摘 要：本文介紹了西門子S7-200可編程序控制器在風壓平衡器自動控制系統(tǒng)中的設計與實現(xiàn)。結(jié)合卷煙生產(chǎn)工藝，分析了在卷煙生產(chǎn)過程中應用風壓平衡器的必要性。根據(jù)S7-200可編程序控制器的特點，詳細介紹其在控制風壓中運用的控制原理，軟件及硬件的實現(xiàn)方法。設計完成的系統(tǒng)運行可靠、操作方便、具有很強的實用性。 關鍵詞： 風壓平衡器 PID調(diào)節(jié) 可編程序控制器 步進電機 傳感器 1. 前言 　　卷接機組的工藝風力主要應用于在卷煙過程中的煙絲提升與除塵及在卷煙接嘴過程中，將煙支及嘴棒通過風力產(chǎn)生的負壓使煙支吸在接嘴轉(zhuǎn)輪上，實現(xiàn)煙支與嘴棒的接合。工藝風力參數(shù)是按卷接機組數(shù)量來設計的，每臺機組的風路支管是以并聯(lián)的方式接入風力總管的。由于各卷接機組的工藝風力參數(shù)彼此有差異，因而各機組的風路支管壓力應視機組工作狀態(tài)來確定不同的壓力值;或當有機組出現(xiàn)故障或因生產(chǎn)調(diào)度安排，要求某些機組關閉或更換卷煙牌號等原因，造成主觀或客觀上的停機，使處于正常工作的機組的風壓發(fā)生變化，影響機組工作。一種可行的解決方案是：在每臺卷接機組的風路支管上加裝控制風壓的風壓平衡器。風壓平衡器的風閥在一定范圍內(nèi)變化，調(diào)節(jié)風壓，而不改變風量。因而采用風壓平衡器可以使卷接機組支管上的風壓保持穩(wěn)定，卷接機組的煙絲提升與除塵和在卷煙接嘴過程處于最佳狀態(tài)。由于可編程序控制器具有優(yōu)越的性能、高度的可靠性，面向工業(yè)控制對象的特點，因而風壓平衡器的控制系統(tǒng)中，采用可編程序控制器不失為一種合理選擇。實踐證明：基于可編程序控制器設計的風壓控制系統(tǒng)，具有控制精度高、工作穩(wěn)定、開發(fā)周期短等優(yōu)點，滿足了生產(chǎn)的要求。 2.控制系統(tǒng)的硬件組成 [align=center] 圖1[/align] 　　如圖1所示，風壓平衡器控制系統(tǒng)主要由可編程序控制器（S7-200 CPU212）、模擬量輸入模塊（EM231）、人機接口設備（TD200）、現(xiàn)場總線適配卡（EM277）、行程開關、風壓傳感器、步進電機、步進電機驅(qū)動器、驅(qū)動器專用電源、特殊的風壓平衡器調(diào)節(jié)風門等組成。中央處理器選用帶晶體管輸出 　　型的CPU212，它具有脈沖輸出、高速計數(shù)、掉電保護等功能，CPU模塊自身內(nèi)嵌8個數(shù)字輸入電、6個數(shù)字數(shù)出點，與擴展功能模塊采用專用的內(nèi)部總線連接。輸入量包括按鈕開關數(shù)字量輸入、到位檢測開關數(shù)字量輸入、卷接機組工作狀態(tài)外部數(shù)字量輸入等。數(shù)字輸入?yún)?shù)決定了系統(tǒng)初始、狀態(tài)轉(zhuǎn)換、和結(jié)束的工作條件;數(shù)字量輸出包括報警輸出、步進電機的轉(zhuǎn)向控制、步進電機的使能控制;脈沖輸出采用脈寬調(diào)制（PWM）方式，用于控制步進電機轉(zhuǎn)動和轉(zhuǎn)速的快慢。步進電機通過螺紋絲桿傳動方式帶動風壓平衡器中的特殊調(diào)節(jié)風門在一定范圍內(nèi)開閉，以調(diào)節(jié)風壓。模擬量輸入模塊（EM231）是具有4個電流或電壓差分輸入的模擬量輸入模塊，本系統(tǒng)有 　　兩路風壓模擬量輸入，檢測風壓的傳感器為4-20Ma電流型輸出的，而EM231的測量量程為0-20Ma，因此系統(tǒng)采集的風壓信號需經(jīng)線性變換才能得到其真實值。模擬量輸入是系統(tǒng)調(diào)節(jié)的依據(jù)?，F(xiàn)場總線適配卡（EM277），可將S7-200 CPU以子站方式接入PROFIBUS現(xiàn)場總線，與在總線上的主站通訊，由主站監(jiān)控。事實上，卷接機組往往有許多臺套，每臺機組上的CPU212均可接入總線，以便設備狀態(tài)監(jiān)控及生產(chǎn)管理上。人機接口設備（TD200）用于監(jiān)測單臺工作狀態(tài)和設定控制參數(shù)，它采用PPI通訊方式與CPU212交換數(shù)據(jù)，當有多個CPU212接入現(xiàn)場總線時，可在總線上接入采用MPI或DP方式的人機接口設備，取代TD200，實現(xiàn)單臺HMI設備對所有CPU212的監(jiān)控。 3. 控制系統(tǒng)的控制原理 如圖2所示，風壓平衡器的控制系統(tǒng)采用帶死區(qū)的PID控制算法。圖中的p（k）為設定風壓差r（k）與實際風壓差y（k） [align=center] 圖2[/align] 　　偏差信號，它是PID調(diào)節(jié)的輸入，滿足以下條件： 　　當│r（k）-y（k）│>e時，p（k）=e（k）; 　　當│r（k）-y（k）│<=e時，p（k）=0; 　　±e為死區(qū)范圍; 　　采用帶死區(qū)的PID算法，可以避免風壓平衡器的風門動作過于頻繁，使系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩，對控制不利。死區(qū)范圍時可改變的，根據(jù)實際情況，通過連接在CPU212上的TD200 HMI可輸入一個合適的值。 　　PID算法的控制原理是基于如下的一個方程表達式： 　　 　　M（t）是比例項、積分項、微分項的函數(shù)，Kc為環(huán)路放大倍數(shù)、e為偏差值、M initial 為環(huán)路輸出的初始值。 　　為便于數(shù)字計算機實現(xiàn)控制，必須用數(shù)值逼近的方法，當采樣周期很短時，用求和代替積分，后向差分代替微分，使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠獭Ｒ蚨鲜娇筛膶憺? 　　 　　連續(xù)函數(shù)被量化為誤差值的周期采樣，同時計算輸出值Mn，en、en-1分別為時刻n和時刻n-1的誤差采樣值，Kc為環(huán)路放大倍數(shù)，Ki為積分項常數(shù)，Kd為微分項常數(shù)。 　　將上式寫成 　　 　　式中MX為積分項在n-1時刻的值?；蚋臑? 　　 式中 　　 　　SPn為設定植，PVn為過程值，即實際壓差。 　　 　　Ts為采樣周期、 Ti為積分時間，SPn為設定植，PVn為過程值，即實際壓差。 　　 　　由于SPn = SPn-1, 所以有 　　 　　Ts為采樣周期、 Td為微分時間，SPn、SPn-1為設定植，PVn為過程值，即實際壓差。 　　 　　將實際模擬量值線性化，R 為線性化值，R 為實際模擬量值，Span為量程，當模擬量為單極性輸入時，Span=32000, Offset=0。 4 控制系統(tǒng)的軟件實現(xiàn) 　　采用西門子公司的STEP7 MICROWIN V3.2集成開發(fā)平臺進行設計，在硬件配置好后，就可直接對CPU212進行編程了，軟件設計主要包括采樣中斷程序，脈沖產(chǎn)生程序，TD200文本顯示器組態(tài)等。 　　4.1 采樣中斷程序:初始化SMB34（特殊內(nèi)存字節(jié) ）后，在中斷程序塊中，編寫采樣中斷服務程序，通過讀取外設字AIWx，獲得模擬量信號值。模擬量的采集采用單級輸入方式，經(jīng)線性變換后，即可得到壓力值，在采樣中斷服務程序中分別讀取風力支管上的風壓平衡器兩端的壓力信號值，計算出兩個壓力差的絕對值，將此值作為過程值。改變SMB34數(shù)值，就可改變采樣周期。 　　4.2 脈沖的產(chǎn)生: 在CPU 22X系列中，CPU模塊內(nèi)嵌的數(shù)字量輸出口Q0.0、Q0.1可用于輸出高速脈沖信號。脈沖的輸出有兩種方式： PTO和PWM。PTO為脈沖串輸出方式，它的脈沖數(shù)量和脈沖周期是可控的，PWM為脈沖調(diào)制輸出方式，它的脈沖寬度和脈沖周期是可控的。通過STEP7 IDE中的INSTRUCTION WIZARD或編寫脈沖產(chǎn)生程序的方法實現(xiàn)。 　　4.3 PID調(diào)節(jié)的實現(xiàn) 　　純比例控制方式：在調(diào)整好步進電機的細分倍數(shù)和步數(shù)后，使用STEP7 IDE中的INSTRUCTION WIZARD將Q0.0設置為PWM脈沖輸出方式，仔細調(diào)整輸出脈沖寬度和周期，它相當于對比例項的增益進行調(diào)整，使其與被控量的變化相適應，從而滿足穩(wěn)定風壓壓差的目的。Q0.0的 PWM脈沖輸出，由設定風壓差r（k）與實際風壓差y（k）的偏差值是否超出了設定的死區(qū)范圍來決定，如偏差值在設定的死區(qū)范圍內(nèi)，則屏蔽Q0.0的輸出，反則，Q0.0使能，控制步進電機轉(zhuǎn)動，步進電機的轉(zhuǎn)向，由偏差值的符號決定。當風壓平衡器調(diào)節(jié)風門到達上限或下限時，通過Q0.x輸出高電平，禁止步進電機朝已到達極限位置的方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動。 　　PID控制方式：輸出仍為PWM脈沖，從而實現(xiàn)模擬輸出的數(shù)字化。做法是：使用STEP7 IDE中的INSTRUCTION WIZARD中的PID WIZARD在設計輸出方式時，選擇為數(shù)字量輸出方式，輸入合適的方波占空比參數(shù)，填寫PID運算所需的數(shù)據(jù)塊的地址即可。當偏差值超出設定的死區(qū)范圍時，Q0.x即有脈寬調(diào)制方波輸出，以控制步進電機。其他控制點的控制與純比例控制方式相同。 　　PID控制使系統(tǒng)在消除系統(tǒng)靜差、提高系統(tǒng)動態(tài)性能等方面改善了控制系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)，但PID參數(shù)整定比較麻煩，要得到合適的PID參數(shù)，需要一段時間摸索。在工程上，PID參數(shù)整定的方法通常有：擴充臨界比例度法;擴充響應曲線法;歸一參數(shù)整定法;優(yōu)選法和試湊法確定PID參數(shù)。鑒于篇幅，不再詳述。. 5 結(jié)束語 　　基于可編程序控制器的風壓平衡器控制系統(tǒng)，采用硬件及軟件的模塊化、與開放性的設計思想，系統(tǒng)具有較高的性價比、系統(tǒng)控制精度高、運行穩(wěn)定、可靠、擴展方便、故障率低、維護簡單等特點，滿足了卷煙生產(chǎn)的要求，我公司設計的風壓平衡器及其控制系統(tǒng)已在煙廠得以應用，同時該系統(tǒng)也具有很大的推廣價值。