6ES7 214-1HG40-0XB0技术参数

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贝加莱 PROFIBUS 纸机传动

　　随着造纸企业生产规模的扩大和工业自动控制水平的**，越来越多的自动化设备如传感器、调节器、发送器、驱动器及可编程控制器等被应用到造纸工业控制现场。相应地，串行现场总线也用来在这些设备间进行通信。因此，通信和数据流高速传输的实现就成为完成电气传动和控制的一个必不可少的部分。目前，现场总线存在着各种各样的网络标准，这些网络大多是严格保密且互不兼容，其中PROFIBUS 标准是一种开放的、不依赖生产厂家的通信系统标准，所以PROFIBUS 在各种工业控制现场得到了越来越广泛地应用。尤其是在造纸行业，PROFIBUS 得到了大力推广。本文针对PROFIBUS 在长网多缸纸机传动控制系统中的应用进行了详细的介绍。
   
　　PROFIBUS 现场总线技术是由德国Siemens等13 家公司和5 家研究所联合制定的标准化规范，并于1999 年成为IEC61158 的组成部分。PROFIBUS 包括3 个同一类、可互相兼容的变种，即PROFIBUS-FMS 、DP 、PA 以适应不同领域的要求。PROFIBUS-FMS（现场总线技术信息规范）的设计旨在解决车间监控级通信任务，提供大量的通信服务；PROFIBUS-DP （分散型外围设备）用于现场层高速数据传送；PROFIBUS-PA （过程自动化）适用于过程自动化。PROFIBUS 能够提供制造业、楼宇自动化和过程自动化各领域统一解决方案的系统，现已在汽车工业、机械制造业、食品工业、运输业、环保工程等多领域获得了应用。

1   造纸机传动控制系统

1.l 造纸机传动控制系统的构成
   
　　造纸机传动控制是一个控制点多、结构非常复杂的系统，其系统的工作过程概略如图1 所示。以1760 / 350 长网多缸造纸机为例，整个纸机传动部分分为主传动和辅助传动两部分：主传动部分共分16 个传动点，总传动功率为368 kw ，主要控制饰面辊、真空伏辊、驱网辊、导网辊、真空反压辊、光压辊、烘缸和卷纸机等；辅助传动部分合计功率42 kw ，主要控制匀浆辊、唇板、损纸搅拌器、张紧器、冲水管、输油泵、刮刀和副臂等。传动系统的数据通路主要有2 个：其一是操作屏和PLC 走PROFIBUS-DP 或FMS 通路；其二是PLC 通过CBP 板卡和变频器走RS485 PROFIBUS-DP 协议通路。为达到控制目的，整台纸机共配有4 台操作台：操作台OP-﹟l 控制流浆箱及上浆系统有关气动、电动设备；OP-﹟2控制有关网部、吸移、反压、二压及工艺系统有关气动、电动设备；OP-﹟3 控制有关光压、部分烘干部及工艺系统有关气动、电动设备；OP-﹟4控制部分烘干部、卷纸机、稀油站油泵及工艺系统有关气动、电动设备。每套操作台配备1 套ET2OOM , 作为远程I/0 使用；并且装有PROFIBUS-DP 接口的阀岛和单机起停及紧急停车按钮。其系统控制结构如图2 所示。

图2      控制系统结构

 
　　本系统采用功能强大、软件功能丰富的S7-300 型PLC CPU315 系统作为控制核心，软件采用STEP7 Version 5.0 ；变频器采用Siemens 的6SE7O 系列完整矢量控制高精度变频调速装置，其完善的控制性能特别适合纸机系统，如速度链给定、分布的速度控制，张力控制及两者的切换，多种自由功能模块和工艺模板的组合特别适用纸机的工艺要求；本系统采用了T40O 模块，它提供了多种工艺控制功能，如卷曲、张力、同步、定位、多电机等；并采用CBP2 板卡插在变频器中，用于PROFIBUS-DP 的通信；上位监控计算机采用西门子的PⅢ450 加54cm 彩显；组态软件采用WIN CC5.O 。通过OPIS 操作屏和PLC , PC 可对多台装置进行参数重复设定以**调整进度。

1.2 传动控制系统的控制要求
   
　　造纸机生产过程是由网部、压榨部、干燥部、压光部、卷纸部等连续且复杂的过程组成，具体表现在以下几个方面：① 多变量、多参数系统，影响传动系统的因素很多，例如张力、速度、电流、电压、负载等；② 交流电动机的非线性；③ 负载的不确定性；④ 多电机间性能的不匹配；⑤ 多电机之间存在耦合。因此，造纸机的传动控制要求满足：① 实现速度链控制。依据纸机传动系统的工艺特点，采用了调节变比的控制方法实现速度链功能。操作屏上设有功能键，通过通讯可直接修改PLC 内的数据区，改变响应传动点的速度设定值。② 实现负荷分配控制。网部真空伏辊、驱动辊、导网辊和光压上、下辊这两组之间要求速度同步的同时要求负载均衡，否则会影响正常抄纸。当负荷不能均匀分布时，有可能撕坏毛布或造成断纸，所以在这2 个传动组合中的各自传动点之间实施负荷分配自动控制功能。PLC 通过PROFIBUS 现场总线得到电机电流信号，以**的调节算法调节变频器的输出，使各电机转矩电流和额定电流比值相等，这样完成负荷分配的自动控制。③ 实现张力控制。根据纸机工艺要求，在多组烘缸与卷纸机之间加张力传感器，张力传感器将张力信号通过A/D 转换模块送人PLC，在操作台上的操作屏上进行张力设定，PLC根据张力设定值和张力传感器的反馈值对卷纸机进行调节，保持张力恒定准确。PLC 内采用积分分离的PID 控制算法，并带有速度限幅，仿止断纸时出现张力飞车现象。

2   PROFIBUS 网络结构及传输技术

2.1 PROFIBUS 协议结构

　　PROFIBUS 通信协议结构的基础是ISO/OSI 的7 层网络参考模型，其结构如图3 所示。

■ DIN19245第四部分   ■ EN50 170  ■PROFIBUS准则
图3     PROFIBUS协议的结构

　　PROFIBUS-FMS 第l 、第2 和第7 层均加以定义，其中第3～第6 层未加以描述，其功能在底层接口（Lower Layer Interface）完成，LLI 是第7 层中的一部分，FMS(Field Message Specification 现场总线报文规范）包含了应用层协议并提供了多种强有力的通信服务及用户接口。
   
　　PROFIBUS-DP 使用第l 层、第2 层和用户接口，以直接数据链路映像（Direct Data bbbb  Mapper）提供易于进入第2 层的用户接口。该用户接口规定了可以调用的应用功能并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP 设备的设备行为，还提供了传输用的RS485 传输技术或光纤。
   
　　PROFIBUS-PA 采用扩展的“PROFIBUS-DP”协议进行数据传输。这种传输技术可确保其本质安全性并使现场设备通过总线供电。

2.2 PROFIBUS 传输技术
  
　　PROFIBUS 提供以下3 种类型的传输技术：FMS 和DP 的RS485 传输；PA 的IECll58～2 传输；光纤( FO）。RS485 采用屏蔽双绞线，操作容易，设备简单、价格便宜，而且能够满足高速传输的要求，故应用较广，成为PROFIBUS 常用的一种传输技术。RS-485 总线结构允许增加或减少站点，传输速度可选用9.6 kbps～12 Mbps 。PA 的IECll58-2 传输技术可保持其本质安全性并使现场设备通过总线供电，所以这种传输技术能满足化工和石化工业的要求并在这些领域得到广泛使用。另外，IECll58-2 信号可通过耦合器与RS-485 信号相适配，这样PROFIBUS-PA 设备能很方便地集成到PROFIBUS-DP 网络。光纤传输技术主要用于电磁干扰很大的环境中，它可以增加高速传输的大距离，但光纤传输造价较高。

3 上位操作监控管理系统

　　上位监控计算机采用西门子公司的PⅢ450 加54cm 彩显，打印机，软件平台为随机所带的原版bbbbbbs NT Workstation 软件，工控组态软件为德国西门子公司的工业控制组态软件WinCC ，即“bbbbbbS ConTROL CENTER”（窗口控制中心）——为在标准PC 和bbbbbbS NT 环境下实现集成化全32 位的HMI （人机界面）的功能。WinCC5.0 具有的特点：① 全集成自动化，使STEP7 编程环境更贴近于WinCC 的组态环境；② 组态更加高效，易于操作，大地减少组态时间，是成功的HMI/SCADA 软件的一个主要标准，SIMATIC WinCC 一直遵循这个标准；③ WinCC 是按照客户机／服务器系统设计的，多支持16 个客户机；④ WinCCWeb 浏览器功能允许通过国际互联网Internet或企业内部网Internet 对工厂设备进行监视甚至操作；⑤ WinCC5.5 对Messenger&Guardian （信使和看护者）可选功能进行了升级，主要的新功能是通过网络的摄像监视，且在看护者计算机上支持多摄像机监视；⑥ 开放式结构，易学易用，支持全序列的SIMATIC PLC ；⑦ 集成的SQL 数据有利于数据的存取和交流，并且支持0LE2.0 及OCX 控件。上位监控计算机的生产数据存人SQL 数据库。
   
　　上位监控计算机主要功能有：① 全景监控，整个纸机各部分运转情况的监控画面，包括各种重要参数如定量、水分、电压、电流、压力、张力、车速、浆浓度等的显示，而且上位机可设定所有重要参数值；② 实时曲线，包括浆曲线、汽包曲线、烘缸曲线，车速曲线、张力曲线等，具体操作以浆曲线为例，点击“浆曲线”按钮，可以显示浓度设定值、实时值，以及浆**阀开度的实时曲线，该曲线显示近15min 内的浆浓度实时值和阀门开度实时值；报警处理，主要监控某些影响生产质量和威胁生产安全的重要参数和事件，如纸机车速、断纸、堆纸、烘缸压力、汽包压力等；③ 自动报表，电脑根据实际生产情况自动生成各种报表，包括日产量报表、月报表，浆的日、月使用量统计表，报警累计表，各种材料消耗表等。上位机存储这些报表，并且每隔一段时间自动产生打印要求，提醒用户打印。这些数据可以通过局域网上传给公司的管理决策层；实施全公司的网络化监控管理。另外上位机可远程唤醒和管理，实现生产的异地管理和监控。

4   控制核心PLC S7 300

4.1 PLC 的控制功能

　　西门子S7 315-2 PLC 作为PROFIBUS-DP 网络主站，通过扩展通讯板CP340 连接16 台变频器，组成PROFIBUS-DP 网络，完成各传动点的速度控制、张力控制、负荷分配控制以及工作运行状态监视等功能。该PLC 内置MPI 和DP 通讯接口，MPI 口和其他带有RS485 接口的设备可构成MPI 网，而DP 接口可以使PLC 直接上PROFIBUS 网。辅助控制PLC 用于速度链控制信号的采集、张力控制信号的采集、光电断纸检测、卷纸机自动换卷控制、光压上下辊顺序控制以及各传动点的单动／联动控制等。PLC 通过PROFIBUS-DP 网络将现场采集到的数据传给操作屏，然后通过控制决策将控制信号由操作屏送回，实现对现场的控制。PLC 通过扫描方式检测现场操作台各分部传动点的按钮、开关等信号，并根据操作信号的要求执行相应的加速／减速、速度微增/ 微减、紧纸／松纸、单动／联动、爬行／运行、启动／停止等相关操作控制和联锁、顺序控制。

4.2 变频器与PLC 的通讯

　　6SE70 系列变频器若想与PLC 通过PROFIBUS-DP 现场总线进行通讯，则必须在变频器中内插CBP2板卡。变频器通过CBP2板卡上的9 针SUB-D 型插接器可以很方便地连接到PROFIBUS-DP 系统中去。

PKW——参数识别值   PZD——过程数据   IND——标号
PWK——参数值   PKE——参数识别
图4 PROFIBUS 一DP 数据报文结构

　　CBP2 通讯板还支持PROFIBUS-DP 更多的功能，例如：周期性电报的灵活配置，在传动装置之间直接通讯，操作屏SIMATIC OP 作为PROFIBUS-DP 主站等。PROFIBUS-DP 通讯协议的报文结构如图4 所示。BP2 与CBP 完全兼容并已取代CBP 。CBP2 总共有5 个PPO（参数过程数据对象）它们又被划分为1 个PKW 区（参数识别值区，多4 个字）和1 个PZD 区（过程数据区，多10 个字）。PKW 区允许参数值的读写及参数描述的读出，如大频率、基本频率、加减速时间等。PLC 通过这种方式可监控和改变变频器的参数。PZD 区包含了从PLC 到变频器的信号，如过程控制所需的控制字和设定值等；或从变频器到PLC 的状态字和实际值，如电流反馈值、速度反馈值等。并且，除5 个PPO 之外，CBP2 还可使用多达16 个过程数据字的本身有用数据结构。CBP2 通讯板卡可以用外接的24V 电源供电，这样可以保证当电源从变频器上撤除后，总仍然是激活的。

5   注意事项
   
　　在实际施工过程中，采用了隔离和屏蔽措施，成功解决了PROFIBUS-DP 通讯不畅的问题。所以在PROFIBUS-DP 电缆施工过程中，要注意远离强电区，以避免强电的电磁干扰。

6   结语
   
　　本传动控制系统已经投人运行，运行状况良好，达到了预期的控制要求。系统由于使用了PROFIBUS-DP 网络，接线十分简单，系统结构得到了简化，便于维护，节省了安装费用，大大减少了维护开销；而且PROFIBUS-DP 网络的使用使得系统的准确性和可靠性得到了极大**，用户还具有高度的系统集成主动权。该系统投资成本相对较低，工程期短，见效快，由于**控制使长网多缸造纸机的工作车速上升到一个新的台阶，降低了故障率的发生，保证了纸机连续运转，取得了良好的经济效益

实木质装饰线条（又称木线条）是室内装饰用基础建筑材料。室内装饰工程的实木线条主要用于美化和保护装饰面板的收口位置，例如门套线、平板线、半圆线、阴角线、百叶线等。实木质线条由专用机械将各种木材剖析加工而成。由于木线条细长，对于木质要求较高，需用柚木、山毛榉（大多为红榉）、白木、水曲柳、椴木等“无节木”树材加工。木线条的加工质量是装饰效果的关键。木线条表面加工工艺的优劣，对油漆后的装饰成品形态和视觉效果有直接影响。

　　自动化木线条砂光机属于木材表面精加工专用木工机械。自动线条砂光机是对各种形状木线条进行砂光的机器，利用砂带、砂布(纸)砂光木工件表面，适合异性线条的砂光，减少人力，增进产能。复杂的直线仿形边的砂光，砂带速度和送料速度均采用无级变速。

2 基于台达机电一体化技术的砂光机

2.1 机械结构

　　（1）砂光功能与整机结构。适用于直线和L型较复杂之直线仿形砂光机，能一次同时砂削三个面两角。
整机结构参见图1。从进料位可看出,工位砂架1号是砂削木块上侧面；工位2号、3号是砂削及抛光木块右侧面；工位4号、5号是砂削及抛光木块左侧面，一次性共砂削三个面，进料处有一个光电开关，送料电机配有一个编码器计算加工量及计算位置。
　　（2）无级调速。砂带砂轮速度采用变频调速，能满足各种材质需求，操作方便。
　　（3）进给工位自动补偿。根据加工量增加来启动气阀进行仿形轮的自动进给补偿，保证砂头不会因磨轮的磨损而改变砂削效果。

图1砂光机整机

2．2　机械性能设计

机械性能设计是机电一体化自动化系统设计的基础。机械性能设计参参见表1。

表1砂光机机械性能

2．3 台达自动化体系设计
根据设备装置及工艺的要求，选择台达SV 系列PLC自动化技术平台。台达SV系列是台达Slim家族的新成员，不但体积小而且性能高，由于一个28点的主机上就有4信道200kHz高速脉冲输入和4通道200kHz高速脉冲输出，所以一台机器上只要一个28点的主机即可实现。另外，SV系列PLC超强的网络通讯功能为设备联网和工厂信息化提供了可能性，使客户无需增加额外的硬件投资即可实现轻松联网。满足了砂光机工艺高速计数要求。
电气自动化总配置选择台达机电产品： 台达触摸屏DOP57CSTD； SV 系列PLC主机DVP28SV11R；8DI/8DO继电器扩展模块DVP16SP11R；8DO继电器扩展模块DVP08SN11R；高功能低噪音迷你型变频器VFD022M43B分别驱动1号砂架电机 、2号砂架电机、3号砂头电机、4号砂架电机、5号砂头电机。系统构架参见图2。

图2 系统构架

2.3人机界面与操作

　　根据工艺的要求，在设计时每一个工位是独立分开的，可以任意选择，方便用户操作。在每一个工位里有一个隐藏按钮,启用了工位才可以按取隐藏按钮进入启用工位的参数设定及调试监控，如图3 、图4所示。

图3 工位选择

图4工位操作

　　　图4中每一个砂架上都配有一个吹灰阀吹干净砂削的木削粉。压模块推出长度设定:指木块起始端从光电开关ON时编码器开始有料计数达到设定此置时压模块推出开始削木块。压模块退回长度设定:指木块尾端从光电开关为OFF时编码器开始无料计数达到此设定数值时为退出压模块停止砂削木块。每个工位的旋转速度（变频器速度）在触摸屏上调整改变了以前在面板上调节。砂架2、4同理。

图5 砂头3工位操作

图6砂头5工位操作

　　　图5显示砂头工位3控制画面，砂头推出长度设定跟压模块推出长度设定动作原理一样,砂头是用来抛光木块用的，而砂架上的是砂纸用来打磨用的，两者的功能用途不一样。此画面有补偿阀有开关选择可启用或者关闭此工功能，开始此功能时，须设定位置来补偿，这设定值是指在砂头抛光木块多少个厘米开始补偿一次，实现不会因为砂轮抛光木块多而直径减小，造成抛光不到木块。后面有一个显示值可实时观看到当次补偿后的抛光木块数量。砂头工位5原理相同控制画面。

2.4故障处理

　　　触摸屏设计报警画面如图7图所示。当有报警时此画面会自动调出，并显示当前的警报故障。


　　　从警报内容可看出，警报号1—5分别是变频器通信故障，当没有接通信线时或者说通信断了及接错了，都会报站号的变频器通信故障报警,以便电气工程师查询；警报号8—12分别是变频器过载报警；警报号13指输送电机过载；14号编码器故障，没有接编码器或者说相位接错及缺相者会报14 编码器信号错误。 在总个机械上装有多个急停按钮，因此在触摸屏上专做一个子画面显示急停按钮信息。当任何一个急停按钮按下时，触摸屏会自动跳出图7的子画面并一直显示，直到全部急停按钮都释放后，图7画面会自动关闭。总个电气有报警信息显示，方便电工及操作工的故障排除。