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　　本系統(tǒng)采用功能強(qiáng)大、軟件功能豐富的S7-300 型PLC CPU315 系統(tǒng)作為控制核心，軟件采用STEP7 Version 5.0 ；變頻器采用Siemens 的6SE7O 系列完整矢量控制高精度變頻調(diào)速裝置，其完善的控制性能特別適合紙機(jī)系統(tǒng)，如速度鏈給定、分布的速度控制，張力控制及兩者的切換，多種自由功能模塊和工藝模板的組合特別適用紙機(jī)的工藝要求；本系統(tǒng)采用了T40O 模塊，它提供了多種工藝控制功能，如卷曲、張力、同步、定位、多電機(jī)等；并采用CBP2 板卡插在變頻器中，用于PROFIBUS-DP 的通信；上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用西門(mén)子的PⅢ450 加54cm 彩顯；組態(tài)軟件采用WIN CC5.O 。通過(guò)OPIS 操作屏和PLC , PC 可對(duì)多臺(tái)裝置進(jìn)行參數(shù)重復(fù)設(shè)定以提高調(diào)整進(jìn)度。

1.2 傳動(dòng)控制系統(tǒng)的控制要求
   
　　造紙機(jī)生產(chǎn)過(guò)程是由網(wǎng)部、壓榨部、干燥部、壓光部、卷紙部等連續(xù)且復(fù)雜的過(guò)程組成，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：① 多變量、多參數(shù)系統(tǒng)，影響傳動(dòng)系統(tǒng)的因素很多，例如張力、速度、電流、電壓、負(fù)載等；② 交流電動(dòng)機(jī)的非線性；③ 負(fù)載的不確定性；④ 多電機(jī)間性能的不匹配；⑤ 多電機(jī)之間存在耦合。因此，造紙機(jī)的傳動(dòng)控制要求滿足：① 實(shí)現(xiàn)速度鏈控制。依據(jù)紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)，采用了調(diào)節(jié)變比的控制方法實(shí)現(xiàn)速度鏈功能。操作屏上設(shè)有功能鍵，通過(guò)通訊可直接修改PLC 內(nèi)的數(shù)據(jù)區(qū)，改變響應(yīng)傳動(dòng)點(diǎn)的速度設(shè)定值。② 實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配控制。網(wǎng)部真空伏輥、驅(qū)動(dòng)輥、第一導(dǎo)網(wǎng)輥和光壓上、下輥這兩組之間要求速度同步的同時(shí)要求負(fù)載均衡，否則會(huì)影響正常抄紙。當(dāng)負(fù)荷不能均勻分布時(shí)，有可能撕壞毛布或造成斷紙，所以在這2 個(gè)傳動(dòng)組合中的各自傳動(dòng)點(diǎn)之間實(shí)施負(fù)荷分配自動(dòng)控制功能。PLC 通過(guò)PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線得到電機(jī)電流信號(hào)，以先進(jìn)的調(diào)節(jié)算法調(diào)節(jié)變頻器的輸出，使各電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流和額定電流比值相等，這樣完成負(fù)荷分配的自動(dòng)控制。③ 實(shí)現(xiàn)張力控制。根據(jù)紙機(jī)工藝要求，在多組烘缸與卷紙機(jī)之間加張力傳感器，張力傳感器將張力信號(hào)通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換模塊送人PLC，在操作臺(tái)上的操作屏上進(jìn)行張力設(shè)定，PLC根據(jù)張力設(shè)定值和張力傳感器的反饋值對(duì)卷紙機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，保持張力恒定準(zhǔn)確。PLC 內(nèi)采用積分分離的PID 控制算法，并帶有速度限幅，仿止斷紙時(shí)出現(xiàn)張力飛車(chē)現(xiàn)象。

2   PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及傳輸技術(shù)

2.1 PROFIBUS 協(xié)議結(jié)構(gòu)

　　PROFIBUS 通信協(xié)議結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是ISO/OSI 的7 層網(wǎng)絡(luò)參考模型，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

■ DIN19245第四部分   ■ EN50 170  ■PROFIBUS準(zhǔn)則
圖3     PROFIBUS協(xié)議的結(jié)構(gòu)

　　PROFIBUS-FMS 第l 、第2 和第7 層均加以定義，其中第3～第6 層未加以描述，其功能在底層接口（Lower Layer Interface）完成，LLI 是第7 層中的一部分，F(xiàn)MS(Field Message Specification 現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范）包含了應(yīng)用層協(xié)議并提供了多種強(qiáng)有力的通信服務(wù)及用戶(hù)接口。
   
　　PROFIBUS-DP 使用第l 層、第2 層和用戶(hù)接口，以直接數(shù)據(jù)鏈路映像（Direct Data bbbb  Mapper）提供易于進(jìn)入第2 層的用戶(hù)接口。該用戶(hù)接口規(guī)定了可以調(diào)用的應(yīng)用功能并詳細(xì)說(shuō)明了各種不同PROFIBUS-DP 設(shè)備的設(shè)備行為，還提供了傳輸用的RS485 傳輸技術(shù)或光纖。
   
　　PROFIBUS-PA 采用擴(kuò)展的“PROFIBUS-DP”協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種傳輸技術(shù)可確保其本質(zhì)安全性并使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)總線供電。

2.2 PROFIBUS 傳輸技術(shù)
  
　　PROFIBUS 提供以下3 種類(lèi)型的傳輸技術(shù)：FMS 和DP 的RS485 傳輸；PA 的IECll58～2 傳輸；光纖( FO）。RS485 采用屏蔽雙絞線，操作容易，設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，而且能夠滿足高速傳輸?shù)囊?，故?yīng)用較廣，成為PROFIBUS 最常用的一種傳輸技術(shù)。RS-485 總線結(jié)構(gòu)允許增加或減少站點(diǎn)，傳輸速度可選用9.6 kbps～12 Mbps 。PA 的IECll58-2 傳輸技術(shù)可保持其本質(zhì)安全性并使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)總線供電，所以這種傳輸技術(shù)能滿足化工和石化工業(yè)的要求并在這些領(lǐng)域得到廣泛使用。另外，IECll58-2 信號(hào)可通過(guò)耦合器與RS-485 信號(hào)相適配，這樣PROFIBUS-PA 設(shè)備能很方便地集成到PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)。光纖傳輸技術(shù)主要用于電磁干擾很大的環(huán)境中，它可以增加高速傳輸?shù)淖畲缶嚯x，但光纖傳輸造價(jià)較高。

3 上位操作監(jiān)控管理系統(tǒng)

　　上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用西門(mén)子公司的PⅢ450 加54cm 彩顯，打印機(jī)，軟件平臺(tái)為隨機(jī)所帶的原版bbbbbbs NT Workstation 軟件，工控組態(tài)軟件為德國(guó)西門(mén)子公司的工業(yè)控制組態(tài)軟件WinCC ，即“bbbbbbS CONTROL CENTER”（窗口控制中心）——為在標(biāo)準(zhǔn)PC 和bbbbbbS NT 環(huán)境下實(shí)現(xiàn)集成化全32 位的HMI （人機(jī)界面）的功能。WinCC5.0 具有的特點(diǎn)：① 全集成自動(dòng)化，使STEP7 編程環(huán)境更貼近于WinCC 的組態(tài)環(huán)境；② 組態(tài)更加高效，易于操作，最大地減少組態(tài)時(shí)間，是成功的HMI/SCADA 軟件的一個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)，SIMATIC WinCC 一直遵循這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)；③ WinCC 是按照客戶(hù)機(jī)／服務(wù)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，最多支持16 個(gè)客戶(hù)機(jī)；④ WinCCWeb 瀏覽器功能允許通過(guò)國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)Internet或企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)Internet 對(duì)工廠設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視甚至操作；⑤ WinCC5.5 對(duì)Messenger&Guardian （信使和看護(hù)者）可選功能進(jìn)行了升級(jí)，主要的新功能是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的攝像監(jiān)視，且在看護(hù)者計(jì)算機(jī)上支持多攝像機(jī)監(jiān)視；⑥ 開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，易學(xué)易用，支持全序列的SIMATIC PLC ；⑦ 集成的SQL 數(shù)據(jù)有利于數(shù)據(jù)的存取和交流，并且支持0LE2.0 及OCX 控件。上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)存人SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)。
   
　　上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)主要功能有：① 全景監(jiān)控，整個(gè)紙機(jī)各部分運(yùn)轉(zhuǎn)情況的監(jiān)控畫(huà)面，包括各種重要參數(shù)如定量、水分、電壓、電流、壓力、張力、車(chē)速、漿濃度等的顯示，而且上位機(jī)可設(shè)定所有重要參數(shù)值；② 實(shí)時(shí)曲線，包括漿曲線、汽包曲線、烘缸曲線，車(chē)速曲線、張力曲線等，具體操作以漿曲線為例，點(diǎn)擊“漿曲線”按鈕，可以顯示濃度設(shè)定值、實(shí)時(shí)值，以及漿流量閥開(kāi)度的實(shí)時(shí)曲線，該曲線顯示最近15min 內(nèi)的漿濃度實(shí)時(shí)值和閥門(mén)開(kāi)度實(shí)時(shí)值；報(bào)警處理，主要監(jiān)控某些影響生產(chǎn)質(zhì)量和威脅生產(chǎn)安全的重要參數(shù)和事件，如紙機(jī)車(chē)速、斷紙、堆紙、烘缸壓力、汽包壓力等；③ 自動(dòng)報(bào)表，電腦根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況自動(dòng)生成各種報(bào)表，包括日產(chǎn)量報(bào)表、月報(bào)表，漿的日、月使用量統(tǒng)計(jì)表，報(bào)警累計(jì)表，各種材料消耗表等。上位機(jī)存儲(chǔ)這些報(bào)表，并且每隔一段時(shí)間自動(dòng)產(chǎn)生打印要求，提醒用戶(hù)打印。這些數(shù)據(jù)可以通過(guò)局域網(wǎng)上傳給公司的管理決策層；實(shí)施全公司的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控管理。另外上位機(jī)可遠(yuǎn)程喚醒和管理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的異地管理和監(jiān)控。

4   控制核心PLC S7 300

4.1 PLC 的控制功能

　　西門(mén)子S7 315-2 PLC 作為PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)主站，通過(guò)擴(kuò)展通訊板CP340 連接16 臺(tái)變頻器，組成PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)，完成各傳動(dòng)點(diǎn)的速度控制、張力控制、負(fù)荷分配控制以及工作運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視等功能。該P(yáng)LC 內(nèi)置MPI 和DP 通訊接口，MPI 口和其他帶有RS485 接口的設(shè)備可構(gòu)成MPI 網(wǎng)，而DP 接口可以使PLC 直接上PROFIBUS 網(wǎng)。輔助控制PLC 用于速度鏈控制信號(hào)的采集、張力控制信號(hào)的采集、光電斷紙檢測(cè)、卷紙機(jī)自動(dòng)換卷控制、光壓上下輥?lái)樞蚩刂埔约案鱾鲃?dòng)點(diǎn)的單動(dòng)／聯(lián)動(dòng)控制等。PLC 通過(guò)PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)傳給操作屏，然后通過(guò)控制決策將控制信號(hào)由操作屏送回，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制。PLC 通過(guò)掃描方式檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)各分部傳動(dòng)點(diǎn)的按鈕、開(kāi)關(guān)等信號(hào)，并根據(jù)操作信號(hào)的要求執(zhí)行相應(yīng)的加速／減速、速度微增/ 微減、緊紙／松紙、單動(dòng)／聯(lián)動(dòng)、爬行／運(yùn)行、啟動(dòng)／停止等相關(guān)操作控制和聯(lián)鎖、順序控制。

4.2 變頻器與PLC 的通訊

　　6SE70 系列變頻器若想與PLC 通過(guò)PROFIBUS-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通訊，則必須在變頻器中內(nèi)插CBP2板卡。變頻器通過(guò)CBP2板卡上的9 針SUB-D 型插接器可以很方便地連接到PROFIBUS-DP 系統(tǒng)中去。

PKW——參數(shù)識(shí)別值   PZD——過(guò)程數(shù)據(jù)   IND——標(biāo)號(hào)
PWK——參數(shù)值   PKE——參數(shù)識(shí)別
圖4 PROFIBUS 一DP 數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)

　　CBP2 通訊板還支持PROFIBUS-DP 更多的功能，例如：周期性電報(bào)的靈活配置，在傳動(dòng)裝置之間直接通訊，操作屏SIMATIC OP 作為PROFIBUS-DP 主站等。PROFIBUS-DP 通訊協(xié)議的報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖4 所示。BP2 與CBP 完全兼容并已取代CBP 。CBP2 總共有5 個(gè)PPO（參數(shù)過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象）它們又被劃分為1 個(gè)PKW 區(qū)（參數(shù)識(shí)別值區(qū)，最多4 個(gè)字）和1 個(gè)PZD 區(qū)（過(guò)程數(shù)據(jù)區(qū)，最多10 個(gè)字）。PKW 區(qū)允許參數(shù)值的讀寫(xiě)及參數(shù)描述的讀出，如最大頻率、基本頻率、加減速時(shí)間等。PLC 通過(guò)這種方式可監(jiān)控和改變變頻器的參數(shù)。PZD 區(qū)包含了從PLC 到變頻器的信號(hào)，如過(guò)程控制所需的控制字和設(shè)定值等；或從變頻器到PLC 的狀態(tài)字和實(shí)際值，如電流反饋值、速度反饋值等。并且，除5 個(gè)PPO 之外，CBP2 還可使用最多達(dá)16 個(gè)過(guò)程數(shù)據(jù)字的本身有用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。CBP2 通訊板卡可以用外接的24V 電源供電，這樣可以保證當(dāng)電源從變頻器上撤除后，總?cè)匀皇羌せ畹摹?/FONT>