关键词： 风压平衡器 PID调节 可编程序控制器 步进电机 传感器
1. 前言
卷接机组的工艺风力主要应用于在卷烟过程中的烟丝提升与除尘及在卷烟接嘴过程中，将烟支及嘴棒通过风力产生的负压使烟支吸在接嘴转轮上，实现烟支与嘴棒的接合。工艺风力参数是按卷接机组数量来设计的，每台机组的风路支管是以并联的方式接入风力总管的。由于各卷接机组的工艺风力参数彼此有差异，因而各机组的风路支管压力应视机组工作状态来确定不同的压力值;或当有机组出现故障或因生产调度安排，要求某些机组关闭或更换卷烟牌号等原因，造成主观或客观上的停机，使处于正常工作的机组的风压发生变化，影响机组工作。一种可行的解决方案是：在每台卷接机组的风路支管上加装控制风压的风压平衡器。风压平衡器的风阀在一定范围内变化，调节风压，而不改变风量。因而采用风压平衡器可以使卷接机组支管上的风压保持稳定，卷接机组的烟丝提升与除尘和在卷烟接嘴过程处于最佳状态。由于可编程序控制器具有优越的性能、高度的可靠性，面向工业控制对象的特点，因而风压平衡器的控制系统中，采用可编程序控制器不失为一种合理选择。实践证明：基于可编程序控制器设计的风压控制系统，具有控制精度高、工作稳定、开发周期短等优点，满足了生产的要求。
2.控制系统的硬件组成
图1
如图1所示，风压平衡器控制系统主要由可编程序控制器（S7-200 CPU212）、模拟量输入模块（EM231）、人机接口设备（TD200）、现场总线适配卡（EM277）、行程开关、风压传感器、步进电机、步进电机驱动器、驱动器专用电源、特殊的风压平衡器调节风门等组成。中央处理器选用带晶体管输出
型的CPU212，它具有脉冲输出、高速计数、掉电保护等功能，CPU模块自身内嵌8个数字输入电、6个数字数出点，与扩展功能模块采用专用的内部总线连接。输入量包括按钮开关数字量输入、到位检测开关数字量输入、卷接机组工作状态外部数字量输入等。数字输入参数决定了系统初始、状态转换、和结束的工作条件;数字量输出包括报警输出、步进电机的转向控制、步进电机的使能控制;脉冲输出采用脉宽调制（PWM）方式，用于控制步进电机转动和转速的快慢。步进电机通过螺纹丝杆传动方式带动风压平衡器中的特殊调节风门在一定范围内开闭，以调节风压。模拟量输入模块（EM231）是具有4个电流或电压差分输入的模拟量输入模块，本系统有
两路风压模拟量输入，检测风压的传感器为4-20Ma电流型输出的，而EM231的测量量程为0-20Ma，因此系统采集的风压信号需经线性变换才能得到其真实值。模拟量输入是系统调节的依据。现场总线适配卡（EM277），可将S7-200 CPU以子站方式接入PROFIBUS现场总线，与在总线上的主站通讯，由主站监控。事实上，卷接机组往往有许多台套，每台机组上的CPU212均可接入总线，以便设备状态监控及生产管理上。人机接口设备（TD200）用于监测单台工作状态和设定控制参数，它采用PPI通讯方式与CPU212交换数据，当有多个CPU212接入现场总线时，可在总线上接入采用MPI或DP方式的人机接口设备，取代TD200，实现单台HMI设备对所有CPU212的监控。
3. 控制系统的控制原理
如图2所示，风压平衡器的控制系统采用带死区的PID控制算法。图中的p（k）为设定风压差r（k）与实际风压差y（k）
图2
偏差信号，它是PID调节的输入，满足以下条件：
当│r（k）-y（k）│>e时，p（k）=e（k）;
当│r（k）-y（k）│<=e时，p（k）=0;
±e为死区范围;
采用带死区的PID算法，可以避免风压平衡器的风门动作过于频繁，使系统产生震荡，对控制不利。死区范围时可改变的，根据实际情况，通过连接在CPU212上的TD200 HMI可输入一个合适的值。
PID算法的控制原理是基于如下的一个方程表达式：
M（t）是比例项、积分项、微分项的函数，Kc为环路放大倍数、e为偏差值、M initial 为环路输出的初始值。
为便于数字计算机实现控制，必须用数值逼近的方法，当采样周期很短时，用求和代替积分，后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为差分方程。因而上式可改写为
连续函数被量化为误差值的周期采样，同时计算输出值Mn，en、en-1分别为时刻n和时刻n-1的误差采样值，Kc为环路放大倍数，Ki为积分项常数，Kd为微分项常数。
将上式写成
式中MX为积分项在n-1时刻的值。或改为
式中
SPn为设定植，PVn为过程值，即实际压差。
Ts为采样周期、 Ti为积分时间，SPn为设定植，PVn为过程值，即实际压差。
由于SPn = SPn-1, 所以有
Ts为采样周期、 Td为微分时间，SPn、SPn-1为设定植，PVn为过程值，即实际压差。
将实际模拟量值线性化，R 为线性化值，R 为实际模拟量值，Span为量程，当模拟量为单极性输入时，Span=32000, Offset=0。
4 控制系统的软件实现
采用西门子公司的STEP7 MICROWIN V3.2集成开发平台进行设计，在硬件配置好后，就可直接对CPU212进行编程了，软件设计主要包括采样中断程序，脉冲产生程序，TD200文本显示器组态等。
4.1 采样中断程序:初始化SMB34（特殊内存字节 ）后，在中断程序块中，编写采样中断服务程序，通过读取外设字AIWx，获得模拟量信号值。模拟量的采集采用单级输入方式，经线性变换后，即可得到压力值，在采样中断服务程序中分别读取风力支管上的风压平衡器两端的压力信号值，计算出两个压力差的绝对值，将此值作为过程值。改变SMB34数值，就可改变采样周期。
4.2 脉冲的产生: 在CPU 22X系列中，CPU模块内嵌的数字量输出口Q0.0、Q0.1可用于输出高速脉冲信号。脉冲的输出有两种方式： PTO和PWM。PTO为脉冲串输出方式，它的脉冲数量和脉冲周期是可控的，PWM为脉冲调制输出方式，它的脉冲宽度和脉冲周期是可控的。通过STEP7 IDE中的INSTRUCTION WIZARD或编写脉冲产生程序的方法实现。
4.3 PID调节的实现
纯比例控制方式：在调整好步进电机的细分倍数和步数后，使用STEP7 IDE中的INSTRUCTION WIZARD将Q0.0设置为PWM脉冲输出方式，仔细调整输出脉冲宽度和周期，它相当于对比例项的增益进行调整，使其与被控量的变化相适应，从而满足稳定风压压差的目的。Q0.0的 PWM脉冲输出，由设定风压差r（k）与实际风压差y（k）的偏差值是否超出了设定的死区范围来决定，如偏差值在设定的死区范围内，则屏蔽Q0.0的输出，反则，Q0.0使能，控制步进电机转动，步进电机的转向，由偏差值的符号决定。当风压平衡器调节风门到达上限或下限时，通过Q0.x输出高电平，禁止步进电机朝已到达极限位置的方向继续转动。
PID控制方式：输出仍为PWM脉冲，从而实现模拟输出的数字化。做法是：使用STEP7 IDE中的INSTRUCTION WIZARD中的PID WIZARD在设计输出方式时，选择为数字量输出方式，输入合适的方波占空比参数，填写PID运算所需的数据块的地址即可。当偏差值超出设定的死区范围时，Q0.x即有脉宽调制方波输出，以控制步进电机。其他控制点的控制与纯比例控制方式相同。
PID控制使系统在消除系统静差、提高系统动态性能等方面改善了控制系统的品质因数，但PID参数整定比较麻烦，要得到合适的PID参数，需要一段时间摸索。在工程上，PID参数整定的方法通常有：扩充临界比例度法;扩充响应曲线法;归一参数整定法;优选法和试凑法确定PID参数。鉴于篇幅，不再详述。.
5 结束语
基于可编程序控制器的风压平衡器控制系统，采用硬件及软件的模块化、与开放性的设计思想，系统具有较高的性价比、系统控制精度高、运行稳定、可靠、扩展方便、故障率低、维护简单等特点，满足了卷烟生产的要求，我公司设计的风压平衡器及其控制系统已在烟厂得以应用，同时该系统也具有很大的推广价值。
