可编程序控制器S7—400在卷烟厂风力送丝与除尘系统中的应用

刘建峰

摘要：本文通过对卷烟厂卷接机组风力送丝系统的解决及控制需求的分析，提出了以西门子S7400PLC为基础组成的自控系统完整解决方案。详细描述了控制系统的组成结构、控制原理、总线通讯的实现。这套系统已在营口卷烟厂投入运行，系统各项指标均达到了设计要求，取得了显著效果。

关键词：风力送丝 可编程序控制器 现场总线 PID调节

1 概述

通过风力在送丝管道中产生负压来实现烟丝从储丝房到卷接机组传输的过程，就是我们所谓的风力送丝。要想达到风力送丝的要求，这就需要我们在送丝管道中产生一定的负压力和风流量，还可以凭借连接在送丝回尘管道上的高压风机来做到风力送丝。我们在传输烟丝的时候所要满足的传输条件即是由平稳的风压和风量值进行传输的，以此来保证提供卷机组的烟丝产品的质量。因为，风力管道中输送烟丝是间歇性的，也就是说风力送丝管道的风压和风量是时刻变化的，因此可能会导致风机的喘振，当多台卷接机组处于生产运行时，其工作状态就会各有千秋，达到让供丝的时间能够随时的目的。所以，在生产制造过程中我们难免要对风压和风量进行改变。一旦控制不合格的时候，就很有可能出现风机喘振的现象出现，这样的情况就是导致烟丝传输不及时和管道受阻等结果，严重的甚至会造成风机和电机的损坏。那么我们在进行设计的时候，就需要凭借精准的论证来验证，是否通过PLC-变频器控制系统来解决这方面的问题。

2 控制系统构成

2.1 系统基本原理

上位机设定值是PLC系统的主要依据，风力送丝管道的风压和风量的控制是调节变频器的频率来保持的，关键运用的就是安全总管补风阀来对回尘总管中的风压和风量进行的控制，主要保持其稳定；而安装在机组上的控制器就会对机组的送丝进行控制，这样只能保证回尘支管能够通过电来调节风门和支管旁路风门的稳定，并保证回尘支管的风压和风量的稳定。所有卷接机组上的控制器（子站）连接到西门子ProfiBus通讯总线上与主站通讯。

S7-400存在于除尘室的控制系统主要站，不仅能够达到除尘室内设备的有效控制及对参数每一刻的监视和预测，还能够通过PROFIBUS准则来达到现场总线与风力送丝系统的稳定，并能实现分布于变频器和卷烟车间的大部分S7-200PLC的通讯。如图1所示。

2.2 系统组成

2.2.1 除尘室部分。作为控制系统子站与S7-400主站通讯，变频器控制的主要是送丝风力的风机，而且变频器通过加装ProfiBus来选件卡。落料电机和搅拌电机控制等，以及除尘器脉冲喷吹仪电源控制等等的输出，都是作为风送系统除尘设备的控制点，都是保证能够很好的除尘的；而状态点，例如空气开关状态和接触器状态以及隔离开关状态等都与远程分布式I/O箱所连接的，器重回尘总管压力等都是以太网与S7-400主站通讯通过的关键方式。

系统主要是通过PLC S7-400进行重要控制的，其中后期的HMI人机接口设备MP377的触摸屏，主要是为了使系统的控制机能够便捷、明了，而且各自状态的系统信息都能够熟练掌握。

2.2.2 卷接机组部分。卷接机组一共有15台，每台机组的配置为S7-200PLC，所有的控制都在吸丝管道上，并对吸丝管道的风力速度以及采集吸丝管道的风速信号等进行控制，并能够及时准确地检查卷烟机的状况和阀门位置的信号等。我们可以通过现场的总线PROFIBUS以及15台S7-200PLC远程分布式I/O与主站S7-400通讯。

2.3 在进行系统设计的时候主要采用的是开放式的理念，并根据适用场合的不同要求设计不同的系统，这样不仅会在现场增加主站或子站的规模，还能够通过配置来做到以太网环网与厂级网连接，实现数据的共同分享。

3 风力平衡控制系统的实现

3.1 系统硬件组态的实现

模块化的设计理念是西门子PLC控制器之间的产品所主要采用的，以使系统硬件组态更加简单。它的设计主要是挑选相对应的电源、CPU以及传出或者传入接口的模块、通讯控制模块等进行的，而且还要通过S7-400 PLC运用STEP7V5.4集成开发环境中的硬件设备程序再对应模块及通讯总线进行配置（图2，参见参考文献[2]，[3]），编译下载到CPU模块后即可实现。

3.2 系统控制软件

3.2.1 风压自动调节的实现（参见参考文献[1]，[3]）。回尘总管的风压操作主要是由S7-400控制器通过回回尘总管的风压信号来确定的，经过线性变换后，与之前设置值相比较，风压通过模拟信号来计算，计算出的偏差结果，通过PID运算后，用S7-400将PID的输出结果控制在总线的变频器上，通过这样的控制变频器的输出频率，以此来达到控制风机的转动速度和控制总管风压的目的。

而控制算法往往所使用的是带死区的位置算法。主要是用带死区算法将会有利于避免变频器因为频繁输出值的经常变化来引起风压的随机波动，形成一定的动荡，从而使系统不能够稳定。

3.2.2 风量自動调节的实现（参见参考文献[1]，[3]）。我们在对回尘总管风量控制的时候，需要注意的就是：由于S7-400控制器是我们搜集回尘总管的一个风量信号，因此在经过PID计算后，S7-400就会将PID输出控制值由总线进行发送，并且将会发送到除尘房远程分布式I/O中，除尘房的远程分布式I/O的控制总管能够补足风阀。由此可见，我们为了达到控制总管风量的目的，就尽可能的避开出现风机的喘振的情况，从而达到稳定风压的目的。

3.2.3 卷烟机回尘支管风量自动调节的实现。为了实现卷烟机回尘支管风量自动调节，就需要我们进行回尘总管风量控制的时候，对S7-400的控制器进行合理的运用，在运用的同时对卷烟机远程的分布式I/O进行控制，然后采集位于卷烟机回尘支管上的风量的信号；然后在进行PID工作的时间内，S7-400就会将PID传出，依次进行总线值的控制，并通过总线发送给卷烟机的远程分布式I/O上，当I/O控制处于卷烟机回尘支管上风门调节阀的时候，就能够调节回尘支管风量值，以便维持卷烟机吸丝风量稳定的目的。

4 总结

总而言之，本系统已经正式投入运行，运行的结果表明：系统性能相对便捷、性价比高而且相对稳定，运行维护费用相对来说会比较低，并且做到了生产和管理对系统的一系列要求，得到很多厂家的好评。

而应用的新技术、高科技含量的产品等都对现有设备进行了技术改造，这也是能够提高企业产品质量以及能够建立健全生产管理系统，也是增强企业经济利益和提高市场竞争力等最有利的途径之一。

参考文献：

[1]王再英.过程控制系统与仪表[M].机械工业出版社，2006年2月.

[2]西门子自动化与驱动技术CA01产品目录光盘.

[3]STEP7 V5.4 ONLINE DOCUMENT.

[4]WinCC Flexible 2008 ONLINE DOCUMENT.

[5]苟晓卫.PLC与触摸屏快速入门与实践[M].人民邮电出版社，2010年8月.

[6]魏东.计算机控制技术[M].中国建筑工业出版社，2012年1月.