鐘放鴻 舒夢(mèng) 林翌臻 林聰 沈冬暉 姚海濱

[摘 要] 香煙包裝機(jī)安裝了大量的外掛檢測(cè)器，這些檢測(cè)器孤立運(yùn)行。文章研究利用成熟的虛擬機(jī)技術(shù)，統(tǒng)一外掛檢測(cè)器的軟件平臺(tái)和硬件接入控制，使得外掛檢測(cè)器的軟件運(yùn)行在各個(gè)虛擬機(jī)上，通過統(tǒng)一的硬件控制器接入。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行集中配置、控制、數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)分析等，以解決大量工控機(jī)應(yīng)用帶來的維護(hù)復(fù)雜和眾多備品備件、系統(tǒng)時(shí)間無法統(tǒng)一、檢測(cè)數(shù)據(jù)無法采集和集中分析等問題，從而有效指導(dǎo)和幫助生產(chǎn)制造，提高生產(chǎn)制造水平和生產(chǎn)效率，向智能制造不斷邁進(jìn)。

[關(guān)鍵詞] 檢測(cè)器；包裝機(jī)；云計(jì)算；大數(shù)據(jù)；虛擬機(jī)；集控

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 19. 026

[中圖分類號(hào)] F273 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2018）19- 0057- 03

0 前 言

現(xiàn)在香煙生產(chǎn)企業(yè)為提高產(chǎn)品質(zhì)量在包裝機(jī)上加裝了很多外掛檢測(cè)裝置，如煙支外觀檢測(cè)、煙支空頭缺嘴檢測(cè)、鋁箔紙卡紙檢測(cè)、小包外觀檢測(cè)、拉線檢測(cè)、大條外觀檢測(cè)、缺包檢測(cè)等，這些檢測(cè)裝置來自不同生產(chǎn)廠家，每套系統(tǒng)至少包括一套工控機(jī)和一套信號(hào)處理板，這些裝置只能獨(dú)立運(yùn)行，信息無法采集上傳，且系統(tǒng)時(shí)間不統(tǒng)一，不利于故障查找和問題追溯，給使用和維護(hù)造成了極大的麻煩，大量的備品備件也造成了很大的浪費(fèi)。

1 設(shè)計(jì)思路

香煙包裝機(jī)完成從單支香煙到整條香煙的包裝功能，其經(jīng)過單支入小包、小包透明紙包裝、小包入條盒、條盒透明紙包裝等若干過程，在此過程中會(huì)產(chǎn)生很多質(zhì)量問題，為檢測(cè)這些質(zhì)量問題在各個(gè)工位加裝了很多外掛檢測(cè)器，這些外掛檢測(cè)器都有獨(dú)立的控制。把這些外掛檢測(cè)器控制部分集中到中心服務(wù)器上在技術(shù)上是可行的，中心服務(wù)器配置若干個(gè)獨(dú)立的虛擬機(jī)，每個(gè)虛擬機(jī)對(duì)應(yīng)一個(gè)外掛檢測(cè)器，完成相應(yīng)的軟件功能。采用C/S架構(gòu)，選一個(gè)虛擬機(jī)作為服務(wù)器，運(yùn)行服務(wù)端軟件，其他虛擬機(jī)運(yùn)行客戶端軟件，執(zhí)行各個(gè)檢測(cè)功能?？蛻舳撕头?wù)端通過Socket通信，把運(yùn)行數(shù)據(jù)匯總給服務(wù)端，并接受服務(wù)端的控制指令。各個(gè)虛擬機(jī)與外掛裝置硬件之間通過路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行通信連接。

1.1 外掛檢測(cè)器

外掛檢測(cè)器用來完成一種或幾種質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)到有質(zhì)量問題的產(chǎn)品進(jìn)行剔除。如煙支外觀檢測(cè)用來檢測(cè)煙支外觀，包含煙紙褶皺、煙絲露出過濾嘴褶皺等；煙支空頭缺嘴檢測(cè)用來檢測(cè)煙支端部外觀，包含缺嘴、空頭、煙支倒置等；缺包檢測(cè)用來檢測(cè)包裝好的條盒里是否缺失，包括缺包、缺支等；還有其他一些檢測(cè)器。這些外掛檢測(cè)器具有如下基本特征。

1.1.1 軟件基于主控制器

主控制器是工控機(jī)或者ARM控制板。處理軟件運(yùn)行在主控制器上，完成所有的邏輯操作。

1.1.2 硬件多樣性

硬件包括相機(jī)、光源、傳感器、電磁閥、IO接口板等各式各樣的硬件，如相機(jī)一般是千兆網(wǎng)相機(jī)，直接能接入網(wǎng)絡(luò)，IO接口板一般是232或485接口，光源、傳感器、電磁閥等直接是IO信號(hào)。這些信號(hào)如果接入網(wǎng)絡(luò)必須進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

1.1.3 類似的軟件功能

各個(gè)檢測(cè)器都有品牌切換、信息顯示、參數(shù)配置、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、異常報(bào)警、歷史信息等功能，光進(jìn)行每個(gè)檢測(cè)器的品牌切換就要花費(fèi)不少時(shí)間，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和歷史信息保存在本地硬盤里，異常報(bào)警形式多種多樣。

1.2 服務(wù)器

服務(wù)器內(nèi)部硬件和一般電腦一樣，均是由CPU、內(nèi)存、主板、顯卡、硬盤等組成，不過服務(wù)器由于偏向處理器數(shù)據(jù)能力，因此很多服務(wù)器主板均可安裝多個(gè)處理器、多條內(nèi)存以及更多硬盤，因此看起來主板、機(jī)箱等均比較龐大，服務(wù)器由于對(duì)于顯示性能不是很重要，很多服務(wù)器都不需要顯示器，遠(yuǎn)程管理即可，因此一般服務(wù)器均使用的是集成顯卡。

按照體系架構(gòu)來區(qū)分，服務(wù)器主要分為兩類：

非x86服務(wù)器：包括大型機(jī)、小型機(jī)和UNIX服務(wù)器，它們是使用RISC（精簡(jiǎn)指令集）或EPIC（并行指令代碼）。

x86服務(wù)器：又稱CISC（復(fù)雜指令集）架構(gòu)服務(wù)器，即通常所講的PC服務(wù)器，它是基于PC機(jī)體系結(jié)構(gòu)，使用Intel或其他兼容x86指令集的處理器芯片和Windows操作系統(tǒng)的服務(wù)器。價(jià)格便宜、兼容性好、安全性不算太高，主要用在非關(guān)鍵業(yè)務(wù)中。

按應(yīng)用層次劃分，服務(wù)器可分為：入門級(jí)服務(wù)器、工作組級(jí)服務(wù)器、部門級(jí)服務(wù)器、企業(yè)級(jí)服務(wù)器。

1.3 虛擬機(jī)

虛擬機(jī)（Virtual Machine）指通過軟件模擬的具有完整硬件系統(tǒng)功能的、運(yùn)行在一個(gè)完全隔離環(huán)境中的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。虛擬系統(tǒng)通過生成現(xiàn)有操作系統(tǒng)的全新虛擬鏡像，它具有真實(shí)Windows系統(tǒng)完全一樣的功能，進(jìn)入虛擬系統(tǒng)后，所有操作都是在這個(gè)全新的獨(dú)立的虛擬系統(tǒng)里面進(jìn)行，可以獨(dú)立安裝運(yùn)行軟件，保存數(shù)據(jù)，擁有自己的獨(dú)立桌面，不會(huì)對(duì)真正的系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響，而且具有能夠在現(xiàn)有系統(tǒng)與虛擬鏡像之間靈活切換的一類操作系統(tǒng)。

虛擬機(jī)具有如下特點(diǎn)：

（1）可同時(shí)在同一臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)，每個(gè)操作系統(tǒng)都有自己獨(dú)立的一個(gè)虛擬機(jī)，就如同網(wǎng)絡(luò)上一個(gè)獨(dú)立PC機(jī)。

（2）同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)虛擬機(jī)，相互之間可以進(jìn)行對(duì)話，也可以在全屏方式下進(jìn)行虛擬機(jī)之間對(duì)話，不過此時(shí)另一個(gè)虛擬機(jī)在后臺(tái)運(yùn)行。

（3）在不同的虛擬機(jī)上可以安裝不同的操作系統(tǒng)，不需要重新對(duì)硬盤進(jìn)行分區(qū)和格式化。

（4）虛擬機(jī)之間共享文件、應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)資源等。

（5）可以運(yùn)行C/S方式的應(yīng)用，也可以在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，使用另一臺(tái)虛擬機(jī)的所有資源。

1.4 C/S架構(gòu)

即Client/Server（客戶機(jī)/服務(wù)器）架構(gòu)，是大家熟知的軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，通過將任務(wù)合理分配到Client端和Server端，降低了系統(tǒng)的通訊開銷，需要安裝客戶端才可進(jìn)行管理操作?？蛻舳撕头?wù)器端的程序不同，用戶的程序主要在客戶端，服務(wù)器端主要提供數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)及系統(tǒng)維護(hù)和并發(fā)控制等，客戶端程序主要完成用戶的具體的業(yè)務(wù)。

1.5 路由器

路由器（Router）又稱網(wǎng)關(guān)設(shè)備（Gateway）是用于連接多個(gè)邏輯上分開的網(wǎng)絡(luò)，所謂邏輯網(wǎng)絡(luò)是代表一個(gè)單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)或者一個(gè)子網(wǎng)。當(dāng)數(shù)據(jù)從一個(gè)子網(wǎng)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)子網(wǎng)時(shí)，可通過路由器的路由功能來完成。路由器具有判斷網(wǎng)絡(luò)地址和選擇IP路徑的功能，它能在多網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)環(huán)境中，建立靈活的連接，可用完全不同的數(shù)據(jù)分組和介質(zhì)訪問方法連接各種子網(wǎng)，路由器只接受源站或其他路由器的信息，屬網(wǎng)絡(luò)層的一種互聯(lián)設(shè)備。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)平臺(tái)由中心服務(wù)器、觸摸屏、路由器、硬件控制器及外掛檢測(cè)裝置硬件等組成。中心服務(wù)器是整個(gè)平臺(tái)的核心，部署若干個(gè)虛擬機(jī)，完成所有的核心軟件功能。硬件控制器作為平臺(tái)與外掛裝置的接口，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換傳遞功能。路由器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)功能。觸摸屏作為人機(jī)界面接口，完成人機(jī)交互功能。中心服務(wù)器、觸摸屏及其他配件部署在立式機(jī)柜內(nèi)。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

依據(jù)本平臺(tái)的負(fù)載和功能需求，采用部門級(jí)服務(wù)器是比較合適的。中心服務(wù)器選用某著名品牌1U機(jī)架式服務(wù)器，CPU型號(hào)為Xeon E5，頻率為2.4 GHz，配置兩顆CPU，三級(jí)緩存，6核CPU，12線程。最大內(nèi)存容量為768 GB，最大配置28塊600 GB的SSD硬盤，雙網(wǎng)口千兆網(wǎng)卡，可輕松部署12套虛擬機(jī)。

由于平臺(tái)里有很多實(shí)時(shí)工業(yè)相機(jī)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量很大，需選用高性能大流量路由器。本研究選用某著名品牌的企業(yè)級(jí)千兆網(wǎng)路由器，最高傳輸速率1 300 Mbps，網(wǎng)絡(luò)接口10/100/1 000 Mbps自適應(yīng)。

本平臺(tái)基于以太網(wǎng)，所有的硬件最終要通過以太網(wǎng)絡(luò)接入平臺(tái)控制系統(tǒng)，對(duì)于傳感器等輸入部件和控制器等輸出部件一般是IO接口，部分控制器具有485/232接口，需要一種專用于香煙包裝機(jī)綜合檢測(cè)平臺(tái)的通用控制器，作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的橋梁，連接綜合檢測(cè)平臺(tái)和所有的輸入輸出設(shè)備。根據(jù)各個(gè)外掛裝置的功能需求，可以配置一個(gè)或多個(gè)硬件控制器。硬件控制器是基于ARM處理器的高速處理控制器，通過參數(shù)配置即可完成高速脈沖處理功能、信號(hào)轉(zhuǎn)換功能、輸入輸出隔離功能，可以把各種IO信號(hào)、RS232/485信號(hào)、USB信號(hào)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

本平臺(tái)軟件分為兩個(gè)大部分，一個(gè)是檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)，一個(gè)是集控功能的實(shí)現(xiàn)。每個(gè)虛擬機(jī)運(yùn)行一套功能軟件，對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)檢測(cè)功能，對(duì)于小的檢測(cè)功能也可以一個(gè)虛擬機(jī)運(yùn)行多套功能軟件。中心服務(wù)器單獨(dú)設(shè)定一臺(tái)虛擬機(jī)作為中心虛擬機(jī)，作為集控功能的服務(wù)器。為了安全，中心虛擬機(jī)應(yīng)部署一加一主備，避免異常。

2.3.1 檢測(cè)功能

本平臺(tái)含有非常多的檢測(cè)功能，每個(gè)都獨(dú)立完成一種檢測(cè)功能，都包含傳感器、CCD相機(jī)等各種輸入信號(hào)的處理，報(bào)警器、電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出信號(hào)的處理，軟件上都包含參數(shù)配置、品牌切換、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、異常報(bào)警、實(shí)時(shí)顯示、歷史記錄、數(shù)據(jù)上報(bào)、外部通信等。從軟件架構(gòu)上來說是可以統(tǒng)一的。界面風(fēng)格一致，統(tǒng)一美觀。鑒于檢測(cè)功能的實(shí)時(shí)性能的需要選擇用C++語言實(shí)現(xiàn)，構(gòu)造各種統(tǒng)一功能類，在實(shí)現(xiàn)各個(gè)具體檢測(cè)功能時(shí)去繼承這些類，實(shí)現(xiàn)自身需要的邏輯，這樣既保持了實(shí)現(xiàn)風(fēng)格的統(tǒng)一，又加快了開發(fā)流程。

2.3.2 集控功能

集控功能指的是把所有檢測(cè)功能的運(yùn)行信息和共同的配置信息統(tǒng)一到中心虛擬機(jī)上，由中心虛擬機(jī)統(tǒng)一顯示，由中心虛擬機(jī)統(tǒng)一發(fā)布配置信息及控制指令。如進(jìn)行品牌切換、軟件重置、系統(tǒng)重啟、清空歷史功能。

中心虛擬機(jī)部署IDDMainServer軟件，作為服務(wù)器端接收所有的功能客戶端的鏈接、上傳數(shù)據(jù)等，同時(shí)給客戶端發(fā)布配置信息及控制指令?？蛻舳擞刹渴鹪谄渌摂M機(jī)上的IDDClient實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的橋梁，通過Socket進(jìn)行通信，IDDClient與本虛擬機(jī)上的Detect Func作為同一進(jìn)程下的不同線程進(jìn)行消息交互。

3 總 結(jié)

本文對(duì)香煙包裝機(jī)綜合檢測(cè)平臺(tái)進(jìn)行了研究，經(jīng)過前期充分的理論分析和方案論證，首臺(tái)樣機(jī)經(jīng)過測(cè)試達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。但同時(shí)該平臺(tái)還有一些改進(jìn)的空間，如香煙包裝機(jī)本身的數(shù)據(jù)沒有接入進(jìn)來，只是為大數(shù)據(jù)分析提供了基礎(chǔ)條件，還需要進(jìn)一步整理挖掘等，以后應(yīng)繼續(xù)改進(jìn)提高并加以推廣，以充分發(fā)揮平臺(tái)的價(jià)值。

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