则 , 有 些 变 频 器 会 出 力 过 大 , 出 现 过 电 流 或 过 负 载
保 护 , 有 些 会 因 不 出 力 甚 止 发 电 状 态 而 出 现 过 电 压 保 护 。 这 些 现 象 都 应 避
免 或 解 决 。
2.2 解 决 负 荷 分 配 问 题 的 理 论 根 据
在 纸 机 、 印 染 机 或 其 他 传 动 系 统 中 , 只 是 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 , 即 δ
=P
i
/P
i e
相 同 ( P
i
为 i 电 机 所 承 担 负 载 功 率 , P
i e
为 电 机 额 定 功 率 )。
现 在 以 三 点 负 荷 分 配 为 例 , P1e 、 P2e、 P3e 为 三 台 电 机 额 定 功 率 , Pe
为 额 定 总 负 载 功 率 , Pe= P1e+P2e+P3e 。 P 为 实 际 总 负 载 功 率 , P1、 P2、 P3
为 电 机 实 际 负 载 功 率 , 则 P=P1+P2+P3 。 系 统 工 作 要 求 P1=P*P1e/Pe ,
P2=P*P2e/Pe,P3=P*P3e/Pe。负 荷 分 配 的 目 的 就 是 使 P1、P2、P3 满 足 上 述
要 求 。 我 们 以 变 频 传 动 系 统 为 例 说 明 负 荷 分 配 控 制 器 工 作 过 程 。 以 三 点 负
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