嵌入式IPC在超高速卷烟机上的应用研究论文

嵌入式IPC在超高速卷烟机上的应用研究

凌帅

（安徽中烟工业有限责任公司滁州卷烟厂设备科，滁州 239000）

摘要：进程间通信IPC在工业控制系统建设当中应用广泛，通过构建嵌入式系统，能够实现面向高速信号处理的生产监控和指导。文中尝试将嵌入式IPC系统设计与卷烟生产中高速卷烟机生产工作相互结合，首先分析了嵌入式IPC系统的应用方法，结合高速信号处理，构建了基于超高速卷烟机生产的软硬件设计方式，以此来提高超高速卷烟机的生产效率。

关键词： IPC；嵌入式系统；超高速卷烟机；控制系统

0 引言

IPC进程间通信全称为inter process communication，在实际的嵌入式系统应用当中，IPC主要充当对于系统线程之间的相互通信。嵌入式系统内部，IPC主要通过不同的环节来形成信息的沟通，其中send、wait等负责信息的发出和调用，再由线程当中的reply进行线程信息的反馈，形成信息交流。工业生产领域当中，IPC基于线程的通信模式，为高速控制系统建设提供了可能。

1 嵌入式系统IPC的应用

1.1 IPC通信机制

嵌入式系统当中IPC主要工作在于进行线程间的通信控制，因此嵌入式系统通过几种进程机制，来实现对于线程间通信方式的管理。常见的线程间通信机制包括send、receive、wait、reply-wait以及call等五种，几种机制在线程间充当不同的通信机制关系。如表1所示。

表1 IPC线程通信机制

1.2 IPC线程通信的信息设置

潜入式系统的IPC线程间通信，主要目的在于实现消息数据的快速流转，因此系统自身会首先通过设置专门的消息媒介，实现对于消息内容的控制。常见的消息寄存器设置为short和long两种，前者主要功能在于对消息信息数据的存储，具有较快的信息传输效率，不过存储数据大小往往受到限制；long则利用系统内容进行数据存储，信息数据长度不受限制，但是信息存储通常会出现缺页错误等问题^[1]。研究分析认为，long的缺页问题主要由于访问的用户状态不确定，用户状态的地址空间难以获取，就会出现缺页。此时系统会将缺页信息发送到接收线程pager当中，进而造成存储速度较慢。因此为了保证机制内部的通信效率和线程间的消息流通能力，通常将IPC与系统内核相互结合，尽可能地避免两个以上的线程处于不同核心，转而采用核心集成的方式，选用short寄存器进行消息的传递和存储。

2 现代卷烟机系统控制方案的发展

国内卷烟生产厂商所采用的卷烟机系统，主要以传统PLC为核心，构建电控系统。这种电控系统在实际应用当中拥有一定的应用价值，在上世纪90年代后期，卷烟生产开始进入高速加工阶段，大量高速卷烟机开始涌入市场当中，系统内部的高速扫描I/O能够达到μs级别，PLC电控系统10ms标准的控制能力已经不再满足高速卷烟机的生产需求^[2]。而在近年来，超高速卷烟机在处理速度和控制需求方面对控制系统提出了更高的要求，其中高速信号的处理与智能化、自动化控制技术发展相适应，因此嵌入式系统IPC线程间通信成为目前控制系统首要选择，研究人员通过构建拓展接口的方式，将IPC融入到总线PLC单片机系统当中，使线程通信可以在一定程度上弥补传统PLC在通信效率和速度方面的不足。但是由于系统平台的缺失，导致实际生产当中，系统与数据之间的交互过于混乱，机组生产稳定性严重堪忧。

文中主要结合现阶段卷烟生产当中的相关经验，将传统PLC控制逻辑与现代IPC线程通信方式相互结合，借助嵌入式系统应用特点，实现系统平台的框架架构，从而使嵌入式IPC的线程间通信能力发挥出来，使其能够在超高速卷烟机的卷烟生产控制当中发挥作用，促使卷烟机生产的各项指标得到全面改善，最终实现提升质量和效率的目标。

3 超高速卷烟机嵌入式系统设计

3.1 传统PLC控制方式的主要特点

IPC与工控机、各分布I/O之间的通讯均通过EtherCAT高速工业以太网完成。

图1 传统PLC系统的平台框架

在传统嵌入式系统平台当中，PLC仍然作为主要的系统核心逻辑，并直接与系统当中的机械生产传感器、阀岛以及超高速卷烟机内部的高速处理板卡进行联系。

血友病患者的直系女性亲属(母亲，姐妹，女儿)可能是血友病携带者，应检测血浆中凝血因子的水平以明确诊断。血友病携带者虽然无日常出血表现，但凝血因子浓度常处于轻度缺乏水平，在创伤或手术如拔牙、各种手术及穿刺术时可能面临出血危险，如需进行这些操作应先补充足够的凝血因子。女性携带者还可表现为月经量过多，产后出血等，不容忽视[9]。

3.2 嵌入式IPC系统平台框架设计

在军事题材的影视作品中，常常出现指战员们站在一个巨大的沙盘前讨论战争形势的情形。传统意义上的沙盘作为地图的补充，弥补了传统军事地图无法形象表现出战场地势地形的缺陷，为广大指战员提供了在和平时期进行战争推演的平台。而全息数字沙盘，在具备传统沙盘的功能的同时，还摒弃了传统沙盘搭建时间长、精度差、重复使用率低的缺陷。并且模块化的硬件使得沙盘可以多次使用，数字影像又实现了在使用时，可以全方位多角度地观察战场。并且其易于储存方便携带的特点，也使得随行保障更加便捷。

图2 嵌入式IPC卷烟控制系统平台框架

所设计的嵌入式IPC系统平台与传统PLC系统平台相比，主要优势体现在接口统一、平台整合和核心一致等几个方面，这些优势保障了系统在实际的超高速卷烟机生产控制方面具有高效、稳定等技术特点。

所构建的IPC嵌入式系统平台设计当中，同样将双总线系统作为主要的系统架构方式，不过与传统系统建设不同，新型的IPC嵌入式系统的而总线选用了DP总线与E_BUS纵向相互叠加的方式，实现多种协议下的全局通信，这种通信方式能够更好地兼容多种子系统，从而在TCP/IP协议当中，实现更加高效、快速的信息通信功能，且拥有拓展和访问。系统内部结构中的私服驱动器、阀岛等都可以借助分布式I/O完成与主站之间的联系，DP主站上位机则通过信息获取，直接搜集位于卷烟生产一线机械的长安其数据，最终形成IPC数据交换^[4]。MLP则依托通信协议，与IPC构成联络。相较于传统PLC系统应用架构，文中所设计的IPC为核心的嵌入式系统能够直接进行高速信号的输出，其内部所具有的XFC极速控制能够借助总线端口收获传感器数据信号，并借由IPC线程通信的统一处理，发送到各个执行机构当中，完成系统的统一控制。

3.3 嵌入式IPC系统的软硬件设置

系统主要由人机界面系统、逻辑控制系统、重量控制系统、质量检测系统、EtherCAT工业以太网、硬件系统、驱动系统等各分系统组成。

图3 系统组成框

整个电控系统中使用一个倍福嵌入式IPC来控制，取代目前的PLC系统，来完成机组的逻辑控制；取代质量检测系统和PLC中的FM352_5模块，实现烟支的质量检测、以及接纸控制等功能。

超高速卷烟机实际生产环节当中的基本原则，在于μs级别的信息通信速度，完成系统的控制和指挥，因此为了能够将通信控制原理与系统平台相互结合，传统的卷烟电控系统选用高速处理板卡与can总线和传统PLC逻辑之间的相互结合，使其能够成为双总线架构系统，满足核心内IPC线程寄存器的高效通信要求。在整体的平台系统结构当中，外部检测板卡将于MLP生产线计算机相互结合，利用双总线，完成对于生产控制信息的动态实时交换^[3]。不过由于超高速卷烟机对于生产质量的要求同样较高，因此在双总线系统当中，需要分别进行生产信息管理、生产质量检测等多方面的工作内容，这些内容在系统当中彼此独立，同时与电控系统核心之间形成分离，最终极易出现信息孤岛，在电路板控制当中，需要借助接口和通信协议完成电路信息的交流，因此控制系统平台建设势必会十分复杂，造成后期应用管理存在的诸多不便，其平台系统架构如图1所示。

软件设计采用标准的IEC61131-3编程语言；人机界面部分使用高级编程语言来设计；系统控制软件在嵌入式IPC里执行，利用计算机强大的计算能力来完成系统控制。

由于传统PLC系统平台存在系统通信方式和信息孤岛等诸多问题，因此平台架构设计者首先需要充分考虑易用性特点，进行系统平台的设计。通过进行IPC通信模块的结构调整，目的在于加强各控制单位的相互联系，使IPC在嵌入式系统当中能够形成统一核心的寄存数据机制，从而完成了嵌入式系统下的系统改良和系统硬件拓扑创新，从根本上避免信息孤岛下系统控制之间相互脱节的问题。如图2所示。

C城存在过，是一种精神式的影像存在。整理照片就像文物考古挖掘。用一张张的照片拼凑出一座消失的旧城时光，用考古发现的方法做一次历史的审视。

外围各传感器等组件依然保持现有的状态。

人机界面同时由IPC完成，实现数据的快速处理，完成人机交互。

加热器控制：改进原加热器的控制、显示与参数调整方式，温度控制由IPC完成，参数设置与数据显示在人机界面上进行。

盘纸、水松纸拼接头剔除功能的处理、移位在IPC中完成，然后通过EtherCAT总线及时的输送到输出模块，驱动电磁阀。

由图3可知，B相所有电压互感器的量测数据序列的平均欧氏距离均小于阈值，由此可以判定B相无电压互感器发生故障。

赛史品威奥（唐山）结构复合材料有限公司，是由美国五洲结构塑料有限公司（CSP）和青岛威奥轨道股份有限公司共同组建的合资公司，专注于中国汽车轻量化解决方案、新能源汽车电池壳体解决方案。主营产品为达到A级曲面质量的车身覆盖件和高强度结构类部件。合资公司的中国区域管理总部位于上海安亭国际汽车城的汽车科技创新港，首个生产基地位于河北省唐山市，第二个生产基地将于2018年在江苏省南通市建成。

3.4 嵌入式IPC系统的控制程序编码

嵌入式IPC系统在系统内部，可以借助系统开源方案，实现指令，并借助程序控制方式，实现对于硬件采集系统的调用，从而获取到硬件图像。常见的Windows系统当中，chttpconnection以及chttpfile都可以作为信息图像获取的策略利用IPC完成系统控制；而在linux系统内部，则可以通过shell进行命令，并使wget进行信息图像下载，最终实现对于硬件采集系统信息的获取。代码如下：

1). 例子：无认证信息的uri：rtsp://100.100.100.140:554/av0_0

带认证信息的uri：rtsp://username:passwo rd@100.100.100.140:554/av0_0

第三，针对第三个问题，上述统计结果表明，语速修改、受试的听力理解水平和听力测试题型之间存在一定的交互作用。对于较低中等听力水平班级，语速降低能够明显促进其在短对话中的听力理解;而对于较高中等听力水平班级来说，较慢语速会显著提高其在长对话和短文中听力理解的成绩。

3.5 嵌入式IPC应用效果

我厂所采用的ZJ19A型高速卷烟机，进行卷烟生产。该型号卷烟机生产速率为每分钟0.8万支，文中通过对该卷烟机进行嵌入式IPC系统设置，并开展了为期两天的多班次卷烟生产试验，同时作为对照与传统PLC系统控制方案进行对比，对比内容为剔除准确率、停机、废品率和效率四个方面，统计结果显示，嵌入式IPC控制系统在超高速卷烟生产当中，具有十分明显的优势，四项指标当中剔除准确率和效率均超过99%，停机次数、废品率仅为传统处理方式一半，应用效果显著。

4 结束语

综上所述，现代IPC系统的主要应用价值在于其能够借助通信机制实现线程间的高速通信，相较于传统PLC系统机制，IPC系统在工业生产的信息控制领域更具优势。通过搭建专业超高速卷烟机控制平台，IPC系统能够充分满足高速信号处理需求，避免信息孤岛问题的发生，应用价值十分理想。

参考文献

[1] 向虎,何孝强,王龙,等.基于烟丝特性和卷制原理的卷烟机最佳回丝量计算模型[J].食品与机械:1-9.

[2] 胡玫,王永喜.基于嵌入式系统STM32的三相正弦波交流电源设计与实现[J].电气自动化,2018,40(5):4-7.

[3] 周炳,高美珍,洪家平.面向单片机及嵌入式系统的AES算法改进研究[J].单片机与嵌入式系统应用,2018,18(9):42-46.

[4] 李华文,刘泓滨,卢洪林,等.双烟条超高速卷烟机微波密度检测中避免两路信号互相干扰的方法[J].科技创新与应用,2018(19):134-135.

中图分类号： C35

文献标识码： A

文章编号： 2095-6487（2019）01-0036-04

作者简介：凌帅（1972-），男，汉族，滁州人，电气工程师，研究方向：电气自动化控制。