摘要:介绍了烟草行业的自动化系统发展历史。通过分析不同时代的控制系统，横向比较技术和性能优劣，并结合现代嵌入式系统的分类特性，阐述了嵌入式系统在烟草行业的应用前景。对传统PLC技术架构的信息化系统作了图示分析，对嵌入式技术开发的工业物联网进行了研究和论证，并做出大胆预测。
关键词:可编程控制器;嵌入式技术;数字化车间
引言
纵观我国制造业发展现状，由于历史发展原因，烟草行业是最早达到较高自动化水平的行业之一。由于烟草行业成本收益率较高，在装备投资方面力度很大，透过该行业可以见证中国改革开放以来的“工业现代化”发展历程。
1烟草行业的自动化系统发展历史
上世纪80年代开始，烟草行业开始大规模引进发达国家先进设备和生产线，例如，八九十年代的英国MOLINS公司的MK9－5卷烟机组的引进，意大利公司SASIB包装机的引进，到后来的PASSIM卷接机组、PＲOTOS卷接机组、GD包装机组、FOCKE包装机组，都成了烟草行业装备发展历程的经典。上述这些设备的自动化系统，大量使用了数字电路技术、模拟电路技术、微计算机技术，实现了全部自动化生产。以早期的MK9－5卷接机组为例，其主控系统为一套机架式的电子线路板，核心控制系统为:CPU板为一块Intel8080的8位单片机及接口板、输入输出板构成的8位计算机系统。该机型的产能为每分钟5000支香烟，在英国本土，其操作员配置为一个女工操作2台设备，除了更换一下盘纸、水松纸之外，其他时间就去喝咖啡了，设备完全自动化运行。而此前的国产设备MK8产能仅为1000支/min，每台设备需配备3个操作工。笔者数年前曾经对一台英国MOLINS公司的工控机开发过数据采集程序。其主控计算机是一台386机，内存只有1M，包含了基本内存640K和高端内存360K，后找出当年的VB4．0，编写了采集和发送程序，用一张1．44M的3．5寸软盘，把程序拷贝进去，调试的时候，动辄就溢出了。这对于现在内存G时代的当下是不可想象的。然而，彼时的系统相当稳定可靠。通过这些实例来看，自动化的实现，在不同的科技发展阶段，有不同的实现方式，却能达到同样的目的。尽管现在的嵌入式工程师对早期八位机的性能深表怀疑，但技术发展的高度和自动化水平的高度并非线性关系。
2PLC及嵌入式技术
2．1继电器控制与PLC控制系统比较90年代以来，随着PLC的大规模使用，传统的继电器控制器被完全取代了，与基于继电器的过程控制系统相比，PLC控制器体积更小，价格更优。除了这个优势外，PLC还具有“更高的系统可靠性、更好的系统灵活性、更低的系统成本、更快的系统响应时间、更容易的故障诊断”［1］等特点，其天然的优势包括模块化、可靠性高、编程简便，支持梯形图、逻辑图、语句表多种形式编程，符合电气工程师操作习惯。PLC和现场总线技术的广泛应用，一直持续到现在。而最大的赢家，就是西门子、罗克韦尔、欧姆龙等工业自动化供应商。国内的自动化设备应用，也有计算机、工控机的普遍使用，但大部分被用于开发人机界面，运行组态程序，而不是用于计算和控制。似乎嵌入式计算机技术被PLC技术、DCS系统、SCADA系统彻底取代了。2．2PLC与嵌入式技术比较反观发达国家的技术应用水平，并不像国内这样开放，而是坚持了“够用就好”的理念。例如迄今为止，国内存量最大的意大利GDX1和X2系列包装机一直使用80386和80486为主的CPU，总线采用AＲCNET网，系统架构严密、稳定、可靠，用较低的设计成本、物料成本，保证了产品的成熟性、普及型、标准化。随着芯片技术、微电子技术、嵌入式软件技术、MCU、MPU、MEMS、FPGA等技术的发展和普及，使用嵌入式技术开发DIY式的控制系统，已经成为新的趋势。除了成本低、可靠性更高、系统适用性更高之外，更有利于保护开发者的知识产权，实现优势技术的迭代发展和复用。我们有理由相信，嵌入式开发将很大程度上替代现有的PLC技术。嵌入式开发更像是DIY的量身定制的PLC系统。
3嵌入式系统在烟草行业的应用
相对PLC来说，嵌入式技术具有强大的计算处理能力，而且功耗极低，能够快速处理采集到的大量信息，并能通过内置复杂算法运算，对于信息化、智能化要求日益增加的烟草行业来说具有重大意义。而且嵌入式系统都带有各种通信和网络接口，能够很方便的和上位机(计算机)通信并构建有线或无线网络，完全适应物联网、工业智能制造的需求。相对而言，PLC的计算处理能力和速度相对较弱，虽然PLC能进行逻辑运算和一般的函数运算，但是不足以进行复杂算法运算，其存储空间较小，接口简单。烟草工业的总体水平已经实现了全部自动化和大部分的信息化。未来的发展趋势是自动化向智能化发展，利用智能控制和信息化技术相结合，实现智能制造。智能制造的一个重要基础，是大量分布式的嵌入式子系统、智能传感节点的模式，而不是以一块CPU为核心的单元式PLC控制系统的模式。
4嵌入式系统分类
目前主流的嵌入式系统包括嵌入式微处理器(EmbeddedMicroprocessorUnit，EMPU)、微控制器(MicrocontrollerUnit，MCU)、DSP处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、片上系统(SystemonChip，SoC)［2］。4．1嵌入式微处理器(EMPU)嵌入式微处理器包括高性能、低功耗的32位ＲISC架构和MIPS64位架构微处理器，该处理器及技术的应用几乎遍及工业控制、网络通信、消费电子等各类产品。它具有低功耗、小体积、高性价比的特点，支持Thumb(16位)/AＲM(32位)双指令集，大量使用寄存器，指令执行速度更快，执行效率更高。主流AＲM芯片的主频可达400MHz～1GHz，单核每秒处理指令的速度达230万条(2．3DMIPS/MHz)，支持JAVA加速，带有USB2．0接口、10/100M以太网接口、各种工业总线接口，适合工业环境温度条件－40～+80℃。嵌入式微处理器主要有386EX、MIPS、AＲM、PowerPC、68000系列等。4．2微控制器(MCU)MCU又称做单片机，它是将整个处理器系统集成到一块芯片中。MCU一般集成CPU、ＲOM、ＲAM、总线、总线逻辑、定时器、I/O、COM口、A/D、D/A等各种功能和外设，可以匹配各种工业领域的应用环境。与嵌入式微处理器相比，微控制器采用单片化设计，体积小、功耗低、可靠性高，它是目前嵌入式系统的主流。MCS－251、MC68HC05、68300和众多的AＲM芯片都是微控制器。4．3DSP处理器DSP处理器对系统结构和指令做了专门优化，内置执行DSP算法，编译执行效率较高，在数字滤波、FFT、频谱分析等方面，DSP应用逐渐从通用单片机过渡到专用DSP处理器。DSP处理器较有代表性的是TI公司的TMS320系列。4．4片上系统(SoC)与其他嵌入式系统一样，SoC系统成为VLSI设计中的标准器件。只要用户定义了应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给工厂制作样品。整个嵌入式系统大部分可以集成到一块芯片中，减小体积和功耗，提高可靠性。5嵌入式技术在烟草行业的应用前景随着数字化车间、智能制造概念的推广，嵌入式系统取代传统PLC系统的这种趋势会得以更大程度的强化。烟草行业常见的、传统的PLC技术架构的信息化系统拓扑结构如图1所示.基于这种系统架构，系统的投资重点集中在机房设备、服务器、数据库软件、存储备份、操作系统、路由器、交换机等等，其次是昂贵的PLC模块。而系统处理的数据信息，绝大多数是布尔量。更糟糕的是，基于摩尔定律，这类系统的软硬件的生命周期与工控系统相比都很短，因此，这种系统的投资，在很短的时间内就面临升级、报废和再投资。这种高额支出，显然会很大程度上抑制数字化车间和智能制造的推广。但是，如果在控制层较密集地使用嵌入式技术开发分布式的智能控制单元，构成工业物联网的传感层，用现场总线组网，使系统的信息处理工作下沉到系统底层，将会极大程度地降低系统数据传输的网络负荷和对服务层软硬件性能的依赖度，使整个系统投资降低到非常低的水平，那么，智能制造将会在全社会得以广泛推广。
参考文献:
［1］周立功．AＲM嵌入式系统基础教程［M］．2版．北京:北京航空航天大学出版社，2008．
经济管理论文［2］FrankDPetruzella．PLC教程［M］．3版．侯世英，译．北京:人民邮电出版社，2007．
作者：单位：陈烜 江西中烟工业有限责任公司
