煙支重量在線識(shí)別及控制

摘 要： 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。
關(guān)鍵詞： DSP；重量識(shí)別；重量控制

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，注銷馬達(dá)控制任務(wù)；
當(dāng)|P_T-P_A|>修整器遲滯數(shù)時(shí)：
(1)P_T-P_A>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)P_T-P_A<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。
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，滿足生產(chǎn)的需要，在競(jìng)爭(zhēng)中獲得成功。
參考文獻(xiàn)
[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.