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

摘要　本文介紹了采用工業(yè)以太網(wǎng)（PROFINET）革新使用現(xiàn)場(chǎng)總線完成制絲線系統(tǒng)控制的方法。文章分析了原有控制系統(tǒng)的剛性、功能固定及維護(hù)成本高等問題，給出了新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、控制難點(diǎn)的解決方法。通過升級(jí)改進(jìn)，新的制絲線電控系統(tǒng)更柔性化，滿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，PLC，工控機(jī)

　　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（Prime line）是確保保證卷煙質(zhì)量穩(wěn)定的生產(chǎn)線，同時(shí)制絲線也是的工藝流程最長、工序最繁雜、設(shè)備種類最多的生產(chǎn)線。制絲線的自動(dòng)控制方式，是按葉線、梗線、配比、加香加料等工藝段劃分，先獨(dú)立通過PLC掛接現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）的方式完成工藝段的控制，然后再通過以太網(wǎng)（Ethernet）將各工藝段相聯(lián)，最終完成相應(yīng)的數(shù)控采集、監(jiān)控。這種控制模式在當(dāng)前的卷煙行業(yè)內(nèi)得到了最廣泛的應(yīng)用。

　　2 當(dāng)前制絲線電控系統(tǒng)簡(jiǎn)介及問題分析

　　2.1卷煙廠制絲線電控系統(tǒng)

　　制絲線電控系統(tǒng)是卷煙廠制絲生產(chǎn)線的控制核心。系統(tǒng)示意圖如圖1。

　　原電控系統(tǒng)的各個(gè)工藝段由PLC、觸摸屏、現(xiàn)場(chǎng)I/O站組成控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線將各部件聯(lián)接；現(xiàn)場(chǎng)層與監(jiān)控管理層通過以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行聯(lián)接。

　　在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，各工藝段的PLC負(fù)責(zé)本工藝段的控制，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，發(fā)送相應(yīng)控制指令；現(xiàn)場(chǎng)總線傳送指令到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)I/O站，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器件的控制，同時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)傳感器的信號(hào)，回傳至PLC。觸摸屏顯示相關(guān)的生產(chǎn)參數(shù)，供現(xiàn)場(chǎng)人員了解生產(chǎn)線狀況，接收現(xiàn)場(chǎng)人員的生產(chǎn)操作命令。

　　監(jiān)控管理層，交換機(jī)通過以太網(wǎng)將現(xiàn)場(chǎng)層與監(jiān)控管理層聯(lián)接。服務(wù)器采集現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)信息，生成相應(yīng)報(bào)表；監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)狀況，并可發(fā)布生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃。

　　2.2現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問題

　　在原電控系統(tǒng)中，各工藝段相對(duì)獨(dú)立，工序固定單一，適合固定產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)。但當(dāng)前卷煙市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，新產(chǎn)品的開發(fā)投產(chǎn)要求工藝技術(shù)不斷改進(jìn)，此時(shí)這類電控系統(tǒng)的剛性就暴露無遺。工藝段進(jìn)行調(diào)整時(shí)，整個(gè)工藝段的電控系統(tǒng)要重新設(shè)計(jì)；制絲線的整線調(diào)整就等同于新建一條生產(chǎn)線。此外，現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏的人機(jī)界面功能單薄，而且當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)操作觸摸屏出現(xiàn)問題時(shí)，其所負(fù)責(zé)的監(jiān)控的工藝段就無法實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能；更為嚴(yán)重的是，當(dāng)控制系統(tǒng)的集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)停機(jī)（包括正常停機(jī)和故障停機(jī)）時(shí)，整條制絲生產(chǎn)線就不能正常生產(chǎn)。整個(gè)電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)繁雜、難于維護(hù)，無法適應(yīng)目前先進(jìn)的柔性生產(chǎn)理念的要求。

　　3 新電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　3.1控制體系的選擇

　　卷煙廠的自動(dòng)化已由簡(jiǎn)單的生產(chǎn)車間自動(dòng)控制、辦公室的計(jì)算機(jī)使用，延伸到了管理層、控制層、現(xiàn)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(nèi)所有設(shè)備的聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)信息流的暢通無阻。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(dǎo)）與PROFIBUS USER ORGANISATION（由西門子主導(dǎo)） 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(biāo)準(zhǔn)，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?qū)崿F(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)總線的無縫集成；它可以滿足用于所有客戶需要的統(tǒng)一的通信，將現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸現(xiàn)場(chǎng)信息的實(shí)時(shí)性、使用方便、診斷功能強(qiáng)和經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)，與工業(yè)以太網(wǎng)的多主站、通用性、同時(shí)能夠通過采用不同速率來傳輸大數(shù)量信息的特點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合起來。

　　3.2現(xiàn)場(chǎng)操作員終端的選擇

　　為更好地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，此次選用了PPC 5315工控機(jī)（菲尼克斯電氣）。此種型號(hào)的工控機(jī)滿足了原有的現(xiàn)場(chǎng)顯示需求，同時(shí)提供通用的WINDOWS運(yùn)行平臺(tái)，可以同時(shí)運(yùn)行多套主機(jī)商開發(fā)的程序；PCI、ISA通用擴(kuò)展槽、雙以太網(wǎng)口等接口，使通過外接擴(kuò)展卡增強(qiáng)系統(tǒng)功能異常簡(jiǎn)單。另外考慮到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)溫度較高、濕度較大、且粉塵較多、設(shè)備工作時(shí)震動(dòng)頻率大，此工控機(jī)采用無風(fēng)扇設(shè)計(jì)、工業(yè)硬盤且?guī)Х勒鸢惭b裝置?？删S護(hù)性較好，同時(shí)數(shù)據(jù)信息得到良好保護(hù)。

　　3.3其它控制系統(tǒng)器件的選擇

　　正常情況下，PLC、現(xiàn)場(chǎng)I/O等器件，選用符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品即可。不過，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(xiàn)場(chǎng)I/O子站的耦合器要求具備PROFINET接口。此外，交換機(jī)要求支持PROFINET功能，這樣才能傳送實(shí)時(shí)信號(hào)。

　　4 控制系統(tǒng)實(shí)施

　　4.1新控制系統(tǒng)的建立

　　PROFINET交換機(jī)構(gòu)建冗余光纖環(huán)網(wǎng)，各工藝段的電氣設(shè)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(jié)構(gòu)在組態(tài)時(shí)完成，與硬件位置無關(guān)。

　　現(xiàn)場(chǎng)操作員終端通過PROFINET與所有控制段PLC通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)控制段設(shè)備的授權(quán)監(jiān)控，同時(shí)還通過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(jì)劃、批次任務(wù)、配方參數(shù)等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)服務(wù)器同樣通過以太網(wǎng)接入工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET，采集相關(guān)數(shù)據(jù)。無線以太網(wǎng)交換機(jī)可以使工程師的無線設(shè)備便捷地連入網(wǎng)絡(luò)開展工作。

　　4.2新的制絲線控制流程

　　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(yù)處理工序?qū)⒏黝愋偷燃?jí)的片煙加溫回潮松散、加料，根據(jù)葉組配方要求完成批量配葉任務(wù)；制葉絲工序?qū)⒒旌虾筚A存到規(guī)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(jié)；煙梗預(yù)處理工序?qū)煿；爻避浕?，具備煙梗制絲的條件；制梗絲工序?qū)⑻幚砗玫臒煿Ｓ少A柜輸出，經(jīng)蒸梗、壓梗、風(fēng)冷、金屬探測(cè)等，進(jìn)入切梗絲機(jī)；混合加香工序?qū)崿F(xiàn)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?qū)⒓酉愫筚A存8小時(shí)以上的煙絲送至對(duì)應(yīng)的卷接機(jī)組。

　　4.3控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的要點(diǎn)

　　傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，要求同一工藝段的電氣器件必須通過總線電纜直接相連。工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET無此要求，只需就近將電氣器件接入交換機(jī)，在組態(tài)時(shí)就可完成邏輯結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。因而在此要求打破舊有的思維，依據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)來完成網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。

　　新的工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET控制系統(tǒng)，帶來一個(gè)問題，大量的設(shè)備直接連在網(wǎng)絡(luò)中，導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)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(jī)中啟動(dòng)VLAN功能（參見具體產(chǎn)品說明書），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(jié)語

　　新電控系統(tǒng)的PROFINET網(wǎng)絡(luò)集成了強(qiáng)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(xiàn)；PROFINET的模塊化結(jié)構(gòu)可非常容易地?cái)U(kuò)展和包含其他功能；PROFINET提供標(biāo)準(zhǔn)化的獨(dú)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(shè)備和組件集成到單一系統(tǒng)中。PPC5135的人機(jī)界面友好，不僅使現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控更便捷，同時(shí)其通訊功能使車間總控室可以實(shí)時(shí)監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況。

　　新的控制系統(tǒng)將網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議簡(jiǎn)化為一種，極大地節(jié)約了構(gòu)建成本、未來維護(hù)成本。同時(shí)為未來柔性制絲系統(tǒng)的構(gòu)建打下了良好的基礎(chǔ)。