基于DSP的新型煙支重量控制系統(tǒng)

袁戰(zhàn)軍，王 瑾，謝利理

(1.陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院 電子工程系，陜西 咸陽(yáng) 712046；2.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院， 陜西 咸陽(yáng) 712000；3.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710072)

基于DSP的新型煙支重量控制系統(tǒng)

袁戰(zhàn)軍1，王 瑾2，謝利理3

(1.陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院 電子工程系，陜西 咸陽(yáng) 712046；2.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院， 陜西 咸陽(yáng) 712000；3.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710072)

針對(duì)目前PASSIM型卷煙機(jī)煙支重量控制系統(tǒng)的煙支成品率低和電氣故障率高等問(wèn)題，提出了一種基于TMS320LF2407A DSP的新型煙支重量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的軟/硬件設(shè)計(jì)措施：系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集接口電路、劈刀位置控制電路和CAN總線接口電路等幾部分；軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、模糊控制子程序和劈刀位置控制子程序等.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型煙支重量控制系統(tǒng)具有更高的控制精度和更小的煙支質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)偏差，它可有效地提高煙支的成品率；同時(shí)，該系統(tǒng)還具有可在線監(jiān)控和易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn).

煙支重量控制； 卷煙機(jī)； TMS320LF2407A DSP； CAN總線技術(shù)

煙支重量控制系統(tǒng)是卷煙機(jī)的重要控制系統(tǒng)之一，其主要任務(wù)是對(duì)在線煙支重量進(jìn)行檢測(cè)，在采樣數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理后，通過(guò)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)改變煙絲的消減量，以實(shí)現(xiàn)煙支的重量調(diào)節(jié)和剔除缺陷煙支；因此，其控制性能的優(yōu)劣直接影響到煙支的成品率和原材料的消耗量[1-2].

目前，國(guó)內(nèi)各大中型煙廠都普遍使用PASSIM型高速卷煙機(jī)來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)，但是在該型卷煙機(jī)的使用過(guò)程中，其煙支重量控制系統(tǒng)(MAID-N系統(tǒng))均暴露出以下問(wèn)題：1)現(xiàn)有的煙支重量控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，響應(yīng)速度慢，從而導(dǎo)致生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)大量的空松煙和竹節(jié)煙，降低了煙支的成品率；2)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用的是8085單片機(jī)，主要由模擬電路和分立集成電路組成，其外圍接口電路多，控制信號(hào)的約束關(guān)系復(fù)雜，且電氣故障率高[3]；3)系統(tǒng)沒(méi)有提供網(wǎng)絡(luò)通信功能，所采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)在用于短暫控制后而被丟棄，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，不利于企業(yè)對(duì)卷煙機(jī)進(jìn)行在線監(jiān)控.

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了一種以TMS320LF2407A DSP為核心的新型煙支重量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案；并采用CAN總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了煙支重量控制系統(tǒng)與工控機(jī)、觸摸屏之間的數(shù)據(jù)通信[4]；同時(shí)，詳細(xì)介紹了本系統(tǒng)的軟/硬件設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

基于DSP和CAN總線技術(shù)的新型煙支重量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其整個(gè)系統(tǒng)主要由TMS320LF2407A DSP、重量微波檢測(cè)電路、數(shù)據(jù)采集接口電路、軸編碼器、劈刀位置控制電路、剔除閥、剔除閥接口電路、CAN總線接口電路、人機(jī)界面及企業(yè)網(wǎng)絡(luò)等部分組成.

其工作原理如下：首先，系統(tǒng)通過(guò)重量微波檢測(cè)電路和數(shù)據(jù)采集接口電路對(duì)穿過(guò)諧振腔的煙條密度進(jìn)行采集和變換，并經(jīng)TMS320LF2407A DSP內(nèi)部的ADC模塊轉(zhuǎn)換后來(lái)獲得相應(yīng)的煙條密度數(shù)字量；其次，系統(tǒng)根據(jù)CAP1和CAP3引腳捕獲的同步脈沖ECP和增量脈沖信號(hào)計(jì)算出單支煙的平均重量，接著，將其與煙支重量設(shè)定值相比較并計(jì)算出煙支重量的偏差及偏差變化率，再調(diào)用模糊控制算法，并通過(guò)控制劈刀電機(jī)和調(diào)節(jié)劈刀盤(pán)的高度來(lái)改變煙絲的削減量，以實(shí)現(xiàn)煙支重量的控制，同時(shí)通過(guò)控制剔除閥來(lái)剔除重量超上/下限的缺陷煙支；最后，采用CAN總線和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)DSP與工控機(jī)、觸摸屏和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信，最終實(shí)現(xiàn)卷煙生產(chǎn)過(guò)程的在線監(jiān)控與管理.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集接口電路煙支重量的數(shù)據(jù)采集主要由重量微波檢測(cè)電路和數(shù)據(jù)采集接口電路來(lái)完成.重量微波檢測(cè)電路是由微波控制器、微波發(fā)生器、諧振腔和檢波器等幾部分組成，其主要功能是利用“微波微擾法”對(duì)穿過(guò)諧振腔的煙條密度進(jìn)行檢測(cè)[5].由于重量微波檢測(cè)電路所輸出的煙條密度信號(hào)比較弱，一般只有100 mV左右，不能直接傳送TMS320LF2407A DSP 內(nèi)部的ADC模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，因此設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集接口電路，如圖2所示.

該電路主要包括一個(gè)二階有源低通濾波器和一級(jí)放大器.二階有源低通濾波器選用高精度、低溫漂運(yùn)放OP27，并將第一級(jí)低通濾波電路中C1的下端接至OP27的輸出端A，通過(guò)引入反饋信號(hào)來(lái)改善濾波器的幅頻特性[6]；同時(shí)，該二階低通濾波器還可有效地抑制高頻干擾，從而提高了信噪比和測(cè)量精度.一級(jí)放大器選用運(yùn)放LM324，其反饋電阻R7可調(diào)，可用于控制輸出信號(hào)的大??；放大器的輸出信號(hào)再經(jīng)穩(wěn)壓二極管D1過(guò)壓保護(hù)后，然后被送入TMS320LF2407A DSP的ADCIN00引腳.

2.2 劈刀位置控制電路劈刀位置控制電路的主要功能是通過(guò)控制劈刀電機(jī)的運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)劈刀高度和煙絲消減量，以實(shí)現(xiàn)煙支重量的控制.劈刀位置控制電路如圖3所示，該電路包括劈刀電機(jī)、脈沖分配器和功率放大器3部分.

電路中，劈刀電機(jī)選用的是三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)70BF003，其步距角α=1.5°，額定激勵(lì)電壓為27 V，每相繞組靜態(tài)電流為3 A，輸出轉(zhuǎn)矩為0.784 Ngm.

脈沖分配器的作用是根據(jù)TMS320LF2407A的輸出控制信號(hào)將脈沖按一定邏輯時(shí)序加到劈刀電機(jī)的各相繞組上，從而使電機(jī)按規(guī)定方式運(yùn)行.電路中，脈沖分配器采用的是三相步進(jìn)電機(jī)的脈沖控制專(zhuān)用芯片CH250，其被接成三相六拍的工作方式.CH250的輸入端J6r(J6L)和CP分別受DSP的PWM1、T1PWM的引腳輸出信號(hào)控制；當(dāng)PWM1引腳輸出高電平時(shí)，J6r端為“1”，J6L端為“0”，控制劈刀電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，控制劈刀電機(jī)反轉(zhuǎn)；T1PWM引腳輸出脈沖的個(gè)數(shù)用于控制劈刀電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度.

由于CH250的A、B、C三端輸出電流僅為200 μA～400 μA，為了使劈刀電機(jī)每相繞組的驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到要求，故設(shè)計(jì)了功率放大器電路，并以A相為例.功率放大器的設(shè)計(jì)是采用三級(jí)NPN型晶體管來(lái)放大，第一級(jí)用的是高頻小功率三極管9011，第二級(jí)用的是中功率三極管8050，第三級(jí)用的是大功率三極管3DD15.LA為劈刀電機(jī)的A相繞組；R17為限流電阻，阻值為9.1Ω，用于保證相電流的穩(wěn)態(tài)值為額定值3A.二極管D3和電阻R18串聯(lián)，組成續(xù)流回路.C6為加速電容，用于改善繞組相電流的上升速度，以提高電機(jī)的高頻工作性能.

2.3 CAN總線接口電路DSP與工控機(jī)和觸摸屏之間的數(shù)據(jù)通信是通過(guò)CAN總線接口電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該電路如圖4所示.由于TMS320LF2407A 內(nèi)集成有支持CAN2.0B協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的CAN控制器，同時(shí)，PHILIPS公司的PCA82C250可提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收能力，故選用該芯片作為DSP與CAN總線之間的接口[7].為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力并減少信號(hào)的傳輸延遲時(shí)間，在DSP與PCA82C250之間采用了高速光耦6N137來(lái)進(jìn)行光電隔離，其最高響應(yīng)頻率為10 MHz；并在PCA82C250的輸出引腳CANH和CANL之間并聯(lián)一個(gè)120Ω的終端匹配電阻，用以提高CAN總線數(shù)據(jù)通信的可靠性；并將PCA82C250的RS引腳接地，使其在高速通信方式下工作[8].

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

新型煙支重量控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、模糊控制子程序、劈刀位置控制子程序、CAN發(fā)送和接收子程序等幾部分.

3.1 數(shù)據(jù)采集子程序系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集是通過(guò)TMS320LF2407A DSP的捕獲單元和A/D轉(zhuǎn)換模塊的共同配合來(lái)完成的.在PASSIM卷煙機(jī)主機(jī)切刀的傳動(dòng)箱后部安裝有1024線增量式軸編碼器IRH360-1024-016，它與主機(jī)切刀同速.軸編碼器每轉(zhuǎn)一圈時(shí)輸出一個(gè)同步脈沖ECP(即Z相脈沖)和1024個(gè)增量脈沖(A相脈沖)，并對(duì)應(yīng)生產(chǎn)4支煙；同時(shí)，使用DSP的CAP1和CAP3引腳來(lái)捕獲同步脈沖ECP和增量脈沖的信號(hào)，同步脈沖ECP可為單支煙重量的采樣提供時(shí)間基準(zhǔn)，而增量脈沖可用于對(duì)單支煙重量的256點(diǎn)采樣[9].

數(shù)據(jù)采集子程序流程圖如圖5所示.首先，系統(tǒng)對(duì)捕獲單元和A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行初始化，接著，檢測(cè)同步脈沖ECP標(biāo)志位是否為“1”，若不為“1”則等待，直到CAP1引腳捕獲到同步脈沖ECP后，才設(shè)置同步脈沖ECP的標(biāo)志位為“1”，并開(kāi)始對(duì)單支煙重量進(jìn)行256點(diǎn)采樣；其次，每當(dāng)CAP3引腳捕獲到一個(gè)增量脈沖信號(hào)時(shí)，就對(duì)ADCIN00口進(jìn)行一次采樣，并用軟件啟動(dòng)SEQ1，觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)SEQ1忙狀態(tài)位=0時(shí)，表明A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果右移6位，存入數(shù)組AD1[j]中，同時(shí)復(fù)位SEQ1和清除CAP3的中斷標(biāo)志，以便為煙支的下一點(diǎn)采樣做準(zhǔn)備，然后，當(dāng)單支煙已采樣256點(diǎn)后，計(jì)算出單支煙的平均重量，并存入AD2[i]中；最后，判斷是否已經(jīng)連續(xù)采樣完4支煙，若未完成則繼續(xù)采樣，否則清除同步脈沖的ECP標(biāo)志位和CAP1的中斷標(biāo)志位，以便為緊接著的4支煙重量采樣做準(zhǔn)備.

3.2 模糊控制子程序目前煙支重量的控制常采用PID控制算法，當(dāng)采用該算法來(lái)控制時(shí)必須要知道系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，但是，對(duì)于煙支重量控制系統(tǒng)這樣一個(gè)非線性的和時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，建立精確的數(shù)學(xué)模型是非常困難的，否則會(huì)降低系統(tǒng)的控制精度；因此，在新型煙支重量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，采用了模糊控制算法.

在模糊控制子程序的設(shè)計(jì)時(shí)，可將事先建立好的煙支重量模糊控制查詢(xún)表存入DSP連續(xù)的內(nèi)存單元中，而在實(shí)際控制時(shí)，只需要在每一個(gè)控制周期先采樣煙支重量，然后將經(jīng)計(jì)算所得到的煙支重量偏差e(k)和偏差變化率ec(k)分別乘以量化因子Ke和Kec，經(jīng)取整后就得到模糊論域X和Y中相應(yīng)的論域元素；通過(guò)煙支重量模糊控制查詢(xún)表，可獲得所需的輸出控制量N，并用N值乘以比例因子Ku，即可求出輸出控制量劈刀電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)n的精確值；最后調(diào)用劈刀位置控制子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)劈刀位置的實(shí)時(shí)調(diào)整.模糊控制子程序的流程圖如圖6所示.

3.3 劈刀位置控制子程序劈刀位置控制子程序主要是用于控制劈刀電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煙支重量偏差的快速調(diào)整，其流程圖如圖7所示.該程序位于主程序中的模糊控制子程序之后，其具體功能如下：

3.3.1 劈刀電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制 首先，系統(tǒng)在線對(duì)煙支重量進(jìn)行采樣和計(jì)算，得到煙支重量偏差e(k)及偏差變化率ec(k)；接著，調(diào)用模糊控制子程序，求出輸出控制量精確值n，即劈刀電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù).

當(dāng)n≤0(煙支重量采樣值大于設(shè)定值)時(shí)，程序控制DSP的PWM1引腳輸出高電平，使劈刀電機(jī)正轉(zhuǎn)，劈刀上移，增加煙絲削減量來(lái)減低煙支重量；反之，當(dāng)n>0(煙支重量采樣值小于設(shè)定值)時(shí)，即控制PWM1引腳以輸出低電平，使劈刀電機(jī)反轉(zhuǎn)，劈刀下移，以減少煙絲削減量并增加煙支重量.

3.3.2 劈刀電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)的控制 根據(jù)劈刀電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)控制量n可求得劈刀到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)劈刀電機(jī)所需轉(zhuǎn)動(dòng)的總步數(shù).在程序設(shè)計(jì)中，可將該總步數(shù)賦值給一個(gè)變量，每當(dāng)DSP發(fā)出一個(gè)脈沖，變量值就減1；直到變量值減為零時(shí)，DSP停止發(fā)送脈沖，完成本次調(diào)整.同時(shí)，可建立劈刀電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)n與電機(jī)轉(zhuǎn)向和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)總步數(shù)的對(duì)應(yīng)表，如表1所示.

表1 劈刀電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)n與電機(jī)轉(zhuǎn)向和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)總步數(shù)的對(duì)應(yīng)表

3.3.3 劈刀電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制 為了保證劈刀電機(jī)啟動(dòng)時(shí)不失步，停止時(shí)不過(guò)沖，且能以最快速度調(diào)節(jié)劈刀位置，因此設(shè)計(jì)了加/減速控制子程序[10]；該子程序可通過(guò)DSP定時(shí)器1的比較中斷來(lái)調(diào)用，每當(dāng)發(fā)生一次比較中斷時(shí)就調(diào)用一次該子程序，并根據(jù)加/減速控制要求給T1PR和T1CMPR賦一個(gè)新值，進(jìn)而改變T1PWM引腳輸出PWM脈沖的頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)劈刀電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，將新型煙支重量控制系統(tǒng)應(yīng)用在陜西省某卷煙廠的一臺(tái)PASSIM8K卷煙機(jī)上，并進(jìn)行了84 mm長(zhǎng)度的香煙生產(chǎn)，且設(shè)定單支煙的目標(biāo)重量為0.880 g；同時(shí)，為了進(jìn)行比較，分別對(duì)使用原有煙支重量控制系統(tǒng)、新型煙支重量控制系統(tǒng)所生產(chǎn)的煙支分時(shí)段各抽取了3組，且每組連續(xù)抽取20支煙，并使用“煙支濾棒綜合測(cè)試臺(tái)”進(jìn)行稱(chēng)重，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表2所示.其中，第1、2、3組為原有煙支重量控制系統(tǒng)所生產(chǎn)的煙支；第4、5、6組為新型煙支重量控制系統(tǒng)所生產(chǎn)的煙支.

表2 采樣煙支重量及其數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表

在表2中，每組煙支質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差SD的計(jì)算公式為：

(1)

每組煙支重量的變異系數(shù)CV為：

(2)

該卷煙廠對(duì)長(zhǎng)度84 mm煙支重量的內(nèi)部檢驗(yàn)控制值為(0.880±0.050)g，而由表2數(shù)據(jù)可知：

1)原有煙支重量控制系統(tǒng)所生產(chǎn)的3組煙支的實(shí)際重量變化范圍為0.848 g～0.931 g，并出現(xiàn)1支缺陷煙支，煙支質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)偏差SD的變化范圍為0.021 g～0.022 g，煙支重量變異系數(shù)CV的變化范圍為2.383%～2.435%；2)新型煙支重量控制系統(tǒng)所生產(chǎn)的3組煙支的重量變化范圍為0.855 g～0.912 g，煙支質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)偏差SD的變化范圍為0.017 g～0.019 g，煙支重量變異系數(shù)CV的變化范圍為1.966%～2.129%.

實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明，該新型煙支重量控制系統(tǒng)具有更高的煙支重量控制精度，更小的煙支質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)偏差SD和煙支重量變異系數(shù)CV，能更有效地減少煙支重量的波動(dòng)和缺陷煙支的產(chǎn)生.

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于TMS320LF2407A DSP的新型煙支重量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的軟/硬件的設(shè)計(jì)方法和措施，并通過(guò)采用CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了煙支重量控制系統(tǒng)與工控機(jī)和觸摸屏之間的數(shù)據(jù)通信.實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的新型煙支重量控制系統(tǒng)具有更高的控制精度、更小的煙支質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)偏差和煙支重量變異系數(shù)，可有效地減少煙支重量的波動(dòng)并提高煙支生產(chǎn)的成品率；同時(shí)，該系統(tǒng)還具有可在線監(jiān)控和易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn).

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New Cigarette Weight Control System Based on DSP

Yuan Zhanjun1, Wang Jin2, Xie Lili3

(1. Department of Electronic Engineering, Shaanxi Institute of International Trade & Commerce, Xianyang 712046, China; 2. College of Information Engineering, Shaanxi Polytechnic Institute, Xianyang 712000, China；3. College of Automation, Northwestern Polytechnic University, Xi'an 710072, China)

Aiming at low cigarette yield and high electrical failure rate of cigarette weight control system in PASSIM cigarette maker, a new designing scheme of cigarette weight control system based on TMS320LF2407A DSP was proposed. The hardware and software design of this system were introduced in detail. The system hardware design mainly includes data acquisition interface circuit, cleaver position control circuit, and CAN bus interface circuit; The software were consists of main program, data acquisition subroutine, fuzzy control subroutine, and cleaver position control subroutine. The results showed that the new cigarette weight control system has higher control accuracy and smaller cigarette quality standard deviation, and can effectively improve the cigarette yield. At the same time, this system also has the characteristics of good online monitoring function.

cigarette weight control; cigarette maker; TMS320LF2407A DSP; CAN bus technology

2016-06-05

陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013K07-44)

袁戰(zhàn)軍(1972-)，男，陜西咸陽(yáng)人，碩士,副教授，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化， E-mail：yzj721016@163.com

1004-1729(2016)04-0343-07

TP273

A DOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2016.0052