塑料薄膜双向拉伸机组纵向拉伸机控制装置的研制毕业设计论文.doc

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1、 毕业设计毕业设计( (论文论文) )说明书说明书 题 目： 塑料薄膜双向拉伸机组 纵向拉伸机控制装置的研制 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 王佳宁 学 号： 0600120327 指导教师单位： 电气工程教研室 姓 名： 张彤 职 称： 讲师 题目类型 ：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开 发 2010 年 6 月 3 日 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 摘摘 要要 近 30 年以来，随着高分子树脂及塑料成型技术的飞跃发展，双向拉伸塑料薄膜已 成为国民经济和人民生活不可或缺的一种材料。

2、BOPP 薄膜从 1962 年以后，其年增长率保持在 12%15%。1996 年，全世界 BOPP 薄膜的产量超过 300 万吨。目前，我国已经引进和自主研发了近百余条薄膜生产 线，拥有近 50 万吨的生产能力，可以生产多种质量高，性能好的双向拉伸塑料薄膜。 塑料薄膜拉伸生产线主要有挤出，铸片，纵拉，横拉，收卷等部分组成。 纵拉部分主要完成薄膜的纵向拉伸。在控制温度下，利用纵拉快传动电机和纵拉 慢传动电机完成薄膜的纵向拉伸。 本课题就是塑料薄膜双向拉伸机组纵向拉伸机控制装置的研制。在熟悉整个塑料 薄膜生产线的工作方式下，掌握纵拉部分的工作原理。塑料薄膜双向拉伸机组纵向拉 伸机控制装置的纵拉部分

3、的传动电机采用西门子变频器进行控制，变频器通过西门子 PLC 控制，温度采集采用热电阻，温度控制采用西门子闭环控制模块 FM355。根据工 艺要求可以调节纵拉部分的升降辊，从而调节拉伸间隙，达到工艺要求。采用西门子 PLC，西门子变频器，完成纵拉部分的设计。利用 Protel99 Se 完成塑料薄膜双向拉伸 机组纵向拉伸机控制装置的电气原理图设计设计，利用 Step7 编程软件编写纵向拉伸机 电气控制的 PLC 程序，利用组态软件 wincc 编写上位机软件。实现塑料薄膜双向拉伸 机组纵向拉伸机控制装置的设计。 关键词关键词：交流；变频；调速；反馈； 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸

4、Abstract In the process of BOPP film production,for different size of thickness,it is need diverse precision requirement of the resints humidity, the melt temperature and the extrusion pressure.The traditional method of using relay for control can hardly meet the requirements of both lower the cost

5、of the improvement of the production line and improve the level of the safety and economy of the production line. So it is necessary to modify the electrication of the production line. This article firstly introduced the present situation of the research of BOPP film production and trend of its deve

6、lopment ,emphasis on analyzing the methods and problems faced in the temperature control of the production process. The accurate control of the temperature of the mold and dies of the extruder is one of the important technologies which related to the quality and performance of parameter time varying

7、, large time delay and strong coupling. In this paper it used the adaptive setting strategy which combined with conventional PID . Based on the requirements of the production process of the film, the BOPP film production control system is designed which based on the field bus technology, and the sys

8、tem is of functions of detection ,control and management. After transformation, the system is a level 2 process control system. It used S7-300 PLC produced by Siemens companies for the basic automatic control which realizes the control of the requipment running like the heater, the draw machine ,the

9、 tractor. As well as it used industrial computer produced by advantech . for the monitoring station which is used to complete the functions of monitoring, alarming and tabulation. Also the operation of the system is very simple, the picture innervation is visual, control effect is well, the reliabil

10、ity and the stability have greatly improved. It is proved by long time running that the equipment running well, the mainrenance cost decreased, the product quality improved and enterprise economic benefit increased. Key Words: interchange, PLC, frequency, Feedback 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目 录 1.课题背景.1 2

11、.双向塑料薄膜双向拉伸机组工作方式简介3 2.1 双向拉伸薄膜生产线的工艺流程3 2.2 平面双向拉伸聚丙烯薄膜的生产设备.3 2.2.1 干燥.3 2.2.2 挤出机3 2.2.3 过滤器4 2.2.4 挤出机机头.4 2.2.5 冷却装置4 2.2.6 纵向拉伸机.4 2.2.7 横向拉伸机4 2.2.8 废料回收.4 2.3 双相拉伸塑料薄膜生产线拉伸方法5 2.4 交流变频调速.5 2.4.1 交流调速系统的发展.6 2.4.2 变频调速的现实意义.7 2.4.3 变频器的结构和工作原理.7 2.5 变频调速的基本控制方式.7 2.5.1 V/F 控制方式7 2.5.2 转差频率控制.

12、8 2.5.3 PWM 控制9 2.5.4 矢量控制9 2.6 PROFIBUS 工业总线10 3.纵拉部分设计及实现.11 3.1 纵拉部分工作原理11 3.2 PLC 控制接线图.13 3.3 纵拉机设备选择15 3.4 导线选择.16 3.5 平面双向拉伸聚薄膜生产线纵拉部分电气原理图设计及实现17 3.6 PLC 控制系统设计.17 3.6.1 PLC 控制系统设计的原则.17 3.6.2 选用 PLC 的依据.17 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 3.6.3 PLC 控制系统的设计步骤.18 3.7 软件设计.19 3.8 PLC 编程软件 STEP719 3.9 代表机架

13、的组态表.20 3.10 组态的步骤.21 3.11 站窗口的布局22 3.12 PLC 程序.23 4.上位机监控系统24 4.1 硬件配置24 4.2 软件配置.24 4.3 主要特点.24 4.4 人机对话界面概述.26 5. 总结26 谢 辞28 参考文献29 附录一30 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 37 页 1.课题背景 本章主要讲述 BOPP 薄膜生产线的国内外现状、本课题的主要内容和课题的来源 双向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜具有质轻、透明、无毒、防潮、透气性低、机械强 度高等优点，广泛用于食品、医药、日用轻工

14、、香烟等产品的包装，并大量用作复合 膜的基材。自 1957 年聚丙烯（PP）树脂工业化生产后，世界各公司竞相开发 BOPP 薄 膜，1958 年意大利 Montecatini 公司首创 BOPP 薄膜生产技术，1959 年和 1962 年欧美 及日本相继开始生产，目前全世界 BOPP 薄膜年生产能力已达 282 万吨，年产量超过 155 万吨，而且产量每年还在以 15左右的速率递增。 近 30 年以来，随着高分子树脂及塑料成型技术的飞跃发展，双向拉伸塑料薄膜已 成为国民经济和人民生活不可或缺的一种材料。目前，我国已经引进和自主研发了近 百余条薄膜生产线，拥有近 50 万吨的生产能力，可以生产多

15、种质量高，性能好的双向 拉伸塑料薄膜。 BOPP 薄膜从 1962 年以后，其年增长率保持在 12%15%。1996 年，全世界 BOPP 薄 膜的产量超过 300 万吨。其中已中国、日本的远东地区增长最快。 表 1 中国、日本的远东地区薄膜产量比较 地区产量/万吨所占比例%地区产量/万吨所占比例% 远东 80.240.2 非洲 21 欧洲 61.7531 中近东 1.10.55 美洲 53.4327.3 目前，BOPP 薄膜的厚度最薄为 2um,最厚为 60um。最大幅宽超过 10m，最高生产速 率已高达 350m/min。最常用的电容器绝缘材料的厚度有以下几种： 2、4、5、6、7、8、9

16、、10、12、15um。包装用的 BOPP 薄膜的厚度为 1660um。 从国产的 BOPP 薄膜生产量上来看，目前国产的薄膜不但可以满足国内的需要，而 且还可以部分出口。从质量上来看，国产薄膜的质量已经达到国外同类产品的水平。 从国产的 BOPP 薄膜品种来看，主要用于包装、X 光片、电气绝缘、电容器等领域。除 了磁盘芯片、高级磁带带基以及少数特殊薄膜任需要进口外，绝大多数的产品都可以 生产。 我国的 BOPP 薄膜生产线是在 19721973 年间，由桂林电器科学研究所、嘉兴绝缘 材料厂、晨光化工研究所开始试制的。90 年代以后，国内 BOPP 薄膜发展更快，到 1997 年底，我国共引进

17、 63 条 BOPP 生产线，总生产能力达到 32 万吨。 随着人民经济的不断发展，国民生活程度日益进步，国内对 BOPP 薄膜的需求量也 将不断增加。2000 年，我国 BOPP 薄膜的需求量为 49.151.7 万吨，其中印刷复合用 光膜需求量为 2930 万吨，胶粘带和 PVDC 涂布用基膜 55.5 万吨，珠光膜 4.55 万吨，烟膜 77.5 万吨，电工膜 1.11.2 万吨，镀铝膜 1.5 万吨，其它专用膜 1 万 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 37 页 吨。2005 年国内对 BOPP 薄膜的需求量进一步进步到 64.968.7 万吨，其中印刷复合 用

18、光膜 3840 万吨，胶粘带和 PVDC 涂布用基膜 7 万吨，珠光膜 6.57 万吨，烟膜 88.5 万吨，电工膜 1.41.5 万吨，镀铝膜 22.5 万吨，其它专用膜 22.2 万吨。 随着我国国民经济的高速发展，社会需求的增长刺激了 BOPP 薄膜的迅速发展，国 内许多企业相继从国外引进 BOPP 薄膜生产线，以满足市场需求。1998 年底，全国共有 BOPP 薄膜生产线 80 条，年生产能力超过 45 万吨，发展速度相当快，其中 1995 年1996 年间就新增生产能力 16 万吨，使当时我国 BOPP 薄膜的生产能力猛增 1 倍。 BOPP 薄膜工业的迅速发展，对包装、电子电器、石

19、油化工等行业的发展起到了积极的 促进作用。 目前，塑料薄膜已广泛用于工业、农业、国防及日常生活中，它已成为各个领域 中不可缺少的一种材料。当然，由于塑料的原材料不同，产品的用途也不相同，产品 的质量要求不同，其生产的方法也各不相同。归纳一下主要有以下几种方法： 生 产 方 法 流延法 压延法 平膜拉伸法 管膜法 真空溅射法 溶液流延法 熔融流延法 单向拉伸法 平面双向拉伸法 平面扩展拉伸法 吹塑法 目前，使用最多的是用管膜法生产农用薄膜、地膜及通用的包装材料；用平面双 向拉伸法生产质量高的性能好的包装、磁带、电工、胶片等薄膜；用挤出铸膜法或单 向拉伸法生产人造革、农膜、地膜、包装材料等。 本课

20、题的题目是桂林电器科学研究所提出的。本课题的生产线采用平面双向拉伸 法。本课题的内容就是在了解薄膜生产线的整个工艺流程后，对薄膜生产线纵拉部分 电气系统设计，主要包括电气部分原理图的绘制，PLC 硬件组态，PLC 程序的编写，以 及上位机 WINCC 监控软件的编写。在设计中采用西门子 PLC 和西门子变频器实现控制， 电机调速主要采用有速度传感器的矢量控制。结合薄膜生产工艺的特点，本课题温度 控制方案采用断续 PID 调温原理，即在一个采样周期中，热电阻输出的温度信号直接 送入到闭环控制模块 SM355，在 SM355 中将读取的温度值进行 PID 运算，将其转变为温 桂林电子科技大学毕业设

21、计（论文）报告用纸 第 3 页 共 37 页 度的数字值并顺序存入数据块中。PID 程序的循环运行是通过 OB35 的定时中断来实现 的。 2.双向塑料薄膜双向拉伸机组工作方式简介 本章主要讲述 POPP 薄膜生产线的工艺流程，介绍薄膜生产线的生产过程，简述电 动机的变频调速控制方式，以及对 PROFIBUS 工业总线的概述。 2.1 双向拉伸薄膜生产线的工艺流程 图 1 双向拉伸薄膜生产线的工艺流程 双向拉伸聚丙烯薄膜生产线主要由挤出机、铸片机控制、纵拉机控制、横拉机控 制、牵引机控制、收卷机控制组成。 2.2 平面双向拉伸聚丙烯薄膜的生产设备 大多数的双向拉伸聚丙烯薄膜是采用通用的挤出、逐

22、次双向拉伸法制成的。即原 料经过干燥-挤出-铸片-纵向拉伸、热处理-收卷等生产过程。 2.2.1 干燥 聚丙烯树脂水降解性不如聚酰胺、聚酯类敏感，干燥设备比较简单。一般使用一 台立式或卧式气流干燥器。 2.2.2 挤出机 在 BOPP 生产线中，粉碎的回收料是可以掺入新料中使用的。然而，粉碎回收料的 密度与新料有很大的区别，完全靠自重加料是不行的。此时，挤出机的下料口就需要 使用螺旋强制加料器。为了提高挤出机的下料能力，挤出机的加料段使用开槽机筒。 生产 BOPP 薄膜的挤出机一般都使用单螺杆挤出机。为了能够一机多用，可以生产 多种薄膜，大多数的 BOPP 薄膜生产厂都使用三台挤出机。BOPP

23、 薄膜挤出机在满足挤出 量的同时，还必须满足挤出的熔体挤出量均匀，温度湿度，塑化均匀，具有低温混炼 的特点和排除气泡的能力。 为了保证挤出质量又有很大的挤出量，目前主要从增大螺杆直径入手。 生产 BOPP 薄膜的挤出机螺杆结构，已经由单一的分离型螺杆或单一的屏障螺杆、 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 37 页 销钉螺杆向这些形式组合螺杆发展。 挤出机的形式根据生产能力进行选择。当挤出量在小于 1000kg/h 时，采用挤出机 -计量泵的形式较好；当挤出量大于 1000kg/h 时，使用两台挤出机串联的形式较好。 2.2.3 过滤器 在 BOPP 生产线上，粗过滤一般是

24、使用 6080um 的不锈钢网，精过滤器已柱式过 滤器为主，每个滤芯都有一套组合不锈钢网。 2.2.4 挤出机机头 BOPP 薄膜生产线所使用的机头大多是 T 型渐缩支管式衣架机头。对于共挤机头， 一般使用熔融物料在机头内汇合的形式。 2.2.5 冷却装置 BOPP 薄膜生产线常用的冷却装置有两种结构。一种是组合式多个冷却转鼓；一种 是一个大直径的冷却转鼓和冷却水槽的组合装置。 2.2.6 纵向拉伸机 在生产共挤出热封型薄膜时，由于面层聚丙烯共聚物的熔点较低，这种片材预热 后，表层材料容易粘附在预热辊筒的辊面，要喷涂聚四氟乙烯，防止共聚物粘辊。 BOPP 薄膜一般选用小间隙单点拉伸法，在高速生

25、产条件下则选用小间隙两点拉伸 法，生产时不需要其他的辅助加热装置。在纵向拉伸机的预热、拉伸、定型辊上都装 有压辊，在它的进出口都要装张力调节辊，控制两端片材的张紧程度。 2.2.7 横向拉伸机 BOPP 薄膜拉幅机没有预热段，拉伸段、定型段、冷却段。由于 BOPP 薄膜横向拉伸 温度与定型温度相差不大。因此，BOPP 横向拉伸机就不设缓冲段。各段的加热温度均 不高于 190 摄氏度。 2.2.8 废料回收 BOPP 薄膜在线废边经过粉碎，直接送到挤出机的加料斗，然后与新料混合，加入 主挤出机。其余废料粉碎后送往回收挤出造粒机或团粒机造成粒料。 2.3 双相拉伸塑料薄膜生产线拉伸方法 双相拉伸塑

26、料薄膜简称 BOPF。这种薄膜可以采用管膜拉伸法生产，也可以使用平 面双向拉伸法生产。 管膜法是在吹塑泡管的同时，将薄膜进行纵横双向拉伸；平面拉伸法则是将高分 子聚合物的熔体或溶液首先通过狭长机头制成片材或厚膜，然后在专用的拉伸机内， 在一定的温度下和设定的速度下，同时或分步在垂直的两个方向上进行拉伸，并经过 适当的冷却和热处理或特殊的加工制成的薄膜。 用熔融铸片的方法制得的片材，无论是物理性能还是机械性能都不能充分发挥材 料应有的性能，往往都要进行拉伸取向处理。 材料片材的拉伸取向，分为单向拉伸与双向拉伸两大类。在实际中多采用双向拉 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共

27、37 页 伸。平面双向拉伸的方法种类又有很多，主要是逐次拉伸法也叫二次拉伸法和同时双 向拉伸法也叫一次拉伸法。逐次拉伸法又包括纵向拉伸和横向拉伸。 逐次拉伸法的纵向拉伸（简称 MDO）。纵向拉伸是将挤出的厚片，经过多个精度金 属辊筒进行加热，并在一定的速度梯度下，将片材纵向拉长，使聚合物分子进行纵向 取向的过程。纵向拉伸可以分为大间隙单点拉伸，两点拉伸和小间隙单点、两点、多 点拉伸三种类型。 图 2 纵向拉伸类型 预热后的片材在两组不同速度、不同温度的滚筒之间，一次完成纵向拉伸的方法 称为单点拉伸法；预热后的片材在三组不同速度下，在两个空间内，两次完成纵向拉 伸的方法称为两点拉伸法；预热后的片

28、材在速度逐渐递减的滚筒之间进行多次拉伸的 方法称为多点拉伸法。 纵向拉伸机主要是由多个加热、冷却滚筒，滚筒的传动系统，穿片装置，张力， 温度，速度等控制装置组成的。滚筒内的加热介质可以采用循环油或水蒸气。用水进 行加热的优点在于：软水容易得，成本低，安全，检修方便，清洁。从传热的角度分 析，由于水的密度大，热导率较高，可以减少循环水量。其缺点是当纵向拉伸温度需 要高于 100 摄氏度时，循环水必须使用加压水，水压高达 0.7MPa，此时，加热系统就 要改进，滚筒要采取密封损耗大。用油进行加热与用水刚刚相反。循环泵的压力不需 要很高，循环系统得到简化，但油的泄露会污染环境和设备，而且使用时也要注

29、意安 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 37 页 全，特别是要注意防火。本生产线采用的是导热油加热方法。 2.4 交流变频调速 2.4.1 交流调速系统的发展 在现代工业和经济生活中，随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发 展，交流变频调速技术作为高新技术、节能技术已经广泛应用于各个领域。 交流调速技术是强弱电混合，机电一体化的综合性技术，既要处理巨大电能的转 换问题，同时又要处理信息的收集、变化和传输问题。在巨大电能转换的功率部分要 解决高电压、大电流的技术问题及新型电力电子器件的应用技术问题，而在信息的收 集、变换和传输的控制部分，则主要解决控制的硬件、软件

30、问题。目前交流变频调速 主要发展方向为： （1）高水平的控制 矢量控制、磁场控制、转矩控制、模糊控制等高水平的控制技术以应用在交流变 频调中。 （2）开发清洁电能的交流器 随着变频技术的不断发展和人们对环境问题的重视，不断减少变频器对环境的影 响已经是大势所趋。尽可能降低网侧和负载的谐波分量，减少对电网的公害和电机转 矩的脉动，实现清洁电能变换。 （3）结构小型化 紧凑型的变频系统要求功率和控制原件具有高的集成度。主电路中功率电路的模 块化，控制电路采用大规模集成电路和数字技术控制技术，均促进了变频装置结构小 型化。 （4）高集成化 提高集成电路技术机采用表面贴片技术，使装置的容量体积比得到进

31、一步的提高。 2.4.2 变频调速的现实意义 在电力拖动领域，广泛采用变频调速具有十分重要的意义： （1）能够大大提高生产设备的工艺水平，加工精度和工作效率，从而提高产品的 质量。 （2）能够大大减少小生产机械的体积和质量，减少金属耗用量。 （3）对风机和水泵类负载，采用变频调速技术，可以显著的节省能源。 变频调速技术在国民经济和日常生活中占有十分重要的地位，变频调速技术使频 率变为可充分利用的资源。近年来，变频调速技术获得了飞速的发展，取得了显著的 社会效益和经济效益。 2.4.3 变频器的结构和工作原理 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 37 页 图 3 变频器的基

32、本构成 一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥构成。它的主要作用是对工频的 外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路按其 控制方式可以是直流电压源也可以是直流电流源。 直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电路 能够的到较高质量的直流电源。 逆变电路是变频器最主要的部分之一，它的主要作用是在控制电路的控制下将平 滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变器的输出就是 变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。 变频器的控制电路包括主控制电路，信号检测电路，门极驱动电路，外部接口电 路和保护电路等几个部分组

33、成，也是变频器的核心部分之一。控制电路的好坏决定了 变频器的性能优略。控制电路的主要作用是将检测电路得到的各种信号送至运算电路， 使运算电路能够根据需要为变频器提供必要的门极驱动信号，并对变频器和异步电动 机提供必要的保护。控制电路还通过 A/D，D/A 等外部接口电路接受和发送多种形式的 外部信号和给出系统内部工作状态，以便使变频器能够和外部设备配合进行各种高性 能的控制。变频器按主电路工作形式可以分为电压型和电流型。 在电压型变频器中整流电路或者斩波电路产生逆变电路所需要的直流电压，并通 过直流中间电路的电容进行平滑后输出。整流回路和直流中间回路起直流电压源的作 用。电压源输出的直流电压在

34、逆变电路中被转换为所需要的频率交流电压。 在电流型变频器中，整流回路给出直流电流，并通过中间回路的电抗器将电流进 行平滑后输出。整流电路和直流中间回路起直流电流源的作用，而直流源输出的电流 在逆变电路中被转换为具有所需要频率的交流电流，并被分配给各个输出相后作为交 流电流共给电动机。 2.5 变频调速的基本控制方式 2.5.1 V/F 控制方式 磁通是定子和转子磁动势合成产生的，在变频调速过程中，保持磁通恒定是非常 重要的。由电机学知，三相异步电机定子每项电动势的有效值为 Eg=4.44f1N1kn1m （2.5.1） 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 37 页 Eg-

35、气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势的有效值（V） f1-定子电源频率（Hz） N1-定子每相绕组串联匝数 kn1-基波绕组系数 m-每极气隙磁通量（Wb） m=Eg/4.44f1N1kn1 （2.5.2） 在 N1、 kn1 确定的条件下，保持 m 不变的方法是使反电动势 Eg 与定子频率 f1 的比值恒定不变。当定子频率 f1 调节时，必须按恒定的电动势频率比的控制方式同时 调节 Eg，即 Eg/ f1=常数 图 4 异步电动机等效电路 当电动势 Eg 较高时，定子绕组阻抗压降可以忽略不计，使定子相电压 U1 与电动 势 Eg 相平衡，即 U1Eg （2.5.3） 既有 Eg/ f1 = U

36、1/ f1 = 常数 （2.5.4） 在频率 f1 较高时，只要保持电压 U1 与频率 f1 同步变化，就可以近似代替反电动 势 Eg 与频率 f1 同步变化，从而确保在调速过程中，主磁通 m 和电磁力矩不变。变 频的同时必须变压，这种控制方式称为恒压频比控制，又称为 V/F 控制方式。 2.5.2 转差频率控制 由图 4 可得 定义转差频率 fs 为 fs=sf 输出转矩可得 （2.5.5 ） （2.5.6） 2 22 22(/ )(2) E I Rsfl 2 2 224(2) s s mp Ef r T f rf L 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 37 页 当转

37、差频率 fs 较小时，如果 E/f=常数，则电动机的转矩就基本上与转差 fs 成正 比。在进行 E/f 控制的基础之上，只要对电动机的转差频率 fs 进行控制，就可以达到 控制电动机输出转矩的目的。 2.5.3 PWM 控制 PWM 控制是脉冲宽度控制的简称。是在逆变电路部分同时对输出电压的幅值和频率 进行控制的控制方式。在这种控制方式中，以较高频率对你便变了的半导体开关器件 进行开闭，并通过改变输出脉冲的宽度来达到控制电压或电流的目的。 采用这种控制方式的变频器具有可以减少高次谐波带来的各种不良影响，转矩波 动小，而且控制电路简单，成本低。图示为采用矩形波 图 5 PWM 电动机控制电路 的

38、 PWM 控制方式。 2.5.4 矢量控制 目前在变频器中得到实际应用的矢量控制主要有基于转差频率控制的矢量控制方 式和无速度检测器的矢量控制方式两种。 基于转差频率控制的的矢量控制 矢量控制的基本原则是通过控制电动机定子电流的幅值和相位，来分别对电动机 的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制电动机转矩电流特性的目的。 无速度传感器的矢量控制 无速度传感器的矢量控制方式是在磁场定位矢量控制方式的基础上发展而来的。 基本控制思想是分别对作为基本控制量的励磁电流和转矩电流进行检测，并通过控制 电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流和转矩电流的指令值和检测值达到一致， 桂林电子科技大学毕业设计（

39、论文）报告用纸 第 10 页 共 37 页 从而实现矢量控制。 表 2 各种控制方式变频器的应用范围和基本特性比较 V/f 控制 转差频率控 制 矢量控制 （无速度传 感器 ） 矢量控制 （有速度传 感器） 电压型变频器适合适合不适合不适合 电流型变频器适合适合适合适合 变 频 器 形 式 电压型 pwm 变频器适合适合适合适合 速度传感器不要要不要要 零速运行不可不可不可可 极低速运行不可不可不可可 速度控制范围 1：10- 1：20 1：20- 1：50 1：20- 1：50 1：1000 速 度 控 制 响应速度慢快于 v/f快快 是否适合不可通常不用适合适合转 矩 控 制 响应速度慢快

40、快 电路结构最简单简单较复杂复杂 优点 1.结构简单 2.容易调整 3.可用于普 通电机 加减速和定 常特性优于 v/f 控制 1.可以进行 转矩控制 2.不需要 PG 3.转矩响应 速度快 1.转矩控制 性能好 2.转矩响应 速度快 3.速度控制 范围宽 特 征缺点 1.低速是难 以保证转矩 2.不能进行 转矩控制 3.急加速和 负载突增时 将发生失速 1.需要设定 转差频率 2.需要高精 度的 PG 需要正确设 定电机参数 1.需要正确 设定电机参 数 2.需要高精 度 的 2.6 PROFIBUS 工业总线 PROFIBUS 现场总线是一种开放式的现场总线，属于单元级和现场级的 SIMA

41、TIC 网 络，符合欧洲标准和国际标准。PROFIBUS 通讯的结构非常简单，传输速度很高且稳定， 非常适合 PLC 与现场分散的 I/O 设备之间的通信。 PROFIBUS 现场总线可以使用双绞屏蔽电缆，光缆，混合配置方式安装。PROFIBUS 控制方式 比较项目 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 37 页 现场总线按“主/从令牌通信”访问网络，只有主动节点才有接受访问网络的权利，通 过从一个主站将令牌传输到下一个主站来访问网络。如果不需要发送，令牌直接传输 给下一个主站。 DP 的通信速度为 19.2kbit/s12Mbit/s,通常默认的设置为 1.5Mbit/

42、s,通信数据 包为 244B。 PROFIBUS 接口为 RS485，DP 总线只需引脚 3、8。其符合分别为 RxD/TxD-P 和 RxD/TxD-N,接头并带有终端电阻。 网络扩展有四种方式：PROFIBUS 电气网络；光电混合网络；无线网络拓扑； PROFIBUS-PA 总线。 通信方式 PROFIBUS 通信方式有多种，如 FMS，FDL，DP 和与 PA 的通信等。 (1)FMS-现场总线报文规范 PROFIBUS-FMS 提供结构化的数据传输服务。通过建立 FMS 连接，可以读写和广播 发送 FMS 变量，主要用于连接 S5 系列和非西门子的支持 FMS 协议的控制器。 (2)F

43、DL-数据链路层通信协议 FDL 的 SIMATIC S7 服务协议支持 SDA 和 SDN。FDL 属于参考模型和第二层即 数据链路层的协议，故可以和支持第二层协议的设备通信，也可以实现主站间的 通信。 (3)-分布式主从系统 PROFIBUS-DP 协议是为满足自动化工厂中分散 I/O 和现场设备之间所需要的高速数 据通信的需求而设计的。典型的 DP 配置是单主站结构。主站和从站之间的通信基于主 从原理，即主站向从站发出请求，按照站号顺序轮询从站。由于 PROFIBUS-DP 只使用 ISO 模型中的第一层和第二层以及用户接口层，第三层到第七层都未使用，故可以保证 数据传输的高速性。 3.

44、纵拉部分设计及实现 本章主要讲述薄膜生产线纵拉部分的工作原理，完成平面双向拉伸聚薄膜生产线 纵拉部分电气原理图设计，以及对硬件的选型包括变频器、电抗器、导线的选择。利用 STEP7 完成 PLC 的硬件组态，软件设计。 3.1 纵拉部分工作原理 首次工作时，将薄膜夹到穿片链条的夹子上，启动穿片电机，链条带动薄膜穿过 各个辊。 各部分电机由变频器驱动，个变频器以及上位机之间采用 PROFIBUS 工业总线相连 接，当上位机发出启动信号给各个变频器，各个变频器按照所驱动的电机参数启动电 动机。在纵拉慢拉伸调速系统中，变频器采用了编码器闭环控制，控制电动机的转速， 同时张力传感器的输入也对电动机的转

45、速进行调节，从而满足生产工艺的要求。纵拉 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 12 页 共 37 页 慢拉伸调速系统中还要安装制动单元，防止纵拉快传动电机速度过高时，使慢传动电 机工作在发电状态。 各个变频器之间是相互通信的，一台变频器的速度改变，其它各台变频器的参数 随着改变。当按下启动按钮时，各个变频器处在等待运行状态，当上位机发送启动信 号过来时各个电动机启动。 薄膜拉伸是在一定的温度控制下完成的，纵拉部分加热采用油加热，将导热油加 热后通过油泵送入各个滚筒，各个滚筒中装有热电阻温度传感器，传感器将温度传输 到西门子变频器温度闭环控制模块 FM355，FM355 控制模块将采集

46、到的温度数据进行处 理后又传送给加热系统，从而实现温度的闭环控制。 薄膜拉伸生产线纵拉部分入口和出口都安装又张力传感器，张力传感器 2 对，显 示薄膜张力状况，控制启、停，显示状态，张力传感器将采集到的数据传送给 PLC，PLC 处理之后又将数据传送个各个变频器，上升下降是通过接触器的吸合完成的， 上升下降两个接触器之间为确保安全采用互锁，通过变频器调节各个电动机的转速。 升降电机可以调节拉伸辊的位置，调节拉伸间隙，从而满足生产工艺的要求。 升降机构的两个行程开关，限位拉伸辊上升的极限位置，当拉伸辊上的撞块碰到 行程开关时，电机保护急停。有 2 个光电开关，通过反馈信号控制拉伸辊垂直方向的 精

47、确停止位置。上位机可以显示出电机的正反转，启、停控制和电机的转速的选择， 显示电机的工作状态、拉伸辊的位置。 PROFIBUS 工业总线将各个电动机的运行状态传送给上位监控机，通过上位机软件 WINCC 实现对纵拉部分的监控。 纵拉部分安装有独立的控制台，当纵拉部分出现问题时，可以按下操作台的急停 按钮，纵拉部分停止运行。 油循环系统有 5 组，在每组的滚筒出口处各有一个测温原件，显示油温并超温报 警。 生产线的速度控制是全线控制的重中之重。速度控制的好坏，直接影响生产线能 否正常生产及薄膜的质量和产量。生产线中需要调速的传动电机（挤出机、计量泵、 铸片传动电机、纵拉传动电机、横拉主传动电机、

48、牵引传动电机）均采用西门子变频 器进行变频调速。各单机系统也均采用光电编码器作为速度反馈，确保各单机有极高 的稳速精度。 生产线中传动电机的速度均需同步。速度同步靠速度链来实现，速度链采用的方 式是 PLC 根据生产线速度设定值计算各台单机的速度设定值，通过 PROFIBUS 现场总线 与控制各台电机的变频器进行通讯，使各台变频器根据各自的速度设定值进行调速。 同时根据各张力传感器的张力反馈信号（或浮动辊的位置反馈信号）对相应的速度设 定值进行修正。对无张力传感器的电机速度修正，有各自编码器反馈的信号脉冲数经 变频调速器求出速度累计误差进行实时的速度修正。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告

49、用纸 第 13 页 共 37 页 为满足生产线对温控精度的高要求，温控选用西门子 FM355 温控专用模板。FM355 的特点是：能独立于 CPU 工作，可靠性高，组态方便。PID 参数可以自整定；整定方式 可在手动自整定及设定值改变后的自整定之间进行选择。 所有温控点均在上位机输入温度设定值和显示温度实际值、实际输出加热功率百 分比值。 控制系统由上位机、触摸屏、PLC、直流调速器、温控调功器、一次检测元件以及 现场的操作按钮等组成，通过 PROFIBUS 通信总线将他们连接起来，构成一个完整的控 制系统。主线上变频电机选用西门子 6SE 系列变频调速器控制。 生产线上所有变 频调速器均接入 PROFIBUS 现场总线。 3.2 PLC 控制接线图 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 14 页 共 3