馮煥芬 姚 睿 唐文堯 劉 鴻 鄭 超 夏同行

（貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司遵義卷煙廠，遵義 563000）

煙葉加料工序是煙草行業(yè)制絲生產(chǎn)線上的關(guān)鍵工序。它的工藝任務(wù)是按照配方規(guī)定將料液準(zhǔn)確均勻地施加到煙片上，改善卷煙的感官特性和物理性能，同時(shí)適當(dāng)提高煙片的含水率和溫度[1]。SJ1201型加料機(jī)是煙草行業(yè)制絲生產(chǎn)線上的常用設(shè)備，主要由筒體、進(jìn)料罩、出料罩、機(jī)架、傳動(dòng)裝置、加料裝置、清掃裝置、循環(huán)熱風(fēng)和排潮系統(tǒng)、管路系統(tǒng)以及電控系統(tǒng)等組成。該設(shè)備的工作原理是煙草物料由振動(dòng)輸送機(jī)送入筒體后，筒體由傳動(dòng)裝置帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，物料在筒體內(nèi)耙釘帶動(dòng)下不停翻滾，憑借自重和筒體向下的傾角，隨著筒體旋轉(zhuǎn)向出料端移動(dòng)。料液和水通過(guò)控制管路，在蒸汽的引射下，由進(jìn)、出料端噴射進(jìn)筒體內(nèi)的物料上，從而對(duì)物料加料和增濕，蒸汽則通過(guò)蒸汽噴頭噴射進(jìn)筒體內(nèi)，提高物料溫度。熱風(fēng)系統(tǒng)從進(jìn)料端向筒體內(nèi)吹熱風(fēng)來(lái)提高物料溫度，同時(shí)起到減少筒體粘料的目的。循環(huán)風(fēng)管道使筒體內(nèi)的氣流在筒體內(nèi)循環(huán)，減少熱量損失。集中排潮系統(tǒng)通過(guò)排潮管道不斷從筒體內(nèi)抽走出料罩與循環(huán)熱風(fēng)里面多余蒸汽與一部分熱風(fēng)，使筒體內(nèi)形成負(fù)壓，避免霧化的料液及蒸汽外溢。

1 煙葉加料機(jī)溫控系統(tǒng)中常用模擬量的采集和處理

在由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）組成的煙葉加料機(jī)溫控系統(tǒng)中存在大量物理量，如蒸汽壓力、蒸汽流量以及物料溫度等。對(duì)于這些物理量的采集，主要是利用各種類(lèi)型的傳感器或相應(yīng)變送器進(jìn)行測(cè)量，并將其轉(zhuǎn)換成符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的模擬量信號(hào)（如電流信號(hào)4～20 mA，電壓信號(hào)0～10 V）供PLC采集。PLC的模擬量輸入模塊將這些模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部處理用的數(shù)字信號(hào)。若要在PLC內(nèi)部對(duì)這些相應(yīng)的信號(hào)進(jìn)行比較和運(yùn)算，則需將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)際的物理值。

1.1 S7-1500 PLC模擬量I/O模塊

在煙葉加料機(jī)溫控系統(tǒng)中，一些輸入量（如蒸汽壓力、蒸汽流量、物料溫度等）是模擬量，但一些執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)薄膜閥等）要求PLC輸出模擬量信號(hào)，而PLC的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）只能處理數(shù)字量。因此，蒸汽壓力、蒸汽流量、物料溫度等模擬量[2]先被傳感器和變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的電流或電壓，隨后通過(guò)PLC模擬量輸入模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog/Digital converter，A/D）將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。模擬量輸出模塊的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Digital/Analog converter，D/A）將PLC中的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量電壓或電流，再去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。模擬量輸入/輸出（Input/Output，I/O）模塊的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換。模擬量I/O模塊包括模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊和模擬量輸入/輸出模塊。其中，標(biāo)準(zhǔn)型輸入模塊4AI和8AI U/I/RTD/TC的輸入信號(hào)為電壓、電流、熱電阻、熱電偶和電阻，電流/電壓、熱電阻/熱電偶和電阻輸入時(shí)屏蔽電纜的最大長(zhǎng)度分別為800 m、200 m和50 m?？梢匀我膺x擇每個(gè)通道的測(cè)量類(lèi)型和范圍，不需要量程卡，只需要改變硬件配置和外部接線。高速型輸入模塊“8AI，U/I”的輸入信號(hào)為電流和電壓，屏蔽電纜的最大長(zhǎng)度為800 m。標(biāo)準(zhǔn)型輸出模塊“2AQ，U/I”和“4AQ，U/I”可輸出電流和電壓，電流、電壓輸出時(shí)屏蔽電纜的最大長(zhǎng)度分別為800 m、200 m，高速型輸出模塊“8AQ，U/I”也可輸出電流和電壓，屏蔽電纜的最大長(zhǎng)度為200 m。

1.2 S7-1500 PLC處理模擬量的編程方法

在煙葉加料機(jī)溫控系統(tǒng)中，蒸汽壓力、蒸汽流量、物料溫度等模擬量被傳感器和變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的電流或電壓后，PLC又通過(guò)模擬量輸入模塊的A/D轉(zhuǎn)換器將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。但若要在PLC內(nèi)部對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行比較和運(yùn)算，則需將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)際的物理值，也就是要將這些經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成以工程單位表示的介于上下限之間的實(shí)型值。在S7-1500 PLC中采用標(biāo)準(zhǔn)化指令NORM_X和縮放指令SCALE_X，便可將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成實(shí)際的物理量。

標(biāo)準(zhǔn)化指令NORM_X又稱(chēng)歸一化指令[3-4]，作用是將整數(shù)輸入值VALUE線性轉(zhuǎn)換成0.0～1.0的浮點(diǎn)數(shù)，轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在OUT指定的地址中。標(biāo)準(zhǔn)化指令輸出值OUT的計(jì)算公式為OUT=(VALUE-MIN)/ (MAX-MIN)，其中VALUE是通過(guò)與PLC模擬量輸入模塊相連的外部傳感器或相應(yīng)變送器采集的模擬量，經(jīng)模擬量輸入模塊的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量，且MIN≤VALUE≤MAX?？s放指令SCALE_X又稱(chēng)標(biāo)定指令[5-6]，作用是將浮點(diǎn)數(shù)輸入值VALUE線性轉(zhuǎn)換成介于MAX（上限）和MIN（下限）之間的數(shù)值，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在OUT指定的地址中。縮放指令輸出值的計(jì)算公式為OUT=VALUE×(MAXMIN)+MIN，其中VALUE是經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換后得到的浮點(diǎn)數(shù)，且0.0≤VALUE≤1.0。

若某溫度傳感器的量程為0～100 ℃，輸出信號(hào)為4～20 mA，該電流信號(hào)被PLC的模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量0～27648，那么PLC的模擬量輸入模塊將溫度傳感器采集的溫度值轉(zhuǎn)換成0～27648的數(shù)字量。該值為標(biāo)準(zhǔn)化指令的輸入值VALUE，保存在指定的地址IW2中，且標(biāo)準(zhǔn)化指令中的MIN為0、MAX為27648。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換成0.0～1.0的浮點(diǎn)數(shù)，保存在指定的地址MD10中，該值即為縮放指令的輸入值VALUE，然后經(jīng)縮放指令將該浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為0～100 ℃的浮點(diǎn)數(shù)溫度值，并保存在指定的地址MD20中?？s放指令中的MIN為0.0、MAX為100.0，如圖1所示。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化和縮放指令轉(zhuǎn)換后得到的實(shí)際溫度值，可在PLC內(nèi)部進(jìn)行比較和運(yùn)算[7-9]。

2 煙葉加料機(jī)溫控系統(tǒng)中模擬量的閉環(huán)控制

在煙葉加料機(jī)溫控系統(tǒng)中，采用比例-積分-微分（Proportion-Integral-Differential，PID）閉環(huán)控制方式來(lái)控制物料溫度、熱風(fēng)溫度等連續(xù)變化的模擬量[10-11]。圖2為典型的模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)[12]，虛線框中的部分用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)。在模擬量PID閉環(huán)控制系統(tǒng)中，被控量c(t)是連續(xù)變化的模擬量，執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求PLC輸出模擬量電流或電壓信號(hào)M(t)[13-15]。

以加料機(jī)出口的物料溫度為例，用紅外測(cè)溫儀檢測(cè)加料機(jī)出口的物料溫度（即被控量c(t)）后，經(jīng)相應(yīng)的溫度變送器轉(zhuǎn)換成4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)PV(t)，然后PLC通過(guò)模擬量輸入模塊的A/D轉(zhuǎn)換器，將該電流信號(hào)PV(t)轉(zhuǎn)換為與物料溫度成正比的多位二進(jìn)制數(shù)過(guò)程變量PV(n)，PV(n)為反饋值。CPU將反饋值PV(n)與物料溫度的設(shè)定值SP(n)進(jìn)行比較，得到誤差e(n)=SP(n)-PV(n)。該誤差e(n)作為PID控制器的輸入值進(jìn)行相應(yīng)的PID控制運(yùn)算，經(jīng)PID控制運(yùn)算后得到的數(shù)字量輸出值M(n)又通過(guò)PLC模擬量輸出模塊的D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)M(t)，并用該電流信號(hào)控制蒸汽管路上氣動(dòng)薄膜閥的閥門(mén)開(kāi)度，從而控制進(jìn)入加料機(jī)中的蒸汽流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)加料機(jī)出口物料溫度的PID閉環(huán)控制。加料機(jī)出口物料溫度的閉環(huán)負(fù)反饋控制，可以使物料溫度的實(shí)際值接近或等于物料溫度設(shè)定值。當(dāng)物料溫度低于設(shè)定值時(shí)，過(guò)程變量PV(n)小于設(shè)定值SP(n)，那么誤差e(n)為正，PID控制器的輸出值M(n)會(huì)變大，M(t)相應(yīng)變大，氣動(dòng)薄膜閥的閥門(mén)開(kāi)度會(huì)增大，從而增大了進(jìn)入加料機(jī)的蒸汽流量，使物料溫度升高，且不斷趨近于溫度設(shè)定值。同理，當(dāng)物料實(shí)際溫度高于溫度設(shè)定值時(shí)，則會(huì)減小氣動(dòng)薄膜閥的閥門(mén)開(kāi)度和進(jìn)入加料機(jī)的蒸汽流量，從而達(dá)到降低物料溫度的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

在煙葉加料機(jī)溫控系統(tǒng)中存在許多數(shù)字量信號(hào)，而PLC對(duì)這些數(shù)字量信號(hào)的采集和處理主要是通過(guò)數(shù)字量輸入模塊和數(shù)字量輸出量模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。與數(shù)字量信號(hào)的采集和處理相比，模擬量信號(hào)的采集和處理相對(duì)來(lái)說(shuō)要復(fù)雜一些，而且在實(shí)際接線方式上也有很大差別，但是這些模擬量和數(shù)字量的現(xiàn)場(chǎng)接線都可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)子站箱中的ET200S來(lái)完成，而不用接到安裝有PLC的電控柜。