基于嵌入式IPC的卷烟机电控系统设计

王晖



基于嵌入式IPC的卷烟机电控系统设计

王晖

(常德烟草机械有限责任公司研究所, 湖南常德, 415000)

国内卷烟机电控系统大部分采用“PLC+高速处理板卡”架构, 为了解决该架构稳定性较差的问题, 提出了一种基于嵌入式IPC控制的电控系统架构。新架构基于嵌入式IPC高速、高性能的特点, 将PLC逻辑控制与高速信号处理算法集成于同一平台, 利用Ethernet总线控制技术实现外围子站的组态, 从而解决原有多平台架构因兼容性差带来的稳定性问题。测试结果表明: 新架构很好地解决了因多平台导致的故障误检误报、系统停机等问题, 提高了设备的稳定性和生产效率。

IPC; 卷烟机; 烟支脉冲; 烟支检测

目前国内卷烟机电控平台大部分都是基于西门子可编程逻辑控制器(PLC), 其平台在实时性方面存在固有的缺陷, 以ZJ112上采用的SIEMENS S7-400控制器为例, 其任务周期约为10 ms, 而系统某些高速I/O扫描时间要求μs级别, 因此纯PLC平台无法实现[1]。上世纪90年代, 国外卷烟机生产企业提出“PLC+高速处理板卡”的解决方案, 该方案以PLC的扩展接口为基础, 设计了以单片机作为主控制器的高速处理板卡。该板卡利用单片机内部中断方式完成高速信号的处理, 能够解决系统的实时性问题。但是随着时间的推移, 卷烟机自动化、智能化要求的提高, 大量的智能检测及执行设备以板卡+总线的方式并入系统, 由于缺少满足实时性的统一平台, 导致整个系统繁杂、处理方法标准不一、维护不便、检修周期长等问题的产生, 此时“PLC+高速处理板卡”解决方案由于数据交互及多平台兼容等原因引发的稳定性问题越来越突出。目前国内卷烟机主流产品ZJ17/112/116均采用此种解决方案。进入新世纪, 国外工控领域出现了基于嵌入式操作系统的工业计算机控制平台(Industrial PC, IPC), 该平台完美解决了PLC实时性差的固有缺陷, 其任务扫描周期达到了μs级, 完全可以满足卷烟机高速信号处理要求。这类平台中以德国BECKOFF公司的解决方案最为完善。BECKOFF公司解决方案涵盖控制、供电、I/O接口、通信等方面, 其内部模块之间的通信均采用EtherCAT总线技术, 该总线基于TCP/IP技术, 相较于PROFIBUS–DP总线而言具备通信速度快、硬件接口简单可靠等优势。同时BECKOFF嵌入式IPC编程标准也与西门子PLC一致, 便于软件的平台转换。

基于上述IPC平台的特点, 提出了基于嵌入式IPC控制的卷烟机电控系统解决方案。该方案将PLC执行的普通逻辑控制任务与HIP卡上高速信号处理任务通过软件任务再分配融合到IPC电控平台, 实现无缝对接, 以达到解决系统因平台不统一导致稳定性差的目的。同时由于IPC的扩展性能突出, 该解决方案还具备很好的扩展性, 通过程序预留接口以及EtherCAT总线技术可以实现烟支质量检测等软件处理任务的迁移, 从而达到平台通用的目的。

1 “PLC+高速处理板卡”解决方案

1.1 方案硬件架构

图1为基于“PLC+高速处理板卡”的卷烟机电控系统解决方案拓扑图。高速处理板卡读入外部高速传感器信号并处理, 其结果放入自带的双端口RAM中供PLC读取。PLC输出高速信号时, 同样将结果放入双端口RAM中, 经高速板卡处理后输出至执行机构。外部烟支质量检测板卡、重量控制板卡及生产线计算机(Making Line Processor, MLP)通过CAN总线与PLC进行数据交换。另外, PLC通过自带的PROFIBUS-DP总线对各子站(如WAGO模块、阀岛、伺服驱动等外设)进行控制。

图1 “PLC+高速处理板卡”的卷烟机电控系统拓扑

1.2 方案缺陷及产生机理

从图1中的架构方案可知, 高速处理系统、烟支质量检测系统、重量控制系统及MLP均独立于电控系统, 主要使用电路板控制方式, 相互之间通过接口进行数据交换, 导致电气控制复杂, 系统维护不便, 检修周期长, 维护成本高等问题。此外, 控制系统的分散性造成了质量控制的标准化无法进行, 并且该机组的控制以PLC 为核心, 主要强调的是其控制功能, 而在系统的分析和计算功能上存在巨大的欠缺。因此, 随着系统复杂度的提高, 基于IPC统一平台的解决方案是解决以上问题的必然选择。

2 嵌入式IPC统一平台解决方案

2.1 方案架构

图2为基于嵌入式IPC平台的卷烟机电控系统解决方案拓扑图, 烟支质量检测传感器、重量控制传感器、伺服驱动器、安全系统、阀岛及各普通I/O通过PROFIBUS-DP总线连接至不同的DP主站, DP主站汇总各子站数据后, 利用E-BUS总线[2]与IPC进行数据交换。MLP通过TCP/IP网络端口与IPC进行数据交换, 其中IPC作为电控系统统一控制平台, 通过总线读取各传感器信号, 经过IPC统一处理后将输出信号通过总线传送至各执行机构。

图2 嵌入式IPC平台的卷烟机电控系统拓扑

IPC统一平台取消了高速处理板卡, 为实现高速信号输入输出, 方案采用一种极速控制(eXtreme Fast Control, XFC )技术的超采样模板。XFC 基于高效的控制和通讯架构, 包括高性能工业 PC、带有实时特性的超高速 I/O 端子模块、E-BUS总线和 TwinCAT 自动化软件。该模板不仅可以缩短采样周期, 而且还可以提高时间精度和分辨率, 因此利用此模块可在任务周期较长的情况下实现高速信号精确输入输出, 而不会对中央智能化和相关的高性能算法产生任何影响。

2.2 主要器件选型

IPC平台选用BECKOFF公司的CX系列嵌入式控制器CX1030, 其内部集成了1.8 GHz Intel®Pentium®M CPU。除了 CPU 和芯片组之外, CX1030 模块内还包含型号可选的主内存, 标配为256 MB的DDR RAM, 它可扩展为 512 MB 或 1 GB。基于Intel的CPU, 平台上运行操作系统为Windows CE。

2.3 软件架构

基于IPC平台的方案中取消了高速信号处理以及重量控制电路板卡, 因此必须将相关控制算法集成到IPC平台上, 以实现平台统一的目的, 为此, 针对新平台必须设计出新的软件架构。该软件架构具备以下特点。

任务严格按照时间划分。图3为嵌入式IPC平台的卷烟机电控系统软件架构, 软件架构严格按照任务周期进行分配, 分别为100, 10, 4和1 ms任务。100 ms任务含MLP消息状态更新任务以及高速阀点火时间设定任务; 10 ms任务含卷烟机常规逻辑控制、参数更新、高速信号处理初始化、停机处理以及DP总线故障诊断等任务; 1 ms任务主要实现 “PLC+高速处理板卡”方案中高速信号处理任务, 含检测系统DCP80信号发生器、DCP(Double Clock Pulse, 双倍长烟支时钟脉冲)相关传感器信号更新、处理及输出等任务。

图3 嵌入式IPC平台的卷烟机电控系统软件架构

高速信号DCP同步处理。为同步整个系统, 并结合卷烟机特点, 程序采用DCP时钟基准同步处理架构。DCP产生依据固定在检测轮上的绝对值轴编码器输出的0～360°信号, 经过20°取模处理后产生DCP信号。其中0～9°为高电平, 对应后排烟; 9～19°为低电平信号, 对应前排烟。系统在DCP上升沿读入传感器信号, 完成数据与架构的轮换更新, DCP下降沿时执行高速信号处理任务, 并将处理结果填至内建的烟支信息库中, 在到达对应槽位后高速阀执行对应动作。高速处理模块中内建的烟支信息库更新采用了“环形处理”方式, 即程序内建了1个有512个成员的环形结构体, 每个结构成员记录了对应槽位中烟支状态信息以及高速阀动作输出信息, DCP上升沿时结构指针向低位移动1次, 当指针移动到0位后, 指针指向511, 从而形成环形循环。相比于FIFO数据存储方式, “环形处理”方式的好处在于历史信息存储可靠, 结构明晰, 调用简单。

烟支检测系统接口模块化。图4为检测轮结构图, 检测轮含36个烟槽, 即可得出编码器每转动10°对应一支单烟。检测轮上安装了HID(Hauni Inspection Drum, Hauni检验鼓系统)、LES(Loose End Sensor, 端头扫描器)以及OTIS(Optical Tip Cigarette Inspection System, 光学烟支检测系统)3大烟支检测系统, 其接口设计关系到不合格烟是否能够被精确地剔除与取样。为使接口设计得简单可靠, 烟支检测系统与IPC程序接口采用了“拟传感器”的设计思路, 即将检测系统简单认为是1个直接连接在模块上的光电开关或接近开关, 能够进行实时读取, 因此与普通传感器一样在DCP上升沿读入传感器信号。“拟传感器”设计的依据是提供给检测系统同步用的DCP时钟与IPC自用的DCP信号一致性很高。检测系统的时钟同步信号DCP由IPC提供, 得益于IPC自带的分布式时钟功能, EL2262可以实时准确地输出给检测系统。检测系统内建FIFO数据缓存接口, 在DCP边沿的驱动下准确输出前后排烟的剔除与取样指令给IPC(图4)。

图4 烟支检测轮结构图

3 IPC电控系统试验机测试

为验证嵌入式IPC统一平台解决方案的特性, 设计制作了实物测试机型, 该机型电控平台采用了德国BECKOFF公司的嵌入式控制器CX1030, 机械结构改进自ZJ112卷接机, 属于PROTOS机型, 卷接速度为8 000支/min。为了对比嵌入式IPC统一平台解决方案与“PLC+高速处理板卡”方案的优劣, 选取国内使用面较广的两款经典卷烟机做对比测试, 选取机型分别为ZJ18与ZJ19。2组对比机型均采用了“PLC+高速处理板卡”的解决方案, 设计速度为8 000支/min, 区别在于ZJ18属于PROTOS机型, ZJ19为PASSIM机型。试验机与ZJ18同属PROTOS机型, 做横向对比, 与ZJ19做纵向对比。试验机、ZJ18、ZJ19测试对比数据均来自于卷烟厂实际生产现场。测试时, 3种机型随机选取一组设备的48 h 8班生产数据予以平均处理。测试对比指标为: 利用率、效率、停机次数、废品率。其中利用率、效率反映设备生产水平, 停机次数反映设备稳定性, 废品率反映设备材料损耗率。对比结果见表1。

表1 试验机与ZJ18/ZJ19对比

通过表1数据分析, 试验机在4大主要指标上均优于ZJ18与ZJ19两款机型, 尤其是稳定性指标、停机次数方面优势明显。实验结果进一步验证了嵌入式IPC平台在系统稳定性及生产效率方面的优势, 原因在于IPC平台集成了原本分开的专有设备的功能, 大大减少了数据交换, 可有效降低因通信产生的故障。同时, 系统采用多种抗干扰设计技术, 减小外部环境对系统输入输出信号的影响, 保证软件的运行稳定可靠, 保证数据传输的稳定性, 从而提升了系统的可靠性。

嵌入式IPC电控系统由于控制中心的性能提升, 其接收数据和处理数据的能力更快、精度更高、稳定性更好。同时系统架构方面将烟支的质量和重量数据及其它传感器现场数据统一调度处理, I/O端口统一模块化, 使数据管理集成度得到提升。另外系统采用的Ether CAT工业以太网完成各子系统间的通讯, 彻底解决原控制系统的PLC加接口PCB 板的离散性, 提升了设备的可维护性。

4 结论

基于嵌入式IPC电控系统的统一平台架构很好地解决了多平台兼容性引起的稳定性问题, 提高了卷烟机有效作业效率。同时统一平台由于不存在与高速板卡的通信交互, 可以大大降低后期系统升级的难度。在实际生产过程中, 统一平台采用的E–BUS总线网络增强了系统的可扩展性, 可以满足厂家的一些个性化需求, 另外, 模块化的设计理念方便后期生产维护, 降低使用成本。

参考文献：

[1] 文德明, 周奇峰. 嵌入式IPC在新型卷烟机上的应用[J]. 微计算机信息, 2011, 27(6): 110–112.

[2] 洪杰. 超采样技术在烟支漏气检测中的应用[J]. 湖南文理学院学报: 自然科学版, 2011, 23(4): 87–92.

(责任编校:刘刚毅)

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

王晖, happyxtu@163.com。

2014–07–08