一种香烟包装机综合检测平台的研究

钟放鸿 舒梦 林翌臻 林聪 沈冬晖 姚海滨

[摘 要] 香烟包装机安装了大量的外挂检测器，这些检测器孤立运行。文章研究利用成熟的虚拟机技术，统一外挂检测器的软件平台和硬件接入控制，使得外挂检测器的软件运行在各个虚拟机上，通过统一的硬件控制器接入。在此基础上进行集中配置、控制、数据采集、大数据分析等，以解决大量工控机应用带来的维护复杂和众多备品备件、系统时间无法统一、检测数据无法采集和集中分析等问题，从而有效指导和帮助生产制造，提高生产制造水平和生产效率，向智能制造不断迈进。

[关键词] 检测器；包装机；云计算；大数据；虚拟机；集控

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 19. 026

[中图分类号] F273 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2018）19- 0057- 03

0 前 言

现在香烟生产企业为提高产品质量在包装机上加装了很多外挂检测装置，如烟支外观检测、烟支空头缺嘴检测、铝箔纸卡纸检测、小包外观检测、拉线检测、大条外观检测、缺包检测等，这些检测装置来自不同生产厂家，每套系统至少包括一套工控机和一套信号处理板，这些装置只能独立运行，信息无法采集上传，且系统时间不统一，不利于故障查找和问题追溯，给使用和维护造成了极大的麻烦，大量的备品备件也造成了很大的浪费。

1 设计思路

香烟包装机完成从单支香烟到整条香烟的包装功能，其经过单支入小包、小包透明纸包装、小包入条盒、条盒透明纸包装等若干过程，在此过程中会产生很多质量问题，为检测这些质量问题在各个工位加装了很多外挂检测器，这些外挂检测器都有独立的控制。把这些外挂检测器控制部分集中到中心服务器上在技术上是可行的，中心服务器配置若干个独立的虚拟机，每个虚拟机对应一个外挂检测器，完成相应的软件功能。采用C/S架构，选一个虚拟机作为服务器，运行服务端软件，其他虚拟机运行客户端软件，执行各个检测功能。客户端和服务端通过Socket通信，把运行数据汇总给服务端，并接受服务端的控制指令。各个虚拟机与外挂装置硬件之间通过路由器等网络设备进行通信连接。

1.1 外挂检测器

外挂检测器用来完成一种或几种质量检测，检测到有质量问题的产品进行剔除。如烟支外观检测用来检测烟支外观，包含烟纸褶皱、烟丝露出过滤嘴褶皱等；烟支空头缺嘴检测用来检测烟支端部外观，包含缺嘴、空头、烟支倒置等；缺包检测用来检测包装好的条盒里是否缺失，包括缺包、缺支等；还有其他一些检测器。这些外挂检测器具有如下基本特征。

1.1.1 软件基于主控制器

主控制器是工控机或者ARM控制板。处理软件运行在主控制器上，完成所有的逻辑操作。

1.1.2 硬件多样性

硬件包括相机、光源、传感器、电磁阀、IO接口板等各式各样的硬件，如相机一般是千兆网相机，直接能接入网络，IO接口板一般是232或485接口，光源、传感器、电磁阀等直接是IO信号。这些信号如果接入网络必须进行转换。

1.1.3 类似的软件功能

各个检测器都有品牌切换、信息显示、参数配置、数据统计、异常报警、历史信息等功能，光进行每个检测器的品牌切换就要花费不少时间，数据统计和历史信息保存在本地硬盘里，异常报警形式多种多样。

1.2 服务器

服务器内部硬件和一般电脑一样，均是由CPU、内存、主板、显卡、硬盘等组成，不过服务器由于偏向处理器数据能力，因此很多服务器主板均可安装多个处理器、多条内存以及更多硬盘，因此看起来主板、机箱等均比较庞大，服务器由于对于显示性能不是很重要，很多服务器都不需要显示器，远程管理即可，因此一般服务器均使用的是集成显卡。

按照体系架构来区分，服务器主要分为两类：

非x86服务器：包括大型机、小型机和UNIX服务器，它们是使用RISC（精简指令集）或EPIC（并行指令代码）。

x86服务器：又称CISC（复杂指令集）架构服务器，即通常所讲的PC服务器，它是基于PC机体系结构，使用Intel或其他兼容x86指令集的处理器芯片和Windows操作系统的服务器。价格便宜、兼容性好、安全性不算太高，主要用在非关键业务中。

按应用层次划分，服务器可分为：入门级服务器、工作组级服务器、部门级服务器、企业级服务器。

1.3 虚拟机

虚拟机（Virtual Machine）指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。虚拟系统通过生成现有操作系统的全新虚拟镜像，它具有真实Windows系统完全一样的功能，进入虚拟系统后，所有操作都是在这个全新的独立的虚拟系统里面进行，可以独立安装运行软件，保存数据，拥有自己的独立桌面，不会对真正的系统产生任何影响，而且具有能够在现有系统与虚拟镜像之间灵活切换的一类操作系统。

虚拟机具有如下特点：

（1）可同時在同一台机器上运行多个操作系统，每个操作系统都有自己独立的一个虚拟机，就如同网络上一个独立PC机。

（2）同时运行两个虚拟机，相互之间可以进行对话，也可以在全屏方式下进行虚拟机之间对话，不过此时另一个虚拟机在后台运行。

（3）在不同的虚拟机上可以安装不同的操作系统，不需要重新对硬盘进行分区和格式化。

（4）虚拟机之间共享文件、应用、网络资源等。

（5）可以运行C/S方式的应用，也可以在同一台计算机上，使用另一台虚拟机的所有资源。

1.4 C/S架构

即Client/Server（客户机/服务器）架构，是大家熟知的软件系统体系结构，通过将任务合理分配到Client端和Server端，降低了系统的通讯开销，需要安装客户端才可进行管理操作。客户端和服务器端的程序不同，用户的程序主要在客户端，服务器端主要提供数据管理、数据共享、数据及系统维护和并发控制等，客户端程序主要完成用户的具体的业务。

1.5 路由器

路由器（Router）又称网关设备（Gateway）是用于连接多个逻辑上分开的网络，所谓逻辑网络是代表一个单独的网络或者一个子网。当数据从一个子网传输到另一个子网时，可通过路由器的路由功能来完成。路由器具有判断网络地址和选择IP路径的功能，它能在多网络互联环境中，建立灵活的连接，可用完全不同的数据分组和介质访问方法连接各种子网，路由器只接受源站或其他路由器的信息，属网络层的一种互联设备。

2 系统设计

2.1 系统结构

整个平台由中心服务器、触摸屏、路由器、硬件控制器及外挂检测装置硬件等组成。中心服务器是整个平台的核心，部署若干个虚拟机，完成所有的核心软件功能。硬件控制器作为平台与外挂装置的接口，完成数据的转换传递功能。路由器负责网络数据的转发功能。触摸屏作为人機界面接口，完成人机交互功能。中心服务器、触摸屏及其他配件部署在立式机柜内。

2.2 硬件设计

依据本平台的负载和功能需求，采用部门级服务器是比较合适的。中心服务器选用某著名品牌1U机架式服务器，CPU型号为Xeon E5，频率为2.4 GHz，配置两颗CPU，三级缓存，6核CPU，12线程。最大内存容量为768 GB，最大配置28块600 GB的SSD硬盘，双网口千兆网卡，可轻松部署12套虚拟机。

由于平台里有很多实时工业相机，网络数据流量很大，需选用高性能大流量路由器。本研究选用某著名品牌的企业级千兆网路由器，最高传输速率1 300 Mbps，网络接口10/100/1 000 Mbps自适应。

本平台基于以太网，所有的硬件最终要通过以太网络接入平台控制系统，对于传感器等输入部件和控制器等输出部件一般是IO接口，部分控制器具有485/232接口，需要一种专用于香烟包装机综合检测平台的通用控制器，作为数据转换的桥梁，连接综合检测平台和所有的输入输出设备。根据各个外挂装置的功能需求，可以配置一个或多个硬件控制器。硬件控制器是基于ARM处理器的高速处理控制器，通过参数配置即可完成高速脉冲处理功能、信号转换功能、输入输出隔离功能，可以把各种IO信号、RS232/485信号、USB信号转换为网络信号。

2.3 软件设计

本平台软件分为两个大部分，一个是检测功能的实现，一个是集控功能的实现。每个虚拟机运行一套功能软件，对应实现一个检测功能，对于小的检测功能也可以一个虚拟机运行多套功能软件。中心服务器单独设定一台虚拟机作为中心虚拟机，作为集控功能的服务器。为了安全，中心虚拟机应部署一加一主备，避免异常。

2.3.1 检测功能

本平台含有非常多的检测功能，每个都独立完成一种检测功能，都包含传感器、CCD相机等各种输入信号的处理，报警器、电磁阀等执行机构输出信号的处理，软件上都包含参数配置、品牌切换、数据统计、异常报警、实时显示、历史记录、数据上报、外部通信等。从软件架构上来说是可以统一的。界面风格一致，统一美观。鉴于检测功能的实时性能的需要选择用C++语言实现，构造各种统一功能类，在实现各个具体检测功能时去继承这些类，实现自身需要的逻辑，这样既保持了实现风格的统一，又加快了开发流程。

2.3.2 集控功能

集控功能指的是把所有检测功能的运行信息和共同的配置信息统一到中心虚拟机上，由中心虚拟机统一显示，由中心虚拟机统一发布配置信息及控制指令。如进行品牌切换、软件重置、系统重启、清空历史功能。

中心虚拟机部署IDDMainServer软件，作为服务器端接收所有的功能客户端的链接、上传数据等，同时给客户端发布配置信息及控制指令。客户端由部署在其他虚拟机上的IDDClient实现与服务器的桥梁，通过Socket进行通信，IDDClient与本虚拟机上的Detect Func作为同一进程下的不同线程进行消息交互。

3 总 结

本文对香烟包装机综合检测平台进行了研究，经过前期充分的理论分析和方案论证，首台样机经过测试达到了设计要求。但同时该平台还有一些改进的空间，如香烟包装机本身的数据没有接入进来，只是为大数据分析提供了基础条件，还需要进一步整理挖掘等，以后应继续改进提高并加以推广，以充分发挥平台的价值。

主要参考文献

[1][美]K 赫斯，A 纽曼.虚拟化技术实战[M].徐炯，译.北京：人民邮电出版社，2012.

[2][德]斯蒂格，尤里奇，威德曼，等.机器视觉算法与应用[M].杨少荣，译.北京：清华大学出版社，2008.

[3]谢希仁.计算机网络[M].北京：电子工业出版社，2003.