基于S7-400PLC造紙機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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基于S7-400PLC造紙機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)
Abstract—UsingtheSIEMENSPROFIBUSProtocolrealizethecommunication
S7-400PLCwithABBACS800invert,finishthespeedchainandload
distributecontrolfunction.Thecontrolsysteminpapermachineachievea
highprecisionandstability.Fulfilltherequiringoftheprocessin
papermachine.Thepracticeprovedthat,thisstructurecontrolmodemay
applytothelarge-scaleandhighspeedpapermachineelectricity
transmissioncontrol
Keywords—inverter PLC protocol systemdesign papermachine
摘要
系統(tǒng)利用西門子PROFIBUS總線通訊協(xié)議格式，實(shí)現(xiàn)S7-400PLC與ABBACS800變頻器
的通訊，完成造紙機(jī)速度鏈、負(fù)荷分配等控制功能，在造紙機(jī)傳動(dòng)中取得了較高的控制精度和
穩(wěn)定性，充分滿足造紙機(jī)生產(chǎn)的需要。實(shí)踐證明，該結(jié)構(gòu)控制方式可應(yīng)用于大型、高速紙機(jī)的
電氣傳動(dòng)控制。
關(guān)鍵詞 變頻器，PLC，協(xié)議，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，造紙機(jī)
1. 引言
在紙機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到造紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的特殊性，所以既要滿足紙機(jī)傳動(dòng)
控制系統(tǒng)的可靠性和良好的控制精度與穩(wěn)定性，又要降低控制系統(tǒng)造價(jià)的原則。因此，我們選
擇西門子S7-400PLC和ABBACS800全數(shù)字多功能矢量控制變頻器，利用PROFIBUS協(xié)議通信
格式實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器的通信功能，組成該機(jī)的控制系統(tǒng)。
1.1ACS800系列變頻器簡(jiǎn)介：
ACS
800系列變頻器是ABB公司采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)，結(jié)合諸多先進(jìn)的生產(chǎn)制造
工藝推出的高性能變頻器。它具有很寬的功率范圍，優(yōu)良的速度控制和轉(zhuǎn)矩控制特性。完整的
保護(hù)功能以及靈活的編程能力。因而，它能夠滿足絕大多數(shù)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。DTC技術(shù)是
ACS
800 的核心：直接轉(zhuǎn)矩控制對(duì)交流傳動(dòng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)最優(yōu)的電機(jī)控制方法，它可以對(duì)所有
交流電機(jī)的核心變量進(jìn)行直接控制。它開(kāi)發(fā)出交流傳動(dòng)前所未有的能力并給所有的應(yīng)用提供了
益處。
1.2PROFIBUS概述及協(xié)議分析
PROFIBUS是Process
Fieldbus 的縮寫，是由德國(guó)西門子公司提出的一種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在已成為了一種國(guó)
際性的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn),
即 EN50-170 歐洲標(biāo)準(zhǔn)。目前世界上許多自動(dòng)化技術(shù)生產(chǎn)廠家都為它們生產(chǎn)的設(shè)備提供
PROFIBUS 接口。PROFIBUS 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于加工制造、過(guò)程和樓宇自動(dòng)化，應(yīng)用范圍非常廣
泛。
PROFIBUS以其先進(jìn)的技術(shù)和非凡的可靠性代表了當(dāng)今現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展方向。
PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分為PROFIBUS—DP，PROFIBUS—FMS，PROFIBUS
—PA。三個(gè)版
本，分別用于不同的場(chǎng)合。
PROFIBUS 是一種現(xiàn)場(chǎng)總線，因此可以將數(shù)字自動(dòng)化設(shè)備從底級(jí)(傳感器／執(zhí)行器)到中
間執(zhí)行級(jí)(單元級(jí))分散開(kāi)來(lái)。通信協(xié)議按照應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了優(yōu)化，故幾乎不需要復(fù)雜的接口即可
實(shí)現(xiàn)。參照ISO／OSI參考模型，PROFIBUS只包含第l，2,分享專業(yè)智慧，相聚電氣天下
和7層。PROFIBUS協(xié)議層或子層說(shuō)明如下：
1)、PROFIBUS第1層
第 1 層—PHY：規(guī)定了線路介質(zhì)、物理連接的類型和電氣特性。PROFIBUS 通過(guò)采用差
分電壓輸出的RS485實(shí)現(xiàn)電流連接。在線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下采用雙絞線電纜。樹(shù)型結(jié)構(gòu)還可能用到
中繼器。
2)、PROFIBUS第2層
第2層—MAC：第2層的介質(zhì)存取控制(MAC)子層描述了連接到傳輸介質(zhì)的總線存取方
法。PROFIBUS采用一種混合訪問(wèn)方法。由于不能使所有設(shè)備在同一時(shí)刻傳輸，所以在
PROFIBUS 主設(shè)備(masters)之間用令牌的方法。為使 PROFIBUS 從設(shè)備(slave)之間也能
傳遞信息，從設(shè)備由主設(shè)備循環(huán)查詢。
PR0fIBUS第2層FlC：第2層的現(xiàn)場(chǎng)總線鏈路控制(FLC)子層規(guī)定了對(duì)低層接口(LLl)有
效的第2層服務(wù)，提供服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)(SAP)的管理和與LLI相關(guān)的緩沖器。
PROFIBUS 第 2 層 FMAl／2：第 2 層的現(xiàn)場(chǎng)總線管理(FMAl／2)完成第 2 層(MAC)特定
的總線參數(shù)的設(shè)定和第1層(PHY)的設(shè)定。FLC和LLI之間的SAPs可以通過(guò)FMAl／2激活或
撤消。此外，第1層和第2層可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤事件會(huì)被傳遞到更高層(FMA7)。
3)、PROFIBUS第3—6層
第 3—6 層在 PROFIBUS 中沒(méi)有具體應(yīng)用，但是這些層要求的任何重要功能都已經(jīng)集成
在“低層接口”(LLI)中。例如，包括連接監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)控。
4)、PROFIBUS第7層
PROFIBUS 第 7 層 LLI：低層接口(LLI)將現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范(FMS)的服務(wù)映射到第 2 層
(FLC)的服務(wù)。除了上面已經(jīng)提到的監(jiān)控連接或數(shù)據(jù)傳輸，LLI還檢查在建立連接期間用于描述
一個(gè)邏輯連接通道的所有重要參數(shù)。可以在 LLI 中選擇不同的連接類型，主／主連接或主／從
連接。數(shù)據(jù)交換既可是循環(huán)的也可是非循環(huán)的。
PROFIBUS 第7 層FMS：第 7 層的現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范(FMS)子層將用于通信管理的應(yīng)用
服務(wù)和用于用戶的用戶數(shù)據(jù)(變量、域、程序、事件通告)分組。借助于此，才可能訪問(wèn)一個(gè)應(yīng)用
過(guò)程的通信對(duì)象。FMS主要用于協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)的編碼和譯碼o
PROFIBUS第7層fMA7：與第2層類似，第7層也有現(xiàn)場(chǎng)總線管理(FMA7)。FMA7保
證FMS和LLI子層的參數(shù)化以及總線參數(shù)向第2層(FMAl／2)的傳遞。在某些應(yīng)用過(guò)程中，還
可以通過(guò)FMA7把各個(gè)子層的事件和錯(cuò)誤顯示給用戶。
5)、PROFIBUSALI
ALI：位于第 7 層之上的應(yīng)用層接口(ALI)，構(gòu)成了到應(yīng)用過(guò)程的接口。ALI 的目的是將
過(guò)程對(duì)象轉(zhuǎn)換為通信對(duì)象。轉(zhuǎn)換的原因是每個(gè)過(guò)程對(duì)象都是由它在所謂的對(duì)象字典(OD)中的特
性(數(shù)據(jù)類型、存取保護(hù)、物理地址)所描述的。
2. 系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)組成
要想組成PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，必須有兩個(gè)條件。主站的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具和從站的GSD文件，分享專業(yè)智慧，相聚電氣天下
兩者缺一不可。主站的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件，用來(lái)將各個(gè)站組成網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)
參數(shù)和站的參數(shù)，并將已設(shè)置好的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)傳送給主站。GSD文件稱為設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)文件。對(duì)一
種設(shè)備類型的特征 GSD 文件以一種準(zhǔn)確定義的格式給出其全面而明確的描述。GSD 文件由生
產(chǎn)廠商分別針對(duì)每一種設(shè)備類型準(zhǔn)備并以設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)清單的形式提供給用戶，此種明確定義的
文件格式便于讀出任何一種PROFIBUS設(shè)備的設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)文件，并且在組態(tài)總線系統(tǒng)時(shí)自動(dòng)使
用這些信息。在組態(tài)階段，系統(tǒng)自動(dòng)地對(duì)輸入與整個(gè)系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)據(jù)的輸入誤差和前后一致性
進(jìn)行檢查核對(duì)。
在組網(wǎng)時(shí)，必須先把你所須的從站的GSD文件裝載到網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具里。這樣在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)
工具里就有了你所須的從站的選項(xiàng)。用網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具建一個(gè)你所需要的網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，
然后在網(wǎng)絡(luò)上添加你所須的站，并設(shè)置站的參數(shù)，最后把設(shè)置好的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)傳送給主站，這樣
就組建好了一個(gè)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。本控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
系統(tǒng)選用 ABB 公司 ACS800 直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）變頻器，以 PLC 為控制中
心，
PLC通過(guò)PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線與變頻器構(gòu)成DCS控制系統(tǒng)。PLC與上位機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)觸
摸屏、變頻器實(shí)行PROFIBUS高速通訊。
傳動(dòng)部下位控制中心為西門子 S7-400 PLC，在 PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線上 S7-400
PLC是主站，選用CPU414-2
DP，有強(qiáng)大的通訊功能，自身帶有一個(gè)PROFIBUS-DP接口，可與變頻器及操作現(xiàn)場(chǎng)觸
摸屏采用 PROFIBUS-DP 總線實(shí)現(xiàn)高速通訊，完成整個(gè)紙機(jī)傳動(dòng)過(guò)程中的速度鏈、負(fù)荷分配、
張力控制等功能。PLC 接受上位機(jī)優(yōu)化控制指令，可以根據(jù)紙張生產(chǎn)品種自動(dòng)調(diào)節(jié)各分部速度
以適應(yīng)生產(chǎn)需求。同時(shí)PLC將各分部運(yùn)行參數(shù)送往上位機(jī)，以便及時(shí)了解生產(chǎn)狀況。

您好，關(guān)于"基于S7-400 PLC造紙機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)"，這是一個(gè)專業(yè)且技術(shù)性的主題。S7-400是西門子的一款高級(jí)可編程控制器（PLC），常用于工業(yè)自動(dòng)化控制中，尤其適合大型和復(fù)雜的系統(tǒng)，如造紙機(jī)。 在造紙機(jī)的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，S7-400 PLC會(huì)扮演核心角色。它通過(guò)預(yù)設(shè)的程序邏輯（即梯形圖或功能塊圖），控制紙機(jī)的各個(gè)環(huán)節(jié)，比如原料處理、混合、壓榨、干燥和切割等過(guò)程。這個(gè)設(shè)計(jì)可能包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、安全保護(hù)機(jī)制、生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控以及故障診斷等功能，以確保整個(gè)造紙流程的高效、穩(wěn)定和安全運(yùn)行。 如果您有關(guān)于具體的設(shè)計(jì)步驟、編程語(yǔ)言使用、接口配置或者遇到的問(wèn)題，歡迎詳細(xì)提問(wèn)，我會(huì)盡我所能提供幫助。