烟条重量采集与控制系统设计

摘要 摘要 目前国内高速卷烟机的设计普遍采用以核扫描头为测 量工具的放射源电气控制模型，该模型存在对环境有潜在危害、 长期测量精度差、维护费用和难度高等缺点，而微波源电气控制模型则解决了上述问题。 本文通过对 计了一套新的烟条重量采集与控制系统。本系统以 工控机作为上位机，在 在计了控制 用 编写了 高了通信速率和稳定性。 测试结果表明，系统的数据传输速率快、工作稳定、对工作人员和环境危害小，性能基本满足设计要求。 关键词：烟丝密度 重量控制 控机 t of in is is by as to of so a of of in so a of is to on a of a to a as a CI UI to t/DL,is is to t/目录 目录 第一章 绪论 .条重量采集与控制系统发展状况 .究背景及意义 .文工作及内容安排 .二章 重量控制原理与算法 .量控制原理 . 卷烟机组电气控制系统简介 . 重量控制原理 .量控制算法 . 重量计算方法 . 法 .章小结 .三章 重量控制模型分析 .射源模型 . 核扫描头 . 重量计算 . 重量控制 .波源模型 . 微波扫描头 . 特征参数的提取 . 烟丝密度的计算 . 重量计算与控制 .型对比分析 . 模型定量对比分析 . 模型定性对比分析 . 模型选型 .章小结 .四章 烟条重量采集与控制系统设计 .统总体设计 .量计算模块设计 . 信号调理设计 . 目录 号采样设计 . 线设计 .板设计 . 制模块设计 . 线接口设计 .位机控制模块设计 . 上位机选型 . 上位机软件设计 .信板设计 . 线接口设计 . 电源设计 .章小结 .五章 系统测试及结果分析 .试环境 .口时序测试 .序测试 .统总体测试及结果分析 .章小结 .六章 结束语 .文工作总结 .究展望 .谢 .考文献 .读期间研究成果 .第一章 绪论 1 第一章 绪论 条重量采集与控制系统发展状况 卷烟消费产品是一种高附加值的商品，世界上绝大多 数国家都把烟草行业列入专卖管理行业。与此同时，由于该行业的巨大利润，也促进了卷烟设备的发展。卷烟机是用卷烟纸将烟丝卷成卷烟的机器 ，是卷烟工业企业生产中的重要设备之一，是用于生产过滤嘴香烟的专用设备。卷烟机在欧美已经持续发展了一百多年，目前生产卷烟设备的主要厂家集中在德国、英国和意大利，其中，德国 内卷烟 机真正于上个世纪 80年代中期才开始起步，自改革开放以来，国内卷烟行业的技术设备水平 有了突飞猛进的巨大变化，在目前的轻工行业中处于领先地位。 烟条重量采集与控制系统是卷烟机的重要组成部分， 它伴随着卷烟机的诞生就已经存在。 1853年，苏西尼 (明了世界上第一台卷烟机， 1867年，这种卷烟机在巴黎博览会上展出，引起轰动，并很快传播到了世界各地1。早期卷烟机烟丝的重量仅依靠烟丝箱进行控制，定量 精度不高，当卷烟机速度提高时，烟条内烟丝分布的均匀性明显更差。 20世纪中期，卷烟机速度仅为 1 2001 300支 /分钟，烟支的重量标准偏差大约为平均重量的 68。 1948年，法国德古费勒 (司发明了平准器技术，并将这一 技术应用于卷烟机，研制开发出了 反复试验的基础上， 1952年又改进为 卷烟机的生产能力提高到了 1 500支 /分钟。 然平准器技术将凸凹不平的烟丝条修整均匀， 然后再进行卷制，但重力下丝式卷烟机所形成的烟丝束均匀性较差，烟丝垂直落 到卷烟纸上时容易打滑错动，使烟支平均重量偏差幅度增大。此外，重力下丝式形成的烟丝束，由于烟丝中含梗签较多，容易发生爆口，影响烟支质量。 直到 1953年， 从根本上克服了重力下丝式卷烟机的弱点，在 此基础上设计的吸丝式卷烟机，在 60年代初速率为 2 000支 /分钟， 70年代达到 4 000支 /分钟1。 20世纪 80年代，随着科学技术的发展，卷烟机自身的 多种检测控制装置的功能越来越强，自动化程度不断提高，卷烟 速度迅速提高，卷烟效率至此也随着猛增，涌现了一大批先进的高速卷烟机，如德国 卷烟机的控制系统采用了大量继电器和专用印刷电路板，其显示器 条重量采集与控制系统设计 计算机卡都是专用系统，仅印刷电路板机箱就有四个：卷烟机控制、接装机控制、重量采集与控制、烟支质量检测系统。这 种高速卷烟机的烟条重量采集与控制系统采用了先进的电控设备，极大提高了卷烟的速度。 目前国内卷烟机生产速度已达到 7 0008 000支 /分钟， 主要机型是 接机组。它们分别于 90 年代初从德国 司和英国司引进技术，在国内已经大量生产和使用，成为中速机主流设备1。经过几十年的技术改造、技术引进和技术革新，尤其是我国实行改革开放、中国烟草总公司( 1982 年 1 月)成立后，我国卷烟工业的整体水平和卷烟设备的制造水平日益提高。如今卷烟工厂所用的全套设备，我国都可以自行制造，达到了 20世纪 80 年代的制造水平。但整体上与世界先进水平相比，仍然存在着较大差距，主要体现在设备运行的可靠性和稳定性较差，且目前国内高速卷烟机普遍采用以核扫描头为检测装置的烟支重量采集与控制系统，长期使用核放射源，对环境和工作人员都存在着潜在的安全隐患。 究背景及意义 卷烟机烟条重量采集与控制系统是卷烟机组电气控制系统的重要组成部分，是应用于高速卷烟机组的烟支紧头位置和重量实时在线测量控制系统，它对于保证生产合格重量的烟支、降低烟丝消耗具有重要作用。 首先，从行业需求和竞争来看：目前国内卷烟厂配备 的高速卷烟机通常采用进口和国产机型相搭配，由于国内卷烟机 研制起步较晚，在机型结构和部件组成上与进口机型具有较高的相似性。出于行 业竞争和全球战略的考虑，尤其是受国际金融危机的影响，西方发达国家对高性 能的烟机及其部件对我国采取限制进口或提高售价的措施，这在一定程度上制约 了我国烟支生产效率和质量的提高，但也为国内烟机设备研制提供了机遇。目前 国内各大卷烟厂应用的高速卷烟机在总体性能和技术指标上勉强达到了现代生产 的标准。随着人们对于烟支需求量的提高，国内烟草行业对烟支生产效率提出了 更高的要求。因此，为了更好地满足国内烟草行业的要求，必须开发出高效的、精确的烟条重量采集与控制系统。 其次，从技术角度来看：目前高速卷烟机普遍采用以核扫描头为检测装置的烟支重量自动检测控制系统， 核放射源一般使用 但核扫描头存在以下问题：需专业人员维护、存在潜在的健康和安全隐患；核放射源自然衰减一段时间以后需要调整信号放大倍数，但这会导致信号噪声增大，测量准确性降低2，而且核放射源衰减到一定程度时必须报废，如果处理不当，将会对环境造成污染。另一种微波检测技术则没有放射源的弊端，微波扫描头属于环保型的检测装置，性能良好，稳定可靠，功率极小，对工作人员和工作场地无任何危害和污染，这是相 第一章 绪论 3 比传统核放射源重量控制系统的巨大优势，很多指标甚至超过了核扫描头。但是使用微波检测技术需要重新设计与微波扫描头配套的电气控制系统，否则在检测精度和稳定性上无法满足要求。 最后，从环保角度来看：为了防止烟草工业化可能对环境造成的污染3，卷烟机组的烟条重量采集与控制系统应尽可能 避免使用核扫描头作为检测装置。核放射源的存在，会对工作人员和周围环境造 成长期的潜在危害。同时，对核扫描头的检修和维护需要由专门的机构进行，需 要昂贵的费用，这增加了烟厂的成本。因此，随着卷烟机生产自动化要求的不断 提高以及环境保护问题的日益紧迫，迫切需要寻求一种无污染、精度高、稳定性 好的检测技术取代核放射源重量检测方法。 基于以上几个方面的分析，为了开发出高效、稳定、 环保的烟条重量采集与控制系统，以保证生产出的烟支重量合格，降低烟丝消耗并且不对环境造成威胁。本文重点针对国内使用广泛的老式 卷烟机进行改造，对于实现烟条重量采集与控制的两种主要方式：放射 源检测技术和微波源检测技术进行了从原理到实现方法的探索和研究，设计了合 理的改进方案，并最终研制出了一种适用于 卷烟机或者更高速率卷烟机的重量采集与控制系统。本系统不仅能为国内卷烟厂提供重量控制系统备 件，也能扩大联合申报企业产品线，提高其应对国外竞争的能力。 文工作及内容安排 本课题是在全面了解国内外卷烟机发展历史的基础上，从国内行业需求、技术和环保的角度全面分析了烟条重量采集与控制系统对于卷烟机发展的重要意义，重点研究了放射源和微波源两种模型的设计原理和实现方法，针对国内广泛使用的老式 卷烟机，提出了改进方案 ，并研制出了一种适用于卷烟机或者更高速率卷烟机的重量采集与控制系统平台，为开发更高效率的、具有行业标准的控制系统奠定了基础。 论文共分为六章，内容安排如下： 第一章为绪论。首先介绍了本课题的研究状况、背景和意义，然后介绍了论文完成的主要工作和章节安排； 第二章为重量控制原理与算法。首先介绍了重量控制系统在卷烟机组电气控制系统中的位置，然后介绍了重量控制的基本原理和工作流程，最后介绍了烟条重量计算的两种基本方法以及电机的 制算法； 第三章为重量控制模型分析。首先对放射源模型和微波源模型的功能结构、工作原理作了介绍，然后从定量和定性两个方面对两个模型进行了对比分析，得4 烟条重量采集与控制系统设计 到了最终的结论，并由此引出了本文所设计的烟条重量采集与控制系统； 第四章为烟条重量采集与控制系统设计。首先对整个系统的硬件结构进行了模块划分，并对各模块的功能做了简要介绍，最后对各模块的硬件和软件设计进行了详细的介绍； 第五章为系统测试及结果分析。首先介绍了测试的环境和使用的工具，然后对系统中的关键接口和控制时序进行了仿真和在线测试，最后对调试过程中遇到的典型问题和解决方法进行了总结，并对测试结果做了分析； 第六章为结束语。总结了本文所做的工作，并对下一步的工作进行了展望。 第二章 重量控制原理与算法 5 第二章 重量控制原理与算法 量控制原理 烟机组电气控制系统简介 不同公司设计的卷烟机组电气控制系统，不论是在结构上还是控制细节上都各具特点和不足，但从功能上来看，大致可以分为以下四个子系统：核扫描 /微波扫描子系统、重量采集与控制子系统、执行子系统和控制界面，如图 示。 图 卷烟机组电气控制系统 各个子系统的具体功能介绍如下。 核扫描 /微波扫描子系统：主要是利用探测设备(例如核扫描头、微波扫描头)扫描烟条，得到表示其密度的电流、电压信号，然后转换为脉冲信号(即烟丝密度信号)，最后送到重量控制模块计算出烟条的重量。 重量采集与控制子系统：主要功能是对扫描子系统的脉冲信号进行采样，然后计算出烟丝的密度值、重量以及实测重量与目标重量之间的标准差等，再产生相应的控制信号输出到执行子系统，并实现与上位机之间的通信。 执行子系统：执行子系统主要包括修整器(即劈刀)电机、紧头电机、剔除阀和位置传感器。由于劈刀上面有烟丝通过槽，劈刀电机驱动其上下移动4，可以调节烟丝的通过量，并切割双倍长烟支正中间的紧实部分，得到两支紧头单烟；紧头电机驱动紧头5，使其在卷烟机高速运转的状态下一直处于切口位置，防止在切割过程中烟丝填充不足，而导致空头烟的产生；剔除阀是在系统检测出不合格单烟支的时候对其进行剔除；位置传感器用于向重量采集与控制子系统提供实时的修整器位置。 控制界面：完成相关统计数据的显示和控制信息的设置。 6 烟条重量采集与控制系统设计 量控制原理 在整个卷烟机组电气控制系统中，重量采集与控制子系统(以下简称系统)是接收数据，产生控制的核心。由于烟丝密度信号处理起来相当复杂6，且要求控制信号能够快速产生，还要保证能够及时地将各类数据传送至上位机显示，因此，该系统是整个卷接机电气控制系统中决定性能好坏的重要环节，其功能原理框图如图 示。 核扫描 /微波扫描头轴编码器烟条监测器上位机系统功能原理框图 图 重量采集与控制系统的基本工作流程及功能原理如下。 上电后，整个电气控制系统复位，然后重量采集与控制系统将接收到来自上位机的初始化设置命令，完成初始化。系统与上位机通信的总线可以有多种选择，如常用的 线7、 线8，也可以用简单成熟的 线、线，这两种选择的区别在于：前者是利用 式对生产过程进行通信控制，后者是以逻辑板卡的方式进行通信。 重量采集与控制系统的外围设备一般有核扫描 /微波扫描头、轴编码器、烟条监测器、劈刀电机和紧头电机等。核扫描 /微波扫描头是用来测量烟条中烟丝密度的传感器；轴编码器是一种采用绝对编码的光栅传感器，机器转动时，它会产生定位脉冲和增量脉冲，定位脉冲主要用来在时间上定位切口，增量脉冲位于两个定位脉冲之间，用来对烟条进行微分标定；烟条监测器用于检测机器上是否有双倍长烟支产生，若有，则表示卷烟设备正常运转，此时重量采集与控制系统才会工作；而劈刀电机和紧头电机等外设是执行子系统的一部分，其根据系统的控制 第二章 重量控制原理与算法 7 信号来做出相应的动作。 上电复位完成后，如图 示，当烟条监测器探测到双倍长烟支，会向系统发出正常工作的信号，此时核扫描 /微波扫描头开始扫描到烟条，并把表示烟丝密度的电流、电压信号放大转换为脉冲信号(即烟丝密度信号)后送到系统内，同时，系统还将计量轴编码器产生的定位脉冲和增量脉冲。根据这些脉冲信号，系统按照相关的算法，计算出抽样烟条的实测重量，实测重量与目标重量进行对比修正后得到劈刀的修正位置，再将修正位置与位置传感器检测到的实际位置进行对比，得到控制信号并输出给劈刀电机来控制劈刀的上下移动4，使烟丝的通过量相应改变，从而达到生产合格重量烟支的目的。 在系统向劈刀电机输出控制信号后， 位置传感器会检测当前劈刀发生的位移，并把位移的微弱变化转换为相应的电平信号，作为当前实际位置反馈回系统，供下一次控制信号的产生使用。 系统除了计算出烟支重量等数据外，还将 计算出一系列的误差数据，这些误差数据会转换为相应的控制信号输出给紧头电机和剔除阀。例如在实际生产过程中，技术人员会对香烟进行实时检测，会对烟支进行各种方式的采样，而采样不合格的烟支将会被剔除，这时剔除阀就会完成该功能。 在进行上述一系列工作的同时，系统还要将相关控制运算和统计运算的结果送到上位机进行显示，为管理者提供直观的观测数据，以便其很好地控制生产，作出决策，提高效益。 量控制算法 量计算方法 前面介绍到重量采集与控制系统会计量轴编码器产生的定位脉冲和增量脉冲。根据这些脉冲信号，系统再按照相关的算法，可以计算出抽样烟条的实测重量。重量计算是根据不同的系统模型来进行不同的计算，而最常用的系统模型分为两种：一种是利用核物质的放射性进行测量的放射源模型；另一种是利用微波技术进行测量的微波源模型，因此，重量计算的方法也分为如下两种。 (1)放射源模型计算方法 核扫描头对烟条进行检测以后，要先计算出烟丝的密度，然后再根据密度信号计算出烟条的重量。按照核扫描头的原理， 射线在电离室产生的电流值通过样后的采样数据跟烟丝的密度有一个对应关系9，可用公式表示为： 0 = (28 烟条重量采集与控制系统设计 式 (2， 表示烟丝密度； I 表示未被吸收的 射线在电离室产生的电离电流；0I 表示 射线无损耗时在电离室产生的电离电流；= 表示质量吸收系数； 为线性吸收系数，单位为1 d 为烟支的直径，单位为 根据上式可以求出烟丝的密度，然后再计算烟条的重量，具体的计算方法13是： 轴编码器的两个定位脉冲之间对一支双倍长烟条进行 128 次重量采样，那么每支烟条的采样点数为 64 个，相当于对每支烟条进行微分化，如果用 统每次的采样值代表一个烟条微分段的烟丝密度，那么通过线性化查表可以得到每个微分段的烟丝密度： ( )w (2式 (2，()示线性化查表运算；示本次采样与烟丝密度相关的值；()1200w=表示基准放射源对应的烟丝密度，其中示 1200 表示机器速度的预设值，单位是：支 /分钟。 则从开始到此时的第 个过程中经历的所有 烟条微分段的烟丝密度为： 1(2由于对一支双倍长烟条进行 128 次重量采样，每支烟条的采样点数为 64 个，那么由式 (2以计算出一支完整烟条的平均密度值： 064= (2式 (2， j 表示采样数累计达到一支烟条对应的采样数 64 的计数值，其值通过下式决定： 064(2通常，计算出后是以 单位，要得到烟条真正的重量，还要进行相应的换算，将 算为重量单位 可按下式处理： = (2式 (2， W 表示烟条的重量； K 表示核扫描头传感器的比例系数，一般可以认为其值在放射源的半衰期内保持不变。放射性元素 半衰期为 25 年，那么使用该元素的核扫描头的使用寿命就不能超过 25 年。 (2)微波源模型计算方法 微波扫描头的测量数据通过 样后的采样数据和烟丝密度的之间有一个 第二章 重量控制原理与算法 9 对应关系，可用公式表示为： = + (2式 (2，示烟丝的密度；示 采样数据； K 、 根据式 (2以求出烟丝的密度，然后再计算烟条的重量，计算原理是： 56 次重量采样，那么每支烟条的采样点数为 128 个，将采样结果加权求和，就能够计算出单支烟条的重量。 计算烟条重量的方法是：设单支烟条的重量为 W ，烟条的长度为 L，用每一个采样点的密度值代表这一小段烟条的烟丝平均密度值，可通过下列数学模型计算出每一支烟条的重量： 1270128=(2在硬件上实现重量计算是通过向 理器产生中断， 然后采用累计求和的方式，即每采样一次，就产生一次中断，再根据采样的数据计算出本次的烟丝密度值，然后与之前一次计算出 来的重量值进行累加，变量 28 和 256 时，就能得到单烟条和双倍长烟条的重量。 法9在电机的控制过程中，按照控制量偏差的比例 (积分 (微分 (行控制的 制器是一种广泛使用的自动控制器， 其具有原理简单、易于实现、控制参数独立、易于选择参数等优点。 根据应用场合的不同， 法可以分为很多种，增量式 法11是其中的一种，其原理是将控制量偏差的比例 (P)、积分 (I)和微分 (D)通过线性组合构成控制量，然后用该控制量对对象进行控制，下面以电机的速度控制来进行举例说明，电机的速度控制框图如图 示。 0()电机速度控制框图 图 ()0( )( )制器的输10 烟条重量采集与控制系统设计 入； ()制器的输出和电机的输入。将( )0 )到差值： () ( ) ( )0et n t (2经过 制器后的输出电压信号( )制器的控制原理为： () () ()( )01 et =+ +(2式 (2示 制器的比例系数；示 制器的积分时间，即积分系数；示 制器的微分时间，即微分系数。 式 (2开以后的 ()项表示比例 (节的数学式。在 制器中，比例环节的作用是响应瞬间偏差，当瞬间偏差产生的时候， 制器会立即产生控制作用，驱动电机使控制量向减少偏差的趋势进行变化，而 制器的控制强度取决于比例系数大，控制强度越大；反之，控制强度越小。但是比例系数须选择恰当，不然容易破坏系统的稳定性。 式 (2开以后的()01项表示积分 (节的数学式。从积分环节的表达式可以看出：只要存在控制偏 差，其控制作用就会不断增加，当且仅当偏差 () 0时，其结果才是常数，进而控制作用才不会增加。因此，积分环节的作用是消除系统偏差。 式 (2开以后的()项 表示微分 (节的数学式。在实际的控制过程中，通常在减小误差的情况下，还要求控制调节能够快速完成。即在瞬间偏差出现的时候，不但要对偏差马上作出响应，而且还要根据其变化趋势提前给出适当的纠正。而微分环节的引入正好满足这一实际要求。 在现场应用中，由于采用的是计算机控制，即先要对信号进行采样，然后再根据采样时刻的控制量偏差计算出新的控制量，这不同于可以连续输出控制量的模拟控制。鉴于此特点，对式 (2的积分项和微分项必须先进行离散化处理。具体的方法如下。 利用矩形法数值积分代替积分，用一阶后向差分代替微分，然后可作如下近 第二章 重量控制原理与算法 11 似变换： (2() ( )000 e= (2()( ) ( )11e k T (2式 (2 T 表示采样周期； k 表示采样序号； 示离散采样时间，其对应连续时间 t，将式 (2 (2 (2入式 (2以得到离散化的 达式： 10 =+ + (2式 (2 ()k 表示采样序号 ；示第 k 次采样的输出值；示第 k 次采样输入的偏差值；1示第 1k 次采样输入的偏差值。如果采样周期 T 足够小，那么式 (2似计算的结果将满足精度的要求。 增量式 制器的输出仅为控制量的增量当执行单元需要的控制量是增量，而不是位置量本身时，可采用增量式 制算法对系统进行控制32。 增量式 制算法可由式 (2出： 根据式 (2 制器第 1k 个采样时刻的输出值为： 112110= =+ (2式 (2去式 (2得到增量式 制算法的公式： 12211kp k eK e K T = + + +(2若令1=+，21=+，可得到如下增量式 法的简化公式： 12e = + (2由式 (2知，如果采样周期 T 恒定，并且能够确定 A、 B 、 C 的值，只需要计算出前后三次测量的偏差值， 就可以得到电机的控制量。与式 (2绍的制算法相比，增量式 制算法的计算量更小，在实际应用中更易于实现。 12 烟条重量采集与控制系统设计 章小结 本章首先简要介绍了卷烟机组电气控制系统的组成原理以及重量采集与控制系统的作用；然后概述了重量采集与控制系统的工作流程并阐述了重量控制的原理，接着对组成系统的各部分的功能和作用分别作了详细的介绍；最后介绍了在重量控制系统中烟丝密度的两种计算方法 以及产生劈刀电机控制信号的 法，为后续章节介绍的内容做好理论准备。 第三章 重量控制模型分析 13 第三章 重量控制模型分析 第二章介绍了重量控制的基本工作流程、功能原理以及烟条重量、劈刀电机控制信号的计算方法。基于重量控制的原理，在实际生产中出现了很多应用模型：如利用元素 射的 射线来测量烟丝密度的放射源模型； 利用微波谐振原理来进行测量的微波源模型，以及使用红外测量技术设计的红外模型等。鉴于放射源模型和微波源模型的广泛使用，本章将重点分析两者设计原理的异同，并作出定量和定性的比较。 射源模型 放射源模型是利用密闭的放射性元素 射出 射线， 当烟支被 射线照射后，会吸收部分能量、减弱射线的辐射强度，通过其核扫描头检测出减弱值，并利用减弱值与烟丝的特性和厚度的关系，从而得到烟支内烟丝的密度信号。 扫描头 核扫描头是用于精确测量烟支中烟丝密度的传感器，其工作原理图如图 图 核扫描头工作原理 在图 ，当受控的快门打开时，放射源 度一般为 350射的 射线穿过测量管内高速通过的烟条，其中一部分能量被烟丝吸收，其辐射强