基于DSP的煙支重量控制技術(shù)

叢遠(yuǎn)亮

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所 安徽蚌埠 233000

在卷煙生產(chǎn)工藝中，香煙重量作為香煙品質(zhì)的重要指標(biāo)，越來(lái)越受到煙廠的普遍關(guān)注。高速卷煙生產(chǎn)過(guò)程中煙支重量控制，是整個(gè)高速卷煙機(jī)實(shí)時(shí)控制過(guò)程中最為復(fù)雜、技術(shù)含量最高的環(huán)節(jié)。我所目前尚無(wú)成熟產(chǎn)品供應(yīng)市場(chǎng)，為增強(qiáng)我所競(jìng)爭(zhēng)，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)行煙支重量控制與人機(jī)交互系統(tǒng)的研制工作。在研制過(guò)程中，我們通過(guò)將相關(guān)的采樣數(shù)據(jù)、控制策略及運(yùn)算結(jié)果與國(guó)外成熟系統(tǒng)進(jìn)行了認(rèn)真的對(duì)比分析及反復(fù)調(diào)試，獲得的重量控制系統(tǒng)滿足生產(chǎn)中的各種功能及相關(guān)指標(biāo)。

1 重量控制系統(tǒng)原理

煙支重量控制系統(tǒng)主要由重量傳感器、軸編碼器、煙條監(jiān)視器、重量控制單元、平整盤(pán)電機(jī)、位置傳感器及上位機(jī)等組成[1]。

重量控制單元以煙支重量為控制目標(biāo)，改善平整盤(pán)控制精度，能夠提高煙絲利用效率，提高煙支合格率、降低生產(chǎn)成本。

重量控制單元通過(guò)人機(jī)交互系統(tǒng)(1)輸入煙支目標(biāo)重量設(shè)定值(SW)。重量控制單元把設(shè)定值和微波密度儀測(cè)得的實(shí)際值(IW)進(jìn)行比較。重量控制單元利用目標(biāo)值與實(shí)際值的偏差來(lái)計(jì)算電機(jī)M10的位置設(shè)定值(SP)。位置傳感器將平整盤(pán)的實(shí)際位置 (IP)反饋給重量控制單元，通過(guò)位置設(shè)定值與反饋值的比較，來(lái)控制平整盤(pán)電機(jī)的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙絲密度的調(diào)節(jié)。

2 重量控制單元設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

重量控制單元是煙支重量控制系統(tǒng)的核心部分，通過(guò)對(duì)煙絲密度脈沖、軸編碼器增量脈沖和指示脈沖信號(hào)的檢測(cè)，完成煙支重量計(jì)算，生成煙絲密度曲線，缺陷煙支的統(tǒng)計(jì)、判斷和剔除，控制平整盤(pán)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙支重量的調(diào)節(jié)及煙支取樣。

重量控制單元以TMS320F2812為控制核心，該芯片為32的定點(diǎn)DSP芯片，支持在線仿真、燒寫(xiě)，程序調(diào)試、維護(hù)簡(jiǎn)單，工作頻率150MHz、采樣頻率75MHz、內(nèi)含高速捕捉模塊，捕捉頻率37.5MHz，能夠及時(shí)有效的進(jìn)行煙支數(shù)據(jù)處理，精確完成煙絲密度脈寬電平的捕捉，減少中斷延遲帶來(lái)的誤差，編碼器的增量脈沖信號(hào)作為外部輸入時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)增量脈沖的計(jì)數(shù)，避免了時(shí)鐘本身的計(jì)數(shù)誤差對(duì)煙支重量的影響。內(nèi)部的12位高速AD及時(shí)檢測(cè)平整盤(pán)位置與計(jì)算出的平整盤(pán)理想位置之差作為被控輸入量，通過(guò)PID完成位置信號(hào)的控制。片內(nèi)128K的存儲(chǔ)容量為升級(jí)為以后的12000支高速重量控制系統(tǒng)預(yù)留了空間。煙支的重量誤差在生產(chǎn)時(shí)，一般煙廠要求在20mg之內(nèi)，為了滿足這一指標(biāo)，重量控制單元主要從煙支重量的識(shí)別與計(jì)算、煙支重量的控制等方面入手，保證控制精度。煙支的取樣、剔廢功能也是煙廠所必須的。

2.1 煙支重量識(shí)別與計(jì)算

煙支重量的識(shí)別是基于微積分原理，通過(guò)外部增量式旋轉(zhuǎn)軸編碼器，將煙支分成可識(shí)別的微分段(增量段)，配合密度探頭檢測(cè)到的煙絲密度值，以識(shí)別每一支煙的重量[2]。煙條的分段及定位同步采用軸編碼器的脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)，在正常生產(chǎn)時(shí)，軸編碼器產(chǎn)生指示脈沖及增量脈沖，軸編碼器旋轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生256個(gè)增量脈沖和一個(gè)指示脈沖，一個(gè)指示脈沖對(duì)應(yīng)兩支雙倍長(zhǎng)煙條，而每支單煙對(duì)應(yīng)64個(gè)增量脈沖，這兩組脈沖一方面為重量控制單元提供機(jī)器轉(zhuǎn)速信號(hào)，另一方面用于重量控制系統(tǒng)對(duì)每支單煙起始位置的識(shí)別及分段[1]。在機(jī)器運(yùn)行速度7000支/分鐘的生產(chǎn)條件下，增量脈沖脈寬為130微秒左右，煙絲密度信號(hào)脈寬600-1800微秒，實(shí)踐證明煙支重量誤差在生產(chǎn)中不超過(guò)20毫克，基本密度信號(hào)每微秒對(duì)應(yīng)一毫克，為了能夠精確得到煙支重量，密度信號(hào)的測(cè)量值應(yīng)盡量準(zhǔn)確。

2.2 煙支重量的控制實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)方法為：設(shè)置定時(shí)器每2.5ms采集平整盤(pán)位置信號(hào)，采集滿一組10個(gè)，舍棄最早采集的2個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)剩余數(shù)據(jù)進(jìn)行限幅處理，去除其中的2個(gè)最大、最小值，將保留下來(lái)的4個(gè)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值處理，得到的平均值存入準(zhǔn)備進(jìn)行加權(quán)處理的數(shù)組(共8個(gè))，各權(quán)數(shù)為0.05，0.05，0.1，0.1，0.15，0.15，0.2，0.2，得到的加權(quán)處理結(jié)果為最終的平整盤(pán)位置值。經(jīng)過(guò)上述處理，能夠有效去除干擾信號(hào)，獲得平整盤(pán)的真實(shí)位置。

2.3 煙支取樣、剔廢

取樣、剔廢閥門(mén)響應(yīng)需要一定的滯后時(shí)間，因此應(yīng)提前判別煙支狀況，確定煙支是否為取樣、廢品煙支。我們利用軟件對(duì)有缺陷的煙支采用連續(xù)緩沖區(qū)標(biāo)定，煙支計(jì)數(shù)器作為指針，當(dāng)煙支到達(dá)剔除點(diǎn)時(shí)，閥門(mén)動(dòng)作將煙支剔除[3]。在硬件設(shè)計(jì)中為了防止取樣剔廢處理受系統(tǒng)中斷的干擾(如優(yōu)先級(jí)最高的密度處理中斷)，通過(guò)擴(kuò)展兩片定時(shí)器/計(jì)數(shù)器分別完成采樣閥門(mén)、剔除閥門(mén)的開(kāi)啟時(shí)刻及閥門(mén)開(kāi)啟后持續(xù)時(shí)間的控制。軟件方面，在每達(dá)到一支新煙(64個(gè)增量脈沖)，對(duì)煙支狀態(tài)判斷。當(dāng)標(biāo)定為廢品的煙支或標(biāo)定為采樣的煙支被跟蹤到達(dá)各自的剔除點(diǎn)時(shí)，經(jīng)過(guò)計(jì)算后將距打開(kāi)閥門(mén)還需運(yùn)行的增量脈沖數(shù)寫(xiě)入定時(shí)器T1，同時(shí)將閥門(mén)打開(kāi)后應(yīng)該持續(xù)的時(shí)間(以增量脈沖計(jì)數(shù)，由用戶設(shè)定)寫(xiě)人定時(shí)器T2，T1、T2按照各自的模式在增量脈沖的作用下完成相應(yīng)閥門(mén)的開(kāi)啟及關(guān)閉控制。其中T1工作在方式0，存儲(chǔ)距打開(kāi)閥門(mén)還需運(yùn)行的增量數(shù)。T2工作在方式1，存儲(chǔ)閥門(mén)打開(kāi)后的持續(xù)時(shí)間，由T1的輸出作為門(mén)控信號(hào)同步控制。

3 結(jié)語(yǔ)

以DSP TMS320F2812為核心的重量控制單元，在軟件的開(kāi)發(fā)、維護(hù)、升級(jí)擴(kuò)展方面都有較大的優(yōu)勢(shì)。對(duì)重量控制算法中的超調(diào)、振蕩問(wèn)題，采用了以傳統(tǒng)PID和模糊相結(jié)合的控制算法、針對(duì)機(jī)器運(yùn)行中的噪聲問(wèn)題，設(shè)計(jì)了平整盤(pán)位置數(shù)據(jù)濾波方法，結(jié)果已通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)得到了驗(yàn)證。