基于DSP的烟支重量控制技术

丛远亮

中国电子科技集团公司第四十一研究所 安徽蚌埠 233000

在卷烟生产工艺中，香烟重量作为香烟品质的重要指标，越来越受到烟厂的普遍关注。高速卷烟生产过程中烟支重量控制，是整个高速卷烟机实时控制过程中最为复杂、技术含量最高的环节。我所目前尚无成熟产品供应市场，为增强我所竞争，提高市场竞争力，进行烟支重量控制与人机交互系统的研制工作。在研制过程中，我们通过将相关的采样数据、控制策略及运算结果与国外成熟系统进行了认真的对比分析及反复调试，获得的重量控制系统满足生产中的各种功能及相关指标。

1 重量控制系统原理

烟支重量控制系统主要由重量传感器、轴编码器、烟条监视器、重量控制单元、平整盘电机、位置传感器及上位机等组成[1]。

重量控制单元以烟支重量为控制目标，改善平整盘控制精度，能够提高烟丝利用效率，提高烟支合格率、降低生产成本。

重量控制单元通过人机交互系统(1)输入烟支目标重量设定值(SW)。重量控制单元把设定值和微波密度仪测得的实际值(IW)进行比较。重量控制单元利用目标值与实际值的偏差来计算电机M10的位置设定值(SP)。位置传感器将平整盘的实际位置 (IP)反馈给重量控制单元，通过位置设定值与反馈值的比较，来控制平整盘电机的移动，实现对烟丝密度的调节。

2 重量控制单元设计及实现

重量控制单元是烟支重量控制系统的核心部分，通过对烟丝密度脉冲、轴编码器增量脉冲和指示脉冲信号的检测，完成烟支重量计算，生成烟丝密度曲线，缺陷烟支的统计、判断和剔除，控制平整盘电机，实现对烟支重量的调节及烟支取样。

重量控制单元以TMS320F2812为控制核心，该芯片为32的定点DSP芯片，支持在线仿真、烧写，程序调试、维护简单，工作频率150MHz、采样频率75MHz、内含高速捕捉模块，捕捉频率37.5MHz，能够及时有效的进行烟支数据处理，精确完成烟丝密度脉宽电平的捕捉，减少中断延迟带来的误差，编码器的增量脉冲信号作为外部输入时钟来实现对增量脉冲的计数，避免了时钟本身的计数误差对烟支重量的影响。内部的12位高速AD及时检测平整盘位置与计算出的平整盘理想位置之差作为被控输入量，通过PID完成位置信号的控制。片内128K的存储容量为升级为以后的12000支高速重量控制系统预留了空间。烟支的重量误差在生产时，一般烟厂要求在20mg之内，为了满足这一指标，重量控制单元主要从烟支重量的识别与计算、烟支重量的控制等方面入手，保证控制精度。烟支的取样、剔废功能也是烟厂所必须的。

2.1 烟支重量识别与计算

烟支重量的识别是基于微积分原理，通过外部增量式旋转轴编码器，将烟支分成可识别的微分段(增量段)，配合密度探头检测到的烟丝密度值，以识别每一支烟的重量[2]。烟条的分段及定位同步采用轴编码器的脉冲信号实现，在正常生产时，轴编码器产生指示脉冲及增量脉冲，轴编码器旋转一周，产生256个增量脉冲和一个指示脉冲，一个指示脉冲对应两支双倍长烟条，而每支单烟对应64个增量脉冲，这两组脉冲一方面为重量控制单元提供机器转速信号，另一方面用于重量控制系统对每支单烟起始位置的识别及分段[1]。在机器运行速度7000支/分钟的生产条件下，增量脉冲脉宽为130微秒左右，烟丝密度信号脉宽600-1800微秒，实践证明烟支重量误差在生产中不超过20毫克，基本密度信号每微秒对应一毫克，为了能够精确得到烟支重量，密度信号的测量值应尽量准确。

2.2 烟支重量的控制实现

实现方法为：设置定时器每2.5ms采集平整盘位置信号，采集满一组10个，舍弃最早采集的2个数据，对剩余数据进行限幅处理，去除其中的2个最大、最小值，将保留下来的4个有效数据进行平均值处理，得到的平均值存入准备进行加权处理的数组(共8个)，各权数为0.05，0.05，0.1，0.1，0.15，0.15，0.2，0.2，得到的加权处理结果为最终的平整盘位置值。经过上述处理，能够有效去除干扰信号，获得平整盘的真实位置。

2.3 烟支取样、剔废

取样、剔废阀门响应需要一定的滞后时间，因此应提前判别烟支状况，确定烟支是否为取样、废品烟支。我们利用软件对有缺陷的烟支采用连续缓冲区标定，烟支计数器作为指针，当烟支到达剔除点时，阀门动作将烟支剔除[3]。在硬件设计中为了防止取样剔废处理受系统中断的干扰(如优先级最高的密度处理中断)，通过扩展两片定时器/计数器分别完成采样阀门、剔除阀门的开启时刻及阀门开启后持续时间的控制。软件方面，在每达到一支新烟(64个增量脉冲)，对烟支状态判断。当标定为废品的烟支或标定为采样的烟支被跟踪到达各自的剔除点时，经过计算后将距打开阀门还需运行的增量脉冲数写入定时器T1，同时将阀门打开后应该持续的时间(以增量脉冲计数，由用户设定)写人定时器T2，T1、T2按照各自的模式在增量脉冲的作用下完成相应阀门的开启及关闭控制。其中T1工作在方式0，存储距打开阀门还需运行的增量数。T2工作在方式1，存储阀门打开后的持续时间，由T1的输出作为门控信号同步控制。

3 结语

以DSP TMS320F2812为核心的重量控制单元，在软件的开发、维护、升级扩展方面都有较大的优势。对重量控制算法中的超调、振荡问题，采用了以传统PID和模糊相结合的控制算法、针对机器运行中的噪声问题，设计了平整盘位置数据滤波方法，结果已通过相关试验得到了验证。