基于STC15F2K60S2單片機(jī)的絲束張力平衡控制系統(tǒng)設(shè)計

張鵬　閆麗萍　張孝友　趙松斌　馮銀龍

摘 要：本文開發(fā)了一種基于STC15F2K60S2高性能單片機(jī)的絲束張力平衡控制系統(tǒng)，通過對伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和絲束張力擺桿位置的合理調(diào)節(jié)來保證進(jìn)入濾棒成型機(jī)的絲束張力處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)，最后對該系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場檢驗。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效保證進(jìn)入絲束成型機(jī)的絲束張力平衡穩(wěn)定，為卷煙企業(yè)濾棒絲束的質(zhì)量控制提供了很好的技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：絲束張力;STC15F2K60S2單片機(jī);中央控制器;絕對值位置傳感器

中圖分類號：TQ920.5;TP368.12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）13-0051-04

Design of Filter Tow Tension Balance Controller Based

on C8051F120 Microcontroller

ZHANG Peng1 YAN Liping1 ZHANG Xiaoyou2 ZHAO Songbin1 FENG Yinlong1

（1.Luoyang Cigarette Factory， China Tobacco Henan Industrial Co.， Ltd.，Luoyang Henan 471000;2.School of Vehicle and Transportation Engineering， Henan University of Science and Technology，Luoyang Henan 471003）

Abstract： In this paper， a control system based on STC15F2K60S2 high performance microcomputer was developed. By adjusting the rotation speed of the servo motor and the position of the swaying bar of the tow tension， the system can ensure that the tow tension entering the filter rod forming machine is in a balanced and stable state. Finally， the system was tested on the spot. The results show that the system can effectively guarantee the balance and stability of the tension of the tow entering the tow forming machine， and provide a good technical guarantee for the quality control of the filter rod and the tow of the cigarette enterprise.

Keywords： tow tension;STC15F2K60S2 microcontroller;central controller;absolute position sensor

卷煙濾棒吸阻均勻性是卷煙質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。造成濾棒吸阻不均勻的根本原因是濾棒成型時絲束密實度不夠均勻。不同廠家、不同牌號的絲束密實度不同;由于打包機(jī)械的不穩(wěn)定性和壓力偏差，也會造成絲束密實度不同。此外，同一絲束包中，由于重力原因，內(nèi)部不同部分的壓實程度也存在差異：上部絲束由于所受重力，壓力較小，壓實程度小;下部則相反，也會在一定程度上造成吸阻均勻性變化，從而影響卷煙質(zhì)量。為了使進(jìn)入濾棒成型工位的絲束具有同一密實度，理想的方式是在絲束進(jìn)入濾棒成型機(jī)之前采用特定裝置對絲束進(jìn)行壓力均衡處理，從而實現(xiàn)絲束密實度的統(tǒng)一[1-5]。不同張力下，絲束密實度進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的時間是不同的，在連續(xù)高速生產(chǎn)過程中，絲束從絲束包進(jìn)入成型機(jī)的時間只有不到2 s，為了能在這么短的時間內(nèi)讓絲束密實度進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，通過實驗方法可以測得一個能讓絲束密實度穩(wěn)定時間最短的張力，而且這個絲束張力的設(shè)定值應(yīng)該可以根據(jù)絲束包的不同進(jìn)行自動修正，進(jìn)而找到最佳張力值和最佳密實度調(diào)整時間，即可維持濾棒絲束的密實度均勻，保證濾棒吸阻均勻。

1 系統(tǒng)機(jī)械工作原理

本文設(shè)計的基于STC15F2K60S2的絲束張力平衡控制系統(tǒng)由絲束張力平衡機(jī)械機(jī)構(gòu)和電子控制系統(tǒng)兩部分組成?？紤]到卷煙企業(yè)卷包生產(chǎn)線的自動化、集成化程度較高，對絲束進(jìn)入濾棒成型機(jī)的速度及其穩(wěn)定性有嚴(yán)格的要求，因此，本系統(tǒng)的整體設(shè)計思路是在保證絲束進(jìn)入濾棒成型機(jī)的速度一定的情況下，通過合理調(diào)節(jié)控制器內(nèi)部驅(qū)動絲束給進(jìn)的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和絲束張力擺桿的偏轉(zhuǎn)角度，以保證進(jìn)入濾棒成型機(jī)的絲束張力處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)。圖1是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖。

系統(tǒng)的工作原理為：當(dāng)濾棒成型機(jī)啟動時，絲束張力平衡控制系統(tǒng)自動進(jìn)入工作狀態(tài)，進(jìn)入濾棒成型機(jī)的絲束速度變化會帶動擺桿的位置變化，絲束速度變化越快，擺桿的位置越低。傳感器會檢測擺桿的位置信息發(fā)給高速微控制器，微控制器會根據(jù)操作員設(shè)定的目標(biāo)擺桿位置和當(dāng)前的擺桿位置作比較，進(jìn)而通過控制伺服驅(qū)動器來控制伺服電機(jī)。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速反過來又影響擺桿的位置，這樣形成一個完整的閉環(huán)反饋系統(tǒng)。正常工作時，濾棒成型機(jī)的絲束速度與伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速形成一個動態(tài)平衡，使擺桿的位置一直處在操作員設(shè)定的目標(biāo)位置。擺桿一直處于目標(biāo)位置，也就說明絲束受到的張力在一定程度上是恒定的，這就解決了絲束張力不均衡的問題[6-8]。

2 系統(tǒng)電控原理

本系統(tǒng)電控部分主要由電動推桿、伺服控制器、伺服電機(jī)、微控制器（MCU）、絕對值編碼器及人機(jī)交互界面（HMI）等組成。電動推桿選用直流12 V的電動推桿，推桿兩頭各有一個行程限位開關(guān)，伸縮桿運行到底或到頂后，會自動停止。由于電動推桿的作用主要是控制橡膠壓緊輪的壓緊和抬起，橡膠壓緊輪本身重力不大，且對壓緊和抬起的速度沒有嚴(yán)格要求;因此，選用這款電動推桿作為橡膠滾輪壓緊和抬起的動力來源。

在自動控制系統(tǒng)中，伺服電機(jī)用來驅(qū)動控制對象，其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速受信號電壓控制。由于伺服電機(jī)具有良好的高速性能、強(qiáng)大的抗過載能力、極好的穩(wěn)定性和快速的及時性等優(yōu)點，所以伺服電機(jī)在實際工業(yè)控制中應(yīng)用非常廣泛。該絲束張力平衡控制系統(tǒng)選用200 W的永磁同步交流伺服電動機(jī)，其伺服控制器具有2種控制模式，即位置控制模式和速度控制模式。位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖頻率來確定轉(zhuǎn)動速度大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動角度。速度控制模式通過模擬量的輸入或脈沖頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)動速度的控制。該絲束張力平衡控制系統(tǒng)采用速度控制模式，外部模擬電壓±10 V對應(yīng)的模擬轉(zhuǎn)速。

微控制器選用STC15F2K60S2單片機(jī)。STC15F2K60S2單片機(jī)是目前8位微控制器中功能最齊全、性能最優(yōu)的一款。其內(nèi)部還有2 KB的RAM和60 KB的FLASH，用于數(shù)據(jù)和程序的存儲。另外還有2個串口、6個定時器和3通道的捕獲比較單元。此微控制器完全滿足對絲束張力平衡控制系統(tǒng)的要求。

人機(jī)交互界面選用智能串口HMI液晶觸摸屏。智能串口觸摸屏將系統(tǒng)控制和界面顯示完美地分離開來，使用串口指令的方式控制，人機(jī)交互界面的設(shè)計和制作則全部由配套的上位機(jī)組態(tài)軟件完成。其具有標(biāo)配的TTL電平串口，無須電平轉(zhuǎn)換可直接連接單片機(jī)。

該絲束張力平衡控制系統(tǒng)使用絕對值編碼器來檢測擺桿的位置信息，絕對值編碼器型號為STM38-01-05-FR。該絕對值編碼器由機(jī)械位置決定的每個位置的數(shù)值是唯一的，其無須記憶，無須找參考點;采用非接觸磁傳感器技術(shù)，具有較高的可靠性;14位絕對值編碼器，高精度。電控系統(tǒng)控制原理如圖2所示。

微控制器采集絕對值編碼器的位置信號，與設(shè)定的目標(biāo)位置進(jìn)行比較，在微控制器中進(jìn)行前饋PID運算，將計算結(jié)果轉(zhuǎn)化模擬電壓量來控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使絲束預(yù)拉力維持恒定，人機(jī)交互界面用于顯示工作狀態(tài)和進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 前饋PID控制算法

該絲束張力平衡控制系統(tǒng)本身是一個時滯系統(tǒng)。其滯后主要體現(xiàn)在3個方面：第一，絕對值編碼器帶來的滯后延時;第二，電機(jī)的加速時間常數(shù)是一個滯后時間，電機(jī)從零速到達(dá)指定速度有一個加速過程;第三，絲束本身是一個彈性系統(tǒng)，在一定程度上也會造成滯后[9]。前饋控制系統(tǒng)是根據(jù)擾動或給定值的變化按補償原理來工作的控制系統(tǒng)，與反饋控制相比，其能更加及時地進(jìn)行控制，并且不受系統(tǒng)滯后的影響。

在該絲束張力平衡控制系統(tǒng)中，將濾棒成型機(jī)中絲束的速度作為前饋補償量，以對控制系統(tǒng)進(jìn)行前饋補償，從而達(dá)到好的控制效果。前饋補償PID原理如圖3所示。

微處理器采集濾棒成型機(jī)的速度信號乘以設(shè)定的前饋系數(shù)得到的數(shù)值與PID算法得到的結(jié)果作為DA輸出的數(shù)字信號，得到模擬電壓信號控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)而影響擺桿的實時位置形成一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)，從而達(dá)到良好的控制效果。

3.2 保護(hù)邏輯控制

對于一個控制系統(tǒng)來說，除了正常的工作狀態(tài)外，還需要對故障進(jìn)行處理。該絲束張力平衡控制系統(tǒng)采用二重保護(hù)，二重保護(hù)包括推桿的超時保護(hù)和絲束的冗余長度保護(hù)[10]。推桿的超時保護(hù)是用于系統(tǒng)開始工作之前對系統(tǒng)電動推桿的一個檢測保護(hù)。只有在規(guī)定的時間內(nèi)，電動推桿帶動橡膠壓緊輪到達(dá)壓緊或抬起狀態(tài)，系統(tǒng)才被認(rèn)定為正常。絲束的冗余絲束長度保護(hù)是在系統(tǒng)工作過程中的自由絲束長度的檢測保護(hù)。當(dāng)檢測到自由絲束的長度大于設(shè)置的絲束長度時，系統(tǒng)處于保護(hù)狀態(tài)。只要微處理器檢測到保護(hù)信息，系統(tǒng)停止工作，并且人機(jī)交互界面會顯示相對應(yīng)的保護(hù)信息，故障清除且系統(tǒng)復(fù)位之后才能重新啟動。其保護(hù)邏輯控制流程如圖4所示。

3.3 人機(jī)交互界面設(shè)計

人機(jī)交互界面主要是架起用戶與系統(tǒng)之間的溝通橋梁。用戶可以通過交互界面清楚地了解到系統(tǒng)的狀態(tài)信息，并且可以對系統(tǒng)進(jìn)行必要的操作，從而完成對整個系統(tǒng)的控制。

在該絲束張力平衡控制系統(tǒng)中，參數(shù)標(biāo)定界面主要對安裝有絕對值編碼器的擺桿位置進(jìn)行標(biāo)定，包括擺桿的起始位置、擺桿的結(jié)束位置、擺桿的目標(biāo)位置;在PID調(diào)節(jié)界面，主要是對該絲束張力平衡控制系統(tǒng)所用的前饋PID控制算法的比例、積分、微分及前饋系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，這些參數(shù)直接影響系統(tǒng)的控制性能。參數(shù)標(biāo)定界面如圖5所示，PID調(diào)節(jié)界面如圖6所示。

4 試驗驗證

將研制好的絲束張力平衡控制系統(tǒng)在洛陽中煙廠投入使用，實現(xiàn)了濾棒生產(chǎn)中絲束張力的實時采集和自動化處理。于2019年5月對絲束張力平衡裝置隨機(jī)抽取了不同時段的絲束吸阻測試值，與沒有采用該裝置的絲束吸阻進(jìn)行對比。表1為絲束張力平衡裝置安裝前吸阻標(biāo)偏及超標(biāo)支數(shù)表，表2為絲束張力平衡裝置安裝后吸阻標(biāo)偏及廢品率表。

從表1和表2可以得到：經(jīng)過絲束張力平衡控制系統(tǒng)采集的絲束吸阻數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，吸阻穩(wěn)定，偏差降低了20%，超標(biāo)支數(shù)降低了3倍以上，有效解決了絲束張力不均衡問題。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于STC15F2K60S2高性能單片機(jī)的絲束張力平衡控制系統(tǒng)，通過對伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和絲束張力擺桿位置的合理調(diào)節(jié)來保證進(jìn)入濾棒成型機(jī)的絲束張力處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)過現(xiàn)場試驗，結(jié)果表明該系統(tǒng)能有效保證進(jìn)入絲束成型機(jī)的絲束張力平衡穩(wěn)定，為卷煙企業(yè)濾棒絲束的質(zhì)量控制提供了良好的技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]申偉鵬.纖維濾棒成形機(jī)盤紙拼接裝置的改進(jìn)[J].設(shè)備管理與維修，2017（16）：93-94.

[2]于麗娜，秦麗.C8051F單片機(jī)信號采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011（7）：53-55.

[3]孫啟富，孫運強(qiáng)，姚愛琴.基于STM32的通用智能儀表設(shè)計與應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（10）：34-36.

[4]劉英政，肖輝.硬嘴棒成形紙在過濾嘴棒中的應(yīng)用分析比較[J].黑龍江造紙，2016（1）：7-9.

[5]王紅娜，趙樹濤，李敏.絕對值編碼器的應(yīng)用[J].金屬加工（冷加工），2016（4）：60-62.

[6]安迪生，吳仲達(dá).絕對值編碼器[J].國外傳感技術(shù)，2003（6）：206-209.

[7]劉媛媛，張如萍，張正和，等.基于伺服電機(jī)和PLC的工作臺運動控制[J].機(jī)械工程與自動化，2012（4）：126-128.

[8]劉新樂，殷曉坤，朱佳琪，等.基于伺服電機(jī)的上蓋機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].包裝與食品機(jī)械，2018（4）：54-57.

[9]趙長海，萬秋華，佘容紅，等.24位絕對式光電編碼器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].半導(dǎo)體光電，2010（3）：468-471.

[10]朱思榮，周萬里，畢春元，等.C8051F120單片機(jī)串口擴(kuò)展與通訊設(shè)計[J].山東科學(xué)，2013（1）：69-73.

收稿日期：2020-04-12

作者簡介：張鵬（1973—），男，本科，工程師，研究方向：卷煙工藝。

通信作者：馮銀龍（1969—），男，本科，高級工程師，研究方向：卷煙工藝。