电子发烧友网 > 接口/总线/驱动 > 正文

采用西门子profibus dp高速现场总线实现纸机控制系统的设计

2020年03月30日 10:53 次阅读

一、项目简介

山东德州兴泰纸业公司是山东照东方纸业集团新建的具有国内领先水平的高档板纸生产企业。其高档板纸项目为国家经贸委批复立项的国家重点技术改造“双高一优”项目。公司位于山东省平原县龙门经济开发东区,占地500余亩,总投资5亿元,主要生产100-300g/m2环保型高档工业板纸。设计生产能力为20万吨/年。该项目采用日本、欧美等国家的先进的生产工艺设备,配置了国内先进的4400/450板纸机生产线,是国内生产规模最大的生产线之一。项目工艺以美废(欧废、国废),木浆为主要原料。可参阅下图(一)。

采用西门子profibus dp高速现场总线实现纸机控制系统的设计

该4200/450纸机传动控制系统以西门子S7-400 PLC为主控制器,以5个S7-200 PLC为辅助控制器,同时配合5个OP270操作屏作为系统操作控制

面板。由于该传动系统共有传动点40个,再加上主从控制PLC、操作屏,整个系统的节点数共有50个,必须采用高速通讯网络来实现实时数据交换与控制,因此采用西门子profibus dp高速现场总线通讯网络来构建整个传动系统,从而保证系统反应迅速及时,并能可靠运行。

二、控制系统构成

纸机控制系统的结构图如下图(二)所示:

采用西门子profibus dp高速现场总线实现纸机控制系统的设计

系统为三级控制方式。

传动系统第一级为变频器控制级,变频器采用ABB公司ACS800系列multidrive多传动控制器,配有闭环控制编码器反馈板,组成闭环控制系统。变频器上还配有DP通讯板,与PLC组成PROFIBUS-DP现场总线控制网络进行实时高速通讯。[page]

传动系统第二级为PLC控制系统,PLC采用西门子公司大型S7-400 CPU为414-2DP,操作控制选用西门子OP270操作屏。S7-400与变频器、OP270操作屏以及S7-200辅助PLC组成PROFIBUS-DP现场总线控制网络,完成整个纸机操作控制。

传动系统第三级为上位优化控制系统,采用DELL公司工业控制计算机,用于整个纸机传动系统状态监控。上位机采用西门子组态软件WINCC,可以通过工业以太网与QCS上位机、DCS上位机、车间管理级、厂级管理级等联网控制,实现纸机传动控制系统优化控制和自动控制。

三、 控制系统完成的功能

在纸机传动控制系统中,根据工艺要求需要实现以下几个主要的控制。

1.速度链控制

速度链结构采用二叉树数据结构算法,先对各传动点进行数学抽象,确定速度链中各传动点的编号,此编号应与传动单元(本系统为逆变器)中设定的地址一致。即任一传动点由三个数据(“父子兄”或“父子弟”)确定其在速度链中的位置,填入位置寄存器相应的数值,从而构成整个速度链结构。

算法设计:

图 (三) 速度链控制结构示意

如图(三)所示我们把纸机第一分部点作为速度链中的主节点,即它的给定速度就决定整个纸机的工作车速,调节其给定速度就调节了整个纸机车速。在PLC内,我们检测到车速调节信号则改变车速单元值,1点处的速度就为第一台变频器的运行速度设定值,将其送第一台变频器执行,并送给第二台计算。第一分部的速度值乘以第二分部的变比b1/a则为第二台变频器的给定值。若第二分部速度不满足运行要求,说明第二分部变比不合适,可通过操作第二分部的加速、减速按钮实现,PLC检测到按钮信号后调节b1即调整了变比,使其适应生产要求。相当于在PLC内部有一个高精度的齿轮变速箱,可以任意无级调速。若正常生产中变比合适,某种原因需要用紧纸、松纸时,按下该分部紧纸、松纸按钮,PLC将对应在速度链上附加一正或负的偏移量则实现紧纸、松纸功能。图中2点就包含了调速和紧纸、松纸等操作指令的速度值,将它送给第二台变频器执行,同时送下一级计算。依此类推,构成速度链控制系统。速度链的分支设计采用父子算法,可以构成任意分支的速度链结构。

采用西门子profibus dp高速现场总线实现纸机控制系统的设计

本速度链的设计不仅只是为实现纸机传动控制要求,而且为后续的计算机优化控制提供了可能。在PLC内部有非常精确的传动变比,我们设计为精度为0.001%,通过设定参数可以做到更高。这样有精确的传动变比上位计算机可以精确地记忆纸机传动过程参数,当需要更换品种或车速时,上位计算机可以准确地将纸机运行参数传入到PLC,由PLC执行,将纸机调整到当前工作状态。

2.负荷分配控制

在纸机传动控制过程中经常遇到由几台电机同时拖动同一负载的情况。例如压榨部两辊压榨,上下传动辊都有自己的传动电机,通过加压同步运行。所以类似这样的传动只有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,否则会造成一个传动点由于过载而过流,另一传动点则由于被拖动而过压,由此可能造成传动单元报警甚至停机,影响生产。因此这两个传动点之间需要进行负荷分配控制。

采用西门子profibus dp高速现场总线实现纸机控制系统的设计

负荷分配原理:在多电机传动过程中要求各传动点电机负载率相同,即δ=Pi/Pie相同(Pi为i电机所承担负载功率,Pie为电机额定功率)。而且在负荷分配调节过程中不能影响其它各分部的速度。所以我们采用速度链主链与子链相结合的设计方法。

本系统中共有11组负荷分配传动点。包括网部4组,压榨部3组,烘缸部3组以及施胶部1组。plc采集负荷分配点的运行转矩,求出每组总的负载转矩,根据总负荷转矩计算负载均衡时的期望转矩值,如下式:

其中:是均衡时的期望转矩值;

Pie是负荷分配各点的额定功率; TI是各点的实际转矩。

主控PLC由DP总线通过通讯取得各点的实际转矩,通过上式计算出负荷均衡时的期望转矩作为给定值,通过调节驱动单元的输出,使各点的实际转矩值趋向一致。在实际设计中,使负荷分配传动点处于速度链的支链上,则当调节该点负荷时,不会影响其他传动点;同时还要考虑到调节负荷分配各点的输出时设置输出限幅,以免速差过大造成设备损害。

3.液压压力闭环控制

在国内多数纸机中,压榨部加压及卷取部主臂加压大多采用手动阀操作的开环控制,压力调节精度较差,压力不易保持稳定。在本系统中采用压力闭环控制系统,不但使得压力调节精度提高,而且压力稳定,从而对纸机的正常生产提供了保证。

设计中要得到较高的控制质量,首先要对压力值进行校准。由于压力传感器本身的非线性,因此可采用分段线性化对压力值进行校准,即使得现场压力表的显示值和操作屏上的显示值达到一致。一般而言,可以把校准范围分为三段,因为压力传感器两侧线性较差,而在中间段线性较好。

对压力值进行校准之后,通过PID控制算法实施压力闭环控制,适当整定PID参数即可达到压力的稳定输出控制。实际设计中,压力的实际值通过压榨部S7-200辅助PLC采集后滤波处理并进行闭环控制程序设计,并将相应的数据通过DP总线送入主控PLC中,在通过操作屏进行显示及参数设置。

另外,还要考虑到压差自动抬辊,手动/自动切换,预压/加压控制等控制环节。

4.张力控制

根据纸机工艺要求,在施胶机前、压光机前加入张力传感器。张力传感器将张力信号送入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进行调节。保持张力恒定准确。并在操作台的操作屏上显示实际张力。

张力传感器检测纸页的张力信号送入S7-400 PLC内,根据在操作屏上的张力设定进行计算,调节其后传动辊的输出转矩,维持纸页张力恒定,实现张力闭环控制。在张力传感器前加有断纸检测,出现断纸,可以自动退出张力控制模式,自动转为速度控制模式。待纸页重新引上后,断纸信号消失,自动转换为张力控制模式。

PLC内采用PID控制算法,并带有速度限幅,防止断纸时出现飞车现象。PLC对张力传感器信号进行分析,可以及时报警并有效预防张力传感器故障对生产的影响。

张力控制可以通过操作屏选择投入/退出功能。

5.自动换卷控制

要实现自动换卷功能,必须纸机的机械、液压、气动及电气等各项指标都达到较高的控制精度和可靠性,否则可能造成设备及人员损伤。因此在卷纸机的相关部位共装有23个接近开关,用来检测卷纸机换卷过程中各部位动作到位情况。

在设计中采用“手动/半自动/全自动”三种控制模式。“手动”模式下,纯粹以手动操作;“半自动” 模式下,整个换卷过程分为连续的几个阶段,每完成一个阶段,系统检测当前各部分是否到位,并给出提示信号,如果正常则可继续进行下一阶段,否则系统报警提示,并停止动作以便操作人员处理。“全自动”模式时,正常情况下系统完全自动运行,一旦检测到某部分运行不到位,则立即停止动作并给出声光报警提示,由操作人员进行处理。

设计中接近开关的检测信号送入卷取部S7-200辅助PLC中,并通过DP总线送入主控PLC进行处理,在操作屏上显示检测信号状态及提示信息等,配合操作人员及时掌握自动换卷运行状态。整个自动换卷程序在辅助PLC中运行。

四、 项目运行

该系统自从2006年8月开始投入运行,经过一段时间的机械磨合期,操作人员熟练之后,系统的调速精度、动态响应、负荷分配调节效果、系统稳定性等各方面指标均达到设计要求,满足生产的需要,最终得到用户的肯定。

五、 应用体会

通过上百套大中小型各类西门子PLC在纸机传动系统中的实践应用,验证了其在工业现场的可靠性,灵活性以及方便易用性都具有很强的竞争力,特别是profibus dp总线其高速通讯性能,灵活的配置组态,现已成为国际标准总线之一,其在中大型纸机自动化控制系统中的应用也越来越广泛。

责任编辑:gt

下载发烧友APP

打造属于您的人脉电子圈

关注电子发烧友微信

有趣有料的资讯及技术干货

关注发烧友课堂

锁定最新课程活动及技术直播

电子发烧友观察

一线报道 · 深度观察 · 最新资讯
收藏 人收藏
分享:

评论

相关推荐

基于CAN现场总线的集散型火灾报警控制系统设计

CAN(Controller Area Network)即控制器区域网——一种有效的支持分布式控制和....
发表于 2020-03-30 15:23 0次阅读
基于CAN现场总线的集散型火灾报警控制系统设计

基于mm440变频器实现连铸机切割自动控制系统的...

济钢集团第三炼钢厂是济钢集团“十五”期间的重点投资项目,引进的是国内外一流的先进设备和自动化控制技术....
发表于 2020-03-30 10:46 34次阅读
基于mm440变频器实现连铸机切割自动控制系统的...

基于CC-Link现场总线实现对纺丝机自动化监控...

该纺丝厂原电控系统采用继电器进行逻辑控制,继电器控制采用硬接线方式,系统很不稳定,故障率高,一旦出现....
发表于 2020-03-30 10:30 36次阅读
基于CC-Link现场总线实现对纺丝机自动化监控...

采用netTAP系列通用网关实现现场总线从站到串...

智能控制仪表是工业控制中最常用的控制器之一,其主要是针对某一特定的参数(如压力、温度、流量等),采用....
发表于 2020-03-30 10:14 136次阅读
采用netTAP系列通用网关实现现场总线从站到串...

通过CAN-bus总线对室内空调的温/湿度模拟系...

本系统是一个室内空调温/湿度控制系统的模拟系统数据采集及控制中心通过CAN-bus 总线定时采集各个....
发表于 2020-03-30 09:38 31次阅读
通过CAN-bus总线对室内空调的温/湿度模拟系...

利用基金会现场总线技术对唐钢煤气焦化厂控制系统进...

唐钢煤气焦化厂化产车间仪表系统参数检测和控制采用的全部是模拟仪表,有些甚至为老式的II性仪表,存在着....
发表于 2020-03-30 09:26 33次阅读
利用基金会现场总线技术对唐钢煤气焦化厂控制系统进...

DeviceNet现场总线在大众BORA A4总...

DeviceNet现场总线是世界一流的自动化控制和信息解决方案供应商——美国罗克韦尔自动化(Rock....
发表于 2020-03-30 09:20 49次阅读
DeviceNet现场总线在大众BORA A4总...

西门子S7-1500系列PLC控制的6轴机器人系...

根据客户的现场情况,为客户量身定制了zui优项目解决方案:采用西门子S7-1500系列PLC、西门子....
发表于 2020-03-29 16:57 41次阅读
西门子S7-1500系列PLC控制的6轴机器人系...

基于ARM处理器和CPLD技术实现智能移动机器人...

该系统设计的轮式移动机器人机械导航结构采用四轮差速转向式的机械机构,前面两个轮是随动轮,起支撑作用,....
发表于 2020-03-29 10:44 87次阅读
基于ARM处理器和CPLD技术实现智能移动机器人...

采用现场总线和PLC器件实现板坯连铸机电气自动控...

板坯连铸机电气基础自动化控制系统是保证连铸机正常生产的关键系统,相对其它系统而言,对于系统硬件的可靠....
发表于 2020-03-28 10:41 67次阅读
采用现场总线和PLC器件实现板坯连铸机电气自动控...

基于ControlLogix结构体系的供水行业自...

此系统是珠海广昌泵站的自动化控制系统,广昌泵站是为解决珠海市及澳门咸期供水而新建的一个泵站,其日供源....
发表于 2020-03-28 10:34 71次阅读
基于ControlLogix结构体系的供水行业自...

基于ControlLogix和NetLinx总线...

大豆分离蛋白的生产工艺复杂、质量控制要求严格。我国现有的绝大部分大豆分离蛋白生产线工艺设备落后,生产....
发表于 2020-03-28 10:24 51次阅读
基于ControlLogix和NetLinx总线...

基于西门子PROFIBUS和AS–i总线技术实现...

面对日益激烈的国际能源市场竞争,在石化企业安全事故频发的背景下,迫切要求油库提高效率、加快周转,加强....
发表于 2020-03-28 10:00 69次阅读
基于西门子PROFIBUS和AS–i总线技术实现...

采用JBS2GK03装置和OPC服务器实现水箱系...

本实验测控系统采用的JBS2GK03过程控制实验装置,被控参数变量为液位、流量、温度和压力。该过程为....
发表于 2020-03-28 09:54 163次阅读
采用JBS2GK03装置和OPC服务器实现水箱系...

基于西门子PLC S5器件实现多电机交流控制系统...

图一(左)是多电机交流控制系统的硬件联络图。由图中可知,现场总线Profibus的主设备采用了西门子....
发表于 2020-03-28 09:47 90次阅读
基于西门子PLC S5器件实现多电机交流控制系统...

美国奥法特空军将接收一套洲际弹道导弹发射控制系统...

ALCS是一种非常独特的核武器系统,如果地面的发射控制中心被摧毁,该系统为美国军方提供了一种从飞机上....
发表于 2020-03-27 10:57 38次阅读
美国奥法特空军将接收一套洲际弹道导弹发射控制系统...

LonWorks现场总线的特点及在应用中的两种通...

本文介绍了利用LonWorks现场总线代替原有的现场工业控制总线。利用LonWorks底层的显形报文....
发表于 2020-03-27 10:36 57次阅读
LonWorks现场总线的特点及在应用中的两种通...

基于总线技术和以太网改造制丝线控制系统的设计方案

制丝生产线是卷烟生产的第一道工序,包括叶丝生产线和梗丝生产线,其目的是将复烤厂加工后的烟叶及烟梗分别....
发表于 2020-03-27 10:28 73次阅读
基于总线技术和以太网改造制丝线控制系统的设计方案

采用INTTERBUS及MODBUS现场总线技术...

INTERBUS现场总线由德国Phoenix Contact 公司开发,INTERBUS Club俱....
发表于 2020-03-27 10:20 71次阅读
采用INTTERBUS及MODBUS现场总线技术...

采用CC-Link解决隧道掘进设备自动控制系统的...

飞机、导弹、宇宙飞船等“上天”装备对自动控制系统的要求是众所周知的,而隧道掘进设备对自动控制系统的要....
发表于 2020-03-27 10:06 71次阅读
采用CC-Link解决隧道掘进设备自动控制系统的...

采用现场总线技术的NETWORK-6000+控制...

NETWORK-6000+分散控制系统,其分散处理单元(DPU)T940X的CPU采用Pentium....
发表于 2020-03-27 09:29 52次阅读
采用现场总线技术的NETWORK-6000+控制...

互联互通一卡通

在控制系统中,所谓的“语言”被称为“协议”,是系统中的设备之间进行指令和信息传递时,采用的数据格式等....
发表于 2020-03-26 10:57 227次阅读
互联互通一卡通

CC-Link网络的特点及实现并条生产系统的结...

如图1所示为ASFA306型并条机的工艺过程,并条机机后是导条架,下面每侧各放6个或8个喂入棉条筒1....
发表于 2020-03-26 10:41 64次阅读
 CC-Link网络的特点及实现并条生产系统的结...

基于现场总线技术对连铸机的网络结构和自动化系统进...

近年来,钢铁行业竞争日渐激烈,而企业只有不断进行技术改造,提高产品质量,降低生产成本,才能获得进一步....
发表于 2020-03-26 10:24 75次阅读
基于现场总线技术对连铸机的网络结构和自动化系统进...

基于CC-Link现场总线实现智能建筑楼宇的自控...

安全、可靠供电是智能建筑正常运行的先决条件。本系统根据需要将电压、电流、功率因数和频率传感器将电压、....
发表于 2020-03-26 10:04 78次阅读
基于CC-Link现场总线实现智能建筑楼宇的自控...

A-B现场总线技术实现乳品生产线的改造设计

ControlNet是90年代以后开发和应用的自动化及控制网络,该网络集数种网络的优点于一身,拥有I....
发表于 2020-03-26 09:35 80次阅读
A-B现场总线技术实现乳品生产线的改造设计

CC-Link现场网络实现印刷机控制系统的设计

在全面审视上述要求之后,选择什么样的电控系统和现场总线,还应该比较它们的性能价格比,以及实现通信的方....
发表于 2020-03-26 09:30 38次阅读
CC-Link现场网络实现印刷机控制系统的设计

西门子和Ubitricity合作在英国伦敦一条街...

西门子(Siemens)进行的研究发现,超过三分之一的英国驾车者正计划购买一辆混合动力或全电动汽车作....
发表于 2020-03-25 16:11 443次阅读
西门子和Ubitricity合作在英国伦敦一条街...

Profibus现场总线技术在汽车、摩托车行业生...

长安汽车制造厂原来可以生产6种型号汽车,年产量在8万辆左右。他的总装生产线是在80年代末引进美国50....
发表于 2020-03-25 10:43 99次阅读
Profibus现场总线技术在汽车、摩托车行业生...

现场总线技术的结构、特点及在化工行业中的应用研究

随着电力行业的技术进步,化工行业自动化水平日益提高,国内各大化工厂纷纷将配电自动化系统纳入DCS(集....
发表于 2020-03-25 10:18 82次阅读
现场总线技术的结构、特点及在化工行业中的应用研究

基于现场总线和单片机实现分布烤烟实时远程监控系统...

当今计算机控制系统正迅速向分散的现场总线控制系统(FCS)方向发展,现场总线的使用,使得包含工业控制....
发表于 2020-03-25 10:09 60次阅读
基于现场总线和单片机实现分布烤烟实时远程监控系统...

基于以太网的现场总线技术实现自动化系统的控制功能

现场总线是“安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字化、....
发表于 2020-03-25 09:47 51次阅读
基于以太网的现场总线技术实现自动化系统的控制功能

现场总线技术在应用区域及挑战解决方法

许多工程师目前都在不知不觉中询问哪种现场总线技术适用于他们的设备。当被选中的技术要用于危险区域时,棘....
发表于 2020-03-25 09:38 42次阅读
现场总线技术在应用区域及挑战解决方法

采用PLC挂接现场总线和以太网实现卷烟厂制丝线电...

在生产现场,各工艺段的PLC负责本工艺段的控制,根据生产工艺要求,发送相应控制指令;现场总线传送指令....
发表于 2020-03-25 09:22 68次阅读
采用PLC挂接现场总线和以太网实现卷烟厂制丝线电...

基于西门子PLC产品和现场总线技术在车辆油漆喷涂...

现场总线控制技术已经被广泛应用于汽车、石油化工、电力、楼宇自控等各个领域。其中profibus-dp....
发表于 2020-03-24 10:29 104次阅读
基于西门子PLC产品和现场总线技术在车辆油漆喷涂...

基于现场总线技术实现多台联网的PLC网络设计方案

工控pc机内插pci-can板卡(如研华的pci1680、周立功的pci5110等),可以组建can....
发表于 2020-03-24 09:38 112次阅读
基于现场总线技术实现多台联网的PLC网络设计方案

采用s7-315-2dp plc处理器和总线技术...

设备控制系统网络结构参见图1。profibus-dp网络是网络集成的最底层,主要是连接现场设备,如分....
发表于 2020-03-24 09:29 43次阅读
采用s7-315-2dp plc处理器和总线技术...

PROFIBUS协议在大直缝铣边机的电气控制系统...

由我公司生产研制的大直缝铣边机是石油天然气管道制造行业中大口径直缝焊管生产线(JCOE)上的关键设备....
发表于 2020-03-24 09:21 47次阅读
PROFIBUS协议在大直缝铣边机的电气控制系统...

求购西门子模块plc模块西门子cpu模块触摸屏罗克韦尔ab模块

求购西门子模块plc模块西门子cpu模块触摸屏罗克韦尔ab模块 手机+微信 134 5620 2180 ...
发表于 2020-03-21 15:39 262次阅读
求购西门子模块plc模块西门子cpu模块触摸屏罗克韦尔ab模块

现场总线的种类和概念

一、现场总线简介 随着控制、计算机、通讯、网络等技术的发展,信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到...
发表于 2020-03-16 10:38 36次阅读
现场总线的种类和概念

分布式控制系统的组成是什么?

由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路,同时又可集中获取数据、集中管理和集中控制的自动控制系统 。分布式控制...
发表于 2020-03-13 09:02 85次阅读
分布式控制系统的组成是什么?

永磁同步电机常用计算公式(电机研发人员整理)

永磁同步电机常用计算公式(电机研发人员整理) ...
发表于 2020-01-09 22:49 1341次阅读
永磁同步电机常用计算公式(电机研发人员整理)

USB6008采集到数据如何送到输出端口?

最近在做一个气压系统伺服控制,原理图如下图: 现在自己刚开始用LABVIEW,弄了一个简单程序,如下图: 输入...
发表于 2019-12-17 18:41 299次阅读
USB6008采集到数据如何送到输出端口?

labview怎么调用S7.NET.dll做S7-1200的通讯

目前在做plc无程序通讯,labview调用动态链接库之前有大佬发过的dll我也试过是可以通讯的,现在想试一下官方的S7.NE...
发表于 2019-11-15 09:37 555次阅读
labview怎么调用S7.NET.dll做S7-1200的通讯

智能传感器和现场总线有什么特点?

实际上现场总线控制系统就是以现场总线技术为核心,以基于现场总线的智能I/O或智能传感器、智能仪表为控制主体、以计...
发表于 2019-11-08 06:42 313次阅读
智能传感器和现场总线有什么特点?

西门子开关有什么优点?

大翘板开关手感强。插座的多种标准选择中国的扁三眠,美式、英式等适合不同场合需要。...
发表于 2019-11-06 09:11 185次阅读
西门子开关有什么优点?

如何设计基于EDA技术的自动门控制系统?

门和人类文明是孪生的,它伴随着人类文明的发展而跃动。21世纪的今天,门更加突出了安全理念,强调了有效性:有效地防...
发表于 2019-11-01 06:50 210次阅读
如何设计基于EDA技术的自动门控制系统?

如何设计嵌入式现场总线通信网关?

  文中设计的现场总线通信网关提供了对CANBUS和MODBUS的支持,实现了CANBUS与MODBUS数据的...
发表于 2019-10-30 07:21 156次阅读
如何设计嵌入式现场总线通信网关?