基于S7-400PLC造紙機電氣系統(tǒng)設計
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基于S7-400PLC造紙機電氣系統(tǒng)設計
系統(tǒng)利用西門子PROFIBUS總線通訊協(xié)議格式，實現(xiàn)S7-400PLC與ABBACS800變頻器的通訊，完成造紙機速度鏈、負荷分配等控制功能，在造
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分享專業(yè)智慧，相聚電氣天下
基于S7-400PLC造紙機電氣系統(tǒng)設計
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，實現(xiàn)S7-400PLC與ABBACS800變頻器
的通訊，完成造紙機速度鏈、負荷分配等控制功能，在造紙機傳動中取得了較高的控制精度和
穩(wěn)定性，充分滿足造紙機生產(chǎn)的需要。實踐證明，該結(jié)構(gòu)控制方式可應用于大型、高速紙機的
電氣傳動控制。
關(guān)鍵詞 變頻器，PLC，協(xié)議，系統(tǒng)設計，造紙機
1. 引言
在紙機電氣控制系統(tǒng)設計時，考慮到造紙機傳動系統(tǒng)的特殊性，所以既要滿足紙機傳動
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
格式實現(xiàn)PLC與變頻器的通信功能，組成該機的控制系統(tǒng)。
1.1ACS800系列變頻器簡介：
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)場應用。DTC技術(shù)是
ACS
800 的核心：直接轉(zhuǎn)矩控制對交流傳動來說是一個最優(yōu)的電機控制方法，它可以對所有
交流電機的核心變量進行直接控制。它開發(fā)出交流傳動前所未有的能力并給所有的應用提供了
益處。
1.2PROFIBUS概述及協(xié)議分析
PROFIBUS是Process
Fieldbus 的縮寫，是由德國西門子公司提出的一種現(xiàn)場總線標準，現(xiàn)在已成為了一種國
際性的開放式現(xiàn)場總線標準,
即 EN50-170 歐洲標準。目前世界上許多自動化技術(shù)生產(chǎn)廠家都為它們生產(chǎn)的設備提供
PROFIBUS 接口。PROFIBUS 已經(jīng)廣泛應用于加工制造、過程和樓宇自動化，應用范圍非常廣
泛。
PROFIBUS以其先進的技術(shù)和非凡的可靠性代表了當今現(xiàn)場總線的發(fā)展方向。
PROFIBUS根據(jù)應用特點分為PROFIBUS—DP，PROFIBUS—FMS，PROFIBUS
—PA。三個版
本，分別用于不同的場合。
PROFIBUS 是一種現(xiàn)場總線，因此可以將數(shù)字自動化設備從底級(傳感器／執(zhí)行器)到中
間執(zhí)行級(單元級)分散開來。通信協(xié)議按照應用領(lǐng)域進行了優(yōu)化，故幾乎不需要復雜的接口即可
實現(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 通過采用差
分電壓輸出的RS485實現(xiàn)電流連接。在線性拓撲結(jié)構(gòu)下采用雙絞線電纜。樹型結(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采用一種混合訪問方法。由于不能使所有設備在同一時刻傳輸，所以在
PROFIBUS 主設備(masters)之間用令牌的方法。為使 PROFIBUS 從設備(slave)之間也能
傳遞信息，從設備由主設備循環(huán)查詢。
PR0fIBUS第2層FlC：第2層的現(xiàn)場總線鏈路控制(FLC)子層規(guī)定了對低層接口(LLl)有
效的第2層服務，提供服務訪問點(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)場總線管理(FMAl／2)完成第 2 層(MAC)特定
的總線參數(shù)的設定和第1層(PHY)的設定。FLC和LLI之間的SAPs可以通過FMAl／2激活或
撤消。此外，第1層和第2層可能出現(xiàn)的錯誤事件會被傳遞到更高層(FMA7)。
3)、PROFIBUS第3—6層
第 3—6 層在 PROFIBUS 中沒有具體應用，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)場總線信息規(guī)范(FMS)的服務映射到第 2 層
(FLC)的服務。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
一個邏輯連接通道的所有重要參數(shù)?？梢栽?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)場總線信息規(guī)范(FMS)子層將用于通信管理的應用
服務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，才可能訪問一個應用
過程的通信對象。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。在某些應用過程中，還
可以通過FMA7把各個子層的事件和錯誤顯示給用戶。
5)、PROFIBUSALI
ALI：位于第 7 層之上的應用層接口(ALI)，構(gòu)成了到應用過程的接口。ALI 的目的是將
過程對象轉(zhuǎn)換為通信對象。轉(zhuǎn)換的原因是每個過程對象都是由它在所謂的對象字典(OD)中的特
性(數(shù)據(jù)類型、存取保護、物理地址)所描述的。
2. 系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡組成
要想組成PROFIBUS網(wǎng)絡，必須有兩個條件。主站的網(wǎng)絡組態(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)絡組態(tài)工具是一個網(wǎng)絡組態(tài)軟件，用來將各個站組成網(wǎng)絡，設置網(wǎng)絡
參數(shù)和站的參數(shù)，并將已設置好的網(wǎng)絡組態(tài)傳送給主站。GSD文件稱為設備數(shù)據(jù)庫文件。對一
種設備類型的特征 GSD 文件以一種準確定義的格式給出其全面而明確的描述。GSD 文件由生
產(chǎn)廠商分別針對每一種設備類型準備并以設備數(shù)據(jù)庫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設備的設備數(shù)據(jù)庫文件，并且在組態(tài)總線系統(tǒng)時自動使
用這些信息。在組態(tài)階段，系統(tǒng)自動地對輸入與整個系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)據(jù)的輸入誤差和前后一致性
進行檢查核對。
在組網(wǎng)時，必須先把你所須的從站的GSD文件裝載到網(wǎng)絡組態(tài)工具里。這樣在網(wǎng)絡組態(tài)
工具里就有了你所須的從站的選項。用網(wǎng)絡組態(tài)工具建一個你所需要的網(wǎng)絡，并設置網(wǎng)絡參數(shù)，
然后在網(wǎng)絡上添加你所須的站，并設置站的參數(shù)，最后把設置好的網(wǎng)絡組態(tài)傳送給主站，這樣
就組建好了一個PROFIBUS網(wǎng)絡。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PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線與變頻器構(gòu)成DCS控制系統(tǒng)。PLC與上位機、現(xiàn)場觸
摸屏、變頻器實行PROFIBUS高速通訊。
傳動部下位控制中心為西門子 S7-400 PLC，在 PROFIBUS 現(xiàn)場總線上 S7-400
PLC是主站，選用CPU414-2
DP，有強大的通訊功能，自身帶有一個PROFIBUS-DP接口，可與變頻器及操作現(xiàn)場觸
摸屏采用 PROFIBUS-DP 總線實現(xiàn)高速通訊，完成整個紙機傳動過程中的速度鏈、負荷分配、
張力控制等功能。PLC 接受上位機優(yōu)化控制指令，可以根據(jù)紙張生產(chǎn)品種自動調(diào)節(jié)各分部速度
以適應生產(chǎn)需求。同時PLC將各分部運行參數(shù)送往上位機，以便及時了解生產(chǎn)狀況。
基于S7-400PLC造紙機電氣系統(tǒng)設計
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，實現(xiàn)S7-400PLC與ABBACS800變頻器
的通訊，完成造紙機速度鏈、負荷分配等控制功能，在造紙機傳動中取得了較高的控制精度和
穩(wěn)定性，充分滿足造紙機生產(chǎn)的需要。實踐證明，該結(jié)構(gòu)控制方式可應用于大型、高速紙機的
電氣傳動控制。
關(guān)鍵詞 變頻器，PLC，協(xié)議，系統(tǒng)設計，造紙機
1. 引言
在紙機電氣控制系統(tǒng)設計時，考慮到造紙機傳動系統(tǒng)的特殊性，所以既要滿足紙機傳動
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
格式實現(xiàn)PLC與變頻器的通信功能，組成該機的控制系統(tǒng)。
1.1ACS800系列變頻器簡介：
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)場應用。DTC技術(shù)是
ACS
800 的核心：直接轉(zhuǎn)矩控制對交流傳動來說是一個最優(yōu)的電機控制方法，它可以對所有
交流電機的核心變量進行直接控制。它開發(fā)出交流傳動前所未有的能力并給所有的應用提供了
益處。
1.2PROFIBUS概述及協(xié)議分析
PROFIBUS是Process
Fieldbus 的縮寫，是由德國西門子公司提出的一種現(xiàn)場總線標準，現(xiàn)在已成為了一種國
際性的開放式現(xiàn)場總線標準,
即 EN50-170 歐洲標準。目前世界上許多自動化技術(shù)生產(chǎn)廠家都為它們生產(chǎn)的設備提供
PROFIBUS 接口。PROFIBUS 已經(jīng)廣泛應用于加工制造、過程和樓宇自動化，應用范圍非常廣
泛。
PROFIBUS以其先進的技術(shù)和非凡的可靠性代表了當今現(xiàn)場總線的發(fā)展方向。
PROFIBUS根據(jù)應用特點分為PROFIBUS—DP，PROFIBUS—FMS，PROFIBUS
—PA。三個版
本，分別用于不同的場合。
PROFIBUS 是一種現(xiàn)場總線，因此可以將數(shù)字自動化設備從底級(傳感器／執(zhí)行器)到中
間執(zhí)行級(單元級)分散開來。通信協(xié)議按照應用領(lǐng)域進行了優(yōu)化，故幾乎不需要復雜的接口即可
實現(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 通過采用差
分電壓輸出的RS485實現(xiàn)電流連接。在線性拓撲結(jié)構(gòu)下采用雙絞線電纜。樹型結(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采用一種混合訪問方法。由于不能使所有設備在同一時刻傳輸，所以在
PROFIBUS 主設備(masters)之間用令牌的方法。為使 PROFIBUS 從設備(slave)之間也能
傳遞信息，從設備由主設備循環(huán)查詢。
PR0fIBUS第2層FlC：第2層的現(xiàn)場總線鏈路控制(FLC)子層規(guī)定了對低層接口(LLl)有
效的第2層服務，提供服務訪問點(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)場總線管理(FMAl／2)完成第 2 層(MAC)特定
的總線參數(shù)的設定和第1層(PHY)的設定。FLC和LLI之間的SAPs可以通過FMAl／2激活或
撤消。此外，第1層和第2層可能出現(xiàn)的錯誤事件會被傳遞到更高層(FMA7)。
3)、PROFIBUS第3—6層
第 3—6 層在 PROFIBUS 中沒有具體應用，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)場總線信息規(guī)范(FMS)的服務映射到第 2 層
(FLC)的服務。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
一個邏輯連接通道的所有重要參數(shù)?？梢栽?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)場總線信息規(guī)范(FMS)子層將用于通信管理的應用
服務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，才可能訪問一個應用
過程的通信對象。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。在某些應用過程中，還
可以通過FMA7把各個子層的事件和錯誤顯示給用戶。
5)、PROFIBUSALI
ALI：位于第 7 層之上的應用層接口(ALI)，構(gòu)成了到應用過程的接口。ALI 的目的是將
過程對象轉(zhuǎn)換為通信對象。轉(zhuǎn)換的原因是每個過程對象都是由它在所謂的對象字典(OD)中的特
性(數(shù)據(jù)類型、存取保護、物理地址)所描述的。
2. 系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡組成
要想組成PROFIBUS網(wǎng)絡，必須有兩個條件。主站的網(wǎng)絡組態(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)絡組態(tài)工具是一個網(wǎng)絡組態(tài)軟件，用來將各個站組成網(wǎng)絡，設置網(wǎng)絡
參數(shù)和站的參數(shù)，并將已設置好的網(wǎng)絡組態(tài)傳送給主站。GSD文件稱為設備數(shù)據(jù)庫文件。對一
種設備類型的特征 GSD 文件以一種準確定義的格式給出其全面而明確的描述。GSD 文件由生
產(chǎn)廠商分別針對每一種設備類型準備并以設備數(shù)據(jù)庫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設備的設備數(shù)據(jù)庫文件，并且在組態(tài)總線系統(tǒng)時自動使
用這些信息。在組態(tài)階段，系統(tǒng)自動地對輸入與整個系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)據(jù)的輸入誤差和前后一致性
進行檢查核對。
在組網(wǎng)時，必須先把你所須的從站的GSD文件裝載到網(wǎng)絡組態(tài)工具里。這樣在網(wǎng)絡組態(tài)
工具里就有了你所須的從站的選項。用網(wǎng)絡組態(tài)工具建一個你所需要的網(wǎng)絡，并設置網(wǎng)絡參數(shù)，
然后在網(wǎng)絡上添加你所須的站，并設置站的參數(shù)，最后把設置好的網(wǎng)絡組態(tài)傳送給主站，這樣
就組建好了一個PROFIBUS網(wǎng)絡。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PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線與變頻器構(gòu)成DCS控制系統(tǒng)。PLC與上位機、現(xiàn)場觸
摸屏、變頻器實行PROFIBUS高速通訊。
傳動部下位控制中心為西門子 S7-400 PLC，在 PROFIBUS 現(xiàn)場總線上 S7-400
PLC是主站，選用CPU414-2
DP，有強大的通訊功能，自身帶有一個PROFIBUS-DP接口，可與變頻器及操作現(xiàn)場觸
摸屏采用 PROFIBUS-DP 總線實現(xiàn)高速通訊，完成整個紙機傳動過程中的速度鏈、負荷分配、
張力控制等功能。PLC 接受上位機優(yōu)化控制指令，可以根據(jù)紙張生產(chǎn)品種自動調(diào)節(jié)各分部速度
以適應生產(chǎn)需求。同時PLC將各分部運行參數(shù)送往上位機，以便及時了解生產(chǎn)狀況。
AIGC您好，關(guān)于"基于S7-400 PLC造紙機電氣系統(tǒng)設計"，這是一個專業(yè)且技術(shù)性的主題。S7-400是西門子的一款高級可編程控制器（PLC），常用于工業(yè)自動化控制中，尤其適合大型和復雜的系統(tǒng)，如造紙機。
在造紙機的電氣系統(tǒng)設計中，S7-400 PLC會扮演核心角色。它通過預設的程序邏輯（即梯形圖或功能塊圖），控制紙機的各個環(huán)節(jié)，比如原料處理、混合、壓榨、干燥和切割等過程。這個設計可能包括電機驅(qū)動控制、安全保護機制、生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控以及故障診斷等功能，以確保整個造紙流程的高效、穩(wěn)定和安全運行。
如果您有關(guān)于具體的設計步驟、編程語言使用、接口配置或者遇到的問題，歡迎詳細提問，我會盡我所能提供幫助。
