嵌入式IPC在超高速卷煙機(jī)上的應(yīng)用

劉斌

摘要：針對當(dāng)前國內(nèi)采用“PLC+高速處理板卡”控制模式的卷煙機(jī)穩(wěn)定性差的問題，提出了一種基于嵌入式IPC控制模式的電控系統(tǒng)架構(gòu)，并將其應(yīng)用到超高速卷煙機(jī)上。該系統(tǒng)將PLC邏輯控制與高速信號處理算法集成于同一平臺， 并利用Ethernet總線控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)外圍子站的組態(tài)。試驗機(jī)經(jīng)過近半年的測試，其利用率、效率、廢品率及停機(jī)次數(shù)等指標(biāo)均有明顯改善，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：嵌入式IPC；超高速卷煙機(jī)；穩(wěn)定性

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）05-0186-02

Abstract： In order to solve the stability problem caused by the old control framework of Cigarette maker based on “PLC and high speed processing card”， a new control framework based on embedded IPC control mode is proposed. Now， it is utilized in superspeed cigarette maker. In this control mode， the PLC logical control and high-speed signal processing algorithm are integrated into the same platform. All sub-stations are configured together by Ethernet bus. After nearly a half year testing， the utilization rate， efficiency， scrap rate and shutdown times were significantly improved. Thus， the stability and efficiency of the cigarette machine are improved.

Key words： embedded IPC； superspeed cigarette maker； stability

1 概述

國產(chǎn)卷煙機(jī)大都采用PLC作為電控系統(tǒng)的核心，其控制平臺的實(shí)時性比較差，一般只能處理10 ms以上的控制任務(wù)，隨著高速、超高速卷煙機(jī)的發(fā)展，系統(tǒng)的一些高速I/O掃描時間要求越來越快，現(xiàn)已達(dá)到μs級別，因此單純的PLC控制無法滿足要求[1]。為了解決此問題，上個世紀(jì)九十年代以來，卷煙機(jī)的控制系統(tǒng)開始采用 “PLC+高速處理板卡”的控制模式，此方案將以單片機(jī)作為主控制器的高速處理板卡通過PLC的擴(kuò)展接口實(shí)現(xiàn)對接，并利用單片機(jī)內(nèi)部中斷方式完成高速信號的處理[2]。然而隨著卷煙機(jī)自動化及智能化的提高，越來越多的檢測系統(tǒng)和執(zhí)行設(shè)備通過板卡+總線的方式并入系統(tǒng)，由于缺少滿足實(shí)時性的統(tǒng)一平臺，勢必產(chǎn)生數(shù)據(jù)交互混亂及平臺之間兼容的問題，影響了整個機(jī)器的穩(wěn)定性。

近年來，基于嵌入式操作系統(tǒng)的工業(yè)計算機(jī)控制 （Industrial Personal Computer，IPC）以其掃描周期快、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛地應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域[3]?；诖耍岢隽艘环N基于嵌入式IPC控制模式的電控系統(tǒng)架構(gòu)，并將其應(yīng)用到超高速卷煙機(jī)上。該系統(tǒng)將PLC邏輯控制與高速信號處理算法集成于同一平臺， 并利用Ethernet總線控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)外圍子站的組態(tài)。經(jīng)過近半年的測試，其利用率、效率、廢品率及停機(jī)次數(shù)等指標(biāo)均有明顯改善，大大提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。

2 基于嵌入式IPC的超高速卷煙機(jī)電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 傳統(tǒng)卷煙機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

圖1為基于“PLC+高速處理板卡”的卷煙機(jī)電控系統(tǒng)解決方案拓?fù)鋱D，系統(tǒng)采用雙總線架構(gòu)。外部煙支質(zhì)量檢測板卡、重量控制板卡及生產(chǎn)線計算機(jī)（Making Line Processor，MLP）通過CAN總線與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

該硬件架構(gòu)的缺點(diǎn)是煙支質(zhì)量檢測系統(tǒng)、重量控制系統(tǒng)及MLP均獨(dú)立于電控系統(tǒng)，主要使用電路板控制方式，相互之間通過接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，導(dǎo)致電氣控制復(fù)雜，系統(tǒng)維護(hù)不便、維護(hù)成本高等問題。此外，控制系統(tǒng)的分散性造成了質(zhì)量控制的標(biāo)準(zhǔn)化無法進(jìn)行；控制電路器件的離散性造成了數(shù)據(jù)采集和判據(jù)的離散性，降低了準(zhǔn)確性和難以標(biāo)準(zhǔn)化。

2.2 基于IPC的卷煙機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

圖2為基于嵌入式IPC平臺的超高速卷煙機(jī)電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，為兼容各種子系統(tǒng)，框圖架構(gòu)主要包含2條總線，即DP總線和E_BUS總線，總線之間采用總線疊加技術(shù)。E_BUS總線基于TCP/IP協(xié)議，通訊速度快，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，同時方便擴(kuò)展與訪問。其中伺服驅(qū)動器、安全系統(tǒng)、閥島及各分布式I/O通過PROFIBUS-DP總線連接至不同的DP主站，DP主站匯總各子站的數(shù)據(jù)及煙支質(zhì)量檢測傳感器、高速I/O、智能傳感器通過E-BUS總線[4]與IPC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。MLP通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)端口與IPC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)中IPC作為電控系統(tǒng)的統(tǒng)一控制平臺，采用極速控制（eXtreme Fast Control，XFC ）技術(shù)的超采樣模板實(shí)現(xiàn)高速信號的輸入輸出[5]，通過總線讀取各傳感器信號，所有信號經(jīng)過IPC統(tǒng)一處理后將輸出信號通過總線傳送至各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

相較于傳統(tǒng)卷煙機(jī)架構(gòu)，基于嵌入式IPC平臺的超高速卷煙機(jī)電控系統(tǒng)具有平臺統(tǒng)一，接口統(tǒng)一的特點(diǎn)。同時統(tǒng)一的平臺和接口極大的提高了設(shè)備穩(wěn)定性和易維護(hù)性。

2.3 主要器件選型

IPC平臺選用BECKOFF公司的第二代嵌入式控制器CX2030，采用了多核多核處理器，內(nèi)部集成了雙核1.5 GHz Intel? Core? i7 CPU，控制器性能達(dá)到工業(yè)PC級別。軟件平臺上運(yùn)行定制版Windows 7操作系統(tǒng)。

DP主站采用BECKOFF公司的EL6731，該模板的功能類似于PROFIBUS PCI接口卡，在EtherCAT端子模塊組態(tài)中，可以通過該端子模塊集成任何PROFIBUS設(shè)備。方案中為簡化故障查詢時間，降低DP網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，依據(jù)子站位置和功能分別構(gòu)建了4個DP子網(wǎng)絡(luò)，其中卷煙機(jī)供絲、卷煙、卷接部分各一個，現(xiàn)場總線智能傳感器和煙支質(zhì)量檢測傳感器各一個。

2.4 軟件架構(gòu)

由于將所有相關(guān)控制算法全都集成到嵌入式IPC統(tǒng)一平臺上，為保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作，所有任務(wù)必須嚴(yán)格按照時間劃分。整個系統(tǒng)分為100ms、10ms和1ms三種任務(wù)，其中：

（1）100ms任務(wù)：處理MLP消息狀態(tài)更新及高速閥點(diǎn)火時間設(shè)定兩項任務(wù)；

（2）10ms任務(wù)：處理卷煙機(jī)常規(guī)的邏輯控制、高速信號處理初始化、系統(tǒng)參數(shù)更新、停機(jī)處理以及DP總線故障診斷等任務(wù)；

（3）1ms任務(wù)：處理“PLC+高速處理板卡”方案中高速信號處理任務(wù)，含檢測系統(tǒng)DCP80信號發(fā)生器、DCP（Double Clock Pulse，雙倍長煙支時鐘脈沖）相關(guān)傳感器信號更新、處理及輸出等任務(wù)。

3 基于嵌入式IPC的超高速卷煙機(jī)測試效果

基于嵌入式IPC的超高速卷煙機(jī)電控平臺采用了德國BECKOFF公司的嵌入式控制器CX1030，機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)自PROTOS機(jī)型中的ZJ116卷接機(jī)，卷接速度為14000支/min。

經(jīng)過連續(xù)48小時6個班的運(yùn)行，試驗機(jī)的利用率、效率、停機(jī)次數(shù)及廢品率分別為92%、94%、8、0.76%，與目前國內(nèi)普遍使用的兩款經(jīng)典卷煙機(jī)型ZJ112與ZJ116對比[3]，四項主要指標(biāo)均有了明顯的改善。

4 結(jié)論

嵌入式IPC統(tǒng)一平臺在超高速卷煙機(jī)電控系統(tǒng)中的應(yīng)用效果進(jìn)一步驗證了嵌入式IPC統(tǒng)一平臺在系統(tǒng)穩(wěn)定性及生產(chǎn)效率方面的優(yōu)勢，這將為國家局超高速卷接包機(jī)組重大專項工作的順利進(jìn)展提供借鑒[6]。

參考文獻(xiàn)：

[1] 文德明， 周奇峰. 嵌入式IPC在新型卷煙機(jī)上的應(yīng)用. 微計算機(jī)信息[J]. 2011， 27（6）： 110-112.

[2] 王暉. 基于嵌入式IPC的卷煙機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計[J] .湖南文理學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，27（2）：91-94.

[3] 李青云.嵌入式IPC在卷煙機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用[J] . 電子技術(shù)與軟件工程，2015（23）：204-204.

[4] 德國倍福電氣有限責(zé)任公司. EtherCAT-工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線[R] .北京.2014.

[5] 洪杰. 超采樣技術(shù)在煙支漏氣檢測中的應(yīng)用[J] .湖南文理學(xué)院學(xué)報，2011，23（4）：87-92.

[6] 國家煙草專賣局.《煙草行業(yè)中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》.會議文件[R].北京， 2006.