摘 要：本文介紹了西門子S7-200可編程序控制器在風(fēng)壓平衡器自動(dòng)控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。結(jié)合卷煙生產(chǎn)工藝，分析了在卷煙生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用風(fēng)壓平衡器的必要性。根據(jù)S7-200可編程序控制器的特點(diǎn)，詳細(xì)介紹其在控制風(fēng)壓中運(yùn)用的控制原理，軟件及硬件的實(shí)現(xiàn)方法。設(shè)計(jì)完成的系統(tǒng)運(yùn)行可靠、操作方便、具有很強(qiáng)的實(shí)用性。 關(guān)鍵詞： 風(fēng)壓平衡器 PID調(diào)節(jié) 可編程序控制器 步進(jìn)電機(jī) 傳感器 1. 前言 　　卷接機(jī)組的工藝風(fēng)力主要應(yīng)用于在卷煙過(guò)程中的煙絲提升與除塵及在卷煙接嘴過(guò)程中，將煙支及嘴棒通過(guò)風(fēng)力產(chǎn)生的負(fù)壓使煙支吸在接嘴轉(zhuǎn)輪上，實(shí)現(xiàn)煙支與嘴棒的接合。工藝風(fēng)力參數(shù)是按卷接機(jī)組數(shù)量來(lái)設(shè)計(jì)的，每臺(tái)機(jī)組的風(fēng)路支管是以并聯(lián)的方式接入風(fēng)力總管的。由于各卷接機(jī)組的工藝風(fēng)力參數(shù)彼此有差異，因而各機(jī)組的風(fēng)路支管壓力應(yīng)視機(jī)組工作狀態(tài)來(lái)確定不同的壓力值;或當(dāng)有機(jī)組出現(xiàn)故障或因生產(chǎn)調(diào)度安排，要求某些機(jī)組關(guān)閉或更換卷煙牌號(hào)等原因，造成主觀或客觀上的停機(jī)，使處于正常工作的機(jī)組的風(fēng)壓發(fā)生變化，影響機(jī)組工作。一種可行的解決方案是：在每臺(tái)卷接機(jī)組的風(fēng)路支管上加裝控制風(fēng)壓的風(fēng)壓平衡器。風(fēng)壓平衡器的風(fēng)閥在一定范圍內(nèi)變化，調(diào)節(jié)風(fēng)壓，而不改變風(fēng)量。因而采用風(fēng)壓平衡器可以使卷接機(jī)組支管上的風(fēng)壓保持穩(wěn)定，卷接機(jī)組的煙絲提升與除塵和在卷煙接嘴過(guò)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(duì)象的特點(diǎn)，因而風(fēng)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(shí)踐證明：基于可編程序控制器設(shè)計(jì)的風(fēng)壓控制系統(tǒng)，具有控制精度高、工作穩(wěn)定、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，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(fēng)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(jī)接口設(shè)備（TD200）、現(xiàn)場(chǎng)總線適配卡（EM277）、行程開(kāi)關(guān)、風(fēng)壓傳感器、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)器專用電源、特殊的風(fēng)壓平衡器調(diào)節(jié)風(fēng)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(jì)數(shù)、掉電保護(hù)等功能，CPU模塊自身內(nèi)嵌8個(gè)數(shù)字輸入電、6個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)出點(diǎn)，與擴(kuò)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(kāi)關(guān)數(shù)字量輸入、到位檢測(cè)開(kāi)關(guān)數(shù)字量輸入、卷接機(jī)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(bào)警輸出、步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制、步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和轉(zhuǎn)速的快慢。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)螺紋絲桿傳動(dòng)方式帶動(dòng)風(fēng)壓平衡器中的特殊調(diào)節(jié)風(fēng)門在一定范圍內(nèi)開(kāi)閉，以調(diào)節(jié)風(fēng)壓。模擬量輸入模塊（EM231）是具有4個(gè)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(fēng)壓模擬量輸入，檢測(cè)風(fēng)壓的傳感器為4-20Ma電流型輸出的，而EM231的測(cè)量量程為0-20Ma，因此系統(tǒng)采集的風(fēng)壓信號(hào)需經(jīng)線性變換才能得到其真實(shí)值。模擬量輸入是系統(tǒng)調(diào)節(jié)的依據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線適配卡（EM277），可將S7-200 CPU以子站方式接入PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線，與在總線上的主站通訊，由主站監(jiān)控。事實(shí)上，卷接機(jī)組往往有許多臺(tái)套，每臺(tái)機(jī)組上的CPU212均可接入總線，以便設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控及生產(chǎn)管理上。人機(jī)接口設(shè)備（TD200）用于監(jiān)測(cè)單臺(tái)工作狀態(tài)和設(shè)定控制參數(shù)，它采用PPI通訊方式與CPU212交換數(shù)據(jù)，當(dāng)有多個(gè)CPU212接入現(xiàn)場(chǎng)總線時(shí)，可在總線上接入采用MPI或DP方式的人機(jī)接口設(shè)備，取代TD200，實(shí)現(xiàn)單臺(tái)HMI設(shè)備對(duì)所有CPU212的監(jiān)控。 3. 控制系統(tǒng)的控制原理 如圖2所示，風(fēng)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(shè)定風(fēng)壓差r（k）與實(shí)際風(fēng)壓差y（k） [align=center] 圖2[/align] 　　偏差信號(hào)，它是PID調(diào)節(jié)的輸入，滿足以下條件： 　　當(dāng)│r（k）-y（k）│>e時(shí)，p（k）=e（k）; 　　當(dāng)│r（k）-y（k）│<=e時(shí)，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(fēng)壓平衡器的風(fēng)門動(dòng)作過(guò)于頻繁，使系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩，對(duì)控制不利。死區(qū)范圍時(shí)可改變的，根據(jù)實(shí)際情況，通過(guò)連接在CPU212上的TD200 HMI可輸入一個(gè)合適的值。 　　PID算法的控制原理是基于如下的一個(gè)方程表達(dá)式： 　　 　　M（t）是比例項(xiàng)、積分項(xiàng)、微分項(xiàng)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(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，必須用數(shù)值逼近的方法，當(dāng)采樣周期很短時(shí)，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?。因而上式可改寫? 　　 　　連續(xù)函數(shù)被量化為誤差值的周期采樣，同時(shí)計(jì)算輸出值Mn，en、en-1分別為時(shí)刻n和時(shí)刻n-1的誤差采樣值，Kc為環(huán)路放大倍數(shù)，Ki為積分項(xiàng)常數(shù)，Kd為微分項(xiàng)常數(shù)。 　　將上式寫成 　　 　　式中MX為積分項(xiàng)在n-1時(shí)刻的值?；蚋臑? 　　 式中 　　 　　SPn為設(shè)定植，PVn為過(guò)程值，即實(shí)際壓差。 　　 　　Ts為采樣周期、 Ti為積分時(shí)間，SPn為設(shè)定植，PVn為過(guò)程值，即實(shí)際壓差。 　　 　　由于SPn = SPn-1, 所以有 　　 　　Ts為采樣周期、 Td為微分時(shí)間，SPn、SPn-1為設(shè)定植，PVn為過(guò)程值，即實(shí)際壓差。 　　 　　將實(shí)際模擬量值線性化，R 為線性化值，R 為實(shí)際模擬量值，Span為量程，當(dāng)模擬量為單極性輸入時(shí)，Span=32000, Offset=0。 4 控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn) 　　采用西門子公司的STEP7 MICROWIN V3.2集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在硬件配置好后，就可直接對(duì)CPU212進(jìn)行編程了，軟件設(shè)計(jì)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(wù)程序，通過(guò)讀取外設(shè)字AIWx，獲得模擬量信號(hào)值。模擬量的采集采用單級(jí)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(wù)程序中分別讀取風(fēng)力支管上的風(fēng)壓平衡器兩端的壓力信號(hào)值，計(jì)算出兩個(gè)壓力差的絕對(duì)值，將此值作為過(guò)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(hào)。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(guò)STEP7 IDE中的INSTRUCTION WIZARD或編寫脈沖產(chǎn)生程序的方法實(shí)現(xiàn)。 　　4.3 PID調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn) 　　純比例控制方式：在調(diào)整好步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分倍數(shù)和步數(shù)后，使用STEP7 IDE中的INSTRUCTION WIZARD將Q0.0設(shè)置為PWM脈沖輸出方式，仔細(xì)調(diào)整輸出脈沖寬度和周期，它相當(dāng)于對(duì)比例項(xiàng)的增益進(jìn)行調(diào)整，使其與被控量的變化相適應(yīng)，從而滿足穩(wěn)定風(fēng)壓壓差的目的。Q0.0的 PWM脈沖輸出，由設(shè)定風(fēng)壓差r（k）與實(shí)際風(fēng)壓差y（k）的偏差值是否超出了設(shè)定的死區(qū)范圍來(lái)決定，如偏差值在設(shè)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(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，由偏差值的符號(hào)決定。當(dāng)風(fēng)壓平衡器調(diào)節(jié)風(fēng)門到達(dá)上限或下限時(shí)，通過(guò)Q0.x輸出高電平，禁止步進(jìn)電機(jī)朝已到達(dá)極限位置的方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。 　　PID控制方式：輸出仍為PWM脈沖，從而實(shí)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(shè)計(jì)輸出方式時(shí)，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(yùn)算所需的數(shù)據(jù)塊的地址即可。當(dāng)偏差值超出設(shè)定的死區(qū)范圍時(shí)，Q0.x即有脈寬調(diào)制方波輸出，以控制步進(jìn)電機(jī)。其他控制點(diǎn)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(dòng)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(shí)間摸索。在工程上，PID參數(shù)整定的方法通常有：擴(kuò)充臨界比例度法;擴(kuò)充響應(yīng)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(yǔ) 　　基于可編程序控制器的風(fēng)壓平衡器控制系統(tǒng)，采用硬件及軟件的模塊化、與開(kāi)放性的設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比、系統(tǒng)控制精度高、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、擴(kuò)展方便、故障率低、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，滿足了卷煙生產(chǎn)的要求，我公司設(shè)計(jì)的風(fēng)壓平衡器及其控制系統(tǒng)已在煙廠得以應(yīng)用，同時(shí)該系統(tǒng)也具有很大的推廣價(jià)值。