PLC負荷分配控制器的設計-畢業(yè)設計論文

PAGE38陜西科技大學畢業(yè)設計（論文）說明書PAGE37PLC負荷分配控制器的設計目錄目錄 1第1章緒論 21.1負荷分配的應用及其戰(zhàn)略意義 21.2國內(nèi)外技術現(xiàn)狀 31.2.1國內(nèi)技術現(xiàn)狀 31.2.2國外技術現(xiàn)狀 31.3紙機傳動現(xiàn)狀介紹 41.4本研究的意義和存在的問題 4第2章負荷分配原因及影響 52.1負荷分配問題產(chǎn)生的原因和影響 52.2解決負荷分配問題的理論根據(jù) 5第3章負荷分配原理及計算方法 83.1直流傳動的負荷分配 83.1.1直流電機的功率介紹 83.1.2直流電機的機械特性曲線 93.1.3直流傳動負荷分配設計 103.2交流傳動的負荷分配設計 14第4章負荷分配PLC控制器的設計 194.1硬件組成 194.1.1PLC介紹 194.1.2ABB變頻器介紹 224.2通訊協(xié)議 264.3算法及程序 33第5章結(jié)論 355.1本文的結(jié)論及意義 355.2本文的不足 355.3前景展望 35致謝 36參考文獻 37第1章緒論1.1負荷分配的應用及其戰(zhàn)略意義縱觀紙機傳動系統(tǒng)的發(fā)展歷史，早期造紙機的電氣傳動系統(tǒng)通常使用單獨的電動機傳動，由它帶動天軸或地軸通過皮帶以驅(qū)動造紙機的網(wǎng)部、壓榨部、烘干部以及壓光和卷取分部。為了適應紙機改變品種的要求，驅(qū)動電動機通常采用直流電動機，并借助于改變電樞電壓或磁場電流來實現(xiàn)紙機的調(diào)速。大約在上個世紀五十年代，分部傳動造紙機逐漸替代了總軸傳動造紙機，分部傳動大大簡化了機械傳動設備，提高了穩(wěn)速精度，并且使相鄰分部間速度和張力調(diào)節(jié)十分方便。但是隨著高速、大型紙機的出現(xiàn)以及新工藝的采用，為進一步簡化造紙機械，需要使紙機的某個分部采用多個電動機傳動。在這種多點傳動的情況下，造紙機的某個分部除了要具備調(diào)速和穩(wěn)速的性能外，還需要各個電動機滿足負荷分配的要求。在八十年代中期國外開始將變頻調(diào)速系統(tǒng)應用于紙機，國內(nèi)大約始于九十年代初期。交流變頻調(diào)速以其結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，動態(tài)響應好，效率高，經(jīng)濟可靠，抗惡劣環(huán)境能力強，易于向高電壓，高速度，大容量發(fā)展等優(yōu)點逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)而占據(jù)了傳動系統(tǒng)的主導地位。造紙機采用變頻傳動以后，機械的維護量幾乎為零。但是變頻器屬于復雜精細的高科技產(chǎn)品，在其使用過程中，若使用不當而使變頻器頻繁保護甚至損壞，對正常生產(chǎn)造成影響。其中以由于多點傳動而引起的負荷不均而使變頻器出現(xiàn)保護現(xiàn)象最為常見。在生產(chǎn)工藝條件稍有變化時，多點傳動電機的負荷失去平衡，有的電機的負荷過大時，電流劇增甚至過流過載，跳閘保護，有的電機負荷降低，甚至不出力以至作發(fā)電機運行而出現(xiàn)過電壓保護，造成很大的功率損耗，從而可能對生產(chǎn)和設備造成影響或損壞。由于紙機的某些分部(如網(wǎng)部，壓榨部)是由兩臺或多臺電機連在一起，輥筒的線速度必須保持一致，否則毛布或者銅網(wǎng)會被拉斷或打褶，為了保證速度同步，同時又需要各個電機按照其額定值進行比例分配，這就是負荷分配問題。1.2國內(nèi)外技術現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)技術現(xiàn)狀近幾年，我國造紙工業(yè)取得了很大的發(fā)展，造紙機裝備水平不斷提高。紙機的幅寬不斷增加，車速也達到了700800m/min左右。新投產(chǎn)的板紙機由過去的年生產(chǎn)能力約35萬噸，提高到了30—40萬噸。并且紙機交流變頻技術不斷成熟，已經(jīng)取代了直流傳動系統(tǒng)的統(tǒng)治地位。目前，國內(nèi)大部分紙機傳動部分都使用變頻傳動。傳統(tǒng)的傳動方法或者為直流分部傳動，或者為直流總軸傳動，但都因為維護量大，可靠性差等原因而被淘汰了，紙機采用變頻傳動后，機械維護量幾乎為零。但是變頻器屬于高科技產(chǎn)品，在其使用過程中，若使用不當而使變頻器頻繁保護甚至損壞，對生產(chǎn)造成影響是眾多廠家所關心的問題。其中，以負荷不均而使變頻器出現(xiàn)保護現(xiàn)象最為常見。而解決這種問題的方法在國內(nèi)只是處于摸索階段，主要靠我們廣大的現(xiàn)場技術人通過經(jīng)驗來解決。1.2.2國外技術現(xiàn)狀可編程控制器（Programmablecontroller）,簡稱PC,因早期主要應用于開關量的邏輯控制,因此也稱為PLC(ProgrammableLogiccontroller).它誕生于上世紀60年代,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,可編程控制器作為一種進行數(shù)字運算的電子系統(tǒng),是專為在工業(yè)環(huán)境下的應用而設計的工業(yè)控制器,它采用了可編程序的存儲器,是以微處理器為基礎，結(jié)合計算機技術、自動控制技術和通信技術，用面向控制過程、面向用戶的“自然語言”編程，是一種簡單易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工業(yè)控制裝置。可編程控制器及其有關的外圍設備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)連成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。目前，國際上解決負荷分配問題主要方法之一是使用高性能變頻器的轉(zhuǎn)矩控制功能，SIEMENS公司的6SE70系列工程型變頻器和ABB公司的ACS600系列變頻器，這些變頻器可以通過轉(zhuǎn)矩控制方式實現(xiàn)負荷分配的目的。方法是：以一臺變頻器作為主傳動，這臺變頻器為速度控制模式，其余的輔傳動選用轉(zhuǎn)矩控制模式，將主傳動的轉(zhuǎn)矩輸出作為輔傳動的轉(zhuǎn)矩給定，這樣輔傳動的給定信號是轉(zhuǎn)矩而非頻率。輔傳動跟隨主傳動的轉(zhuǎn)矩的變化而變化，起到負荷分配控制的目的。這種控制方式的控制精度高，動態(tài)響應快，但適用范圍小，對負載有一定的要求。這是因為輔傳動負載轉(zhuǎn)矩較大時，電機轉(zhuǎn)速低，負載轉(zhuǎn)矩較小時，電機轉(zhuǎn)速高，空載時甚至可以達到最大頻率，這種特性有些像直流調(diào)速上的速度調(diào)節(jié)器飽和的電流控制方法。所以要求負載載運行時必須一直處于加壓狀態(tài)或類似剛性連接，比如光壓上、下輥。雖然國際上有專門的硬件措施來解決負荷分配，但是也沒有提升到理論的高度?？傊?，在解決負荷分配的問題上還沒有一個統(tǒng)一模型，都沒有提升到理論高度，基本上處于初步階段1.3紙機傳動現(xiàn)狀介紹隨著計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展，紙機變頻傳動系統(tǒng)也正在進入一個以通訊網(wǎng)絡技術為核心的發(fā)展時期，紙機變頻傳動系統(tǒng)正在以通訊網(wǎng)絡為結(jié)構(gòu)框架的大型控制系統(tǒng)，并且成為車間乃至DCS系統(tǒng)的部分或子系統(tǒng)。所以網(wǎng)絡化和計算機集中控制正在成為傳動系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢。紙機變頻傳動網(wǎng)絡化發(fā)展的同時，在配置結(jié)構(gòu)上公共直流母線式結(jié)構(gòu)也是一種發(fā)展趨勢。由于目前這種系統(tǒng)全部由國外公司壟斷，所以價格比非公共直流母線系統(tǒng)要高，但實際上其成本應當比非公共母線式低，且安裝和調(diào)試工作量要少；但這種系統(tǒng)也有缺點：當某一傳動點故障時可能會影響全線的工作，甚至引起全線停機，相對處理時間較長，維護費用和時間也要增加?？傊?，在自動化功能方面，紙機傳動系統(tǒng)在向多功能化、智能化進一步發(fā)展，使其在生產(chǎn)過程及質(zhì)量管理過程中發(fā)揮作用。1.4本研究的意義和存在的問題本課題針對負荷分配問題加以理論研究，做出負荷分配數(shù)學模型。并且針對變頻傳動部分，以西門子S7-226PLC為控制器組建PLC和變頻器的通訊網(wǎng)絡，實現(xiàn)負荷分配控制。這對于我們擁有自己解決負荷分配的控制器要一定的理論指導意義，對于我國造紙技術的發(fā)展有一定的幫助。存在的問題：由于國外公司的壟斷，我們在實現(xiàn)整體技術上會存在一定的困難。第2章負荷分配原因及影響2.1負荷分配問題產(chǎn)生的原因和影響采用變頻器分部傳動，當幾臺電機拖動同一負載，例如壓榨部兩輥壓合，將兩輥看作一個負載，由兩臺電機拖動。當線速度一樣時，兩臺電機有可能出現(xiàn)一臺出力大一臺出力小的現(xiàn)象。這就產(chǎn)生負荷分配問題。如圖：圖2-1壓榨部兩臺電動機工作示意圖在紙機機械設計上，還有可能多電機拖動一個負載，最多七點。這就要求速度完全一致。否則，有些變頻器會出力過大，出現(xiàn)過電流或過負載保護，有些會因不出力甚止發(fā)電狀態(tài)而出現(xiàn)過電壓保護。這些現(xiàn)象都應避免或解決。2.2解決負荷分配問題的理論根據(jù)在紙機、印染機或其他傳動系統(tǒng)中，只是電動機速度同步并不能滿足實際系統(tǒng)的工作要求，實際系統(tǒng)還要求各傳動點電機負載率相同，即δ=Pi/Pie相同（Pi為i電機所承擔負載功率，Pie為電機額定功率）?，F(xiàn)在以三點負荷分配為例，P1e、P2e、P3e為三臺電機額定功率，Pe為額定總負載功率，Pe=P1e+P2e+P3e。P為實際總負載功率，P1、P2、P3為電機實際負載功率，則P=P1+P2+P3。系統(tǒng)工作要求P1=P*P1e/Pe，P2=P*P2e/Pe，P3=P*P3e/Pe。負荷分配的目的就是使P1、P2、P3滿足上述要求。我們以變頻傳動系統(tǒng)為例說明負荷分配控制器工作過程。以三點負荷分配為例(如圖2-2)，變頻器1、2、3負荷分配，變頻器1在速度鏈的主鏈上，作為負荷分配主機，其它變頻器將以此變頻器為基準，負荷分配控制器只采集其電壓電流數(shù)據(jù)，不對其做任何調(diào)整。變頻器2、變頻器3處于以速度鏈分支上，負荷分配控制器將對它們進行自動檢測，自動控制和自動調(diào)整。對于電機拖動負載的比例計算，以電機負載率表示：λ=PL/Pe其中：PE為電機額定功率；PL負載功率；解決負荷分配問題，就是要求所有電機的負載率都應一樣圖2-2三點負荷分配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖例如：負載總功率37.5KW，由兩臺功率45KW、30KW的電機拖動，則負載平衡時45KW電機出力22.5KW，30KW電機出力15KW，計算公式為：PL1=30*37.5/75=15KW；PL2=45*37.5/75=22.5KW；對于多臺電機的計算公式為：其中：PLi第i臺電機出力功率；Pei第i臺電機額定功率；PL負載總功率；在實際控制當中，電機功率是一間接量，不方便直接測量。其中：TLi第I臺電機出力轉(zhuǎn)矩；Tni第I臺電機額定轉(zhuǎn)矩；TZ負載總轉(zhuǎn)矩；電機轉(zhuǎn)矩可通過變頻器輸出端子測量，也可通過計算機通信獲得。負載總轉(zhuǎn)矩不必直接測量出來，解決負荷分配問題就是要使電機轉(zhuǎn)矩百分比一樣，對于各電機來說就是各電機出力轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩比值應相等。第3章負荷分配原理及計算方法3.1直流傳動的負荷分配3.1.1直流電機的功率介紹（1）直流電機的主要額定值主要有：1）額定功率PN

指電機在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運行時，電機的輸出功率，以"W"為量綱單位。若大于1kW或1MW時,則用kW或MW表示。特別注意：對于直流發(fā)電機，PN是指輸出的電功率，它等于額定電壓和額定電流的乘積。PN＝UNIN

對于直流電動機，PN是指輸出的機械功率，所以公式中還應有效率ηN存在。PN＝UNINηN2）額定電壓UN

指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，以"V"為量綱單位。

3）額定電流IN

指電機在額定電壓、額定功率時的電樞電流值，以"A"為量綱單位。

4）額定轉(zhuǎn)速nN

指額定狀態(tài)下運行時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，以r/min為量綱單位。

5）額定勵磁電流If

指電機在額定狀態(tài)時的勵磁電流值。（2）直流發(fā)電機的功率平衡直流電機的第四大基本公式簡單推導此式如下

Pf為勵磁損耗；

Pcu為銅損耗

考慮到直流發(fā)電機的輸入功率P1減去空載時的損耗即鐵耗pfe和機械損耗pm后才能是電磁功率。以上沒考慮附加損耗p△，若考慮，則如下式表示（左式），即輸入功率等于鐵耗、附加損耗、機械損耗與電磁功率之和。Ea=U+IaR①Ia=I+If②①式等號兩邊同乘以IaEaIa=UIa+Ia2R③②式代入③式得EaIa=UI+UIf+Ia2R即：PM=P2+pf+pcu④P1=pfe+pm+PM⑤PM=pfe+p△+pm+PM⑥綜合④、⑤兩式，用功率流程圖來表示。直流發(fā)電機的功率流程圖(Power-flowDiagram)圖3-1他勵直流發(fā)電機的功率流程圖（3）直流電動機的功率流程圖(Power-flowDiagram)圖3-2他勵直流電動機的功率流程圖功率流程圖形象，直觀地表達了多項功率、損耗之間的相互關系，3.1.2直流電機的機械特性曲線他勵直流電動機機械特性機械特性：n=f(T)是指在一定的條件下，電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速兩個機械量之間的函數(shù)關系。(1)、機械特性方程式用電樞回路總電阻考慮電耍接觸壓降。n=[U-(Ra+Rp)Ia]/(CeΦ)Ia=T/(CTΦ)n=U/(CeΦ)-(Ra+Rp)/(CeCTΦ2)×T=n0-βT其中，n0=U/(CeΦ)為理想空載轉(zhuǎn)速，而β=(Ra+Rp)/(CeCTΦ2)為機械特性的斜率(2)、固有機械特性三個量U,Φ,Rp可以改變機械特性U=UN,Φ=ΦN,Rp=0時的機械特性稱為固有機械特性。其方程為n=U/(CeΦN)-RaT/(CeCTΦN2)由于Ra很小，轉(zhuǎn)矩T增大時，n下降很小，他勵電動機的固有機械特性是一條比較平的下降曲線。（硬特性）圖3-3他勵電動機的固有機械特性曲線3.1.3直流傳動負荷分配設計（1）電樞串聯(lián)法這種方法通常適用于兩臺電動機型號規(guī)格相同而要求負荷平均分配的情況。其電氣傳動原理如圖3-4所示。其中1D作為主導電動機，它帶有測速發(fā)電機及雙閉環(huán)穩(wěn)速裝置，而2D作為輔助電動機與1D相串聯(lián)，并共用一套可控硅整流電源。由于電樞串聯(lián)，所以二臺電動機的電樞電流是相同的。若兩臺電動機的勵磁磁通也相同，則電動機1D與2D的力矩相等，即為：Md1=Cm1Id=Cm2Id=Md2由于Md1+Md2=Mc因此有Md1=Md2=Mc/2可以看出兩臺電動機的負荷力矩是相等的，并均分負載。圖3-4用電樞串聯(lián)法實現(xiàn)負載均分的電氣原理圖由于1D具有穩(wěn)速及調(diào)速的性能，而2D與1D是通過毛毯實現(xiàn)柔性連接的，因此2D也具有穩(wěn)速與調(diào)速的性能。若要改變1D，2D負荷分配的比例，則改變磁場的串聯(lián)電阻R即可。這種負荷分配方案的優(yōu)點是：在全部調(diào)速范圍內(nèi)負荷分配是均勻的；它的穩(wěn)速精度與單個電動機是相同的；只需要一臺測速發(fā)電機和雙閉環(huán)裝置。其缺點是：當電動機多于兩臺，且容量不相等時，由于不能實現(xiàn)電樞串聯(lián)故難以實現(xiàn)負荷分配。（2）電樞并聯(lián)法當多點傳動的電動機多于兩個且容量不相等時，則可以用電樞并聯(lián)法來實現(xiàn)負荷分配。其傳動原理圖見圖3-5。其中1D-3D均由可控硅裝置KZ供電，1D-3D的負荷分配借助于磁場變阻器R1-R3。電動機電樞并聯(lián)法的優(yōu)點是適用于多臺電動機的負荷分配，其負荷分配調(diào)解是通過調(diào)磁來實現(xiàn)的。其缺點是在調(diào)速范圍內(nèi)由于電動機械特性變化，無法保持原來的負荷分配比例。換句話說，改變速度，負荷分配要重新調(diào)整。圖3-5用電樞并聯(lián)實現(xiàn)負荷分配（3）輔助電動機電流指令法為了克服電動機電樞并聯(lián)法在調(diào)速范圍內(nèi)負荷不均，以及輔助電動機經(jīng)常處于弱磁的缺點，采用電流環(huán)的方法，使輔助電動機一直處于恒流，而其磁場保持在額定狀態(tài)，其電流指令值可用電位器來調(diào)節(jié)。其原理圖如圖3-6。圖3-6中雖然只列舉了兩臺電動機，但實際上可推廣到多臺電動機的情況。圖3-6中主導電動機1D與普通的雙閉環(huán)穩(wěn)速系統(tǒng)相同，其中1ST為速度調(diào)節(jié)器，1LT，2LT為電流調(diào)速器，1CF，2CF為觸發(fā)裝置，1KZ，2KZ為可控整流，1SB，2SB為電流變換器，調(diào)節(jié)電位器W即可整定輔助電動機2D的工作電流。對于輔助電動機2D只有一個電流環(huán)，其參數(shù)選擇與普通的雙閉環(huán)系統(tǒng)相同。這種方案廣泛地用于復卷機系統(tǒng)中。輔助電動機電流指令法的優(yōu)點是：適合于多電動機的負荷分配，且負荷分配值整個調(diào)速范圍內(nèi)保持不變，系統(tǒng)穩(wěn)定性也是可靠的。其缺點是需要增加一套可控硅整流裝置。(4)負荷調(diào)節(jié)器法輔助電動機電流指令法，雖然適用于多臺電動機，而且負荷分配調(diào)節(jié)比較方便，但由于其沒有測速機與速度調(diào)節(jié)器，所以輔助電動機穩(wěn)速能力很差。它通過毛毯或鋼網(wǎng)的柔性連接來實現(xiàn)與主導電機速度一致。為了進一步提高穩(wěn)速精度，可以對輔助電動機采用雙閉環(huán)穩(wěn)速裝置。由于主輔電動機均采用雙閉環(huán)穩(wěn)速，所以提高了控制品質(zhì)。圖3-6輔助電動機電流指令法電氣原理圖負荷分配采用負荷平衡調(diào)節(jié)器，其中1D，2D均由各自的雙閉環(huán)穩(wěn)速裝置供電，并各自帶有測速發(fā)電機。為了實現(xiàn)負荷平衡調(diào)節(jié)，設置了負荷調(diào)節(jié)器FT。FT的一個輸入來自輔助電動機的電流指令，并經(jīng)電位器1W分壓。為了構(gòu)成差值控制，輔助電動機的電流指令值經(jīng)過反相器FX。當1D，2D的電流比值I1/I2與設定值（由1W，2W電位器分壓值之比決定）不一致時，F(xiàn)T輸出一個正比于電流差的信號，經(jīng)FT放大后去調(diào)節(jié)輔助電動機的速度給定，以達到I1/I2比例恒定。圖3-7負荷調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)原理圖由于FT，2ST和FX所構(gòu)成的負荷調(diào)節(jié)器環(huán)的作用，2ST的輸出正比于主導電動機1D的電流給定值。當2D由于負荷增加而轉(zhuǎn)速下降時，首先通過自身的測速反饋，使轉(zhuǎn)速恢復。其次通過柔性連接使1D負荷增加，從而使2ST的輸出增加來恢復原來的轉(zhuǎn)速。因此它的穩(wěn)速精度比不帶測速機的電流指令法要高。對于上述四種負荷分配法，可以用多點傳動的適用性、穩(wěn)速精度、調(diào)速協(xié)調(diào)性和所耗費用來進行比較。下表列舉了優(yōu)缺點以供綜合比較。四種負荷分配法的比較方法\比較項目多電機適用性穩(wěn)速精度調(diào)速協(xié)調(diào)性費用串聯(lián)法僅二臺好好少并聯(lián)法適用差差少電流指令法適用中好中等負荷調(diào)節(jié)器法適用好好稍大3.2交流傳動的負荷分配設計（1）交流電機的機械特性曲線已知三相異步電動機轉(zhuǎn)矩公式的形式如下：T=CTJmI/2cos/2（3.2.1）式中CTJ異步機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，CTJ=（3.2.2）m異步每極磁通；I/2轉(zhuǎn)子電流的折算值，I/2=（3.2.3）cos/2轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)；cos/2=（3.2.4）將式子（3.2.2）代入（3.2.=W1m(3.2.5)=(3.2.6)可得T=E/2I/2cos/2(3.2.7)由于E/2=I/2Z/2(3.2.8cos/2=(3.2.9)則得T=I/22(3.2.10)由于異步電動機的電磁功率PT為PT=m1I/22(3.2.11)式（3.2.10T=(3.2.12)將式（3.2.12）分子分母同乘以（1-s），即得T與輸出功率P2及轉(zhuǎn)子機械角速度間的關系，即T=(3.2.13)有異步電動機的近似等效電路，得I/2=(3.2.14)將式（3.2.14）代入式（3.2.T=（3.2.15）按式（3.2.15）并考慮n=n0(1-s)及=，即可繪制異步電動機的機械特性如圖，顯然由于機械特性方程式（3.2.15）為二次方程式，故在某一轉(zhuǎn)差率Sm時，轉(zhuǎn)矩有一最大值Tm,稱為異步電動機的最大轉(zhuǎn)矩。圖3-8異步電動機的機械特性n=（2）從轉(zhuǎn)矩方面考慮負荷分配原理交流傳動采用變頻調(diào)速后，交流電機沒有像直流調(diào)速那樣明確的電流環(huán)、速度環(huán)、又不能直接控制變頻器內(nèi)的電流環(huán)，所以負荷分配較為復雜，我們采用PLC控制負荷分配，并從轉(zhuǎn)矩方面考慮負荷分配原理。根據(jù)異步電機的技術數(shù)據(jù)計算異步電動機的參數(shù)，一般異步電動機的產(chǎn)品目錄中可以查到的一些技術數(shù)據(jù)：額定功率PN（kw）。額定定子線電壓U1N（V）。額定定子線電流I1N(A)。額定轉(zhuǎn)速nN（r/min）。額定效率ηn（%）。過載倍數(shù)KT（KT=Tm/TN）一般?。?.8—3.0額定頻率我國為50Hz，即f1=50Hz.在已知上述數(shù)據(jù)的基礎上，可以用工程計算方法計算異步電動機參數(shù)如下：1）額定轉(zhuǎn)矩TNTN=(N.m)

式中的PN的單位為Kw;nN的單位為r/min.2).最大轉(zhuǎn)矩TmTm=KT*TNS=n0=(r/min)臨界轉(zhuǎn)差率SmSm=SN(KT+)假如只有兩臺電機時需滿足TZI/T1=TZ2/T2；（3.2.16）TZ=TZI+TZ2（3.2其中：T1，T2為電機額定轉(zhuǎn)矩（常量）；TZITZ2為電機各自的轉(zhuǎn)矩；TZ為電機的總負載轉(zhuǎn)矩；又有工程計算式：T=（3.2.18）式中TM及SM可由電動機產(chǎn)品目錄中查的數(shù)據(jù)求得，故較為實用，成為實用表達式，求得方法見式有：S==；(3.2.19)式中為額定頻率;把（3.2.18）式代入（3.2.16即：又有（3.2.19）式知S是關于的函數(shù)故綜上式子可知：要想調(diào)解使TZI.TZ2滿足(3.2.16)(3.2.17)，只需調(diào)解對應電機的頻率即可。即：要想實現(xiàn)負荷分配，只需調(diào)解對應的電機的頻率即可同理當有多臺電機時同樣可以得到上述結(jié)論：要想實現(xiàn)負荷分配，只需調(diào)解對應的電機的頻率即可。第4章負荷分配PLC控制器的設計4.1硬件組成4.1.1PLC介紹可編程序控制器（ProgrammableController）本來應簡稱PC，為了與個人計算機（PersonalComputer）的簡稱PC相區(qū)別，一般將它簡稱為PLC（ProgrammableLogicController）?？删幊绦蚩刂破魇且环N數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，轉(zhuǎn)為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制給種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計?？芍?，可編程序控制器是一種用程序來改變控制功能的工業(yè)控制計算機，除了能完成各種各樣的控制功能外，還有與其他計算機通信聯(lián)網(wǎng)的功能?？删幊绦蚩刂破鞯漠a(chǎn)生和發(fā)展與繼電器控制系統(tǒng)有很大的關系。繼電控制系統(tǒng)已有上百年的應用歷史，它是一種用弱電信號控制強電的電力控制系統(tǒng)。在復雜的繼電器控制系統(tǒng)中，故障的查找和排除是非常困難的，可能會花費大量時間，嚴重地影響生產(chǎn)。如果工藝要求發(fā)生變化，控制柜內(nèi)的元件和接線需要作相應的變動，這種改造的工期長、費用高，以至于有的用戶寧愿扔掉舊的控制柜，另外制作一臺新的控制柜?，F(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求作出迅速的反應，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。為了滿足這一要求，生產(chǎn)設備和自動生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性，這就需要尋求一種新的控制裝置來取代老式的繼電器控制系統(tǒng)，使電氣控制系統(tǒng)的工作更加可靠、更容易維修、更能適應經(jīng)常變動的工藝條件?？删幊绦蚩刂破髡琼槕@一要求出現(xiàn)的?，F(xiàn)在可編程序控制器的推廣應用在我國得到了迅猛的發(fā)展，它已經(jīng)大量地應用在各種新設備中，各行各業(yè)也涌現(xiàn)出了大批應用可編程序控制器改造設備的成果?？删幊绦蚩刂破鞯奶攸c：1編程方法簡單易學梯形圖是使用得最多的可編程序控制器的編程語言，其電路符號和表達方式與繼電器電路原理圖相似。梯形圖語言形象直觀，易學易懂，熟悉繼電器電路圖的電氣技術人員只要花幾天時間就可以熟悉梯形語言，并用來編制用戶程序。梯形圖語言實際上是一種面向用戶的高級語言，可編程序控制器在執(zhí)行梯形圖程序時，用解釋程序?qū)⑺胺g”成匯編語言后再去執(zhí)行。2功能強，性能價格比高一臺小型可編程序控制器內(nèi)有成百上千個可供用戶使用的編程元件，有很強的功能，可以實現(xiàn)非常復雜的控制功能。與相同功能的繼電器系統(tǒng)相比，具有很高的性能價格比?？删幊绦蚩刂破骺梢酝ㄟ^通信聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)分散控制，集中管理。3硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強可編程序控制器產(chǎn)品已經(jīng)標準化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)?？删幊绦蚩刂破鞯陌惭b接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線?？删幊绦蚩刂破饔休^強的帶負載能力、可以直接驅(qū)動一般的電磁閥和交流接觸器。硬件配置確定后，可以通過修改用戶程序，方便快速地適應工藝條件的變化。4可靠性高，抗干擾能力強傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、時間繼電器。由于觸點接觸不良，容易出現(xiàn)故障?？删幊绦蚩刂破饔密浖娲罅康闹虚g繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關的少量硬件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的1/10～1/100，因觸點不良造成的故障大為減少?？删幊绦蚩刂破鞑扇×艘幌盗杏布蛙浖垢蓴_措施，具有很強的抗干擾能力，平均無故障時間達到數(shù)萬小時以上，可以直接用于有強烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，可編程序控制器已被廣大用戶公認為最可靠的工業(yè)控制設備之一。5系統(tǒng)的設計、安裝、調(diào)試工作量少可編程序控制器用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，使控制柜的設計、安裝、接線工作量大大減少?？删幊绦蚩刂破鞯奶菪螆D程序一般采用順序控制設計法。這種編程方法很有規(guī)律，容易掌握。對于復雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設計時間比設計繼電器系統(tǒng)電路圖的時間要少得多?？删幊绦蚩刂破鞯挠脩舫绦蚩梢栽趯嶒炇夷M調(diào)試，輸入信號用小開關來模擬，通過可編程序控制器上的發(fā)光二極管可以觀察輸出信號的狀態(tài)。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場的統(tǒng)調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)的問題一般通過修改程序就可以解決，系統(tǒng)的調(diào)試時間比繼電器系統(tǒng)少得多。6維修工作量小，維修方便可編程序控制器的故障率很低，且有完善的自我診斷和顯示功能?？删幊绦蚩仄骰蛲獠康妮斎胙b置和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生故障時，可以根據(jù)可編程序控制器上的發(fā)光二極管或編程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速地排除故障。7體積小，能耗低對于復雜的控制系統(tǒng)，使用可編程序控制器后，可以減少大量的中間繼電器和時間繼電器，小型可編程序控制器的體積僅相當于幾個繼電器的大小，因此可將開關柜的體積縮小到原來的1/2～1/10?？删幊绦蚩刂破鞯呐渚€比繼電器控制系統(tǒng)的配線少得多，故可以節(jié)省下大量的配線和附件，減少大量的安裝接線工時，加上開關柜體積的縮小，可以節(jié)省大量的費用。S7-200系列可編程序控制器性能介紹:西門子公司的SIMATICS7-200系列屬于小型可編程序控制器，可用于代替繼電器的簡單控制場合，也可以用于復雜的自動化控制系統(tǒng)。由于它有極強的通信功能，在大型網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮其作用。S7-200的可靠性高，可用梯形圖、語句表（即指令表）和功能塊圖3種語言來編程。它的指令豐富，指令功能強，易于掌握、操作方便。內(nèi)置有高速計數(shù)器、高速輸出、PID控制器、RS-485通信/編程接口、PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和自由方式通信功能，I/O端子排可以很容易地拆卸。最大可擴展到248點數(shù)字量I/0或35路模擬量，最多有26KB程序和數(shù)據(jù)存儲空間。S7-200已經(jīng)在諸多領域中得到了廣泛的應用。CPU221無擴展功能，適于用做小點數(shù)的微型控制器。CPU222有擴展功能，CPU224是具有較強控制功能的控制器，CPU226和CPU226XM適用于復雜的中小型控制系統(tǒng)。S7-200CPU的指令功能強，有傳送、比較、移位、循環(huán)移位、產(chǎn)生補碼、調(diào)用子程序、脈沖寬度調(diào)制、脈沖序列輸出、跳轉(zhuǎn)、數(shù)制轉(zhuǎn)換、算術運算、字邏輯運算、浮點數(shù)運算、開平方、三角函數(shù)和PID控制指令等，采用主程序、最多8級子程序和中斷程序的程序結(jié)構(gòu)，用戶可使用1～255ms的定時中斷。用戶程序可設3級口令保護，監(jiān)控定時器的定時時間為300ms。數(shù)字量輸入中有4個用作硬件中斷，6個用于高速功能。32位高速加/減計數(shù)器的最高計數(shù)頻率為30kHz，可對增量式編碼器的兩個互差90度的脈沖列技數(shù)，計數(shù)值等于設定值或技數(shù)方向改變時產(chǎn)生中斷，在中斷程序中可及時地對輸出進行操作。兩個高速輸出可輸出最高20kHz，頻率和寬度可調(diào)的脈沖列。RS-485串行通信口的外部信號與邏輯電路之間不隔離，支持PPI、DP/T、自由通信口協(xié)議和PROFIBUS點對點協(xié)議（使用NETR/NETW指令）。PPI/MPI協(xié)議的波特率為9.6Kbps、19.2Kbps和187.5Kbps；自由口協(xié)議的波特率為0.3Kbps、0.6Kbps、1.2Kbps、2.4Kbps、4.8Kbps、9.6Kbps、19.2Kbps和38.4Kbps。單段網(wǎng)絡最大電纜長度：38.4Kbps時為1200m，187.5Kbps時為1000m。每個網(wǎng)絡最多126個站，最多32個站。MPI共有4個連接，2個分別保留給編程器（PG）和操作員面板（OP）。通信接口可用于與運行編程軟件的計算機通信，與人機接口（操作員界面）TD200和OP通信。以及與S7-200CPU之間的通信。通過自由通信口協(xié)議，可與其他設備進行串行通信。通過AS-i通信接口模塊，可接入496個遠程數(shù)字量輸入/輸出點。用戶數(shù)據(jù)存儲器可以永久保存，或用超級電容和電池保持。超級電容充電20min,可充60%的電量?？蛇x的存儲器卡可永久保持程序、數(shù)據(jù)和組態(tài)信息、可選的電池卡保存數(shù)據(jù)的時間典型值為200天。DC輸出型有高速脈沖輸出，邊沿中斷為4個上升沿和/或4個下降沿。高速計數(shù)器的單相邏輯1電平為15～30VDC時，時鐘輸入速率為20kHz；單相邏輯1電平為15～26VDC時，時鐘輸入速率為30kHz。兩相邏輯1電平為15～30VDC時，時鐘輸入速率為10kHz；兩相邏輯1電平為15～26VDC時，時鐘輸入速率為20kHz。實時時鐘精度在25攝氏度時為2min/月，0～55攝氏度時為7min/月。S7-200的DC輸出型電路用場效應管（MOSFET）作為功率放大元件，繼電器輸出型用繼電器觸點控制外部負載。DC輸出的最高開關頻率為20kHz，繼電器輸出的最高輸出頻率為1Hz。4.1.2ABB變頻器介紹ABB變頻器是應用較為廣泛的一種品牌，現(xiàn)在主要有兩大系列。1）ACS600系列，具有各種功率等級。2）ACS400系列，從2.2Kw到30Kw范圍內(nèi)的各種功率等級。另外在小功率當中還有ACS100系列。ABB變頻器以其穩(wěn)定的性能紙機傳動系統(tǒng)中被廣泛應用，下面就ABB變頻在紙機傳動應用中遇到的需要經(jīng)常改動的一些參數(shù)加以說明。ACS600系列變頻器的參數(shù)及設置起動數(shù)據(jù):它是設定電機信息的一組參數(shù)，只需在第一次運行時設置以后就不需要再改變了，這一組參數(shù)代碼范圍從9601-9910共十個參數(shù)。電機信息。包括電機額定電壓（9905）、額定電流（9906）、額定頻率（9907）、額定速度（9908）、額定功率（9909）。這些參數(shù)的獲得是從電機的銘牌數(shù)據(jù)中得到。例如一臺四極三相異步電動機Pn=30Kw、In=59A、Nn=1450rpm、fN=50Hz、UN=380V，則設置參數(shù)時：9906=59.0、9907=50.0、9908=1450、9909=30.0。電機控制模式（9904），ACS600系列變頻器有兩種控制模式：（1）DTC即直接轉(zhuǎn)矩控制。（2）SCALAR即標量控制。在直接轉(zhuǎn)矩控制模式下，系統(tǒng)中給定信號為轉(zhuǎn)矩，即使在沒有反饋的情況下（即開環(huán))也可對電機進行精確的速度及轉(zhuǎn)矩控制。而標量控制相對來說控制精度要差一些。應用宏的選擇（9902）所謂應用宏就是根據(jù)變頻器在一些常用的場合中所需的一些功能在出廠時已經(jīng)經(jīng)過預編程的參數(shù)集。利用這些應用宏，用戶可以快速完成對變頻器的設置。ABB600系列變頻器的應用宏有以下幾種：1）Factory（工廠宏）；2）Hand/AutoCtrl（手動/自動宏）；3）PIDControl（PID控制宏）；4）SequentialControl（順序控制宏）；5）TorqueControl（轉(zhuǎn)矩控制宏）。用戶可以根據(jù)需要選擇應用宏，例如在利用變頻做壓力或流量控制系統(tǒng)中，就可以用PID控制宏實現(xiàn)閉環(huán)控制。變頻控制參數(shù)這些參數(shù)主要規(guī)定了變頻器起動方式，包括：10.01、10.02起動/停機/方向的命令的信號源，在外部控制時，變頻器的起動和停止應適用外部端子或通信的方式，而ABB600變頻器用外部端子又有多種組合，常用的可以設為DI1-DI6的任何一個作用起動/停止的命令的輸入端。10.03是規(guī)定變頻器所拖動電機的旋轉(zhuǎn)方向，根據(jù)電機學我們知道三相異步電機的旋轉(zhuǎn)方向取決于輸入三相電源的像序，在需要雙向運行（如電梯、升降機等）的場合可以把這個參數(shù)設為REQUEST，由數(shù)字輸入端子來控制電機的旋轉(zhuǎn)方向。16.01允許信號：要啟動變頻器將參數(shù)必需設為YES。給定選擇外部控制選擇11.02ABB600有兩個控制源可以選擇即EXT1，EXT2。當選擇EXT1時，變頻器的起動由10.01所指定的輸入端子控制，頻率由11.03所指定的方式給定。對于PID應用宏，此時為開環(huán)控制，對于轉(zhuǎn)矩控制宏，此時為速度控制，當選擇EXT2時，變頻器的起動及頻率來源分別為10.02，11.06；在PID宏及轉(zhuǎn)矩控制宏下分別為閉環(huán)控制及轉(zhuǎn)矩控方式頻率給定源的選擇10.03，11.06分別是EXT1，EXT2的給定源，對于使用模擬作為給定時可以選擇模擬輸入端子（AI1-AI3）的任何一個作為給定，這里要說明的是AI1為0-10VDC電壓信號，AI2-AI3位0-20mA電流信號，當然也可以通信或數(shù)字端子（即電動電位器）進行設定頻率。恒速。在有些場合中，如紙機在爬行時，不需要改變變頻器的運行頻率就可以用恒速功能，ABB600變頻器有15種恒速可以供用戶選擇。加、減速時間加、減速時間及積分類型的選擇十分重要，特別是在拖動大慣性負載時，如在紙機傳動系統(tǒng)中，拖動烘缸的變頻器在設置加、減速時間應大一些，如加速時間過短，起動時電機處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，容易發(fā)生過流故障，如減速時間過短則可能發(fā)生慣性負載拖動電機，使電機處于發(fā)電狀態(tài)，則變頻器發(fā)生過壓故障，建議在這些場合中如允許可用自由停機方式（即21.03設為COAST）。在紙機傳動系統(tǒng)中，烘缸傳動加速時間20.02可設為30-40s，減速時間可稍長一些，即22.03可設為40-80s，其余傳動點加、減速時間均可設為20-30s。對于參數(shù)22.06加速/減速積分類型選擇，有兩種：1）線型積分；2）S形曲線。一般傳動系統(tǒng)中均可用線型積分，在電梯及復卷機傳動系統(tǒng)中則用S形曲線。限幅參數(shù)限幅參數(shù)主要規(guī)定電流轉(zhuǎn)矩最高運行頻率等參數(shù)，在ABB600系列變頻器中，最大輸出電流能達到200%Ihd，在轉(zhuǎn)矩控制模式下最大輸出能達到300%，一般來說，在紙機傳動控制中，都能滿足要求，這些參數(shù)基本上不用修改。（參數(shù)代碼20.03、20.04）對于最高運行頻率，一般出廠設定50Hz，如果傳動系統(tǒng)減速器選擇合適的話，也不用修改，如果要修改這一參數(shù)時，要注意的是在運行頻率大于50Hz時為恒功率調(diào)速，ABB600變頻器修改最高運行頻率時也設定以下幾個參數(shù)（以改為65Hz為例）（1）99.07改為65Hz；（2）20.08改為65Hz；（3）11.05改為1950rpm（對于四極電機）。閉環(huán)控制參數(shù)閉環(huán)控制的實現(xiàn)對于ABB600變頻器有兩種途徑，其一是配編碼器反饋卡的速度閉環(huán)控制，其二是過程PID控制。速度閉環(huán)控制，此時要設定的參數(shù)有（1）編碼器每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)，這一參數(shù)根據(jù)所選編碼器來確定，一般有360，500，1024，2048……規(guī)格；(2)50.02編碼器脈沖的計算，一般在紙機傳動中，不需正反轉(zhuǎn)運行可以設定為單A或B輸入即可；（3）23.01速度控制增益；（4）23.02速度控制器的微分時間。這三個參數(shù)要根據(jù)具體的傳動系統(tǒng)進行整定，使穩(wěn)定的動態(tài)性能指標均能滿足要求；（5）98.01脈沖編碼器可選模塊選擇應設為YES。過程PID閉環(huán)控制，在壓力流量等閉環(huán)控制系統(tǒng)中，反饋量往往是把壓力或流量通過傳感器轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號，這時就可以用過程PID控制，參數(shù)設置主要是穩(wěn)定PID參數(shù)（1）40.01PID控制器增益；（2）40.02PID控制器積分時間；(3)40.03PID控制器微分時間。ACS400系列變頻器參數(shù)設置ACS400與ACS600變頻器相比較，其功能簡單一些，它的缺陷主要有：（1）不能實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制；（2）不能實現(xiàn)速度閉環(huán)控制；（3）功率等級只有2.2～30Kw。但其參數(shù)設置基本與600系列變頻器相似，這里就不再詳細介紹，把其中紙機傳動控制系統(tǒng)中的經(jīng)常用到的參數(shù)列在下表中。參數(shù)代碼參數(shù)名稱設定值及內(nèi)容9902應用宏6：PID控制宏9905電機額定電壓380：380V9907電機額定功率50：50Hz9906電機額定電流15.3：15.3A9908電機額定轉(zhuǎn)速1450：1450rpm9909電機額定功率7.5：7.5Kw10.01EXT1命令1：由DI1輸入10.02EXT2命令6：由DI5輸入10.03方向1：正轉(zhuǎn)11.02EXT1/EXT2選擇2：由DI2輸入11.03外部給定1的選擇1：由AI1輸入11.06外部給定2的選擇2：由AI2輸入12.01恒速選擇3：由DI3激活恒速12.04恒速10：10Hz16.01允許運行0：允許21.02停止功能1：慣性停車22.02加速時間性20～60s22.03減速時間性30～100s表4-1ACS400系列變頻器參數(shù)常用表需要說明的是（1）表中參數(shù)是根據(jù)紙機傳動一般設置的；（2）表中電機以7.5Kw四極電機為例；（3）控制宏以PID控制宏為例；（4）表中電壓及電流值均為線值。4.2通訊協(xié)議RS485組網(wǎng)技術及通訊協(xié)議分析組成RS485通訊控制總線有兩個方面，一是硬件組建，按照RS485電氣標準將各控制部件連接起來；二是軟件設置及編程，依據(jù)通訊部件的通訊協(xié)議進行設置和編程設計。RS485網(wǎng)絡硬件組建RS485總線要求有物理標準和協(xié)議標準。在RS485總線上的各部件必須具有標準RS485通訊接口，所有的RS485接口的DATA+和DATA-分別連接在一起，在通訊兩端配置終端電阻。同時在RS485總線上的各部件必須遵從同一種通訊協(xié)議，不同的通訊協(xié)議產(chǎn)品不能同時掛在同一個RS485總線上。圖4-1所示，就是以西門子PLC與ABB公司ACS600、ACS400系列變頻器混合組成的RS485總線的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。PLC接口為RS232口，通過RS232/485通訊轉(zhuǎn)換模塊將RS232信號轉(zhuǎn)換成RS485信號。ACS400變頻器接口為RS485，A為通訊線數(shù)據(jù)負，B為通訊線數(shù)據(jù)正，將正、負分別連接到RS485總線。ACS600變頻器的X28、X29端為RS485通訊接口，4腳為數(shù)據(jù)正，3腳為數(shù)據(jù)負。如圖4-1所示，在ACS600和ACS400上都可以選擇配置終端電阻，我們將中間的變頻器都配置為非終端模式，將最兩邊的變頻器配置為終端工作模式。完成終端電阻的配置。圖4-1通訊網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖有些公司變頻器沒有RS485總線終端電阻配置選擇，我們通過在通訊線的兩終端外接120Ω電阻完成終端電阻配置。通訊參數(shù)設置在RS485總線上，各部件必須具有相同的通訊參數(shù)。即具有相同的波特率、相同的數(shù)據(jù)位、相同的校驗位、相同的停止位。必須對各部件分配總線地址，每個部件必須有唯一的總線地址，總線地址不能重復。變頻器、直流控制器和工業(yè)控制檢測儀表都有RS485通訊參數(shù)設置，在這些參數(shù)中我們選取通訊協(xié)議，配置通訊波特率、校驗方式、停止位等。紙機傳動系統(tǒng)主要是PLC配置和變頻器或直流控制器參數(shù)配置。我們以ABB變頻器為例，說明參數(shù)如何選擇配置。我們以ABB400變頻器組成RS485通訊控制總線，通訊總線波特率采用9600，表4-2是ABB400系列變頻器MODBUS參數(shù)控制表。參數(shù)名稱參數(shù)代碼通訊參數(shù)參數(shù)值PROTOCOLSEL協(xié)議選擇5005標準MODBUS2COMMCOMMANDS通訊指令5006標準MODBUS1STATIONID站號5201MODBUS網(wǎng)中的站地址XXCOMSPEED通訊速度5202通訊波特率960096PARITY校驗定義檢驗方式和停止位個數(shù)5203奇校驗，停止位各1位2表4-2ABB400系列變頻器MODBUS參數(shù)控制表PLC通訊參數(shù)設置為波特率9600，數(shù)據(jù)位為8位，停止位為1位。232/485位置通訊位通訊數(shù)據(jù)位為11位，通訊波特率為9600。經(jīng)過上述設置連接，MODBUS網(wǎng)絡已全部設置完成，就可以進行軟件編程設計。Modbus通訊協(xié)議分析Modbus協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡（例如以太網(wǎng)）和其它設備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標準。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡，進行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個控制器能認識使用的消息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡進行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設備的過程，如果回應來自其它設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。當在一Modbus網(wǎng)絡上通信時，此協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的設備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動。如果需要回應，控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡上，包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡解決節(jié)地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。1、在Modbus網(wǎng)絡上轉(zhuǎn)輸標準的Modbus口是使用一RS-232C兼容串行接口，它定義了連接口的針腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗?？刂破髂苤苯踊蚪?jīng)由Modem組網(wǎng)?？刂破魍ㄐ攀褂弥鳌獜募夹g，即僅一設備（主設備）能初始化傳輸（查詢）。其它設備（從設備）根據(jù)主設備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應反應。典型的主設備：主機和可編程儀表。典型的從設備：可編程控制器。主設備可單獨和從設備通信，也能以廣播方式和所有從設備通信。如果單獨通信，從設備返回一消息作為回應，如果是以廣播方式查詢的，則不作任何回應。Modbus協(xié)議建立了主設備查詢的格式：設備（或廣播）地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、一錯誤檢測域。從設備回應消息也由Modbus協(xié)議構(gòu)成，包括確認要行動的域、任何要返回的數(shù)據(jù)、和一錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發(fā)生一錯誤，或從設備不能執(zhí)行其命令，從設備將建立一錯誤消息并把它作為回應發(fā)送出去。2、在其它類型網(wǎng)絡上轉(zhuǎn)輸在其它網(wǎng)絡上，控制器使用對等技術通信，故任何控制都能初始和其它控制器的通信。這樣在單獨的通信過程中，控制器既可作為主設備也可作為從設備。提供的多個內(nèi)部通道可允許同時發(fā)生的傳輸進程。在消息位，Modbus協(xié)議仍提供了主—從原則，盡管網(wǎng)絡通信方法是“對等”。如果一控制器發(fā)送一消息，它只是作為主設備，并期望從從設備得到回應。同樣，當控制器接收到一消息，它將建立一從設備回應格式并返回給發(fā)送的控制器。3、查詢回應周期圖4-2主—從查詢—回應周期表（1）查詢查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設備要執(zhí)行何種功能。數(shù)據(jù)段包含了從設備要執(zhí)行功能的任何附加信息。例如功能代碼03是要求從設備讀保持寄存器并返回它們的內(nèi)容。數(shù)據(jù)段必須包含要告之從設備的信息：從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數(shù)量。錯誤檢測域為從設備提供了一種驗證消息內(nèi)容是否正確的方法。（2）回應如果從設備產(chǎn)生一正常的回應，在回應消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應。數(shù)據(jù)段包括了從設備收集的數(shù)據(jù)：象寄存器值或狀態(tài)。如果有錯誤發(fā)生，功能代碼將被修改以用于指出回應消息是錯誤的，同時數(shù)據(jù)段包含了描述此錯誤信息的代碼。錯誤檢測域允許主設備確認消息內(nèi)容是否可用。4.控制器的兩種串行傳輸格式在標準串行通訊網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)傳輸可以有兩種傳輸模式，ACSII和RTU。在配置處理器時，用戶選擇一種自己需要的模式，設置串行通訊接口的通訊參數(shù)（波特率、奇偶校驗模式等）。在同一通訊網(wǎng)絡中，所有設備的傳輸模式和通訊參數(shù)必須相同。采用ACSII和RTU模式的選擇取決于控制器所支持的通訊協(xié)議。RTU模式：RTU模式通訊中，信息中的每一個8位字節(jié)包括兩個4位的十六進制字符。這種方式的最大好處就是字符的密度可以更高，相同波特率的數(shù)據(jù)流量比ACSII模式更大。每個信息必須在一個連續(xù)的數(shù)據(jù)流中進行傳輸。RTU模式中每個字節(jié)的格式是：編碼系統(tǒng)：8位二進制，十六進制0-9，A-F每個8位的信息域中包含2個十六進制字符字節(jié)的位：1個開始位8個數(shù)據(jù)位，首先發(fā)送最低位1個位用于奇偶校驗；無校驗時沒有這一位1個停止位（有校驗時）；2個停止位（無校驗時）錯誤校驗區(qū)：循環(huán)冗余校驗（CRC）下面我們以ABB變頻器的MODBUS協(xié)議為例具體分析，說明如何依據(jù)通訊協(xié)議進行編程，明確如何組合信息幀。無論在哪種串行傳輸模式中（ACSII或RTU），發(fā)送設備都將遵循通訊協(xié)議的規(guī)定，將信息放入一個起點和終點已知的框架中。這樣接受設備就知道從信息的起始點開始，取出其中的地址信息。確定用于哪個設備（廣播信息針對所有設備），并判斷信息是否正確。不完整的信息會被發(fā)現(xiàn)并被當作故障處理。MODBUS的信息正結(jié)構(gòu)如表4-3所示。開始地址域功能域數(shù)據(jù)域CRC校驗結(jié)束8位8位N*8位16位表4-3MODBUS的信息正結(jié)構(gòu)地址域信息的地址域包括8位。從機的有效地址范圍為0-247（十進制）。單個從機的地址范圍為1-247。主機尋址從機的方法就是將從機的地址信息放在地址域中。從機返回響應信息時，也將自己的地址放在地址域，以便讓主機知道是從哪臺從機返回的。地址0表示廣播方式，所有的從機都認可。功能域信息的功能包括8位。有效碼為1-255（十進制）。當一幀數(shù)據(jù)由主機送到從機時，功能域的編碼會告訴從機去干什么。從機對主機的響應，也是用功能編碼的方式進行。表示響應正常（無錯誤），或表示異常（稱為例外情況響應）。正常響應時，從機將以原來功能編碼響應。異常響應時，從幾將原來功能編碼的最高位置1后返回。ACS系列變頻器MODBUS協(xié)議支持03（讀）、06（寫單個寄存器）和16（寫單個寄存器）形式的編碼。數(shù)據(jù)域數(shù)據(jù)域由多組這樣的數(shù)據(jù)構(gòu)成的：兩個十六進制數(shù)為一組，范圍在00—FF之間。主機發(fā)給從機的數(shù)據(jù)域中包括了從機完成功能域的動作時必需的附加信息，可能包括這樣一些項目，如：數(shù)字寄存器和保持寄存器地址、將要處理的項目數(shù)量和實際的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)和實際的數(shù)據(jù)。從機在響應的數(shù)據(jù)域中包括了要求的數(shù)據(jù)。錯誤校驗域包含一個16位數(shù)當作兩個8位字節(jié)執(zhí)行，錯誤校驗值是根據(jù)傳送信息的內(nèi)容，利用循環(huán)冗余校驗CRC計算的結(jié)果。信息的每個8位字符都參與CRC校驗。CRC域位于信息的最后，當CRC生成之后，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后，在發(fā)送信息時，最后傳輸CRC的高字節(jié)。產(chǎn)生CRC的過程如下：1.將一個16位寄存器的值置為FFFF（十六進制），所有位都置為1。稱之為CRC寄存器。2.將信息的第一個8位與CRC寄存器的低位字節(jié)進行異或計算，結(jié)果放入CRC寄存器。3.將CRC寄存器向右移動一位（向最低位LSB），最高位MSB用0填充，提取檢查LSB。4.如果CRC寄存器的最低位（LSB）是1；把CRC寄存器與0*XA001進行異或操作。如果CRC寄存器的最低位（LSB）是0；重復步驟3（另一個移位）。5.直至完成8個移位。此過程完成后，第一個完整的8位字節(jié)就處理完成。6.重復步驟2至5，處理信息的下一個8位字節(jié)。連續(xù)地重復以上過程，知道所有的字節(jié)都處理完畢。7.CRC寄存器中的最后內(nèi)容就是信息的CRC值。利用MODBUS協(xié)議通訊主機與變頻器通訊有三種數(shù)據(jù)格式，即讀命令、寫單個參數(shù)、寫多個參數(shù)。讀命令是主機查詢變頻器的參數(shù)或?qū)嶋H運行數(shù)據(jù)，命令代碼為03。主機發(fā)往從機的信息結(jié)構(gòu)如表4-4所示：從機對主機的響應信息結(jié)構(gòu)如表4-5所示。例如我們讀設備編號為01的變頻其數(shù)字輸入端口狀態(tài)，主機發(fā)給從機的信息為：若變頻器數(shù)字端子沒有輸入，則數(shù)據(jù)為0，所以變頻器對主機的響應信息為:地址命令（03）寄存器代碼數(shù)據(jù)個數(shù)CRC8位8位16位16位16位表4-4讀命令時主機發(fā)往從機的信息結(jié)構(gòu)地址命令返回數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)數(shù)據(jù)CRC8位8位16位N*16位16位地址命令（03）寄存器代碼數(shù)據(jù)個數(shù)CRC010300740001C410地址命令返回數(shù)據(jù)字數(shù)數(shù)據(jù)CRC0103020000B844表4-5讀命令時從機對主機的響應信息結(jié)構(gòu)寫命令是主機設置變頻器的參數(shù)或改變變頻器運行狀態(tài)，命令代碼為06或10（十六進制）。寫單個參數(shù)功能編碼為06，寫單個參數(shù)主機發(fā)往從機的信息結(jié)構(gòu)如表4-6所示：從機對主機的響應信息結(jié)構(gòu)如表4-7所示：例如我們將地址編號為05的變頻器，要求其EXT1運行頻率為5Hz，主機發(fā)給從機的信息為：從機對主機的響應信息為:地址命令（06）寄存器代碼數(shù)據(jù)個數(shù)CRC8位8位16位16位16位表4-6寫單個參數(shù)時主機發(fā)往從機的信息結(jié)構(gòu)地址命令寄存器代碼數(shù)據(jù)個數(shù)CRC8位8位16位16位16位地址命令（06）寄存器代碼數(shù)據(jù)個數(shù)CRC0506000107D0DA22地址命令寄存器代碼數(shù)據(jù)個數(shù)CRC0106000107D0DA22表4-7寫單個參數(shù)時時從機對主機的響應信息結(jié)構(gòu)寫多個參數(shù)功能編碼為10（十六進制），寫多個參數(shù)主機發(fā)往從機的信息結(jié)構(gòu)如表4-8所示：從機對主機的響應信息結(jié)構(gòu)如表4-9所示：地址命令（10）寄存器代碼寄存器個數(shù)數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)數(shù)據(jù)CRC8位8位16位16位8位16位16位表4-8寫多個參數(shù)時主機發(fā)往從機的信息結(jié)構(gòu)地址命令（06）寄存器代碼數(shù)據(jù)個數(shù)CRC8位8位16位16位16位表4-9寫多個參數(shù)時時從機對主機的響應信息結(jié)構(gòu)2）ASCII模式：采用ASCII編碼通訊的通訊協(xié)議以ASCII為基本字符傳送字符，校驗方式一般采用縱向冗余校驗（LRC）方式，校驗區(qū)可以是1個或2個ASCII字符。ASCII方式的通訊數(shù)據(jù)流量小，通訊效率低，但校驗方法簡單，編碼簡單。4.3算法及程序根據(jù)原理得程序流程圖如圖4-3：圖4-3程序流程圖用西門子PLC--S7200實現(xiàn)，編程其程序如圖4-4：圖4-4實現(xiàn)負荷分配的程序程序說明：SM0.0為常閉觸點;采集的轉(zhuǎn)矩值Tn,TM分別放入VW800,VW802;兩個的差值放入VW850；并且把VW802的值讀入VD304；保持VW800的值不變，只對VW802進行調(diào)節(jié)。第5章結(jié)論5.1本文的結(jié)論及意義（1）對負荷分配問題的理論基礎及其產(chǎn)生的原因有了比較全面的認識；（2）從理論上分析了直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)的負荷分配問題，并建立了模型，從而為實際解決負荷分配問題具有一定的指導意義；（3）采用PLC進行負荷分配控制，并設計了原理圖以及其編程實現(xiàn)。5.2本文的不足（1）由于負荷分配問題所具有的多樣性，以及要考慮電氣，機械以及通訊等多方面的因素，因此，理論分析的深度不夠；（2）在實際工作中未能進行深一步的研究。5.3前景展望（1）負荷分配問題是紙機傳動系統(tǒng)中一個非常重要的問題，因此，對它進行深入的分析研究是相當必要的；（2）隨著科技的進步，各種新型電子器件和設備的出現(xiàn)必將為解決負荷分配問題提供良好的硬件基礎；（3）由于負荷分配問題實際上是一個耦合系統(tǒng)，而人工元神經(jīng)網(wǎng)絡所具有的非線性、模糊性及泛化能力對于解決這一問題也會產(chǎn)生巨大的影響。致謝本論文是在導師***老師的精心指導下完成的，***老師在科研、學習、生活等方面都給予我精心的指導與照顧。在課題進展過程中一直給予我細致的指導和幫助，直到論文完成還對論文進行了仔細的審閱。半年中老師更是讓我體會到了怎樣做學問，怎樣發(fā)現(xiàn)問題，怎樣解決問題。老師對待問題、學問那認真細致的態(tài)度真正令我受益匪淺。在這里我要鄭重地感謝您，老師。本課題在進展過程中還得到了任遠等同學的熱心幫助和支持，在此一并向他們表示衷心的感謝!衷心感謝在這四年中培養(yǎng)、教育、關心過我的老師們,還有與我朝夕相處并不斷給我?guī)椭耐瑢W和朋友們!謝謝!李兵強2005.6參考文獻[1]顧繩谷.電機及拖動基礎.機械工業(yè)出版社.1999年[2]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).機械工業(yè)出版社.1992年[3]胡壽松.自動控制原理[4]孟彥京.造紙機變頻傳動原理與設計[5]廖常初.PLC編程及應用.機械工業(yè)出版社.2004年[6]張進秋等主編.可編程控制器原理及應用實例.機械工業(yè)出版.2004年[7]張鳳珊.電氣控制及可編程序控制器[8]《S7-200系統(tǒng)手冊(用于CPU22x系列)》[9]《ACS400變頻器使用手冊》[10]《ACS600變頻器使用手冊》基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設計與研究基于單片機的嵌入式Web服務器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機