王暉

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基于嵌入式IPC的卷煙機電控系統(tǒng)設(shè)計

王暉

(常德煙草機械有限責任公司研究所, 湖南常德, 415000)

國內(nèi)卷煙機電控系統(tǒng)大部分采用“PLC+高速處理板卡”架構(gòu), 為了解決該架構(gòu)穩(wěn)定性較差的問題, 提出了一種基于嵌入式IPC控制的電控系統(tǒng)架構(gòu)。新架構(gòu)基于嵌入式IPC高速、高性能的特點, 將PLC邏輯控制與高速信號處理算法集成于同一平臺, 利用Ethernet總線控制技術(shù)實現(xiàn)外圍子站的組態(tài), 從而解決原有多平臺架構(gòu)因兼容性差帶來的穩(wěn)定性問題。測試結(jié)果表明: 新架構(gòu)很好地解決了因多平臺導致的故障誤檢誤報、系統(tǒng)停機等問題, 提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。

IPC; 卷煙機; 煙支脈沖; 煙支檢測

目前國內(nèi)卷煙機電控平臺大部分都是基于西門子可編程邏輯控制器(PLC), 其平臺在實時性方面存在固有的缺陷, 以ZJ112上采用的SIEMENS S7-400控制器為例, 其任務(wù)周期約為10 ms, 而系統(tǒng)某些高速I/O掃描時間要求μs級別, 因此純PLC平臺無法實現(xiàn)[1]。上世紀90年代, 國外卷煙機生產(chǎn)企業(yè)提出“PLC+高速處理板卡”的解決方案, 該方案以PLC的擴展接口為基礎(chǔ), 設(shè)計了以單片機作為主控制器的高速處理板卡。該板卡利用單片機內(nèi)部中斷方式完成高速信號的處理, 能夠解決系統(tǒng)的實時性問題。但是隨著時間的推移, 卷煙機自動化、智能化要求的提高, 大量的智能檢測及執(zhí)行設(shè)備以板卡+總線的方式并入系統(tǒng), 由于缺少滿足實時性的統(tǒng)一平臺, 導致整個系統(tǒng)繁雜、處理方法標準不一、維護不便、檢修周期長等問題的產(chǎn)生, 此時“PLC+高速處理板卡”解決方案由于數(shù)據(jù)交互及多平臺兼容等原因引發(fā)的穩(wěn)定性問題越來越突出。目前國內(nèi)卷煙機主流產(chǎn)品ZJ17/112/116均采用此種解決方案。進入新世紀, 國外工控領(lǐng)域出現(xiàn)了基于嵌入式操作系統(tǒng)的工業(yè)計算機控制平臺(Industrial PC, IPC), 該平臺完美解決了PLC實時性差的固有缺陷, 其任務(wù)掃描周期達到了μs級, 完全可以滿足卷煙機高速信號處理要求。這類平臺中以德國BECKOFF公司的解決方案最為完善。BECKOFF公司解決方案涵蓋控制、供電、I/O接口、通信等方面, 其內(nèi)部模塊之間的通信均采用EtherCAT總線技術(shù), 該總線基于TCP/IP技術(shù), 相較于PROFIBUS–DP總線而言具備通信速度快、硬件接口簡單可靠等優(yōu)勢。同時BECKOFF嵌入式IPC編程標準也與西門子PLC一致, 便于軟件的平臺轉(zhuǎn)換。

基于上述IPC平臺的特點, 提出了基于嵌入式IPC控制的卷煙機電控系統(tǒng)解決方案。該方案將PLC執(zhí)行的普通邏輯控制任務(wù)與HIP卡上高速信號處理任務(wù)通過軟件任務(wù)再分配融合到IPC電控平臺, 實現(xiàn)無縫對接, 以達到解決系統(tǒng)因平臺不統(tǒng)一導致穩(wěn)定性差的目的。同時由于IPC的擴展性能突出, 該解決方案還具備很好的擴展性, 通過程序預(yù)留接口以及EtherCAT總線技術(shù)可以實現(xiàn)煙支質(zhì)量檢測等軟件處理任務(wù)的遷移, 從而達到平臺通用的目的。

1 “PLC+高速處理板卡”解決方案

1.1 方案硬件架構(gòu)

圖1為基于“PLC+高速處理板卡”的卷煙機電控系統(tǒng)解決方案拓撲圖。高速處理板卡讀入外部高速傳感器信號并處理, 其結(jié)果放入自帶的雙端口RAM中供PLC讀取。PLC輸出高速信號時, 同樣將結(jié)果放入雙端口RAM中, 經(jīng)高速板卡處理后輸出至執(zhí)行機構(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(Making Line Processor, MLP)通過CAN總線與PLC進行數(shù)據(jù)交換。另外, PLC通過自帶的PROFIBUS-DP總線對各子站(如WAGO模塊、閥島、伺服驅(qū)動等外設(shè))進行控制。

圖1 “PLC+高速處理板卡”的卷煙機電控系統(tǒng)拓撲

1.2 方案缺陷及產(chǎn)生機理

從圖1中的架構(gòu)方案可知, 高速處理系統(tǒng)、煙支質(zhì)量檢測系統(tǒng)、重量控制系統(tǒng)及MLP均獨立于電控系統(tǒng), 主要使用電路板控制方式, 相互之間通過接口進行數(shù)據(jù)交換, 導致電氣控制復(fù)雜, 系統(tǒng)維護不便, 檢修周期長, 維護成本高等問題。此外, 控制系統(tǒng)的分散性造成了質(zhì)量控制的標準化無法進行, 并且該機組的控制以PLC 為核心, 主要強調(diào)的是其控制功能, 而在系統(tǒng)的分析和計算功能上存在巨大的欠缺。因此, 隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的提高, 基于IPC統(tǒng)一平臺的解決方案是解決以上問題的必然選擇。

2 嵌入式IPC統(tǒng)一平臺解決方案

2.1 方案架構(gòu)

圖2為基于嵌入式IPC平臺的卷煙機電控系統(tǒng)解決方案拓撲圖, 煙支質(zhì)量檢測傳感器、重量控制傳感器、伺服驅(qū)動器、安全系統(tǒng)、閥島及各普通I/O通過PROFIBUS-DP總線連接至不同的DP主站, DP主站匯總各子站數(shù)據(jù)后, 利用E-BUS總線[2]與IPC進行數(shù)據(jù)交換。MLP通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)端口與IPC進行數(shù)據(jù)交換, 其中IPC作為電控系統(tǒng)統(tǒng)一控制平臺, 通過總線讀取各傳感器信號, 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)行機構(gòu)。

圖2 嵌入式IPC平臺的卷煙機電控系統(tǒng)拓撲

IPC統(tǒng)一平臺取消了高速處理板卡, 為實現(xiàn)高速信號輸入輸出, 方案采用一種極速控制(eXtreme Fast Control, XFC )技術(shù)的超采樣模板。XFC 基于高效的控制和通訊架構(gòu), 包括高性能工業(yè) PC、帶有實時特性的超高速 I/O 端子模塊、E-BUS總線和 TwinCAT 自動化軟件。該模板不僅可以縮短采樣周期, 而且還可以提高時間精度和分辨率, 因此利用此模塊可在任務(wù)周期較長的情況下實現(xiàn)高速信號精確輸入輸出, 而不會對中央智能化和相關(guān)的高性能算法產(chǎn)生任何影響。

2.2 主要器件選型

IPC平臺選用BECKOFF公司的CX系列嵌入式控制器CX1030, 其內(nèi)部集成了1.8 GHz Intel?Pentium?M CPU。除了 CPU 和芯片組之外, CX1030 模塊內(nèi)還包含型號可選的主內(nèi)存, 標配為256 MB的DDR RAM, 它可擴展為 512 MB 或 1 GB?；贗ntel的CPU, 平臺上運行操作系統(tǒng)為Windows CE。

2.3 軟件架構(gòu)

基于IPC平臺的方案中取消了高速信號處理以及重量控制電路板卡, 因此必須將相關(guān)控制算法集成到IPC平臺上, 以實現(xiàn)平臺統(tǒng)一的目的, 為此, 針對新平臺必須設(shè)計出新的軟件架構(gòu)。該軟件架構(gòu)具備以下特點。

任務(wù)嚴格按照時間劃分。圖3為嵌入式IPC平臺的卷煙機電控系統(tǒng)軟件架構(gòu), 軟件架構(gòu)嚴格按照任務(wù)周期進行分配, 分別為100, 10, 4和1 ms任務(wù)。100 ms任務(wù)含MLP消息狀態(tài)更新任務(wù)以及高速閥點火時間設(shè)定任務(wù); 10 ms任務(wù)含卷煙機常規(guī)邏輯控制、參數(shù)更新、高速信號處理初始化、停機處理以及DP總線故障診斷等任務(wù); 1 ms任務(wù)主要實現(xiàn) “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)。

圖3 嵌入式IPC平臺的卷煙機電控系統(tǒng)軟件架構(gòu)

高速信號DCP同步處理。為同步整個系統(tǒng), 并結(jié)合卷煙機特點, 程序采用DCP時鐘基準同步處理架構(gòu)。DCP產(chǎn)生依據(jù)固定在檢測輪上的絕對值軸編碼器輸出的0～360°信號, 經(jīng)過20°取模處理后產(chǎn)生DCP信號。其中0～9°為高電平, 對應(yīng)后排煙; 9～19°為低電平信號, 對應(yīng)前排煙。系統(tǒng)在DCP上升沿讀入傳感器信號, 完成數(shù)據(jù)與架構(gòu)的輪換更新, DCP下降沿時執(zhí)行高速信號處理任務(wù), 并將處理結(jié)果填至內(nèi)建的煙支信息庫中, 在到達對應(yīng)槽位后高速閥執(zhí)行對應(yīng)動作。高速處理模塊中內(nèi)建的煙支信息庫更新采用了“環(huán)形處理”方式, 即程序內(nèi)建了1個有512個成員的環(huán)形結(jié)構(gòu)體, 每個結(jié)構(gòu)成員記錄了對應(yīng)槽位中煙支狀態(tài)信息以及高速閥動作輸出信息, DCP上升沿時結(jié)構(gòu)指針向低位移動1次, 當指針移動到0位后, 指針指向511, 從而形成環(huán)形循環(huán)。相比于FIFO數(shù)據(jù)存儲方式, “環(huán)形處理”方式的好處在于歷史信息存儲可靠, 結(jié)構(gòu)明晰, 調(diào)用簡單。

煙支檢測系統(tǒng)接口模塊化。圖4為檢測輪結(jié)構(gòu)圖, 檢測輪含36個煙槽, 即可得出編碼器每轉(zhuǎn)動10°對應(yīng)一支單煙。檢測輪上安裝了HID(Hauni Inspection Drum, Hauni檢驗鼓系統(tǒng))、LES(Loose End Sensor, 端頭掃描器)以及OTIS(Optical Tip Cigarette Inspection System, 光學煙支檢測系統(tǒng))3大煙支檢測系統(tǒng), 其接口設(shè)計關(guān)系到不合格煙是否能夠被精確地剔除與取樣。為使接口設(shè)計得簡單可靠, 煙支檢測系統(tǒng)與IPC程序接口采用了“擬傳感器”的設(shè)計思路, 即將檢測系統(tǒng)簡單認為是1個直接連接在模塊上的光電開關(guān)或接近開關(guān), 能夠進行實時讀取, 因此與普通傳感器一樣在DCP上升沿讀入傳感器信號。“擬傳感器”設(shè)計的依據(jù)是提供給檢測系統(tǒng)同步用的DCP時鐘與IPC自用的DCP信號一致性很高。檢測系統(tǒng)的時鐘同步信號DCP由IPC提供, 得益于IPC自帶的分布式時鐘功能, EL2262可以實時準確地輸出給檢測系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)內(nèi)建FIFO數(shù)據(jù)緩存接口, 在DCP邊沿的驅(qū)動下準確輸出前后排煙的剔除與取樣指令給IPC(圖4)。

圖4 煙支檢測輪結(jié)構(gòu)圖

3 IPC電控系統(tǒng)試驗機測試

為驗證嵌入式IPC統(tǒng)一平臺解決方案的特性, 設(shè)計制作了實物測試機型, 該機型電控平臺采用了德國BECKOFF公司的嵌入式控制器CX1030, 機械結(jié)構(gòu)改進自ZJ112卷接機, 屬于PROTOS機型, 卷接速度為8 000支/min。為了對比嵌入式IPC統(tǒng)一平臺解決方案與“PLC+高速處理板卡”方案的優(yōu)劣, 選取國內(nèi)使用面較廣的兩款經(jīng)典卷煙機做對比測試, 選取機型分別為ZJ18與ZJ19。2組對比機型均采用了“PLC+高速處理板卡”的解決方案, 設(shè)計速度為8 000支/min, 區(qū)別在于ZJ18屬于PROTOS機型, ZJ19為PASSIM機型。試驗機與ZJ18同屬PROTOS機型, 做橫向?qū)Ρ? 與ZJ19做縱向?qū)Ρ取Ｔ囼灆C、ZJ18、ZJ19測試對比數(shù)據(jù)均來自于卷煙廠實際生產(chǎn)現(xiàn)場。測試時, 3種機型隨機選取一組設(shè)備的48 h 8班生產(chǎn)數(shù)據(jù)予以平均處理。測試對比指標為: 利用率、效率、停機次數(shù)、廢品率。其中利用率、效率反映設(shè)備生產(chǎn)水平, 停機次數(shù)反映設(shè)備穩(wěn)定性, 廢品率反映設(shè)備材料損耗率。對比結(jié)果見表1。

表1 試驗機與ZJ18/ZJ19對比

通過表1數(shù)據(jù)分析, 試驗機在4大主要指標上均優(yōu)于ZJ18與ZJ19兩款機型, 尤其是穩(wěn)定性指標、停機次數(shù)方面優(yōu)勢明顯。實驗結(jié)果進一步驗證了嵌入式IPC平臺在系統(tǒng)穩(wěn)定性及生產(chǎn)效率方面的優(yōu)勢, 原因在于IPC平臺集成了原本分開的專有設(shè)備的功能, 大大減少了數(shù)據(jù)交換, 可有效降低因通信產(chǎn)生的故障。同時, 系統(tǒng)采用多種抗干擾設(shè)計技術(shù), 減小外部環(huán)境對系統(tǒng)輸入輸出信號的影響, 保證軟件的運行穩(wěn)定可靠, 保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性, 從而提升了系統(tǒng)的可靠性。

嵌入式IPC電控系統(tǒng)由于控制中心的性能提升, 其接收數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的能力更快、精度更高、穩(wěn)定性更好。同時系統(tǒng)架構(gòu)方面將煙支的質(zhì)量和重量數(shù)據(jù)及其它傳感器現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)一調(diào)度處理, I/O端口統(tǒng)一模塊化, 使數(shù)據(jù)管理集成度得到提升。另外系統(tǒng)采用的Ether CAT工業(yè)以太網(wǎng)完成各子系統(tǒng)間的通訊, 徹底解決原控制系統(tǒng)的PLC加接口PCB 板的離散性, 提升了設(shè)備的可維護性。

4 結(jié)論

基于嵌入式IPC電控系統(tǒng)的統(tǒng)一平臺架構(gòu)很好地解決了多平臺兼容性引起的穩(wěn)定性問題, 提高了卷煙機有效作業(yè)效率。同時統(tǒng)一平臺由于不存在與高速板卡的通信交互, 可以大大降低后期系統(tǒng)升級的難度。在實際生產(chǎn)過程中, 統(tǒng)一平臺采用的E–BUS總線網(wǎng)絡(luò)增強了系統(tǒng)的可擴展性, 可以滿足廠家的一些個性化需求, 另外, 模塊化的設(shè)計理念方便后期生產(chǎn)維護, 降低使用成本。

參考文獻：

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

[2] 洪杰. 超采樣技術(shù)在煙支漏氣檢測中的應(yīng)用[J]. 湖南文理學院學報: 自然科學版, 2011, 23(4): 87–92.

(責任編校:劉剛毅)

A design of cigarette electrical control system based on embedded IPC

Wang Hui

(Research Institute ofChangde Tobacco Machinery Co Ltd, Changde 415000, China)

At present, “PLC + high-speed processing board” architecture is used in the majority of cigarette electric control system, and its stability is poor. To solve the problem, a design of cigarette electrical control system based on embedded IPC platform is put forward. The new platform has high-speed and high-performance features, so the PLC logic control and high-speed signal processing algorithms is integrated on the same platform, simultaneously, using ethernet peripheral bus control technology to achieve sub-station configuration, thus the stability problem of the original multi-platform architecture brought by poor compatibility is solved. The system tests show that the new structure commendably solve the false detections, false reports, system downtime and other problems that caused by multiple platforms, and improve the stability and productive efficiency of the device.

IPC; tobacco making; DCP; cigarette’s detection

http://www.cnki.net/kcms/detail/43.1420.N.20150312.0940.001.html

10.3969/j.issn.1672–6146.2015.02.026

TS 43

1672–6146(2015)02–0091–04

王暉, happyxtu@163.com。

2014–07–08