煙支重量在線識(shí)別及控制

余 敏 ，陳亭志

（1.武漢709研究所，湖北 武漢 430074；2.武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

煙支重量在線識(shí)別及控制

余 敏1，陳亭志2

（1.武漢709研究所，湖北 武漢 430074；2.武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

主要介紹了一種低成本的基于DSP微控制器的在線識(shí)別煙支重量的方法。在介紹系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上，分析了系統(tǒng)的工作原理及對(duì)煙支重量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的實(shí)際算法和實(shí)現(xiàn)途徑，并通過(guò)在實(shí)際應(yīng)用中所取得的數(shù)據(jù)和以前的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，得出整個(gè)系統(tǒng)改進(jìn)后的可行性和穩(wěn)定性。

DSP；重量識(shí)別；重量控制

香煙的重量作為香煙品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，越來(lái)越受到煙廠的普遍關(guān)注。煙支重量的一致性與恒定性直接影響到香煙的吸阻、透氣度等品質(zhì)。高速卷煙生產(chǎn)過(guò)程中煙支重量的識(shí)別及控制,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)。目前，國(guó)內(nèi)外所使用的高速卷煙機(jī)上配備的煙支重量的識(shí)別及控制系統(tǒng)主要有基于紅外線掃描傳感器和基于核子掃描傳感器的兩種系統(tǒng)。其中，紅外掃描因受煙絲來(lái)料的溫度、濕度等外部因素影響較大，在使用過(guò)程中控制參數(shù)需經(jīng)常調(diào)整；核子掃描由于其性能穩(wěn)定且受煙絲來(lái)料的溫度、濕度以及外部因素影響不大而被廣泛采用。目前中高檔高速卷煙機(jī)上配備的煙支重量的識(shí)別及控制系統(tǒng)大多為基于核子掃描傳感器。本文所述煙支重量的識(shí)別及控制以核子掃描傳感器為例。

1 系統(tǒng)組成

由于煙支重量的識(shí)別過(guò)程的強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求（要求＞8 000支/min），煙支的采樣、跟蹤和剔出過(guò)程的強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求，以及與上位人機(jī)界面及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換的要求，本系統(tǒng)中的主控芯片采用DSP2407微處理器芯片。主控芯片負(fù)責(zé)對(duì)核子掃描信號(hào)的處理，形成與煙支重量相關(guān)的所有數(shù)據(jù)信息，識(shí)別不合格的煙支、軟點(diǎn)和硬點(diǎn)，形成煙絲分布狀態(tài)曲線、完成重量控制任務(wù)以及與上位人機(jī)界面及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。

DSP2407[1]是TI公司生產(chǎn)的24X系列微控制器中的一員，采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，內(nèi)嵌Flash或ROM可選，兩個(gè)事件管理器模塊（EVA和 EVB），其中包括了兩個(gè)定時(shí)器[2]、8個(gè) 16 bit脈寬調(diào)制（PWM）通道、3個(gè)外部事件的時(shí)間捕獲單元、片上正交譯碼接口電路。同時(shí)DSP還集成了 CAN2.0、SCI、SPI、電源管理等模塊。

除了主控芯片外，采用了一片Microchip公司的PIC16F877[3]單片機(jī)作為系統(tǒng)的I/O接口控制單元，完成現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集及控制指令輸出。PIC16F877通過(guò)I2C串行總線擴(kuò)展端口完成現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，包括產(chǎn)量計(jì)數(shù)、外部剔廢計(jì)數(shù)、故障及報(bào)警信息等，PIC16F877內(nèi)部集成有8 bit并行從動(dòng)口，可以很方便地與主控芯片并行實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)。

主控芯片通過(guò)外圍數(shù)據(jù)控制器PDC通道以RS232串行方式與上位機(jī)界面及數(shù)據(jù)庫(kù)之間實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)。還通過(guò)外圍總線擴(kuò)展控制器EBI擴(kuò)展CAN總線接口及ETHENET接口與生產(chǎn)設(shè)備過(guò)程控制系統(tǒng)之間及生產(chǎn)車(chē)間管理信息系統(tǒng)之間交換數(shù)據(jù)。其原理框圖如圖1所示。

2 工作原理

2.1 煙支重量的識(shí)別[4]

重量控制必須以重量識(shí)別為前提，煙條重量的識(shí)別通過(guò)測(cè)試煙條中煙絲的密度而實(shí)現(xiàn)。煙條中煙絲的密度由核子掃描傳感器連續(xù)測(cè)量，通過(guò)轉(zhuǎn)軸編碼器將煙條分成可識(shí)別的微分段，旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)一周，輸出一個(gè)索引脈沖及256個(gè)增量脈沖，索引脈沖對(duì)應(yīng)實(shí)際煙支的切口位置（物理與電器上的對(duì)應(yīng)要通過(guò)切口校正完成），這一位置表明一支煙的起點(diǎn)，實(shí)際上每個(gè)索引脈沖包含4支單煙即兩支雙倍長(zhǎng)煙條。256增量脈沖對(duì)應(yīng)2支雙倍長(zhǎng)煙條，每支單煙包含64個(gè)增量，所以，軸編碼器輸出的增量脈沖即為微分計(jì)量單位。圖2所示為煙支重量識(shí)別示意圖。

DSP2407微處理器的定時(shí)器0、定時(shí)器1工作于捕捉器方式，定時(shí)器0用于捕捉核子掃描器輸出的與煙支密度相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)的低電平寬度（大的脈沖低電平寬度對(duì)應(yīng)高的煙絲密度），每次捕捉事件產(chǎn)生時(shí)產(chǎn)生捕捉中斷，CPU以最高優(yōu)先級(jí)響應(yīng)該捕捉中斷，讀入本次掃描中斷時(shí)掃描脈沖信號(hào)低電平的寬度 Wi（以 μs計(jì)），同時(shí)通過(guò)定時(shí)器1讀入本次掃描中斷時(shí)所經(jīng)歷的煙條增量脈沖數(shù)INCi，讀出的掃描脈沖寬度代表當(dāng)前煙條一個(gè)增量微分?jǐn)嗟臒熃z密度，通過(guò)線性化查表及運(yùn)算可得對(duì)應(yīng)的煙條增量微分?jǐn)嗟拿芏戎礢egi：

其中，Wi為本次掃描中斷時(shí)讀入的與煙條中煙絲密度相關(guān)的掃描值，Refoffset為基準(zhǔn)參考源所對(duì)應(yīng)的煙絲密度。

WScan_ref為掃描基準(zhǔn)值采樣到的采樣值。

則本次中斷時(shí)所經(jīng)歷的整個(gè)增量段INCi的煙絲密度值為：

其中K為核子掃描傳感器信號(hào)的比例系數(shù)，在放射源的半衰期內(nèi)其值不變，這里取K=1.3。

2.2 重量控制

重量調(diào)節(jié)通過(guò)控制修整器（俗稱(chēng)劈刀）的位置實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)煙支重量過(guò)重時(shí)，控制平整盤(pán)馬達(dá)向上運(yùn)動(dòng)減小煙絲通道，達(dá)到削減煙絲量的目的。反之，當(dāng)煙支重量過(guò)輕時(shí)，控制平整盤(pán)馬達(dá)向下運(yùn)動(dòng)增大煙絲通道，達(dá)到增加煙絲流量的目的，如圖3所示。

2.3 重量偏差到位置偏差的換算

煙支重量調(diào)節(jié)以采樣一組連續(xù)16支煙的實(shí)際重量相對(duì)目標(biāo)重量偏差的平均值作為一次調(diào)節(jié)依據(jù)。在對(duì)修整器的位置控制之前，需要將當(dāng)前采樣所得的煙條重量相對(duì)于目標(biāo)重量的偏差轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的修整器的位置偏差，采用以下PID調(diào)節(jié)方式計(jì)算：

其中，Pj為本次期望達(dá)到的修整器目標(biāo)位置，Pj-1為前一次應(yīng)該到達(dá)的修整器位置，WT為香煙的目標(biāo)重量，Wi為本次采樣一組100支香煙的實(shí)際重量樣本，K為比例調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，決定式為：

其中DWk為100支煙的重量偏差的平均值的絕對(duì)值。

由于從核子掃描傳感器中心到修整器位置處有一定煙條數(shù)的距離，從一次完全采樣到重量調(diào)節(jié)發(fā)生而產(chǎn)生煙條重量的變化有一段時(shí)間的滯后，因此，煙支重量偏差的采樣周期由從傳感器中心到修整器位置處的煙條數(shù)決定，缺省值為48。自一次修整器調(diào)節(jié)結(jié)束后，每N支煙產(chǎn)生，則查看所需等待的延遲煙條數(shù)的計(jì)數(shù)狀況。如果延遲未到，則不作修整器位置更新；反之，則計(jì)算出新的修整器期望位置。

2.4 馬達(dá)控制

當(dāng)修整器期望位置要求更新這一事件標(biāo)定后，使能馬達(dá)控制任務(wù)。

馬達(dá)控制任務(wù)首先采樣修整器所在的實(shí)際位置PA，然后與期望位置PT比較，如果：

當(dāng)|PT-PA|＜修整器遲滯數(shù)時(shí)（由用戶(hù)設(shè)定），表明修整器控制到位，本次馬達(dá)控制任務(wù)結(jié)束，注銷(xiāo)馬達(dá)控制任務(wù)；

當(dāng)|PT-PA|＞修整器遲滯數(shù)時(shí)：

（1）PT-PA＞0：表明煙支重量過(guò)輕，控制修整器向下運(yùn)動(dòng)，加大煙絲通道；

（2）PT-PA＜0：表明煙支重量過(guò)重，控制修整器向上運(yùn)動(dòng)，減小煙絲通道。

馬達(dá)控制任務(wù)125 ms調(diào)用一次，以滿(mǎn)足高速生產(chǎn)狀態(tài)下的重量控制的實(shí)時(shí)性要求，在馬達(dá)控制任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，每0.5 s檢測(cè)一次修整器的實(shí)際位置，以免修整器到達(dá)電氣控制極限位置。一次使能馬達(dá)控制后，如果5 s內(nèi)還不能到達(dá)期望位置，則認(rèn)為修整器控制機(jī)構(gòu)執(zhí)行出錯(cuò)，注銷(xiāo)本次馬達(dá)控制任務(wù)，并發(fā)出相關(guān)的報(bào)警或停機(jī)信息。

3 實(shí)際應(yīng)用分析

新型的重量控制系統(tǒng)在武漢卷煙廠運(yùn)行一年以來(lái)，受到了工程技術(shù)人員的一致好評(píng)。系統(tǒng)涵蓋了原有系統(tǒng)的全部功能，電氣接口完全兼容，性能上有了新的突破，為煙廠的生產(chǎn)管理和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、設(shè)備管理同時(shí)提供了有力的保證。

測(cè)試方法：

將10支煙稱(chēng)重，該廠定義單支合格范圍為：（910±60）mg。

改造前的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

改造后的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

從以上的對(duì)比數(shù)據(jù)中可以明顯看出，改造以后的設(shè)備運(yùn)行生產(chǎn)的產(chǎn)品在單支克重這一數(shù)據(jù)指標(biāo)上好于未改造的設(shè)備。

表1 改進(jìn)前測(cè)得數(shù)據(jù)

表2 改進(jìn)后測(cè)得數(shù)據(jù)

重量控制系統(tǒng)生產(chǎn)的煙支質(zhì)量好。重量控制系統(tǒng)是煙廠重要的設(shè)備之一，要求精確度較高，所以對(duì)該設(shè)備的要求也很高。在以往的同類(lèi)型產(chǎn)品中，速度、實(shí)時(shí)性都存在缺陷。而此產(chǎn)品也是各個(gè)公司進(jìn)軍煙草行業(yè)激烈競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)產(chǎn)品。希望通過(guò)對(duì)該產(chǎn)品的不斷改進(jìn)，能夠使其性能不斷完善，滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要，在競(jìng)爭(zhēng)中獲得成功。

[1]王茂飛.DSP技術(shù)與應(yīng)用開(kāi)發(fā)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2]江思敏.DSP硬件開(kāi)發(fā)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[3]李學(xué)海.PIC單片機(jī)實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[4]汪耀庭.SRM研究報(bào)告[M].武漢：華中科技大學(xué)，2003.

On line identification&control of cigarette′s weight

Yu Min1，Chen Tingzhi2

（1.Wuhan 709th Reserch Institute，Wuhan 430074，China；2.Wuhan Polytechnic，Wuhan 430074，China）

This paper mainly introduces a kind of lower cost way to identify a cigarette’s weight on line and gives out the viable arithmetic and the way to realize the weight control.Formed in the given system,based on the principle of the system,given the cigarette actual real-time control algorithms and implementation approach,and through the practical application of the data that compared with previous data,which improved the feasibility and stability of the system.

DSP；weight control；weight identify

TP273

B

1674-7720（2011）02-0093-03

2010-07-29）

余敏，男，1979年生，碩士，主要研究方向：自動(dòng)控制。陳亭志，女，1981年生，碩士，主要研究方向：電子設(shè)計(jì)。