工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET革新制絲線(xiàn)的電控系統

摘要　本文介紹了采用工業(yè)以太網(wǎng)（PROFINET）革新使用現場(chǎng)總線(xiàn)完成制絲線(xiàn)系統控制的方法。文章分析了原有控制系統的剛性、功能固定及維護成本高等問(wèn)題，給出了新系統的設計方案、控制難點(diǎn)的解決方法。通過(guò)升級改進(jìn)，新的制絲線(xiàn)電控系統更柔性化，滿(mǎn)足了信息控制一體化的要求，最終提高了卷煙生產(chǎn)的 效率。

關(guān)鍵詞　實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)，制絲線(xiàn)，PLC，工控機

　　1 前言

　　卷煙企業(yè)的生產(chǎn)流程，主要是：制絲、卷接、包裝。而制絲線(xiàn)（Prime line）是確保保證卷煙質(zhì)量穩定的生產(chǎn)線(xiàn)，同時(shí)制絲線(xiàn)也是的工藝流程最長(cháng)、工序最繁雜、設備種類(lèi)最多的生產(chǎn)線(xiàn)。制絲線(xiàn)的自動(dòng)控制方式，是按葉線(xiàn)、梗線(xiàn)、配比、加香加料等工藝段劃分，先獨立通過(guò)PLC掛接現場(chǎng)總線(xiàn)（Fieldbus）的方式完成工藝段的控制，然后再通過(guò)以太網(wǎng)（Ethernet）將各工藝段相聯(lián)，最終完成相應的數控采集、監控。這種控制模式在當前的卷煙行業(yè)內得到了最廣泛的應用。

　　2 當前制絲線(xiàn)電控系統簡(jiǎn)介及問(wèn)題分析

　　2.1卷煙廠(chǎng)制絲線(xiàn)電控系統

　　制絲線(xiàn)電控系統是卷煙廠(chǎng)制絲生產(chǎn)線(xiàn)的控制核心。系統示意圖如圖1。

　　原電控系統的各個(gè)工藝段由PLC、觸摸屏、現場(chǎng)I/O站組成控制系統，現場(chǎng)總線(xiàn)將各部件聯(lián)接；現場(chǎng)層與監控管理層通過(guò)以太網(wǎng)交換機進(jìn)行聯(lián)接。

　　在生產(chǎn)現場(chǎng)，各工藝段的PLC負責本工藝段的控制，根據生產(chǎn)工藝要求，發(fā)送相應控制指令；現場(chǎng)總線(xiàn)傳送指令到達現場(chǎng)I/O站，完成對現場(chǎng)執行器件的控制，同時(shí)采集現場(chǎng)傳感器的信號，回傳至PLC。觸摸屏顯示相關(guān)的生產(chǎn)參數，供現場(chǎng)人員了解生產(chǎn)線(xiàn)狀況，接收現場(chǎng)人員的生產(chǎn)操作命令。

　　監控管理層，交換機通過(guò)以太網(wǎng)將現場(chǎng)層與監控管理層聯(lián)接。服務(wù)器采集現場(chǎng)的生產(chǎn)信息，生成相應報表；監控計算機實(shí)時(shí)監控現場(chǎng)生產(chǎn)狀況，并可發(fā)布生產(chǎn)調度計劃。

　　2.2現有系統存在的問(wèn)題

　　在原電控系統中，各工藝段相對獨立，工序固定單一，適合固定產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)。但當前卷煙市場(chǎng)競爭激烈，新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)投產(chǎn)要求工藝技術(shù)不斷改進(jìn)，此時(shí)這類(lèi)電控系統的剛性就暴露無(wú)遺。工藝段進(jìn)行調整時(shí)，整個(gè)工藝段的電控系統要重新設計；制絲線(xiàn)的整線(xiàn)調整就等同于新建一條生產(chǎn)線(xiàn)。此外，現場(chǎng)觸摸屏的人機界面功能單薄，而且當現場(chǎng)操作觸摸屏出現問(wèn)題時(shí)，其所負責的監控的工藝段就無(wú)法實(shí)現人機交互的功能；更為嚴重的是，當控制系統的集中監控計算機停機（包括正常停機和故障停機）時(shí)，整條制絲生產(chǎn)線(xiàn)就不能正常生產(chǎn)。整個(gè)電控系統結構繁雜、難于維護，無(wú)法適應目前先進(jìn)的柔性生產(chǎn)理念的要求。

　　3 新電控系統的設計

　　3.1控制體系的選擇

　　卷煙廠(chǎng)的自動(dòng)化已由簡(jiǎn)單的生產(chǎn)車(chē)間自動(dòng)控制、辦公室的計算機使用，延伸到了管理層、控制層、現場(chǎng)層的方方面面。正如菲尼克斯電氣在2004年首次提出信息控制一體化的理念 — 即以實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)（Real Time Ethernet）完成企業(yè)內所有設備的聯(lián)接，實(shí)現信息流的暢通無(wú)阻。在此選用的工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET，正是基于這一理念，由INTERBUS CLUB（由菲尼克斯電氣主導）與PROFIBUS USER ORGANISATION（由西門(mén)子主導） 共同推出了。

　　PROFINET是一個(gè)整體的解決方案，它使用TCP/IP和IT標準，符合基于工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)自動(dòng)化體系。PROFINET能夠實(shí)現與現場(chǎng)總線(xiàn)的無(wú)縫集成；它可以滿(mǎn)足用于所有客戶(hù)需要的統一的通信，將現場(chǎng)總線(xiàn)傳輸現場(chǎng)信息的實(shí)時(shí)性、使用方便、診斷功能強和經(jīng)濟性的特點(diǎn)，與工業(yè)以太網(wǎng)的多主站、通用性、同時(shí)能夠通過(guò)采用不同速率來(lái)傳輸大數量信息的特點(diǎn)有機地結合起來(lái)。

　　3.2現場(chǎng)操作員終端的選擇

　　為更好地實(shí)現現場(chǎng)監控，此次選用了PPC 5315工控機（菲尼克斯電氣）。此種型號的工控機滿(mǎn)足了原有的現場(chǎng)顯示需求，同時(shí)提供通用的WINDOWS運行平臺，可以同時(shí)運行多套主機商開(kāi)發(fā)的程序；PCI、ISA通用擴展槽、雙以太網(wǎng)口等接口，使通過(guò)外接擴展卡增強系統功能異常簡(jiǎn)單。另外考慮到工業(yè)現場(chǎng)溫度較高、濕度較大、且粉塵較多、設備工作時(shí)震動(dòng)頻率大，此工控機采用無(wú)風(fēng)扇設計、工業(yè)硬盤(pán)且帶防震安裝裝置?？删S護性較好，同時(shí)數據信息得到良好保護。

　　3.3其它控制系統器件的選擇

　　正常情況下，PLC、現場(chǎng)I/O等器件，選用符合IEC標準的產(chǎn)品即可。不過(guò)，因采用了最新的工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET，相關(guān)器件的接口就有了新的要求。PLC要求具備PROFINET接口，現場(chǎng)I/O子站的耦合器要求具備PROFINET接口。此外，交換機要求支持PROFINET功能，這樣才能傳送實(shí)時(shí)信號。

　　4 控制系統實(shí)施

　　4.1新控制系統的建立

　　PROFINET交換機構建冗余光纖環(huán)網(wǎng)，各工藝段的電氣設備不再按物理劃分，全部就近接入工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET。各工藝段的邏輯結構在組態(tài)時(shí)完成，與硬件位置無(wú)關(guān)。

　　現場(chǎng)操作員終端通過(guò)PROFINET與所有控制段PLC通訊，實(shí)現對相關(guān)控制段設備的授權監控，同時(shí)還通過(guò)PROFINET與生產(chǎn)管理層連接，直接從生產(chǎn)管理層獲得生產(chǎn)作業(yè)計劃、批次任務(wù)、配方參數等生產(chǎn)數據，并將相關(guān)生產(chǎn)段的生產(chǎn)信息傳遞給生產(chǎn)管理層。

　　數據服務(wù)器同樣通過(guò)以太網(wǎng)接入工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET，采集相關(guān)數據。無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)交換機可以使工程師的無(wú)線(xiàn)設備便捷地連入網(wǎng)絡(luò )開(kāi)展工作。

　　4.2新的制絲線(xiàn)控制流程

　　自動(dòng)配葉工序按照卷煙葉組配方要求，完成片煙原料和煙梗的自動(dòng)組配；片煙預處理工序將各類(lèi)型等級的片煙加溫回潮松散、加料，根據葉組配方要求完成批量配葉任務(wù)；制葉絲工序將混合后貯存到規定時(shí)間后的煙片由貯葉柜輸出，經(jīng)篩分、切絲、葉絲加濕進(jìn)入烘絲環(huán)節；煙梗預處理工序將煙?；爻避浕?，具備煙梗制絲的條件；制梗絲工序將處理好的煙梗由貯柜輸出，經(jīng)蒸梗、壓梗、風(fēng)冷、金屬探測等，進(jìn)入切梗絲機；混合加香工序實(shí)現葉絲、梗絲、二氧化碳膨脹煙絲、薄片絲、回用煙絲的比例摻兌和均勻加香；貯絲喂絲工序將加香后貯存8小時(shí)以上的煙絲送至對應的卷接機組。

　　4.3控制網(wǎng)絡(luò )構建的要點(diǎn)

　　傳統的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統，要求同一工藝段的電氣器件必須通過(guò)總線(xiàn)電纜直接相連。工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET無(wú)此要求，只需就近將電氣器件接入交換機，在組態(tài)時(shí)就可完成邏輯結構的構建。因而在此要求打破舊有的思維，依據信息網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)勢來(lái)完成網(wǎng)絡(luò )構建。

　　新的工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET控制系統，帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，大量的設備直接連在網(wǎng)絡(luò )中，導致大量的數據包充斥網(wǎng)絡(luò )，造成通訊效能下降。解決辦法就是使用VLAN（虛擬局域網(wǎng)），即在交換機中啟動(dòng)VLAN功能（參見(jiàn)具體產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)），將邏輯上屬于同一工藝段的電氣器件劃歸同一個(gè)VLAN。

　　5 結語(yǔ)

　　新電控系統的PROFINET網(wǎng)絡(luò )集成了強大功能，從網(wǎng)絡(luò )安裝到基于web診斷的整個(gè)自動(dòng)化解決方案的實(shí)現；PROFINET的模塊化結構可非常容易地擴展和包含其他功能；PROFINET提供標準化的獨立于制造商的工程接口，它能夠方便地把各個(gè)制造商的設備和組件集成到單一系統中。PPC5135的人機界面友好，不僅使現場(chǎng)的監控更便捷，同時(shí)其通訊功能使車(chē)間總控室可以實(shí)時(shí)監視現場(chǎng)生產(chǎn)情況。

　　新的控制系統將網(wǎng)絡(luò )通訊協(xié)議簡(jiǎn)化為一種，極大地節約了構建成本、未來(lái)維護成本。同時(shí)為未來(lái)柔性制絲系統的構建打下了良好的基礎。