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    嵌入式IPC在超高速卷煙機(jī)上的應(yīng)用

    2016-04-14 13:33:41劉斌
    電腦知識與技術(shù) 2016年5期
    關(guān)鍵詞:穩(wěn)定性

    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.

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