這篇信息化論文投稿發(fā)表了計(jì)算機(jī)技術(shù)對煙草行業(yè)信息化的意義，煙草行業(yè)引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備和生產(chǎn)線之后達(dá)到了較高的收益成本，論文探討了嵌入式系統(tǒng)在煙草行業(yè)的應(yīng)用，這對于信息化、智能化要求日益增加的煙草行業(yè)來說具有重大意義。

　　摘要:介紹了煙草行業(yè)的自動化系統(tǒng)發(fā)展歷史。通過分析不同時(shí)代的控制系統(tǒng)，橫向比較技術(shù)和性能優(yōu)劣，并結(jié)合現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的分類特性，闡述了嵌入式系統(tǒng)在煙草行業(yè)的應(yīng)用前景。對傳統(tǒng)PLC技術(shù)架構(gòu)的信息化系統(tǒng)作了圖示分析，對嵌入式技術(shù)開發(fā)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了研究和論證，并做出大膽預(yù)測。

　　關(guān)鍵詞:信息化論文投稿,可編程控制器,嵌入式技術(shù),數(shù)字化車間

　　引言

　　縱觀我國制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，由于歷史發(fā)展原因，煙草行業(yè)是最早達(dá)到較高自動化水平的行業(yè)之一。由于煙草行業(yè)成本收益率較高，在裝備投資方面力度很大，透過該行業(yè)可以見證中國改革開放以來的“工業(yè)現(xiàn)代化”發(fā)展歷程。

　　1煙草行業(yè)的自動化系統(tǒng)發(fā)展歷史

　　上世紀(jì)80年代開始，煙草行業(yè)開始大規(guī)模引進(jìn)發(fā)達(dá)國家先進(jìn)設(shè)備和生產(chǎn)線，例如，八九十年代的英國MOLINS公司的MK9-5卷煙機(jī)組的引進(jìn)，意大利公司SASIB包裝機(jī)的引進(jìn)，到后來的PASSIM卷接機(jī)組、PROTOS卷接機(jī)組、GD包裝機(jī)組、FOCKE包裝機(jī)組，都成了煙草行業(yè)裝備發(fā)展歷程的經(jīng)典。上述這些設(shè)備的自動化系統(tǒng)，大量使用了數(shù)字電路技術(shù)、模擬電路技術(shù)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全部自動化生產(chǎn)。以早期的MK9-5卷接機(jī)組為例，其主控系統(tǒng)為一套機(jī)架式的電子線路板，核心控制系統(tǒng)為:CPU板為一塊Intel8080的8位單片機(jī)及接口板、輸入輸出板構(gòu)成的8位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。該機(jī)型的產(chǎn)能為每分鐘5000支香煙，在英國本土，其操作員配置為一個(gè)女工操作2臺設(shè)備，除了更換一下盤紙、水松紙之外，其他時(shí)間就去喝咖啡了，設(shè)備完全自動化運(yùn)行。而此前的國產(chǎn)設(shè)備MK8產(chǎn)能僅為1000支/min，每臺設(shè)備需配備3個(gè)操作工。筆者數(shù)年前曾經(jīng)對一臺英國MOLINS公司的工控機(jī)開發(fā)過數(shù)據(jù)采集程序。其主控計(jì)算機(jī)是一臺386機(jī)，內(nèi)存只有1M，包含了基本內(nèi)存640K和高端內(nèi)存360K，后找出當(dāng)年的VB4.0，編寫了采集和發(fā)送程序，用一張1.44M的3.5寸軟盤，把程序拷貝進(jìn)去，調(diào)試的時(shí)候，動輒就溢出了。這對于現(xiàn)在內(nèi)存G時(shí)代的當(dāng)下是不可想象的。然而，彼時(shí)的系統(tǒng)相當(dāng)穩(wěn)定可靠。通過這些實(shí)例來看，自動化的實(shí)現(xiàn)，在不同的科技發(fā)展階段，有不同的實(shí)現(xiàn)方式，卻能達(dá)到同樣的目的。盡管現(xiàn)在的嵌入式工程師對早期八位機(jī)的性能深表懷疑，但技術(shù)發(fā)展的高度和自動化水平的高度并非線性關(guān)系。

　　2PLC及嵌入式技術(shù)

　　2.1繼電器控制與PLC控制系統(tǒng)比較90年代以來，隨著PLC的大規(guī)模使用，傳統(tǒng)的繼電器控制器被完全取代了，與基于繼電器的過程控制系統(tǒng)相比，PLC控制器體積更小，價(jià)格更優(yōu)。除了這個(gè)優(yōu)勢外，PLC還具有“更高的系統(tǒng)可靠性、更好的系統(tǒng)靈活性、更低的系統(tǒng)成本、更快的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、更容易的故障診斷”[1]等特點(diǎn)，其天然的優(yōu)勢包括模塊化、可靠性高、編程簡便，支持梯形圖、邏輯圖、語句表多種形式編程，符合電氣工程師操作習(xí)慣。PLC和現(xiàn)場總線技術(shù)的廣泛應(yīng)用，一直持續(xù)到現(xiàn)在。而最大的贏家，就是西門子、羅克韋爾、歐姆龍等工業(yè)自動化供應(yīng)商。國內(nèi)的自動化設(shè)備應(yīng)用，也有計(jì)算機(jī)、工控機(jī)的普遍使用，但大部分被用于開發(fā)人機(jī)界面，運(yùn)行組態(tài)程序，而不是用于計(jì)算和控制。似乎嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)被PLC技術(shù)、DCS系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)徹底取代了。2.2PLC與嵌入式技術(shù)比較反觀發(fā)達(dá)國家的技術(shù)應(yīng)用水平，并不像國內(nèi)這樣開放，而是堅(jiān)持了“夠用就好”的理念。例如迄今為止，國內(nèi)存量最大的意大利GDX1和X2系列包裝機(jī)一直使用80386和80486為主的CPU，總線采用ARCNET網(wǎng)，系統(tǒng)架構(gòu)嚴(yán)密、穩(wěn)定、可靠，用較低的設(shè)計(jì)成本、物料成本，保證了產(chǎn)品的成熟性、普及型、標(biāo)準(zhǔn)化。隨著芯片技術(shù)、微電子技術(shù)、嵌入式軟件技術(shù)、MCU、MPU、MEMS、FPGA等技術(shù)的發(fā)展和普及，使用嵌入式技術(shù)開發(fā)DIY式的控制系統(tǒng)，已經(jīng)成為新的趨勢。除了成本低、可靠性更高、系統(tǒng)適用性更高之外，更有利于保護(hù)開發(fā)者的知識產(chǎn)權(quán)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢技術(shù)的迭發(fā)表展和復(fù)用。我們有理由相信，嵌入式開發(fā)將很大程度上替代現(xiàn)有的PLC技術(shù)。嵌入式開發(fā)更像是DIY的量身定制的PLC系統(tǒng)。

　　3嵌入式系統(tǒng)在煙草行業(yè)的應(yīng)用

　　相對PLC來說，嵌入式技術(shù)具有強(qiáng)大的計(jì)算處理能力，而且功耗極低，能夠快速處理采集到的大量信息，并能通過內(nèi)置復(fù)雜算法運(yùn)算，而且嵌入式系統(tǒng)都帶有各種通信和網(wǎng)絡(luò)接口，能夠很方便的和上位機(jī)(計(jì)算機(jī))通信并構(gòu)建有線或無線網(wǎng)絡(luò)，完全適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)智能制造的需求。相對而言，PLC的計(jì)算處理能力和速度相對較弱，雖然PLC能進(jìn)行邏輯運(yùn)算和一般的函數(shù)運(yùn)算，但是不足以進(jìn)行復(fù)雜算法運(yùn)算，其存儲空間較小，接口簡單。煙草工業(yè)的總體水平已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全部自動化和大部分的信息化。未來的發(fā)展趨勢是自動化向智能化發(fā)展，利用智能控制和信息化技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能制造。智能制造的一個(gè)重要基礎(chǔ)，是大量分布式的嵌入式子系統(tǒng)、智能傳感節(jié)點(diǎn)的模式，而不是以一塊CPU為核心的單元式PLC控制系統(tǒng)的模式。

　　4嵌入式系統(tǒng)分類

　　目前主流的嵌入式系統(tǒng)包括嵌入式微處理器(EmbeddedMicroprocessorUnit，EMPU)、微控制器(MicrocontrollerUnit，MCU)、DSP處理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、片上系統(tǒng)(SystemonChip，SoC)[2]。4.1嵌入式微處理器(EMPU)嵌入式微處理器包括高性能、低功耗的32位RISC架構(gòu)和MIPS64位架構(gòu)微處理器，該處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎遍及工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、消費(fèi)電子等各類產(chǎn)品。它具有低功耗、小體積、高性價(jià)比的特點(diǎn)，支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集，大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快，執(zhí)行效率更高。主流ARM芯片的主頻可達(dá)400MHz～1GHz，單核每秒處理指令的速度達(dá)230萬條(2.3DMIPS/MHz)，支持JAVA加速，帶有USB2.0接口、10/100M以太網(wǎng)接口、各種工業(yè)總線接口，適合工業(yè)環(huán)境溫度條件-40～+80℃。嵌入式微處理器主要有386EX、MIPS、ARM、PowerPC、68000系列等。4.2微控制器(MCU)MCU又稱做單片機(jī)，它是將整個(gè)處理器系統(tǒng)集成到一塊芯片中。MCU一般集成CPU、ROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)器、I/O、COM口、A/D、D/A等各種功能和外設(shè)，可以匹配各種工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用環(huán)境。與嵌入式微處理器相比，微控制器采用單片化設(shè)計(jì)，體積小、功耗低、可靠性高，它是目前嵌入式系統(tǒng)的主流。MCS-251、MC68HC05、68300和眾多的ARM芯片都是微控制器。4.3DSP處理器DSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令做了專門優(yōu)化，內(nèi)置執(zhí)行DSP算法，編譯執(zhí)行效率較高，在數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等方面，DSP應(yīng)用逐漸從通用單片機(jī)過渡到專用DSP處理器。DSP處理器較有代表性的是TI公司的TMS320系列。4.4片上系統(tǒng)(SoC)與其他嵌入式系統(tǒng)一樣，SoC系統(tǒng)成為VLSI設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)器件。只要用戶定義了應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設(shè)計(jì)圖交給工廠制作樣品。整個(gè)嵌入式系統(tǒng)大部分可以集成到一塊芯片中，減小體積和功耗，提高可靠性。5嵌入式技術(shù)在煙草行業(yè)的應(yīng)用前景隨著數(shù)字化車間、智能制造概念的推廣，嵌入式系統(tǒng)取代傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)的這種趨勢會得以更大程度的強(qiáng)化。煙草行業(yè)常見的、傳統(tǒng)的PLC技術(shù)架構(gòu)的信息化系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示.基于這種系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)的投資重點(diǎn)集中在機(jī)房設(shè)備、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫軟件、存儲備份、操作系統(tǒng)、路由器、交換機(jī)等等，其次是昂貴的PLC模塊。而系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)信息，絕大多數(shù)是布爾量。更糟糕的是，基于摩爾定律，這類系統(tǒng)的軟硬件的生命周期與工控系統(tǒng)相比都很短，因此，這種系統(tǒng)的投資，在很短的時(shí)間內(nèi)就面臨升級、報(bào)廢和再投資。這種高額支出，顯然會很大程度上抑制數(shù)字化車間和智能制造的推廣。但是，如果在控制層較密集地使用嵌入式技術(shù)開發(fā)分布式的智能控制單元，構(gòu)成工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的傳感層，用現(xiàn)場總線組網(wǎng)，使系統(tǒng)的信息處理工作下沉到系統(tǒng)底層，將會極大程度地降低系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)負(fù)荷和對服務(wù)層軟硬件性能的依賴度，使整個(gè)系統(tǒng)投資降低到非常低的水平，那么，智能制造將會在全社會得以廣泛推廣。

　　參考文獻(xiàn):

　　[1]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].2版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

　　[2]FrankDPetruzella.PLC教程[M].3版.侯世英，譯.北京:人民郵電出版社，2007.

　　作者：單位：陳烜 江西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司

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