摘 要： 主要介紹了一種低成本的基于DSP微控制器的在線識別煙支重量的方法。在介紹系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上，分析了系統(tǒng)的工作原理及對煙支重量進(jìn)行實時控制的實際算法和實現(xiàn)途徑，并通過在實際應(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，得出整個系統(tǒng)改進(jìn)后的可行性和穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞： DSP；重量識別；重量控制
煙的重量作為香煙品質(zhì)的一個重要指標(biāo)，越來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)過程中煙支重量的識別及控制,是整個高速卷煙機(jī)實時控制過程中最為復(fù)雜、技術(shù)含量最高的環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)外所使用的高速卷煙機(jī)上配備的煙支重量的識別及控制系統(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料的溫度、濕度等外部因素影響較大，在使用過程中控制參數(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
由于煙支重量的識別過程的強(qiáng)實時性要求（要求>8 000支/min），煙支的采樣、跟蹤和剔出過程的強(qiáng)實時性要求，以及與上位人機(jī)界面及實時數(shù)據(jù)庫的實時數(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)對核子掃描信號的處理，形成與煙支重量相關(guān)的所有數(shù)據(jù)信息，識別不合格的煙支、軟點和硬點，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)界面及實時數(shù)據(jù)庫之間的實時數(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，兩個事件管理器模塊(EVA和EVB)，其中包括了兩個定時器[2]、8個16 bit脈寬調(diào)制（PWM）通道、3個外部事件的時間捕獲單元、片上正交譯碼接口電路。同時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)場生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集及控制指令輸出。PIC16F877通過I2C串行總線擴(kuò)展端口完成現(xiàn)場生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，包括產(chǎn)量計數(shù)、外部剔廢計數(shù)、故障及報警信息等，PIC16F877內(nèi)部集成有8 bit并行從動口，可以很方便地與主控芯片并行實時交換數(shù)據(jù)。
主控芯片通過外圍數(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)庫之間實時交換數(shù)據(jù)。還通過外圍總線擴(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 煙支重量的識別[4]
重量控制必須以重量識別為前提，煙條重量的識別通過測試煙條中煙絲的密度而實現(xiàn)。煙條中煙絲的密度由核子掃描傳感器連續(xù)測量，通過轉(zhuǎn)軸編碼器將煙條分成可識別的微分段，旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)一周，輸出一個索引脈沖及256個增量脈沖，索引脈沖對應(yīng)實際煙支的切口位置(物理與電器上的對應(yīng)要通過切口校正完成)，這一位置表明一支煙的起點，實際上每個索引脈沖包含4支單煙即兩支雙倍長煙條。256增量脈沖對應(yīng)2支雙倍長煙條，每支單煙包含64個增量，所以，軸編碼器輸出的增量脈沖即為微分計量單位。圖2所示為煙支重量識別示意圖。
DSP2407微處理器的定時器0、定時器1工作于捕捉器方式，定時器0用于捕捉核子掃描器輸出的與煙支密度相對應(yīng)的脈沖信號的低電平寬度（大的脈沖低電平寬度對應(yīng)高的煙絲密度），每次捕捉事件產(chǎn)生時產(chǎn)生捕捉中斷，CPU以最高優(yōu)先級響應(yīng)該捕捉中斷，讀入本次掃描中斷時掃描脈沖信號低電平的寬度Wi（以μs計），同時通過定時器1讀入本次掃描中斷時所經(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)前煙條一個增量微分?jǐn)嗟臒熃z密度，通過線性化查表及運算可得對應(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)通過控制修整器(俗稱劈刀)的位置實現(xiàn)。
當(dāng)煙支重量過重時，控制平整盤馬達(dá)向上運動減小煙絲通道，達(dá)到削減煙絲量的目的。反之，當(dāng)煙支重量過輕時，控制平整盤馬達(dá)向下運動增大煙絲通道，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支煙的實際重量相對目標(biāo)重量偏差的平均值作為一次調(diào)節(jié)依據(jù)。在對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于目標(biāo)重量的偏差轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的修整器的位置偏差，采用以下PID調(diào)節(jié)方式計算：
其中DWk為100支煙的重量偏差的平均值的絕對值。
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)的計數(shù)狀況。如果延遲未到，則不作修整器位置更新；反之，則計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(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)|PT-PA|>修整器遲滯數(shù)時：
(1)PT-PA>0：表明煙支重量過輕，控制修整器向下運動，加大煙絲通道；
(2)PT-PA<0：表明煙支重量過重，控制修整器向上運動，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)下的重量控制的實時性要求，在馬達(dá)控制任務(wù)執(zhí)行過程中，每0.5 s檢測一次修整器的實際位置，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，注銷本次馬達(dá)控制任務(wù)，并發(fā)出相關(guān)的報警或停機(jī)信息。
3 實際應(yīng)用分析
新型的重量控制系統(tǒng)在武漢卷煙廠運行一年以來， 受到了工程技術(shù)人員的一致好評。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、設(shè)備管理同時提供了有力的保證。
測試方法：
將10支煙稱重，該廠定義單支合格范圍為：(910±60)mg。
改造前的測試數(shù)據(jù)如表1所示。
改造后的測試數(shù)據(jù)如表2所示。
從以上的對比數(shù)據(jù)中可以明顯看出， 改造以后的設(shè)備運行生產(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，所以對該設(shè)備的要求也很高。在以往的同類型產(chǎn)品中，速度、實時性都存在缺陷。而此產(chǎn)品也是各個公司進(jìn)軍煙草行業(yè)激烈競爭的一個產(chǎn)品。希望通過對該產(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，在競爭中獲得成功。
參考文獻(xiàn)
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[4] 汪耀庭.SRM研究報告[M].武漢：華中科技大學(xué)，2003.
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