基于PLC的模拟量在烟叶加料机温控系统中的应用

冯焕芬 姚 睿 唐文尧 刘 鸿 郑 超 夏同行

（贵州中烟工业有限责任公司遵义卷烟厂，遵义 563000）

烟叶加料工序是烟草行业制丝生产线上的关键工序。它的工艺任务是按照配方规定将料液准确均匀地施加到烟片上，改善卷烟的感官特性和物理性能，同时适当提高烟片的含水率和温度[1]。SJ1201型加料机是烟草行业制丝生产线上的常用设备，主要由筒体、进料罩、出料罩、机架、传动装置、加料装置、清扫装置、循环热风和排潮系统、管路系统以及电控系统等组成。该设备的工作原理是烟草物料由振动输送机送入筒体后，筒体由传动装置带动旋转，物料在筒体内耙钉带动下不停翻滚，凭借自重和筒体向下的倾角，随着筒体旋转向出料端移动。料液和水通过控制管路，在蒸汽的引射下，由进、出料端喷射进筒体内的物料上，从而对物料加料和增湿，蒸汽则通过蒸汽喷头喷射进筒体内，提高物料温度。热风系统从进料端向筒体内吹热风来提高物料温度，同时起到减少筒体粘料的目的。循环风管道使筒体内的气流在筒体内循环，减少热量损失。集中排潮系统通过排潮管道不断从筒体内抽走出料罩与循环热风里面多余蒸汽与一部分热风，使筒体内形成负压，避免雾化的料液及蒸汽外溢。

1 烟叶加料机温控系统中常用模拟量的采集和处理

在由可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）组成的烟叶加料机温控系统中存在大量物理量，如蒸汽压力、蒸汽流量以及物料温度等。对于这些物理量的采集，主要是利用各种类型的传感器或相应变送器进行测量，并将其转换成符合国际标准的模拟量信号（如电流信号4～20 mA，电压信号0～10 V）供PLC采集。PLC的模拟量输入模块将这些模拟量信号转换成PLC内部处理用的数字信号。若要在PLC内部对这些相应的信号进行比较和运算，则需将该信号转换成实际的物理值。

1.1 S7-1500 PLC模拟量I/O模块

在烟叶加料机温控系统中，一些输入量（如蒸汽压力、蒸汽流量、物料温度等）是模拟量，但一些执行机构（如电动调节阀、气动薄膜阀等）要求PLC输出模拟量信号，而PLC的中央处理器（Central Processing Unit，CPU）只能处理数字量。因此，蒸汽压力、蒸汽流量、物料温度等模拟量[2]先被传感器和变送器转换为标准量程的电流或电压，随后通过PLC模拟量输入模块的模数转换器（Analog/Digital converter，A/D）将它们转换成数字量。模拟量输出模块的数模转换器（Digital/Analog converter，D/A）将PLC中的数字量转换为模拟量电压或电流，再去控制执行机构。模拟量输入/输出（Input/Output，I/O）模块的主要任务是实现A/D转换和D/A转换。模拟量I/O模块包括模拟量输入模块、模拟量输出模块和模拟量输入/输出模块。其中，标准型输入模块4AI和8AI U/I/RTD/TC的输入信号为电压、电流、热电阻、热电偶和电阻，电流/电压、热电阻/热电偶和电阻输入时屏蔽电缆的最大长度分别为800 m、200 m和50 m。可以任意选择每个通道的测量类型和范围，不需要量程卡，只需要改变硬件配置和外部接线。高速型输入模块“8AI，U/I”的输入信号为电流和电压，屏蔽电缆的最大长度为800 m。标准型输出模块“2AQ，U/I”和“4AQ，U/I”可输出电流和电压，电流、电压输出时屏蔽电缆的最大长度分别为800 m、200 m，高速型输出模块“8AQ，U/I”也可输出电流和电压，屏蔽电缆的最大长度为200 m。

1.2 S7-1500 PLC处理模拟量的编程方法

在烟叶加料机温控系统中，蒸汽压力、蒸汽流量、物料温度等模拟量被传感器和变送器转换为标准量程的电流或电压后，PLC又通过模拟量输入模块的A/D转换器将它们转换成数字量。但若要在PLC内部对这些信号进行比较和运算，则需将该信号转换成实际的物理值，也就是要将这些经A/D转换器转换后的数字量转换成以工程单位表示的介于上下限之间的实型值。在S7-1500 PLC中采用标准化指令NORM_X和缩放指令SCALE_X，便可将数字量转换成实际的物理量。

标准化指令NORM_X又称归一化指令[3-4]，作用是将整数输入值VALUE线性转换成0.0～1.0的浮点数，转换结果保存在OUT指定的地址中。标准化指令输出值OUT的计算公式为OUT=(VALUE-MIN)/ (MAX-MIN)，其中VALUE是通过与PLC模拟量输入模块相连的外部传感器或相应变送器采集的模拟量，经模拟量输入模块的A/D转换器转换后得到的数字量，且MIN≤VALUE≤MAX。缩放指令SCALE_X又称标定指令[5-6]，作用是将浮点数输入值VALUE线性转换成介于MAX（上限）和MIN（下限）之间的数值，并将转换结果保存在OUT指定的地址中。缩放指令输出值的计算公式为OUT=VALUE×(MAXMIN)+MIN，其中VALUE是经标准化转换后得到的浮点数，且0.0≤VALUE≤1.0。

若某温度传感器的量程为0～100 ℃，输出信号为4～20 mA，该电流信号被PLC的模拟量输入模块转换为数字量0～27648，那么PLC的模拟量输入模块将温度传感器采集的温度值转换成0～27648的数字量。该值为标准化指令的输入值VALUE，保存在指定的地址IW2中，且标准化指令中的MIN为0、MAX为27648。经标准化转换成0.0～1.0的浮点数，保存在指定的地址MD10中，该值即为缩放指令的输入值VALUE，然后经缩放指令将该浮点数转换为0～100 ℃的浮点数温度值，并保存在指定的地址MD20中。缩放指令中的MIN为0.0、MAX为100.0，如图1所示。经标准化和缩放指令转换后得到的实际温度值，可在PLC内部进行比较和运算[7-9]。

2 烟叶加料机温控系统中模拟量的闭环控制

在烟叶加料机温控系统中，采用比例-积分-微分（Proportion-Integral-Differential，PID）闭环控制方式来控制物料温度、热风温度等连续变化的模拟量[10-11]。图2为典型的模拟量闭环控制系统[12]，虚线框中的部分用PLC来实现。在模拟量PID闭环控制系统中，被控量c(t)是连续变化的模拟量，执行机构要求PLC输出模拟量电流或电压信号M(t)[13-15]。

以加料机出口的物料温度为例，用红外测温仪检测加料机出口的物料温度（即被控量c(t)）后，经相应的温度变送器转换成4～20 mA的标准电流信号PV(t)，然后PLC通过模拟量输入模块的A/D转换器，将该电流信号PV(t)转换为与物料温度成正比的多位二进制数过程变量PV(n)，PV(n)为反馈值。CPU将反馈值PV(n)与物料温度的设定值SP(n)进行比较，得到误差e(n)=SP(n)-PV(n)。该误差e(n)作为PID控制器的输入值进行相应的PID控制运算，经PID控制运算后得到的数字量输出值M(n)又通过PLC模拟量输出模块的D/A转换器转换成4～20 mA的标准电流信号M(t)，并用该电流信号控制蒸汽管路上气动薄膜阀的阀门开度，从而控制进入加料机中的蒸汽流量，实现对加料机出口物料温度的PID闭环控制。加料机出口物料温度的闭环负反馈控制，可以使物料温度的实际值接近或等于物料温度设定值。当物料温度低于设定值时，过程变量PV(n)小于设定值SP(n)，那么误差e(n)为正，PID控制器的输出值M(n)会变大，M(t)相应变大，气动薄膜阀的阀门开度会增大，从而增大了进入加料机的蒸汽流量，使物料温度升高，且不断趋近于温度设定值。同理，当物料实际温度高于温度设定值时，则会减小气动薄膜阀的阀门开度和进入加料机的蒸汽流量，从而达到降低物料温度的目的。

3 结语

在烟叶加料机温控系统中存在许多数字量信号，而PLC对这些数字量信号的采集和处理主要是通过数字量输入模块和数字量输出量模块来实现的。与数字量信号的采集和处理相比，模拟量信号的采集和处理相对来说要复杂一些，而且在实际接线方式上也有很大差别，但是这些模拟量和数字量的现场接线都可以通过现场子站箱中的ET200S来完成，而不用接到安装有PLC的电控柜。