北京科技大学自动化实训报告Word文档下载推荐.docx
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（1）丰富的功能模块。
利用各种功能模块，完成实时监控、产生功能报表、显示历史曲线、实时曲线、提供报警等功能，是系统具有良好的人机界面，易于操作。
（2）强大的数据库。
配有实时数据库，可存储各种数据，如模拟量、离散量、字符型等，实现与外部设备的数据交换。
（3）可编程的命令语言。
有可编程的命令语言，使用户可根据自己的需要编写程序，增强图形界面。
（4）周密的系统安全防范。
对不同的操作者，赋予不同的操作权眼，保证整个系统的安全可靠运行。
（5）仿真功能。
提供强大的仿真功能使系统并行设计，从而缩短开发周期。
1.3下位机
系统使用SIMATICS7-300来实现控制功能。
它是模块化的通用型PLC，适用于中等性能的控制要求。
用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块十分方便。
S7-300的CPU模块（简称为CPU）集成了过程控制功能，用于执行用户程序。
不需要附加任何硬件、软件和编程，就可以建立一个MPI（多点接口）网络。
系统组成：
中央处理单元（CPU）：
CPU313C-2DP集成了数字量输入和输出，以及PROFIBUSDP主站/从站接口。
紧凑型CPU本机集成I/O，并带有高速计数、频率测量、定位和PID调节等技术功能。
如图2所示。
信号模块（SM）：
模拟量输入输出模块SM334用于数字量和模拟量输入/输出。
控制系统运行时接线如图3、4所示。
负载电源模块（PS）：
用于将SIMATICS7-300连接到120/230VAC电源。
通讯处理器（CP）：
用于连接网络和点对点连接。
功能模块（FM）：
用于高速计数，定位操作（开环或闭环控制）和闭环控制。
接口模块（IM）：
用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架（ER）。
S7-300通过分布式的主机架（CR）和3个扩展机架（ER），可以操作多达32个模块。
运行时无需风扇。
图2CPU313-2DP的面板
图3模拟量接线图4数字量接线
1.4实训任务与目的
1.4.1实训任务
（1）完成纸面张力PID调速控制实验；
（2）完成纸面张力双回路调速控制，张力环、速度环的系统编程；
（3）完成组态王监控画面的编辑，数据词典变量的定义，应用命令语言程序编写，实现Step7与组态王的数据交换连接；
（4）调节合适的PID参数，使纸张维持在一定的张力范围内且速度适中运行。
1.4.2实训目的
（1）通过这样一个项目工程实践教育，培养我们的工程实践能力和创新能力，达到CDIO工程教育的基本要求；
（2）了解并掌握西门子S7-300PLC的基本使用方法，在此基础上进行PID控制的编程；
（3）了解并掌握组态王Kingview6.55的基本使用方法。
1.5分组情况
姓名
学号
分工
2方案设计依据、范围及相关标准
2.1S7-300PLC主要特点
（1）S7-300是模块化的通用型PLC，适用于中等性能的控制要求。
当系统规模扩大和功能复杂时，可以增加模块，对PLC进行扩展。
简单实用的分布式结构和强大的通信联网能力，使其应用十分灵活。
（2）S7-300的CPU模块（简称为CPU）集成了过程控制功能，用于执行用户程序。
如果有PROFIBUS-DP接口，可以建立一个DP网络。
（3）S7-300可大范围扩展各种功能模块，可以非常好地满足和适应自动控制任务。
由于简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活。
产品设计紧凑、可用于空间有限的场合。
指令集功能强大，可用于复杂控制。
无需电池备份，免维护。
2.2组态王的特点
它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
组态王有利于监控系统的设计，具有报警、实时趋势曲线等多种功能，有利于实验者对系统操作和监控。
2.3设计依据
由于S7-300具有简单使用的分布式结构和强大的通讯能力且使用灵活、指令集功能强大可用于复杂控制，而组态王可以方便有利的监控操作系统的运行情况、并能够及时报警，所以，综合上述，我们选用组态王和S7-300对系统进行控制。
3系统分析
3.1需求分析
3.1.1市场需求分析
造纸业是与国民经济和社会事业发展关系密切的重要原材料产业，也是一个国家现代化水平和文明程度的标志。
目前造纸行业发展迅速，已经成为我国工业经济增长的重要支柱。
早期的造纸生产产量较低，对电控没有太高要求，随着规模的扩大，对造纸机的产能及速度要求越来越高，从而对造纸机电控系统也越来越高。
我国造纸行业一直受到进口产品的巨大冲击，主要是因为我国的纸页质量不高，难以满足国家对纸质的要求。
我国生产的纸表面光洁度低、生产时纸页撕裂现象严重。
究其原因是我国造纸厂在进行纸张卷绕时，对纸张表面的张力控制精度太低，整个系统的控制效果较差。
为解决这种问题，对纸张张力的控制提出了新的要求，促进纸张张力控制系统的研究。
3.1.2功能需求分析
张力控制是当前造纸机控制系统的一大研究热点。
由于纸张经过网部的真空吸水、压榨和多组烘缸干燥后，所含水分已经很少，基本上已经达到了成纸的干度，纸页的伸缩率已经很小，张力变化对纸页的影响力突显出来，张力太大，易引起断纸；
张力太低，纸页产生飘动，易引起褶皱。
因此，为提高生产效率和纸张质量，必须对张力进行检测并引入张力控制策略，使纸页维持在一定的张力范围内且速度适中。
3.2对象特性分析
由于造纸行业的自身工作环境特点和造纸机的工作特性，其张力控制系统有着如下几个特点：
3.2.1动力学模型变化大。
动力学模型变化大主要体现在控制过程中对象模型的时变性，随着纸机的运行，收卷的半径不断变大，从收卷开始到结束，卷径的半径不断变大，从收卷开始到结束，卷径可以增加十倍甚至几十倍，同时造纸机出纸的线速度也在变化，收卷棍的转动惯量和摩擦阻尼系数也随着纸质的不均而不断的变化，所以整个系统的控制参数也需要在线调整，使控制难度增加。
3.2.2强耦合性。
张力控制系统控制的是造纸机纸带间的张力，纸带受到了外界的拉伸作用时产生弹性形变，所以张力是内应力。
在弹性形变范围内，造纸机的纸带间的张力和弹性系数有关，由于纸质不均，弹性系数在一般情况下代是一个变量。
但当这种内应力过大时，就会达到纸带弹性极限从而导致纸张断裂。
在纸带收卷时，纸带和卷棍之间有不同的运动状态，有的是粘滞的，有的是滑动的。
由于卷径一直变化，而导致线速度也发生变化，再启动和停止时，速度的变化一般是突变的。
在造纸机这样一个复杂系统中，纸带收卷的线速度变化必将引起纸带间张力的变化，反之，张力的变化也会影响速度。
因此纸带的速度和纸带间的张力是耦合的。
3.2.3多干扰、非线性。
在造纸机收卷张力控制中，干扰最直接的是来自速度的干扰，其中最为强烈的就是造纸机的突然启动停止，这是在对纸质要求特别精细时，很小的速度变化都会引起纸带间张力的极大变化。
发存在其他方面的扰动，比如纸质不均引起的收卷的卷筒不圆、偏心，电机电压不稳造成的纸带的抖动等，都能影响张力。
序号
位号或代号
设备名称
用途
原始信号类型
工程量
1
U1
变频器1
电机调速
4-20mAAO
0-50Hz
2
U2
变频器2
3
M1
电机1
提供动力
220VAI
0-1395r/s
4
M2
电机2
5
张力1
张力传感器1
力矩测量
4-20mAAI
0-200N
6
张力2
张力传感器2
7
放大1
张力信号放大器2
信号放大
-0.5-3.5mV/V
0-10V/4-20mA
8
放大2
表1纸张张力控制系统特性
3.3工艺流程分析
发送命令
控制输出
图5系统结构框图
选择合适（能保持纸张处于紧绷转态又不至于张力过大使纸张撕裂）的张力作为控制器的设定值，实时对纸张张力进行检测，作为控制器的反馈值。
控制器的类型为PID控制器，为PI模式。
控制器的输出经过数值转换作为变频器的输入，通过的频率改变来控制电机的转速。
电机转动带动卷轴运动进行纸张的收放，从而改变两电机间纸张张力的大小，利用张力传感器进行纸张张力的测量再传送给控制器，实现纸张张力的闭环控制。
3.4系统安全分析
仪器安全分析：
系统结构中存在两个电机和多个转轴，且都裸露在外，操作人员可直接与其接触；
操作员需控制系统电源。
结合这些因素，该系统存在如下几个安全隐患：
1、操作人员（女）头发易被卷轴或电机轴卷绕，故操作人员（女）在操作系统时需带上帽子。
2、操作员在进行系统调试时和操作时，手容易接触到卷轴，存在被卷轴卷绕的危险。
3、在进行打开电源前，需检测电源线路的连接是否完好，电线是否存在少皮的状况，否则易出现触电现象。
系统运行安全分析：
在进行系统调试的过程中，控制参数尚未调整好，系统运行时可能会使得电机出现不可预测的乱转或疯转，可能导致纸张瞬间断裂。
操作人员不可太过接近纸张，出现疯转的情况时，应及时关闭系统电源或点击系统停止按钮。
4系统设计
4.1整体方案设计
图6系统总体设计框图
本系统由组态王、PLC控制器、电源模块、电机、变频器卷纸机构、传感器等模块构成。
（1）通过组态王对系统进行实时监控，可观察趋势曲线，并且设置初始值，通讯PLC将参数录入PLC中执行；
（2）PLC给予变频器命令，是电机转动带动卷纸轴转动，中轴的压力发生变化，压力传感器将当前压力反馈给PLC,并且在组态王中显示；
（3）电机在带动卷纸轴转动的同时，速度传感器将电机转速反馈给PLC，通过内环PID调节电机转速，避免转速过快使纸张断裂；
（4）压力传感器将压力值反馈给PLC，通过外环PID调节纸张张力的大小，避免纸张断裂；
（5）整个系统通过双闭环控制分别调节电机的转速和纸张张力的大小，是系统快速的达到稳定状态。
4.2控制系统设计
张力测量值
张力给定值-
图7控制系统机构图
我们的控制系统采用的是双闭环控制、双PID调节，比起单PID控制的效果好很多，安全性也大大提高。
首先，设定一个给定的张力值，在系统运行以后系统反馈回来一个测量的张力值，两个张力值进行比较后输入给PID1,因为PID1的输出值比较大，会使响应过快，不易于系统控制，且稳态时容易受到外力的干扰；
通过添加一个速度的闭环控制，将PID1的输出与电机转速的反馈值比较后作为输入给PID2，进行微调，使电机的转速和纸张的张力趋于稳定。
4.3安全系统的设计
否
是
图8安全系统框图
如上图所示为安全系统的控制流程图，当纸张张力超过其最大承受力是，纸张就会断裂，安全系统的设计是基于对纸张保护的基础上提出的。
在程序下载完成以后，通过组态王对系统进行操控，首先输入给定的初始值，然后点击“正向启动”或“反向启动”，切换至张力自动控制，点击开始自动调节，由于电机的转速不稳定，张力会时大时小，通过两边的张力传感器将张力的大小反馈到监控端，当张力超过限定值时，电机停止转动，监控画面发生报警显示张力过大，手动操作停止运行，然后修改初始参数继续调节。
4.4控制系统管道仪表流程图
否
是
图9控制系统流程图
5系统设备选择与系统连接
5.1系统设备选择
5.1.1控制器
主要涉及Step7V5.4软件、仿真软件S7-PLCSIM、组态王Kingview6.55以及现场控制的SIMATICS7-300PLC。
S7-300PLC的CPU面板有6个LED指示灯。
LED指示S7-300PLC的操作状态：
说明如下：
（1）SF：
（红色）硬件或软件错误
（2）BF：
（红色）总线出错（只适用于带有DP接口的CPU）
（3）DC5V：
（绿色）CPU和S7-300总线的5V电源正常
（4）FRCE：
（黄色）强制作业有效
（5）RUN：
（绿色）CPU处于“RUN”状态，LED在“Startup”状态以2Hz频率闪烁，在“HOLD”状态频率为0.5Hz
（6）STOP：
（绿色）CPU处于“STOP”或“HOLD”或“Startup”状态，在存储器复位时LED以0.5Hz频率闪烁，在存储器置位时LED以2Hz频率闪烁
CPU有4种操作模式：
STOP（停机）、STARTUP（启动）、RUN（运行）和HOLD（保持）。
在所有的模式中，都可以通过MPI接口与其他设备通信。
（a）STOP模式：
CPU模块通电后自动进人STOP模式，在该模式不执行用户程序，可以接收全局数据和检查系统。
（b）RUN模式：
执行用户程序，刷新输人和输出，处理中断和故障信息服务。
（c）HOLD模式：
在起动和RUN模式执行程序时遇到调试用的断点，用户程序的执行被挂起（暂停），定时器被冻结。
（d）STARTUP模式：
启动模式，可以用钥匙开关或编程软件启动CPU。
如果钥匙开关在RUN位置，通电时自动进人启动模式。
模式开关各位置的意义如下：
（a）RUN（运行）位置：
CPU执行用户程序，可以通过编程软件读出用户程序，但是不能修改用户程序。
（b）STOP（停止）位置：
不执行用户程序，通过编程软件可以读出和修改用户程序。
（c）MRES（清除存储器）：
MRES位置不能保持，在这个位置松手时开关将自动返回STOP位置。
将钥匙开关从STOP状态扳到MRS位置，可复位存储器，使CPU回到初始状态。
5.1.2测量变送装置
主要涉及WZZC-M1张力传感器和WFBS-3张力信号放大器。
WZZC轴台式张力传感器采用了三菱结构形式，拉压型设计，使得其响应频率大大提高，输出信号具有线性好和响应快的特点，保证了零点绝对回复。
WFBS-3张力信号放大器如图1所示：
图10WFBS-3张力信号放大器
张力信号放大器用于从张力传感器读取张力弱信号，经过变送器的预处理，即采用固定增益系数对信号进行放大，然后经由A/D转换电路变换成标准的模拟量信号输出（0-10V或4-20mA）给控制器、PLC或终端处理系统。
放大器为张力传感器提供可靠的工作电源，可配接一路或2路信号输入，电源回路带短路保护功能，信号隔离处理，稳定可靠。
5.1.3执行机构
主要涉及三菱FD-D700变频器、电机以及减速机。
本设备使用的变频器型号是FR-D720S-0.75K-CHT，输入单相电压220V，输出三相220V，0~50HZ变频调速。
如图1所示：
图11三菱FD-D700变频器
5.1.4IO模块配置
主要涉及模拟量输入输出模块SM334。
（1）模拟量输入模块的基本结构
模拟量输入模块由多路开关、A/D转换器（ADC）、光隔离元件、内部电源和逻辑电路组成。
4个模拟量输入通道共用一个A/D转换器，通过多路开关切换被转换的通道，模拟量输入模块个输入通道的A/D转换和转换结果的存储与传送是顺序进行的。
（2）模拟量输入模块的扫描时间
通道的转换时间由基本转换时间和模块的电阻测试和短线监控时间组成，基本转换时间取决于模拟量输入模块的转换方法（例如积分法和瞬时值转换法）。
对于积分转换法，积分时间直接影响转换时间，积分时间可在STEP7中设置。
扫描时间是指模拟量输入模块对所有被激活的模拟量输入通道进行转换和处理的时间的总和。
（3）模拟输入转换后的模拟值表示方法
模拟量输入/输出模块中模拟量对应的数字称为模拟值，模拟只用16位二进制补码定点数来表示。
最高位为符号位，正数的符号位为0，负数的符号位为1。
SM334模拟量输入的模拟值位数（即转换精度）为8位。
（4）模拟输入模块的接线
（5）SM334中模拟量输入的技术参数
（6）模拟量输入模块的输出值转换为实际的物理量
转化时应考虑变送器的输入/输出量程和模拟量输入模块的量程，找出被测物理量与A/D转换后的数字之间的比例关系。
（7）模拟量输出模块的基本结构
模拟量输出模块用于将CPU送给它的数字信号转换为成比例的电流信号或电压信号，对执行机构进行调节或控制，其主要组成部分是D/A转换器。
（8）模拟量输出模块与负载或执行器的接线
模拟量输出模块为负载和执行器提供电流和电压，模拟信号应使用屏蔽电缆或双绞线电缆来传送。
电缆线QV和S+，MANA和S-应分别绞接在一起，这样可以减轻干扰的影响，应将电缆两端的屏蔽层接地。
5.2系统连接
计算机串口和S7300CPU上的MPI接口之间用MPI电缆连接
5.2.1面板连接
S7-300PLC控制系统IO接口图如图12所示，其中DICOM接24V+，DOCOM接24V-
图12PLC面板图
对应的S7-300PLC面板接线如图13所示：
图13S7-300PLC端子图
5.2.2控制系统运行时接线
模拟量接口，如图14所示：
数字量接线，如图15所示：
图14模拟量接线图15数字量接线
6实施效果
6.1操作说明
打开工程，打开组态王开发界面，系统上电；
在下载程序前对系统进行复位，复位操作方法：
1、将PLC模式开关从STOP位置扳到MRES位置，STOPLED熄灭1s，亮1s，再熄灭1s后保持亮。
放开开关，使它回到STOP位置，然后又回到MERS，STOPLED以2HZ的频率至少闪动3s，表示正在执行复位，最后STOPLED一直亮，松开模式开关。
复位完成后，进行程序下载，运行组态王，打开控制界面；
手动添加电机1、电机2#频率，分别点击1#加频、2加频按钮，随后选择联控控制，点击正向启动（反向启动），当系统运行到稳定状态时，切换到自动控制，实现系统的自动控制。
自动控制状态时，正向启动时，1号电机为固定转速，2号电机转速由控制器控制，使纸张张力调整到设定值。
6.2监控画面
包括流程画面、趋势画面、报警画面、操作画面等
图16操作画面
图17实时曲线
图18趋势曲线
图19报警画面
6.3响应曲线及性能分析
图20双闭环响应曲线
性能分析：
由上面的实时曲线、趋势曲线可以得出，再加入双闭环PID调节后，系统的输出值基本上呈现为一条直线，也就是说纸张张力保持稳定，且张力值的大小小于张力的设定值，电机1和电机2的转速基本重合，系统运行很稳定，这说明再加入双闭环控制后，系统的性能得到了大大的提升。
7经济效益分析
在造纸行业中，纸张张力是一个主要的影响参数。
纸张张力过大可能使纸张撕裂或者过薄，影响产品质量，而过小则可能引起纸张起皱和材质的不均匀，降低其质量。
在纸张生产过程中，纸张的放卷和收卷是两道关键的工序。
在此过程中由于卷筒的半径在随时变化，不同半径时对张力的要求又不一样，要求内紧外松，这给纸张在收放过程中的张力控制增添了很大的难度。
早期的张力装置结构简单．不具有自动控制的功能所产生的附加张力是事先设定的一个不变的张力补偿值 它不会因纱线退绕张力的变化而变化。
而如今，自动张力控制系统是纺织，造纸等行业应用最为广泛的一项技术，它实现的好坏直接关系到产品的生产效率的高低和质量的优劣。
在工业生产的诸多行业，经常会遇到卷绕控制问题。
如在纸张、纺织品、塑料薄膜、电线、印刷品、磁带、金属带线材等的生产过程中，带料或线材的开卷、卷取张力对产品的质量至关重要，为此要求进行恒张力控制，即在卷绕的过程中使产品承受最佳张力，且自始至终保持不变。
若张力过大，会造成加工材料的拉伸变形；
张力过小，会使卷取的材料的层与层之间的应力变形，造成收卷不整齐，影响加工质量。
同时张力控制能够持久地控制料带在设备上输送时的张力的能力。
这种控制对机器的任何运行速度都必须保持有效，包括机器的加速、减速和匀速。
即使在紧急停车情况下，它也有能力保证料带不产生丝毫破损。
而我们的张力自动控制系统能够实现恒定张力的完美调控，偏差仅仅只占5%，可以广泛应用于各种工控设备中。
8实训总结
8.1目标，过程，结果等分析
8.1.1目标
将单闭环控制调为双闭环控制。
系统性能达到如下几点：
1.稳态性能指标
张力范围：
张力误差范围：
±
5%
转速范围：
0-1395r/s（卷纸速度0-46r/s）
2.动态性能指标
超调量：
要求张力、速度均无超调
调节时间：
30s
要求无余差
8.1.2过程
我们设计的是张力为外环，速度为内环的双PID调节,按照”先内环后外环”的原则，进行系统调节。
我们设定启动电机的频率为2Hz左右，张力设定值为60，调节过程如下：
张力调节器的PID参数，P=0.05、I=20000、D=0；
速度调节器的PID参数，P=0.1、I=0；
图8.1
可以看出来，此时的平均张力在经过三分钟的张力PID调节后，仍然跳动很大，无法趋于张力设定值。
系统处于震荡状态。
速度调节器的PID参数，P=0.1、I=20000；
图8.2
可以看出来，此时的平均张力在经过三分钟的张力PID调节后，有趋于张力设定值的趋势但不稳定。
选择先调节内环P的方式，故改变内环的P值，使内环P=0.5。
速度调节器的PID参数，P=0.5、I=20000；
图8.3
可以看出来，此时的平均张力在经过五分钟的张力PID调节后，基本趋于张力设定值，波动减小，但调节时间较长，超调量较大。
可以判断出P值
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