王暉

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基于嵌入式IPC的卷煙機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王暉

(常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司研究所, 湖南常德, 415000)

國內(nèi)卷煙機(jī)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(diǎn), 將PLC邏輯控制與高速信號(hào)處理算法集成于同一平臺(tái), 利用Ethernet總線控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)外圍子站的組態(tài), 從而解決原有多平臺(tái)架構(gòu)因兼容性差帶來的穩(wěn)定性問題。測(cè)試結(jié)果表明: 新架構(gòu)很好地解決了因多平臺(tái)導(dǎo)致的故障誤檢誤報(bào)、系統(tǒng)停機(jī)等問題, 提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。

IPC; 卷煙機(jī); 煙支脈沖; 煙支檢測(cè)

目前國內(nèi)卷煙機(jī)電控平臺(tái)大部分都是基于西門子可編程邏輯控制器(PLC), 其平臺(tái)在實(shí)時(shí)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(shí)間要求μs級(jí)別, 因此純PLC平臺(tái)無法實(shí)現(xiàn)[1]。上世紀(jì)90年代, 國外卷煙機(jī)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(kuò)展接口為基礎(chǔ), 設(shè)計(jì)了以單片機(jī)作為主控制器的高速處理板卡。該板卡利用單片機(jī)內(nèi)部中斷方式完成高速信號(hào)的處理, 能夠解決系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性問題。但是隨著時(shí)間的推移, 卷煙機(jī)自動(dòng)化、智能化要求的提高, 大量的智能檢測(cè)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(shí)時(shí)性的統(tǒng)一平臺(tái), 導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)繁雜、處理方法標(biāo)準(zhǔn)不一、維護(hù)不便、檢修周期長(zhǎng)等問題的產(chǎn)生, 此時(shí)“PLC+高速處理板卡”解決方案由于數(shù)據(jù)交互及多平臺(tái)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(jī)主流產(chǎn)品ZJ17/112/116均采用此種解決方案。進(jìn)入新世紀(jì), 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(jì)算機(jī)控制平臺(tái)(Industrial PC, IPC), 該平臺(tái)完美解決了PLC實(shí)時(shí)性差的固有缺陷, 其任務(wù)掃描周期達(dá)到了μs級(jí), 完全可以滿足卷煙機(jī)高速信號(hào)處理要求。這類平臺(tái)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(jiǎn)單可靠等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)BECKOFF嵌入式IPC編程標(biāo)準(zhǔn)也與西門子PLC一致, 便于軟件的平臺(tái)轉(zhuǎn)換。

基于上述IPC平臺(tái)的特點(diǎn), 提出了基于嵌入式IPC控制的卷煙機(jī)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(hào)處理任務(wù)通過軟件任務(wù)再分配融合到IPC電控平臺(tái), 實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接, 以達(dá)到解決系統(tǒng)因平臺(tái)不統(tǒng)一導(dǎo)致穩(wěn)定性差的目的。同時(shí)由于IPC的擴(kuò)展性能突出, 該解決方案還具備很好的擴(kuò)展性, 通過程序預(yù)留接口以及EtherCAT總線技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)煙支質(zhì)量檢測(cè)等軟件處理任務(wù)的遷移, 從而達(dá)到平臺(tái)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(jī)電控系統(tǒng)解決方案拓?fù)鋱D。高速處理板卡讀入外部高速傳感器信號(hào)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(hào)時(shí), 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(jī)構(gòu)。外部煙支質(zhì)量檢測(cè)板卡、重量控制板卡及生產(chǎn)線計(jì)算機(jī)(Making Line Processor, MLP)通過CAN總線與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。另外, PLC通過自帶的PROFIBUS-DP總線對(duì)各子站(如WAGO模塊、閥島、伺服驅(qū)動(dòng)等外設(shè))進(jìn)行控制。

圖1 “PLC+高速處理板卡”的卷煙機(jī)電控系統(tǒng)拓?fù)?/p>

1.2 方案缺陷及產(chǎn)生機(jī)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(cè)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, 檢修周期長(zhǎng), 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, 并且該機(jī)組的控制以PLC 為核心, 主要強(qiáng)調(diào)的是其控制功能, 而在系統(tǒng)的分析和計(jì)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(tái)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(tái)解決方案

2.1 方案架構(gòu)

圖2為基于嵌入式IPC平臺(tái)的卷煙機(jī)電控系統(tǒng)解決方案拓?fù)鋱D, 煙支質(zhì)量檢測(cè)傳感器、重量控制傳感器、伺服驅(qū)動(dòng)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(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, 其中IPC作為電控系統(tǒng)統(tǒng)一控制平臺(tái), 通過總線讀取各傳感器信號(hào), 經(jīng)過IPC統(tǒng)一處理后將輸出信號(hào)通過總線傳送至各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖2 嵌入式IPC平臺(tái)的卷煙機(jī)電控系統(tǒng)拓?fù)?/p>

IPC統(tǒng)一平臺(tái)取消了高速處理板卡, 為實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)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(shí)時(shí)特性的超高速 I/O 端子模塊、E-BUS總線和 TwinCAT 自動(dòng)化軟件。該模板不僅可以縮短采樣周期, 而且還可以提高時(shí)間精度和分辨率, 因此利用此模塊可在任務(wù)周期較長(zhǎng)的情況下實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)精確輸入輸出, 而不會(huì)對(duì)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(tái)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(hào)可選的主內(nèi)存, 標(biāo)配為256 MB的DDR RAM, 它可擴(kuò)展為 512 MB 或 1 GB?；贗ntel的CPU, 平臺(tái)上運(yùn)行操作系統(tǒng)為Windows CE。

2.3 軟件架構(gòu)

基于IPC平臺(tái)的方案中取消了高速信號(hào)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(tái)上, 以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)統(tǒng)一的目的, 為此, 針對(duì)新平臺(tái)必須設(shè)計(jì)出新的軟件架構(gòu)。該軟件架構(gòu)具備以下特點(diǎn)。

任務(wù)嚴(yán)格按照時(shí)間劃分。圖3為嵌入式IPC平臺(tái)的卷煙機(jī)電控系統(tǒng)軟件架構(gòu), 軟件架構(gòu)嚴(yán)格按照任務(wù)周期進(jìn)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(diǎn)火時(shí)間設(shè)定任務(wù); 10 ms任務(wù)含卷煙機(jī)常規(guī)邏輯控制、參數(shù)更新、高速信號(hào)處理初始化、停機(jī)處理以及DP總線故障診斷等任務(wù); 1 ms任務(wù)主要實(shí)現(xiàn) “PLC+高速處理板卡”方案中高速信號(hào)處理任務(wù), 含檢測(cè)系統(tǒng)DCP80信號(hào)發(fā)生器、DCP(Double Clock Pulse, 雙倍長(zhǎng)煙支時(shí)鐘脈沖)相關(guān)傳感器信號(hào)更新、處理及輸出等任務(wù)。

圖3 嵌入式IPC平臺(tái)的卷煙機(jī)電控系統(tǒng)軟件架構(gòu)

高速信號(hào)DCP同步處理。為同步整個(gè)系統(tǒng), 并結(jié)合卷煙機(jī)特點(diǎn), 程序采用DCP時(shí)鐘基準(zhǔn)同步處理架構(gòu)。DCP產(chǎn)生依據(jù)固定在檢測(cè)輪上的絕對(duì)值軸編碼器輸出的0～360°信號(hào), 經(jīng)過20°取模處理后產(chǎn)生DCP信號(hào)。其中0～9°為高電平, 對(duì)應(yīng)后排煙; 9～19°為低電平信號(hào), 對(duì)應(yīng)前排煙。系統(tǒng)在DCP上升沿讀入傳感器信號(hào), 完成數(shù)據(jù)與架構(gòu)的輪換更新, DCP下降沿時(shí)執(zhí)行高速信號(hào)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(dá)對(duì)應(yīng)槽位后高速閥執(zhí)行對(duì)應(yīng)動(dòng)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(gè)有512個(gè)成員的環(huán)形結(jié)構(gòu)體, 每個(gè)結(jié)構(gòu)成員記錄了對(duì)應(yīng)槽位中煙支狀態(tài)信息以及高速閥動(dòng)作輸出信息, DCP上升沿時(shí)結(jié)構(gòu)指針向低位移動(dòng)1次, 當(dāng)指針移動(dòng)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(chǔ)方式, “環(huán)形處理”方式的好處在于歷史信息存儲(chǔ)可靠, 結(jié)構(gòu)明晰, 調(diào)用簡(jiǎn)單。

煙支檢測(cè)系統(tǒng)接口模塊化。圖4為檢測(cè)輪結(jié)構(gòu)圖, 檢測(cè)輪含36個(gè)煙槽, 即可得出編碼器每轉(zhuǎn)動(dòng)10°對(duì)應(yīng)一支單煙。檢測(cè)輪上安裝了HID(Hauni Inspection Drum, Hauni檢驗(yàn)鼓系統(tǒng))、LES(Loose End Sensor, 端頭掃描器)以及OTIS(Optical Tip Cigarette Inspection System, 光學(xué)煙支檢測(cè)系統(tǒng))3大煙支檢測(cè)系統(tǒng), 其接口設(shè)計(jì)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(jì)得簡(jiǎn)單可靠, 煙支檢測(cè)系統(tǒng)與IPC程序接口采用了“擬傳感器”的設(shè)計(jì)思路, 即將檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單認(rèn)為是1個(gè)直接連接在模塊上的光電開關(guān)或接近開關(guān), 能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取, 因此與普通傳感器一樣在DCP上升沿讀入傳感器信號(hào)。“擬傳感器”設(shè)計(jì)的依據(jù)是提供給檢測(cè)系統(tǒng)同步用的DCP時(shí)鐘與IPC自用的DCP信號(hào)一致性很高。檢測(cè)系統(tǒng)的時(shí)鐘同步信號(hào)DCP由IPC提供, 得益于IPC自帶的分布式時(shí)鐘功能, EL2262可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地輸出給檢測(cè)系統(tǒng)。檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)建FIFO數(shù)據(jù)緩存接口, 在DCP邊沿的驅(qū)動(dòng)下準(zhǔn)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(cè)輪結(jié)構(gòu)圖

3 IPC電控系統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試

為驗(yàn)證嵌入式IPC統(tǒng)一平臺(tái)解決方案的特性, 設(shè)計(jì)制作了實(shí)物測(cè)試機(jī)型, 該機(jī)型電控平臺(tái)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ZJ112卷接機(jī), 屬于PROTOS機(jī)型, 卷接速度為8 000支/min。為了對(duì)比嵌入式IPC統(tǒng)一平臺(tái)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(jī)做對(duì)比測(cè)試, 選取機(jī)型分別為ZJ18與ZJ19。2組對(duì)比機(jī)型均采用了“PLC+高速處理板卡”的解決方案, 設(shè)計(jì)速度為8 000支/min, 區(qū)別在于ZJ18屬于PROTOS機(jī)型, ZJ19為PASSIM機(jī)型。試驗(yàn)機(jī)與ZJ18同屬PROTOS機(jī)型, 做橫向?qū)Ρ? 與ZJ19做縱向?qū)Ρ?。試?yàn)機(jī)、ZJ18、ZJ19測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)均來自于卷煙廠實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。測(cè)試時(shí), 3種機(jī)型隨機(jī)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(cè)試對(duì)比指標(biāo)為: 利用率、效率、停機(jī)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(jī)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(duì)比結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)機(jī)與ZJ18/ZJ19對(duì)比

通過表1數(shù)據(jù)分析, 試驗(yàn)機(jī)在4大主要指標(biāo)上均優(yōu)于ZJ18與ZJ19兩款機(jī)型, 尤其是穩(wěn)定性指標(biāo)、停機(jī)次數(shù)方面優(yōu)勢(shì)明顯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了嵌入式IPC平臺(tái)在系統(tǒng)穩(wěn)定性及生產(chǎn)效率方面的優(yōu)勢(shì), 原因在于IPC平臺(tái)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(shí), 系統(tǒng)采用多種抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù), 減小外部環(huán)境對(duì)系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)的影響, 保證軟件的運(yùn)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(shí)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(chǎng)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(hù)性。

4 結(jié)論

基于嵌入式IPC電控系統(tǒng)的統(tǒng)一平臺(tái)架構(gòu)很好地解決了多平臺(tái)兼容性引起的穩(wěn)定性問題, 提高了卷煙機(jī)有效作業(yè)效率。同時(shí)統(tǒng)一平臺(tái)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(jí)的難度。在實(shí)際生產(chǎn)過程中, 統(tǒng)一平臺(tái)采用的E–BUS總線網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性, 可以滿足廠家的一些個(gè)性化需求, 另外, 模塊化的設(shè)計(jì)理念方便后期生產(chǎn)維護(hù), 降低使用成本。

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[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2011, 27(6): 110–112.

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

(責(zé)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