（机械电子工程专业论文）高精度烟丝自动计量系统的研究与设计.pdf

v6 5 44 64四川大学硕士学位论文。高精度烟丝自动计量系统的研究与设计研究生刘继平机械电子工程专业指导老师王庸责本文以计量系统精度的提高为主线，以机电一体化的观点对烟丝自动计量系统进行叙述，从该系统的整体结构构思、称重计量的精度分析、系统的电气设计、系统的机械设计、系统的抗干扰设计等几个方面论述了基于集数控制系统( d c s ) 的高精度烟丝自动计量系统的研究与设计。高精度烟丝自动计量系统是卷烟工艺过程控制、质量控制与成本控制的关键环节之一，同时也是实现生产过程自动化、企业管理科学化、安全稳定生产和节能降耗的重要技术手段。高精度烟丝自动计量系统在卷烟生产中的应用不仅可以提高烟支质量和产量，也大大减轻了岗位工人的劳动强度，提高了生产效率。因此，该系统具有较好的适用性及扩展性。本文所述高精度烟丝自动计量系统在现有各种计量系统的基础上，根据传感器技术、微处理器技术、网络技术、通信技术的发展情况，采用了微机烟丝计量集散控制方式，它是由一台主机和多台从机通过网络联结起来，主机不参与对各对象的直接控制，而是将控制任务交给各个从机完成。即每台卷烟机台组可视为一个独立的生产单元，用单片机就地对卷烟机台组实施测量与控制，若干台控制器( 从机)经数字通信接口联网，并且与工业控制计算机( 主机) 相连，从而组成集散式烟丝自动计量系统。实现了数据管理与过程控制分离技术，同时汁量系统整体故障风险分散，可靠性提高。“。t ；j 支公瓤。o j 轵，锻i j 辩灞蒋四川大学硕士学位论立论文论述了如何建立烟丝计量系统的数学模型，并分析了影响称重计量精度的各种因素，提出从控制算法和计量秤两个方面解决计量误差的措施。本文在比较多种控制方法的基础上，将动态计量转换为微观的静态计量，借用流体控制理论，采用自适应的控制算法解决“落料误差”，减小计量系统的动态误差；以及从计量秤的角度提出了从计量秤的机械构造和电气的硬件、软件上解决称量误差的实用方法。特别是结构设计时兼顾了它的机械结构、形状尺寸、材料性能及受力状况，使机械谐振与控制系统的带宽完全相隔，经过滤波电路将机械谐撮产生的干扰信号完全过滤掉，消除了机械谐振对计量精度的影响，突破了常规抗干扰的手段与措施。整个烟丝自动计量系统分为工业控制计算机( 管理级) 和计量控制器( 控制级) 。工业控制计算机采用了a d v a n t e c h 6 1 0 型计算机；计量控制器采用了单片机系统，m c u 采用a t 8 9 s 5 2 单片机，a d 转换器采m a x l8 0 ，低通滤波器为m a x 2 9 3 ，r s 2 3 2 通信接口芯片采用m a x 2 3 2 、7 5 17 4 、7 5 l7 5 ，c p u 监控电路为m a x 7 0 5 ，并使用开关电源供电。直精度烟丝自动计量系统软件使用汇编和v c 6 0 编程，本文进行了相关软件的设计，包括数据管理、数据采集、滤波、控制等。本文还对系统所采用一些抗干扰措施进行了论述，包括硬件抗干扰措施和软件抗干扰措施。关键词：高精度集散控制数学模型机械谐振机构优化自适应控制单片机四川大学硕士学位论文t h er e s e a r c ha n dd e s i g no fat o b a c c oa u t o m a t i cm e a s u r i n gs y s t e mw i t hh i g h a c c u r a c ys p e c i a l t y ：m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n gm a s t e re a n d i d a t e ：l i uj i p i n gt u t o r ：w a n gy o n g g u iw i t ht h em a i nt h r e a do ft h es y s t e m a t i cp r e c i s i o ni m p r o v i n g ，t h i sp a p e r ，i nm e c h a t r o n i c sv i e w ，d e a l sw i t ht h er e s e a r c ha n dd e s i g no fat o b a c c oa u t o m a t i cm e a s u r i n gs y s t e mb a s e do nd c sf r o mt h ec o n c e i v eo ft h es y s t e ms t r u c t u r e ，t h ea n a l y s i so ft h em e a s u r i n gp r e c i s i o n ，t h ed e s i g no ft h ee l e c t r i ca n dm a c h i n e r ya n dt h em e a n so ft h ea n t i - j a m m i n ga n ds oo n t h em e a s u r i n gi so n eo ft h ek e ys t e po ft h ep r o c e s sc o n t r o l ，q u a l i t yc o n t r o la n dc o s tc o n t r o li nc i g a r e t t em a n u f a c t u r i n g ，w h e ni ti st h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g i c a lm e a n st h a tr e a l i z ep r o d u c t i o np r o c e s sa u t o m a t i o n ,b u s i n e s ss c i e n t i f i ca d m i n i s t r a t i o na n ds a f ep r o d u c t i o n ，a n ds a v ee n e r g ya n dr e d u c et h ec o s t t h es y s t e ma p p l i e di nt h ep r o d u c t i o nn o to n l yc a ni m p r o v ec i g a r e t t eq u a l i t ya n do u t p u t ，b u ta l s oh a sl i g h t e n e dw o r k e r sa n di m p r o v e dp r o d u c t i v i t y s o ，i ts h o u l db em o r ep r a c t i c a b l ea n dp o p u l a r o nt h eb a s i so ft h et h i n k i n go fv a r i o u sk i n d so fa u t o m a t i cm e a s u r i n ge q u i p m e n t ，a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n to fs e n s o r ，m i c r o p r o c e s s o rn e t w o r k ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h es y s t e mh a sa d o p t e dt h ed i s t r i b u t i n gc o n t r o lm e t h o dt om e a s u r et h et o b a c c ob yc o m p u t e r ，w h i c hi s m a d eu po fah o s tc o m p u t e ra n dm a n ys e r v a n tm i c r o c o m p u t e r s ，h o s tc o m p u t e rg i v e sc o n t r o lt a s ke a c hs e r v a n tm i c r o c o m p u t e r i no t h e rw o r d s ，e v e r ys e r v a n tm i c r o c o m p u t e rc a nb er e g a r d e da so n ei n d e p e n d e n tc o n t r o l- 3 -四川大学硕士学位论文u n i t ，t r a n s a c t sm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n ga f f a i ro nt h es p o t s e v e r a ls e r v a n tc o n t r o l l e r sa r en e t w o r k e db yt h ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，a n dl i n kw i t hi n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r ，t h u sm a k eu pt h ed i s t r i b u t i n gt o b a c c om e a s u r i n gs y s t e m i tr e a l i z e dt h a td a t am a n a g e m e n tb es e p a r a t i n gf r 0 i np r o c e s sc o n t r 0 1 ，a tt h es a m et i m e ，i ti ss c a t t e r e dt h a tt h ew h o l et r o u b l er is ko ft h em e a s u r i n gs y s t e m ，s oi t sd e p e n d a b i l i t ym o r ei m p r o v e s i nt h et h e s i s ，i tise x p o u n d e dt h ep r o c e s so fs e t t i n gu pt h em e a s u r i n gm a t h e m a t i c sm o d e l ，a n dt h ea n a l y s eo fv a r i o u sk i n d so ff a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e sm e a s u r i n gp r e c i s i o n ，a n dt h e ni ti sp u tf o r w a r dt h a tc o n t r o l l i n ga l g o r i t h m sa n dm e a s u r i n ge q u i p m e n tt os o l v et h eb a t c h i n ge r r o r o nt h eb a s i so fc o m p a r i n gm a n yk i n d so fc o n t r o lm e t h o d s ，i nt h ea r t i c l e ，i ti sp r e s e n t e dt h a tt h em i c r o c o s m i co fd y n a m i cm e a s u r e m e n ts h o u l db ec h a n g e di n t ot h es t a t i cm e a s u r e m e n t ，u s i n gt h ef l u i dc o n t r o lt h e o r y ，t h es y s t e mh a sa d o p t e dt h ea d a p t i v ec o n t r o la l g o r i t h mt os o l v e b u r d e ne r r o r ”，w h i c hr e d u c e st h ed y n a m i ce r r o r o nt h eo t h e rh a n d ，i ti sb r o u g h tf o r w a r dt h a ts o m ea p p r o a c h e st or e d u c et h ee r r o rf r o mt h em a c h i n e ，e l e c t r i ch a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ee q u i p m e n t e s p e c i a l l yi ti sc o n s i d e r e dt h a ti t sm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，s i z eo f 。f o r m ，m a t e r i a lp e r f o r m a n c ea n dt h es t r e n g t hs t a t ei nt h em a c h i n ed e s i g n i n g ，w h i c hm a k et h em e c h a n i c a lr e s o n a n c et o t a l l ys e p a r a t e df r o mt h eb a n d w i d t ho ft h ec o n t r o ls y s t e m n a m e l yt h eja m m i n gs i g n a l se m e r g i n gf r o mm e c h a n i c a lr e s o n a n c ea r et o t a l l yf i l t e r e db yt h ew a v ec i r c u i t ，t h em e a n sh a v ed i s p e lt h ei m p a c to ft h em e c h a n i c a lr e s o n a n c e ，a n dh a v eb r o k e nt h r o u g hr o u t i n ea n t i - ja m m i n gm e a n sa n dm e a s u r e s t h et o b a c c om e a s u r i n gs y s t e mi sm a d eo fo n ei n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r ( m a n a g e m e n tg r a d e ) a n dn i n em e a s u r i n gc o n t r o l l e r s ( c o n t r o lg r a d e ) ，t h ei n d u s t r i a lc o n t r o c o m p u t e rh a sa d o p t e dt h ea d v a n t e c h 610p r o d u c t ，t h em e a s u r i n gc o n t r o l l e r sh a v ea d o p t e dt h es i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e rs y s t e m ，w h o s em c ui sa t 8 9 s 5 2 ，w h o s ea dc o n v e r t e ra d o p t sm a x l8 0 ，w h o s el o w p a s sf i l t e ri sm a x 2 9 3 ，w h o s e4 四川大学硕士学位论文c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eo fr s 2 3 2a d o p t sm a x 2 3 2 ，7 5 1 7 4 ，7 5 1 7 5 ，t h ew a t c h d o go ft h em c ui sm a x 7 0 5a n dt h es y s t e mu s e st h es w i t c hp o w e rt os u p p l yp o w e r t h ea p p l i c a t i o np a c k a g e so ft h es y s t e ma r cc o m p l i e db yv c 6 0p r o g r a m m i n gs y s t e m ，a n di t sr e l e v a n ts o f t w a r ep a c k a g e sa r ed e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h ed a t am a n a g e m e n t ，t h ed a t aa c q u i s i t i o n ，t h ew a v e p e r c o l a t i o n ，t h ec o n t r o le t c i na d d i t i o n ，s o m em e t h o d so fa n t i j a m m i n gt h a tw e r ea d o p t e di nt h i ss y s t e ma r ea l s os t u d i e d ，i n c l u d i n gt h em e t h o dso fh a r d w a r ea n t i - j a m m i n ga n ds o f t w a r ea n t i j a m m i n g k e y w o r d ：h i g ha c c u r a c y ，d i s t r i b u t i n gc o n t r o l ，m a t h e m a t i cm o d e l ，m e c h a n i c a lr e s o n a n c e ，m a c h i n e r yo p t i m i z i n g ，s e l f - a d a p t i v ec o n t r o l ，s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r- 5 一四j 1 1 大学硕士学位论文1 绪论基于d c s 的高精度烟丝自动计量系统是在总结比较现有多种计量系统的总体结构、控制方法的基础上，并结合生产过程中烟丝计量自动化要求不断提高的情况以及烟丝自动计量系统本身所处环境和所控对象特殊性、多样性的情况下设计研制而成的现代化机电集成系统。该系统从集散控制系统( d c s ) 的设计原则出发，融合自动控制技术、计算机技术与通信技术为体n 1 ，实现了自动化集中管理，功能和位置分散等技术，具有技术先进、功能完备、应用灵活、运行可靠等优点。同时，为今后整个工厂综合信息和管理自动化提供了基础”1 。1 ，1 课题背景及其研究的目的意义烟草行业在许多国家的经济和社会生活中占有十分重要的地位，为这些国家的发展做出了重要贡献”1 ，在我国更是如此。2 0 0 3 年全年实现工商税利将超过15 0 0 亿元”3 。中国加入w t o 给烟草行业承诺的保护期只有3 5 年，所以“谁跑得最快，谁跑在前面，谁就是赢家”。因而，国家局承担了国家8 6 3 计划烟草行业现代集成制造系统( c i m s )项目“3 ，并适时开展与实施企业战略性重组和品牌接合”j 。随着烟草工业企业集团化的建立和卷烟品牌的整合，企业之间的竞争由品牌的单一竞争走向品牌与成本并举的竞争。在这一过程中，当务之急的共识是提高以卷烟产品为中心的核心制造能力。企业的核心制造能力主要体现在企业技术装备水平和企业质量管理水平两个方面，集中体现在提高卷烟制造水平，提升卷烟制造能力，规范卷烟制造工艺流程，提高产品的在线控制水平“3 。具体地讲，需要大大提高流量稳定性和关键工艺参数的控制精度n 1 ，实现制丝生产的全线自动控制，利用信息化提高制丝工艺管理水平，真正达到工艺加工由结果控制向过程控制以及指标控制向参数控制转变的目标0 1 。所有这些的实现必须取决于卷烟制造过程中对原料即时、快速、精确的计量。烟丝在卷烟生产成本中占5 0 左右，是卷烟生产的一个重要成本之一。某厂1 - 6 月卷包车间生产成本比例，如图卜1 所示：辅料成本一卜翌型奎兰堡主兰垒笙壅的比例虽然较大，但是由15 个品种构成，而烟丝这单一原料的成本却非常大，因此烟丝是构成总成本的重要部份，要准确的分析其成本必须对其进行精确的计量。烟丝计量控制系统是制烟工艺过程控登要苎酬鬯黄。蝴成本图箍嚣嚣造费用键环节之一烟丝4 - t 资福利5 - 燃料动力费用计量控制系统可以按照设定产量和流量控制各生产线输入物料的瞬时流量，从而达到控制各种产品的质量和产量的目的；同时它也是实现生产过程自动化和智能化、企业的科学管理、安全稳定生产和节能降耗的重要技术手段。烟丝计量控制系统在生产中的应用不仅可以提高烟支质量和产量，也大大减轻了岗位工人的劳动强度，提高了生产效率。因此，优化设计、研制出技术先进、设备成熟、经济实用的烟丝计量控制系统至关重要。1 2 烟丝自动计量系统国内外的现状1 2 ，1 从企业现使用计量方式分析现状目前的计量方式主要在三个环节：a 、制丝生产过程最后阶段通过动态计量进行配比，再由静态计量进行核算。其优点是制丝生产的烟丝和卷接包的交接数清晰。缺点动态计量的累计重量与静态计量差距较大，且不能反映卷包车间单台机组消耗量。b 、卷包车间单台机组的供料系统中有一计量箱对烟丝进行容积式计量，由于烟丝落入计量箱时所成形状与从计量箱排出时所成形状的不确定性，单次计量的误差达1 0 3 0 ，其计量的数据在实际生产中失去了意义，此方法基本不采一2 一四j i l 大学硕士学位论文用。c 、在卷接包进行单台机组数据采集后来分析单台机组耗用烟丝量，其优点可在卷烟机中采集较为现成的数据，如生产支数，平均单支重量( 克支) ，废品率等。以此方法建立当班该机台生产的数据反推计算该机烟丝耗量。但在生产过程中由于采用集中除梗，反推计算很难准确的反应出单台机组实际耗烟丝量，按此方法卷接包所有单台机组烟丝的总量与制丝环节静态计量的总量差距较大，笔者在实际工作中经常遇到这现象，要研究其误差，制丝环节和卷包环节都很难找到原因。1 2 2 从计量系统总体控制方式分析现状随着计算机技术和微电子技术的发展，称重计量控制系统的发展经历了人工手动控制、机械电气控制、单片机控制、工业控制计算机集中控制等几个阶段1 。在第一阶段中，称重计量设备庞大，各设备之间互不联系，或联系甚少，由现场的操作人员决定是否要调整控制器。一个操作人员只能监视和操作一个至两个计量秤，并且手工记录称重的相关数据，在很大程度上产品的质量取决于操作员的熟练程度。在第二阶段，随着电子管、晶体管技术的飞速发展，逐渐出现了各种小型化的称重计量电动组合仪表。但电动组合仪表也存在着两大问题，一是电噪声的问题比较严重，为克服噪声，不得不采用极为复杂的电子线路；另一个问题由于称重计量系统所控对象所处环境通常都很特殊，要求无火花，可靠性高，因此，该方法影响了生产的进一步发展。单片机计量系统是在大规模集成芯片技术成熟的基础上应运而生的。单片机计量系统较之前两种计量系统设计电路复杂程度及成本都降低了，而可靠性大大的得到提高，满足了用户实用性的要求。同时随着我国经济的发展，工业生产规模的扩大，计算机技术的迅猛发展，基于s t d 总线或p c 总线的工业控制计算机提上了日程，并且迅速地在中国形成热潮，主要是因为工业控制计算机可靠性高，小板结构，组成系统功能灵活，组态方便，具有小型化、模块化、组一3 一四ji 】大学硕士学位论文合化、标准化的特点”“。随着工业控制计算机的广泛应用，基于工控机的计量系统也出现在工业场合。这种计量系统大多采用集中控制方式，计算机除具有工艺流程控制、工况实时显示、提供数据存储、报表打印等功能外，还要完成对各对象的直接控制和数据采集任务。比较单片机计量系统和工控机集中式计量系统，工控机计量系统较单片机计量系统整体结构简单，人机界面更加美观，交互功能更加强大，设计和调试难度相对降低。但是由于计量生产现场往往距控制室较远，传输信号又受到强干扰等，所以必须采取较完善的屏蔽抗干扰措施才能保证系统的稳定运行。集中控制对主机及其测控电路要求较高，整个系统的通用性和灵活性较差，成本较高，而且系统整体风险大，一一旦计算机出现故障，将造成整个系统瘫痪，影响生产正常进行。1 2 3 从计量系统称重方式分析现状目前，工业上使用的电子秤主要有连续计量秤与间断计量秤两种形式。电子皮带秤是连续计量秤的代表，其优点是在线动态计量，不影响生产，有利于大规模的物料计量与生产：其缺点是设备装置庞大、机构复杂、安装调试困难、价格昂贵( 一套设备的价格达几十万人民币) 、精度低( 目前国内只能达到1 ) 。另一方面，间断供料秤的特点是机构简单、安装调试方便、价格低廉( 一套几万元) 、精度较高( 可达十万分之几) ；其主要缺点是对大规模的计量、生产带来一点的影响“”。早在7 0 年代，我国就从日本、德国、丹麦、美国、荷兰等国家引进了计量给料秤和连续给料秤制造技术，大大地促进了国内电子秤的发展“。目前，无论是品种还是技术性能基本上能满足工业生产的需要。但是，一方面国产的工业电子秤的稳定性、可靠性差，功能不够完善，品种规格较少，标准化、系统配套化水平低。另一方面，绝大多数卷烟厂管理和技术水平有待提高，生产工艺装备有待改造升级。针对我国烟草生产工艺的具体情况，烟丝计量秤的发展方向还是以计量秤的结构简单，操作和维修方便，计量准确且范围宽，应用场合广、稳定可靠、经久耐用为原则。- 4 一四川大学硕士学位论文1 3 课题的来源和研究内容去年，烟草行业承担了国家8 6 3 计划烟草行业现代集成制造系统( c i m s ) 项目。该项目按照现代集成制造系统的思想、技术进行行业信息化建设，主要是整合现有的信息资源、网络资源，提高整体应用水平，实现部分或主要业务的集成应用1 。其目标是建立全厂( 广义指全行业) 的包括经营决策、管理信息、生产调度、监督控制和直接控制在内的管理及控制全部生产活动的综合自动化系统“”。把全厂的经营管理和生产活动有关的信息集成起来，实现决策、管理和控制各功能的一体化，实现生产管理的全局优化，最大限度的达到提高生产效率的目的。为了解决现有烟丝自动计量系统中的一些问题，以便找到种更好的检测控制方法，以四1 j 某卷烟厂卷包车间现有的九条生产线( 卷烟机组1 为背景，对烟丝自动计量系统进行研究和开发。项目研究内容主要包括：( 1 ) 烟丝自动计量系统方案论证和可行性分析；( 2 ) 烟丝自动计量系统数学模型的建立与验证；( 3 ) 烟丝自动计量系统总体方案的规划与设计；( 4 ) 烟丝自动计量系统传感器、电子电器元件的选用：( 5 ) 烟丝自动计量系统控制部分的电子电路设计与制作；( 6 ) 烟丝自动计量系统机械本体与执行机构设计：( 7 ) 烟丝自动计量系统软件的编写和调试；( 8 ) 烟丝自动计量系统现场安装和调试。基于上述情况，根据信息处理与控制器技术、网络技术、通信技术的应用情况，提出了烟丝计量集散控制方式。它是由一台主机和多台从机组成，各个部分通过网络联结起来，主机不参与被控对象的直接控制，而是将控制任务交给各个从机完成。即每台计量秤可视为一个独立的生产单元，用单片机就地对一生产线( 机台组) 实施测量与控制。若干台控制器( 从机) 经数字通信接口联网，并且与工业控制计算机( 主机)相连，从而组成集散式烟丝自动计量系统。这不仅大大简化线路结构，便于系统制造与安装维护，显著提高系统的性能价格比和组成灵活性，一5 一四川大学硕士学位论文同时使计量系统整体故障风险分散，数据管理与过程控制分离，人机接口更加完善，满足了企业管理人员远离控制现场实时监视整个计量系统工作情况的需求，进一步提高了计量系统的可靠性。该烟丝自动计量系统融合了结构优化设计技术、气压传动技术、计算机技术、现代传感器技术、自动控制技术、电子及信息处理技术于一体的机电测试、计量、控制集成系统“。因而，本论文以机电一体化的观点对该自动计量系统予以论述，始终以计量系统精度的提高为主线，以单条生产线( 卷烟机组) 烟丝自动计量系统的机械( 机构结构)本体、能源、传感器、信息处理与控制器、驱动与执行装置五部分“为核心，主要内容包括烟丝自动计量系统的结构设计与烟丝计量控制系统的设计，对信息处理与控制部分的控制数学模型的建立，控制算法的确定，数据采集信号的处理以及计量精度的分析与提高的解决措施等方面予以重点论述。四川太学硕士学位论文2 烟丝自动计量系统的总体结构方案设计2 1 方案确定的现实基础根据工厂现有的各种情况，既要尽可能地利用现有的机械设备与保持现有的生产工艺，又要较精确地计量进入各卷烟生产线的烟丝供给量，综合考虑其他各种因素，摈弃了单纯的烟丝称重计量系统设计的老思路，在这一领域创造性的提出将计量与设备的改造相结合的新，来料lfr二：j 鳖必蕊爵! 壁、一七臻巷器毒辨量图2 - 1 称重计量系统的整体构造原理图思路，确定在落料器与卷烟机之间的某一部位对烟丝进行计量“。打破了不能在吸丝盘与卷烟机之间对烟丝计量的断言。由于烟丝是源源不断地供给，为了计量的精确，必须将烟丝的动态计量转化为静态计量，要完成这一意图，在时间与空间上都有一定的要求。根据目前实际的生产情况，每2 0 秒放料一次，加之设备的空间布局允许我们可以将落料器向上移动1 米左右的距离，这些条件正好满足在时间、空间方面的需求“。以往的许多测试计量控制系统很少考虑来自机械部分的机械谐振对测试计量控制系统的精度影响，在该方案中我们予以足够重视，采取了一系列隔振、减振措施，由于该问题在本系统的重要性，在后面的章节将进步说明。这一设计新思路的突破，使此套称重计量系统的可行性、实用性得以充分的体现：将来自分丝盘的烟丝进行高速、精确、实时、在线计量，并将烟丝连续送往下一道卷烟工序。其整体构造及工作原理如图2 1 所示。四川i 大学硕士学位沦文2 2 方案确定的理论基础2 2 1 烟丝自动计量系统类型比较随着计算机技术的发展，计算机芯片技术水平的提高，称重计量系统构成的随意性不断加大。目前可以按照各种测量、控制功能要求，构成各种类型的烟丝计量应用系统。按照硬件系统的组合形式，烟丝自动计量系统的构成，主要有两种类型：。( 一) 工业控制计算机计量系统这种系统的计算机部分是通用计算机系统，即利用通用计算机的扩展槽或扩展区，采用系统硬件模板，如a d 板、d a 板、1 1 0 扩展板等测、控功能板，与通用计算机构成一个用于完成预定测、控功能的计量系统。这种工业控制计算机计量系统特点是1 ：( 1 ) 该系统采用计算机集中控制方式，在这种控制系统中，计算机不但完成操作处理，更主要是可直接根据给定值、过程变量和过程中其他测定值，通过一定的算法运算，控制执行机构的运动及位置。( 2 ) 系统有较强的软、硬件支持。利用通用计算机系统的软、硬件资源来支持计量系统进行工作。( 3 ) 具有自开发能力。计量系统功能模板均由通用计算机的c p u 控制。通用计算机具有较强的操作系统及人机对话功能，可用来编制、调试计量系统的应用软件。( 4 ) 系统的软、硬件的应用配置比较小。所谓的应用，配置比是指为满足应用系统功能要求所必须的软、硬件设置与系统实际具有的软、硬件规模之比。该比值愈小，系统成本愈高，但二次开发时，软、硬件的扩展能力较好。( 5 ) e h 于采用集中控制方式，所有的控制回路都由一台计算机控制，当功能增多。系统响应时间受到影响。同时，一旦某一控制回路出现问题，将导致整个控制系统的瘫痪。( 二) 单片机计量系统随着集成芯片技术的不断提高，特别是高档8 位单片机出现后，一r 一四川大学硕士学位论文用单片机设计专用计算机应用系统的趋势越来越盛。单片机计量系统是一种用单片计算机及其外围芯片构成的计量系统。用单片机构成的专用计算机应用系统，具有下列特点“”：( 1 ) 该系统不具有自开发能力。因此，系统的软、硬件开发必须借助于开发工具，系统调试困难；( 2 ) 系统的硬件、软件的设计与配置规模都是以满足计量系统功能要求为原则，因此，系统的软、硬件应用配置比接近于1 ，具有最佳的性能价格比。( 3 ) 由于单片机本身就具有小巧、功耗低、系统实时控制功能强。( 4 ) 系统人机界面差，不适用于大规模数据的管理，后期处理。( 5 ) 仍然存在集中控制的弊病。2 2 2 集散控制在烟丝自动计量系统中应用的确定通过上节单片机计量系统和工业控制计算机计量系统性能的比较，我们发现目前单片机计量系统和工业控制计算机计量系统都存在集中控制的缺点，同时各具优点。计量系统各回路都用一台计算机或专用单片机系统控制，控制风险很大，一旦系统出现故障，整个生产就无法进行。为了降低系统故障带来的风险，同时充分利用当前工业控制计算机和单片机的优点，我们提出了基于集散控制系统( d c s ) 的烟丝计量控制系统。集散控制系统是计算机系统、通信系统、控制论、信息论与自动化、系统工程结合的产物。它是可靠性互相促进、互相渗透、综合发展的最好、最高的典范。它自7 0 年代问世以来，发展异常迅速，它的应用已遍及许多工业部门。计算机、微型计算机以及信息处理与控制器是集散控制系统的主体和核心“。集散控制系统的发展经历了计算机集中控制系统、计算机和模拟仪表混合控制系统、计算机监视控制系统几个阶段后，随着生产过程日趋复杂，大规模集成芯片集成度越来越高，信息处理与控制器成本大幅度降低并大量地涌入市场，分散化的思想日益成熟。集散控制系统应运而生“”2 ”。集散控制系统的特点是更完整的体现了分散化和分- 9 -四j i ；大学硕士学位论文层化的思想。该系统将计算机集中控制系统( d d c ) 彻底分散：一个回路由个信息处理与控制器控制。充分发挥信息处理与控制器效用，由当初的多回路变为单回路，这样设备上的分散使故障产生的危险性也就分散了，再附之以冗余措施，可以得到高可靠性的系统。这一点是集散控制系统的根本所在。同时由于人们不仅关心单纯的过程控制及生产自动化方面，而更多把注意力转向工厂的生产效率、能源消耗以及利润指标等信息管理方面来，把生产过程的监控与科学化的企业管理结合起来，是集散控制系统无论从结构、性能、还是应用功能上都达到了很高的水平。综上所述，把集散控制系统的设计原则运用于烟丝计量控制系统是提高烟丝计量可靠性，提高企业管理信息化的最优选择。2 3 系统概述及功能要求2 3 1 烟丝自动计量系统总体系统结构框图根据集散控制系统的基础理论，并总结现有各类称重计量系统的优、缺点，将计算机与单片机技术相结合，设计开发研制出具有集散控制结构的烟丝自动计量系统。该系统的结构框图如图2 2 所示：基于d c s 的烟丝自动计量系统结构如图2 2 所示，一级( 俗称上位机)由工业计算机a d v a n t e c h 6 1 0组成，包括键盘、显示器、打印机等外设以及与下位机通讯图2 - 2 基于d c s 的烟丝自动计量系统的结构框图的r s 2 3 2 c 通讯接口；二级( 俗称下位机) 是由a t 8 9 s 5 2 芯片c p u 为核心构成的控制单元，每台下位机独立控制一生产线( 卷烟机台组) 的烟丝计量。上位机为用户提供一个友好的人机界面，监视和控制各下位机的运行情况，对数据一1 0 一四川i 大学硕士学位论文进行保存、备份、分析，并根据实际需求进行数据统计、报表打印等事务处理，同时，实现系统超常报警和系统帮助等功能”“。并设计了网络扩展接口，以备工厂以后通过局域网络( l a n ) 向综合信息管理级升级。2 3 2 烟丝自动计量系统的工作原理及工艺过程概述该系统采用间歇式的静态称重原理，即每一循环周期完成吸丝、放料、储料、称重、下料、再吸丝的过程。这种称重计量采用断续进料、断续出料的间歇式静态计量的工作方式，不仅在一定程度上克服了给料冲击、皮重不均、零点漂移的影响”“，而且完全满足生产线( 卷烟机台组) 的生产节奏。在整套系统运行初期，首先进行校秤。校秤在计量系统中具有重要的作用。校秤直接影响到计量的精度。其次设定参数。根据工艺不同，参数的设定有所不同，但主要是卷烟机台时产量与流量的设定。当参数设定好后，启动系统。系统运行时，烟丝经由吸丝管道进入烟丝供料系统的落料器( 我们称之为供料箱) ，通过对吸入烟丝的控制和供料箱内的两只光电传感器的位置确定大致6 k g 左右的烟丝，当计量控制器发出计量的请求后，打开供料门将烟丝放入称重箱内”，待烟丝完全放入后缓冲一定时间才开始称量。通过称重计量系统的一系列的处理得到烟丝的精确重量并储存，当控制器发出放料请求后，打开称重箱的放料门将烟丝放入储料箱( 即原烟丝供料系统的计量箱) 。当控制器检测图2 - 3 计量工艺流程圈至4 称重箱的烟丝排空的信号后，关闭称重箱的放料门，打开供料门投入烟丝，开始新一轮的烟丝称重计量“”，如图2 3 所示。2 3 3 烟丝自动计量系统的要求1 ) 工艺要求四j i i 大学硕士学位论文为了保证良好的称重计量效果，在设计和使用中，对计量系统的工艺要求是：a 具有良好的稳定性能，实现快速、准确的称量。b 在保证称重精度的前提下，应当结构简单、使用可靠、维修方便。c 具有较好的适应性，不但能够适应多品种的变化，而且能够适应环境及工艺形式的不同要求。2 ) 功能要求通过吸收现有称重计量系统的经验，结合实际，提出本烟丝自动计量系统的一些重要的功能要求：a ( 1 ) 数据显示上位机主画面分为二部分：实时模拟各生产线的生产状态；实时显示每个通道的称重量等相关的计量数据及有关操作提示。( 2 ) 数据存储及备份修复建立数据库对采集到的数据进行存储。数据库容量要求至少能够连续存储一年的数据。同时为了防止数据库数据由于某些原因丢失及损坏，须具备数据库备份修复功能。( 3 ) 人机功能i 建立软件校秤的参数设置窗口。i i 查询分为报警信息查询和数据查询。查询条件可分为小时、日、旬、月、班次、通道号等。查询做到准确、快速。i i i 建立各生产线( 卷烟机台组) 产量与流蟹等参数的设置窗口。( 4 ) 打印功能打印希望时间内，希望班次的任意机台的生产相关数据。( 5 ) 报警功能若该系统出现漂移时及时在显示画诼上出现报警信号及校秤提示框；若出现断料、过料、漏料等非正常情况的报警。( 6 ) 保密设施对称重计量的数据进行加密保护，由专人管理，同时留有更改密一1 2 一四川大学硕士学位论文码的功能。( 7 ) 交班目志实行全天不停机生产，为了使各个工作班了解上一次工作班工作过程中所出现的情况，从而加以注意及预防，设定交班日志。( 8 ) 通讯功能上下位机之间可以随时交换数据及命令。b a ) 与烟丝供料系统、卷烟机控制系统的集成；b ) 故障分类报警；c ) 手动、自动切换；d ) 计量通道数据及相关状态显示；e ) 重要数据掉电保护；f ) 上下位机通讯接口；g ) 计量相关量( 各通道产量、称重周期等) 输入；h ) 计量相关量( 各通道实际单次重量、故障编码等) 的输出。c 上位机留有网络接口，以各工厂以后通过局域网络( l a n ) 向综合信息管理级升级，进行网络化管理。四j i i 大学硕士学位论文3 烟丝自动计量系统称重精度提高的研究3 1 提高称重精度的控制算法研究3 1 1 烟丝计量工艺过程影响因素称重计量系统的主要设备是给料器和计量秤。进料量通过落料器的容积大小来决定，由信息处理与控制器来自适应控制。本系统采用间歇式的静态称重原理，即变动态称量为静态称量过程，其计量过程为：烟丝自吸丝管道负压吸入落料器中，由落料器中的光电传感器确定吸入烟丝的大概容积量，当信息处理与控制器发出计量请求后，烟丝从落料器中放入称重箱中，待称重箱的振动与抖动减至一定程度开始称重计量，当称重完毕，并且信息处理与控制器收到放料请求后将烟丝放出称重箱，再迸入下一周期烟丝计量。烟丝计量的关键是对烟丝称量过程的控制，由上述计量过程可看出虽然给料器出1 ：3 与料斗内物料表面有一段距离，理论上讲，存在落料误差，但是在烟丝计量时总是待烟丝完全落入称重箱并且称重箱的振动与抖动减至定程度开始称重计量，因而克服了进料落差。同时物料性质的变化、进料的冲击、给料系统的振动或旋转惯性等因素也是影响最终称重计量精确度的直接原因。所以计量精度的提高涉及到计量系统的隔振与减振，控制与抗干扰、整体布局与结构设计等方方面面，在后面的章节中专门讨论该问题。3 1 2 根据计量工艺过程建立数学模型本系统以现场的现有给料系统为例，烟丝通过吸丝管道吸入，其数学模型相似与流体流量的数学模型。流体的流量是指在短时间内流过某一流通截面的流体数量与通过时间之比，该时间足够短以至认为在此期间的流动是稳定的，此流量又称瞬时流量，流体数量以体积表示称为体积流量，流体数量以质量表示称为质量流量。”。由于在本系统的供料分系统中吸丝管道内的流体是烟丝与空气的一1 4 四川大学硕士学位论文混合物( 在本小节中简称为计量流体) ，分析时对其复杂情况加以简化，在使用纯流体公式时用一充满系数巾加以修正。其数学模型如下妇“：假设该计量流体为不可压缩的理想流体，在节流件上游入口出流体速度为。，静压为pj ，密度为p 。在最小收缩截面处的流体流速为v 。，静压为p i ，密度为p j 。可以列出吸丝管道的能量方程式和连续性方程式：旦+ 苴：堕+ 堕f 3 1 1p l2p 22、。a v l p l = 4 v 2 p 2( 3 - 2 )式中a 为吸丝管道截面积；ao 为最小收缩截面面积。由于节流件很短，可以假定流体密度不变，即p ，= pe = p ；用节流件开孔面积代替a 。，a 。= g r d e l 4 ；并引入口值表示开孔直径d 与管道直径d之比；声= d d ：由式( 3 1 ) 和式( 3 2 ) 可以求出流体流经孔扳时的平均流速仉：。：焉、三o 、(3-3)-p2)也2 了而、石根据流量的定义，流量与差压a p = p rp 。之间的关系式为：流体的体积流量旷饥2 赤历吧) 2 南萨m 。，流体的质量流量舻a o v 2 p = 寿嗣2 南厕( 3 5 )在实际计算过程中，由于用节流件的开孔面积代替最小收缩截面，p 有不同的取压位置等因素的影响，必然造成测量偏差。为此引入流量系数a ，最后推导出的流量方程式为：