基于DSP的煙支重量控制技術

叢遠亮

中國電子科技集團公司第四十一研究所 安徽蚌埠 233000

在卷煙生產工藝中，香煙重量作為香煙品質的重要指標，越來越受到煙廠的普遍關注。高速卷煙生產過程中煙支重量控制，是整個高速卷煙機實時控制過程中最為復雜、技術含量最高的環節。我所目前尚無成熟產品供應市場，為增強我所競爭，提高市場競爭力，進行煙支重量控制與人機交互系統的研制工作。在研制過程中，我們通過將相關的采樣數據、控制策略及運算結果與國外成熟系統進行了認真的對比分析及反復調試，獲得的重量控制系統滿足生產中的各種功能及相關指標。

1 重量控制系統原理

煙支重量控制系統主要由重量傳感器、軸編碼器、煙條監視器、重量控制單元、平整盤電機、位置傳感器及上位機等組成[1]。

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

重量控制單元通過人機交互系統(1)輸入煙支目標重量設定值(SW)。重量控制單元把設定值和微波密度儀測得的實際值(IW)進行比較。重量控制單元利用目標值與實際值的偏差來計算電機M10的位置設定值(SP)。位置傳感器將平整盤的實際位置 (IP)反饋給重量控制單元，通過位置設定值與反饋值的比較，來控制平整盤電機的移動，實現對煙絲密度的調節。

2 重量控制單元設計及實現

重量控制單元是煙支重量控制系統的核心部分，通過對煙絲密度脈沖、軸編碼器增量脈沖和指示脈沖信號的檢測，完成煙支重量計算，生成煙絲密度曲線，缺陷煙支的統計、判斷和剔除，控制平整盤電機，實現對煙支重量的調節及煙支取樣。

重量控制單元以TMS320F2812為控制核心，該芯片為32的定點DSP芯片，支持在線仿真、燒寫，程序調試、維護簡單，工作頻率150MHz、采樣頻率75MHz、內含高速捕捉模塊，捕捉頻率37.5MHz，能夠及時有效的進行煙支數據處理，精確完成煙絲密度脈寬電平的捕捉，減少中斷延遲帶來的誤差，編碼器的增量脈沖信號作為外部輸入時鐘來實現對增量脈沖的計數，避免了時鐘本身的計數誤差對煙支重量的影響。內部的12位高速AD及時檢測平整盤位置與計算出的平整盤理想位置之差作為被控輸入量，通過PID完成位置信號的控制。片內128K的存儲容量為升級為以后的12000支高速重量控制系統預留了空間。煙支的重量誤差在生產時，一般煙廠要求在20mg之內，為了滿足這一指標，重量控制單元主要從煙支重量的識別與計算、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 煙支重量識別與計算

煙支重量的識別是基于微積分原理，通過外部增量式旋轉軸編碼器，將煙支分成可識別的微分段(增量段)，配合密度探頭檢測到的煙絲密度值，以識別每一支煙的重量[2]。煙條的分段及定位同步采用軸編碼器的脈沖信號實現，在正常生產時，軸編碼器產生指示脈沖及增量脈沖，軸編碼器旋轉一周，產生256個增量脈沖和一個指示脈沖，一個指示脈沖對應兩支雙倍長煙條，而每支單煙對應64個增量脈沖，這兩組脈沖一方面為重量控制單元提供機器轉速信號，另一方面用于重量控制系統對每支單煙起始位置的識別及分段[1]。在機器運行速度7000支/分鐘的生產條件下，增量脈沖脈寬為130微秒左右，煙絲密度信號脈寬600-1800微秒，實踐證明煙支重量誤差在生產中不超過20毫克，基本密度信號每微秒對應一毫克，為了能夠精確得到煙支重量，密度信號的測量值應盡量準確。

2.2 煙支重量的控制實現

實現方法為：設置定時器每2.5ms采集平整盤位置信號，采集滿一組10個，舍棄最早采集的2個數據，對剩余數據進行限幅處理，去除其中的2個最大、最小值，將保留下來的4個有效數據進行平均值處理，得到的平均值存入準備進行加權處理的數組(共8個)，各權數為0.05，0.05，0.1，0.1，0.15，0.15，0.2，0.2，得到的加權處理結果為最終的平整盤位置值。經過上述處理，能夠有效去除干擾信號，獲得平整盤的真實位置。

2.3 煙支取樣、剔廢

取樣、剔廢閥門響應需要一定的滯后時間，因此應提前判別煙支狀況，確定煙支是否為取樣、廢品煙支。我們利用軟件對有缺陷的煙支采用連續緩沖區標定，煙支計數器作為指針，當煙支到達剔除點時，閥門動作將煙支剔除[3]。在硬件設計中為了防止取樣剔廢處理受系統中斷的干擾(如優先級最高的密度處理中斷)，通過擴展兩片定時器/計數器分別完成采樣閥門、剔除閥門的開啟時刻及閥門開啟后持續時間的控制。軟件方面，在每達到一支新煙(64個增量脈沖)，對煙支狀態判斷。當標定為廢品的煙支或標定為采樣的煙支被跟蹤到達各自的剔除點時，經過計算后將距打開閥門還需運行的增量脈沖數寫入定時器T1，同時將閥門打開后應該持續的時間(以增量脈沖計數，由用戶設定)寫人定時器T2，T1、T2按照各自的模式在增量脈沖的作用下完成相應閥門的開啟及關閉控制。其中T1工作在方式0，存儲距打開閥門還需運行的增量數。T2工作在方式1，存儲閥門打開后的持續時間，由T1的輸出作為門控信號同步控制。

3 結語

以DSP TMS320F2812為核心的重量控制單元，在軟件的開發、維護、升級擴展方面都有較大的優勢。對重量控制算法中的超調、振蕩問題，采用了以傳統PID和模糊相結合的控制算法、針對機器運行中的噪聲問題，設計了平整盤位置數據濾波方法，結果已通過相關試驗得到了驗證。