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1、基于PROFIBUS的腈纶纺丝控制系统 摘 要我国早期的腈纶纺丝生产线存在控制精度低、故障率高、参数调整困难等缺点。随着科学技术的进步，PLC技术、通讯技术、变频器技术得到了极大的发展。这为实现现代化的腈纶纺丝线控制系统提供了良好的技术基础和理论基础。 本文阐述了腈纶纺丝线的工艺流程，设计了基于PROFIBUS的腈纶纺丝（前纺）控制系统。该控制系统以是以PROFIBUS为主要通信网络，以西门子PLC的S7-300做主要控制器，为腈纶纺丝的流水线生产而设计的控制系统。 该控制系统以S7-300 PLC为控制核心，用交流变频器控制同步电动机进行调速，通过PROFIBUS-DP网络实现PLC与变频器
2、之间的数字通信，从而达到生产线速度协调控制的目的。本文最后给出了控制系统的软、硬件设计图纸。在充分了解腈纶纺丝生产的工艺和流程基础上,设计出了控制系统的电气结构、网络结构、PLC控制系统等。 关键词：腈纶纺丝； PLC；PROFIBUS-DP；变频器；Step-7Abstract There are many problems in the former acrylic fiber plant control system such as low precision、high breakdown frequency and difficulty in adjusting parameters.
3、 With the important improvement of science and technology, the technology of PLC、communication and frequency convert or also make prominent progress, which support us with good foundation of technology and theory .This paper briefly introduces the craft of acrylic fiber first. The control system is
4、the main communication network PROFIBUS to the PLC Siemens S7-300 to do the main controller, the pipeline for the production of acrylic fiber spinning designed controls system. The basic idea of control is as follows: the control center is S7-300 PLC; AC frequency convector is used to govern the spe
5、ed of synch motor; and the communication between PLC and frequency convector is realized through PROFIBUS-DP. So we can achieve the results that the speed of the whole acrylic fiber plant is coordinate. At last, the sketch of software and hardware will be attached.In full knowledge of the production
6、 of acrylic fiber spinning technology and process based on the design of electrical control system structure, network structure, PLC control systems.Keywords： Acrylic fiber； PLC；PROFIBUS-DP；Frequency convector；Step-7 44 目录第一章 绪论11.1选题背景及研究意义11.2腈纶纺丝工艺介绍11.2.1 腈纶纺丝的工序介绍11.2.2 系统的工艺流程介绍21.3主要研究内容2第二章
7、控制系统整体设计32.1生产线控制系统的特点32.2系统设计的方案42.3系统的整体结构设计42.4系统电气结构整体设计52.5 系统网络结构整体设计6第三章 系统电气结构设计73.1系统电路的整体介绍73.2变频技术73.2.1 变频器的原理73.2.2 TD系列变频器83.2.3变频器调速93.3 整流电路93.4 保护电路103.5 前纺电机拖动电路11第四章PLC控制系统设计134.1 PLC控制的介绍134.1.1 PLC的简介134.1.2可编程序控制器的基本结构134.2 PLC的比较选型134.3 S7-300的介绍144.3.1 S7-300基本结构144.3.2 S7-30
8、0的功能154.4 PLC控制系统的设计154.5 PLC通信的实现164.5.1 PLC主站164.5.2 变频器智能从站164.6 PLC的I/O模块17第五章 基于PROFIBUS总线通信的设计195.1 PROFIBUS现场总线技术195.1.1PROFIBUS现场总线技术概述195.1.2 PROFIBUS的基本特点195.1.3 PROFIBUS的类型195.2 PROFIBUSDP现场总线技术205.2.1 PROFIBUSDP协议结构205.2.2 PROFIBUSDP特性205.2.3 PROFIBUS-DP系统配置和设备类型205.2.4 PROFIBUS-DP基本功能21
9、5.3 工业PC和PLC的通信215.3.1 MPI通信介绍215.3.2 PC/MPI适配器介绍215.3.3工业PC和PLC的通信设置225.4 PLC与变频器的联接225.4.1总线适配器的接线225.4.2 PLC和变频器通信的实现23第六章 控制系统的 STEP7的组态设计256.1 STEP7编程软件简介256.2 STEP7的组态设计256.2.1 创建组态项目256.2.2 硬件组态与通讯组态256.3 软件编程276.3.1 PLC的循环执行过程276.3.2 控制系统程序27结 论29谢 辞30参考文献31附录1：软件设计图32附录2 电路图37英文原文39英文翻译43第一
10、章 绪论1.1选题背景及研究意义 世界腈纶工业年代初实现工业化，腈纶的优良性能，使其在服装、装饰、产业三大领域都有应用。 我国每年腈纶纤维使用量约为90万吨左右，而我国每年的生产总量仅为47万吨左右，还需大量进口。我国腈纶纤维目前仍存在着较大缺口，因此我国的腈纶企业有一个很大的发展空间。在发达国家腈纶生产装置工艺控制方面，电气传动已由直流调速系统发展到全交流、全变频的调速系统，过程仪表及集散控制系统也由机械式、传统的模拟量仪表等，向高度数字化、智能化发展，形成了以高性能计算机网络作为核心，电气传动、过程仪表及计算机网络控制系统的三位一体化，工艺控制及生产决策达到智能化。 而某厂腈纶丝生产线鉴于
11、当时技术水平的限制，采用的是模拟量控制的变频调速方式，控制精度低，参数调整困难，运行平稳性差，故障率高。而且，随着使用年限的增加，由于器件老化，参数发生漂移，系统的故障率增加，维修难度增大。这些问题严重制约了纺丝线的正常生产。因此，对生产线的改造势在必行。而腈纶纺丝厂有规划进行改组、扩大产能、产量，提高现有装置的规模，合理地选择腈纶生产工艺路线，将会为企业生产空间开拓新的天地。1.2腈纶纺丝工艺介绍1.2.1 腈纶纺丝的工序介绍 本厂采用湿法纺丝，湿法纺丝是化学纤维主要纺丝方法之一，简称湿纺。湿纺包括的工序是：(1)制备纺丝原液；(2)将原液从喷丝 压出形成细流；(3)原液细流凝固成初生纤维；
12、(4)初生纤维卷装或直接进行后处理。如下图1 图1湿法纺丝1.2.2 系统的工艺流程介绍腈纶纺丝生产线工艺很复杂，为了满足生产工艺要求，生产线共有20个丝束处理单元，按驱动功能划分为20个工位，称为F1-F20如图1。其中，F1为纺丝机；F2为转向拉出辊;F3为牵引辊;F4为溶剂引入口辊;F5为溶剂引出口辊;F6-10为水洗机拖动辊;F11为预热箱入口辊;F12为热牵伸入口辊;F13为热牵伸辊;F14为骤冷拉出辊;F15调湿调温 机;F16为定型机入口辊;F17为定型机出口辊;F18为再牵伸入口辊;F19为再牵伸辊;F20为卷曲机。F1到F12为前纺，负责纺丝的成型和热牵伸，F13到F20为后
13、纺，负责定型和卷取。工艺流程如图2工艺流程 图21.3主要研究内容 本设计是针对晴纶腈纶厂腈纶生产线（前纺）的原控制系统存在通信协议是非公开协议、设备老化、故障率高、没有上位机等一系列问题而设计的控制系统基PROFIBUSDP腈纶纺丝线控制系统（前纺）。 控制系统为两层网络结构,监控级采用MPI作为通信网络，由工控机、PLC作为网络节点。工控机中安装STEP7编程软件，既可以对系统运行状态进行监控又可以对生产线的PLC进行编程。现场 级采用PROFIBUSDP作为通信网络，由PLC作为主站，分布式I/O和变频器作为从站。PLC完成对现场设备的控制、信号的采集与传输。本设计介绍了腈纶纺丝的工艺流
14、程，分析生产线的特点后，设计系统的网络结构以及电气结构，设计了PLC控制系统。 具体设计研究内容如下： 1）了解腈纶纺丝的生产流程以及生产工艺； 2）设计系统的整体结构；3）设计系统的电气结构； 4）设计系统的网络结构；第二章 控制系统整体设计 2.1生产线控制系统的特点 腈纶纺丝生产工艺很复杂，这就对生产线控制系统的可靠性、实时性、速度协调性与稳定性要求非常高。各驱动工位在生产时通过丝束联系，在加减速时要求各工位同步。生产工艺要求生产线的许多环节对丝束进行一定比率的牵伸，并保持一定的张力，因此，系统的各个功能单元必须严格地按预定的比率协调运转。具体控制要求有： (1) 丝束张力调节 系统在运
15、行的时候，由于负载转矩和加减速率的变化等原因会造成的各功能单元线速差异，使丝束过分“拉紧”或“松 驰”，导致牵伸率不足或造成缠辊，影响质量。 (2) 牵伸率控制 根椐 生产工艺要求，在二次牵伸部分，即F18与F19之间要实现对丝束一定倍率的牵伸(如=1.40)。（3）变频器能量回馈处理 系统运行时候，腈纶纺丝生产线上很多电机在同时运行，有的处在电动状态，有的处在发电状态，怎样才能使得发电状态的电机产生的能量得到合理利用呢？如：在当F19与F18之间以一定的牵伸比(1)运行时，F18电机处于发电状态。如何处理F18电机所产生的能量？我们选择把能量通过直流母线反馈回电网。我们可以把F18变频器的直流端子通过一个开关K接在直流母线上，刚起动时，开关K处于OFF状态，F18电机产生的电能消耗在制动电阻上，正常运转后，开关K闭合，F18电机产生的电能通过直流母线给其他电动状态的电机消耗掉。实践证明，这种处理方式非常成功，既达到了一定的
