摘要：本文介紹了采用工業(yè)以太網(wǎng)（PROFINET）革新使用現(xiàn)場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、功能固定及維護成本高等問題，給出了新系統(tǒng)的設計方案、控制難點的解決方法。通過升級改進，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。
關鍵詞：實時工業(yè)以太網(wǎng)，制絲線，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（Prime line）是確保保證卷煙質(zhì)量穩(wěn)定的生產(chǎn)線，同時制絲線也是的工藝流程最長、工序最繁雜、設備種類最多的生產(chǎn)線。制絲線的自動控制方式，是按葉線、梗線、配比、加香加料等工藝段劃分，先獨立通過PLC掛接現(xiàn)場總線（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)，最終完成相應的數(shù)控采集、監(jiān)控。這種控制模式在當前的卷煙行業(yè)內(nèi)得到了最廣泛的應用。

2 當前制絲線電控系統(tǒng)簡介及問題分析

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。

圖1 卷煙廠制絲線電控系統(tǒng)示意圖
原電控系統(tǒng)的各個工藝段由PLC、觸摸屏、現(xiàn)場I/O站組成控制系統(tǒng)，現(xiàn)場總線將各部件聯(lián)接；現(xiàn)場層與監(jiān)控管理層通過以太網(wǎng)交換機進行聯(lián)接。

在生產(chǎn)現(xiàn)場，各工藝段的PLC負責本工藝段的控制，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，發(fā)送相應控制指令；現(xiàn)場總線傳送指令到達現(xiàn)場I/O站，完成對現(xiàn)場執(zhí)行器件的控制，同時采集現(xiàn)場傳感器的信號，回傳至PLC。觸摸屏顯示相關的生產(chǎn)參數(shù)，供現(xiàn)場人員了解生產(chǎn)線狀況，接收現(xiàn)場人員的生產(chǎn)操作命令。

監(jiān)控管理層，交換機通過以太網(wǎng)將現(xiàn)場層與監(jiān)控管理層聯(lián)接。服務器采集現(xiàn)場的生產(chǎn)信息，生成相應報表；監(jiān)控計算機實時監(jiān)控現(xiàn)場生產(chǎn)狀況，并可發(fā)布生產(chǎn)調(diào)度計劃。

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)。但當前卷煙市場競爭激烈，新產(chǎn)品的開發(fā)投產(chǎn)要求工藝技術不斷改進，此時這類電控系統(tǒng)的剛性就暴露無遺。工藝段進行調(diào)整時，整個工藝段的電控系統(tǒng)要重新設計；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)場觸摸屏的人機界面功能單薄，而且當現(xiàn)場操作觸摸屏出現(xiàn)問題時，其所負責的監(jiān)控的工藝段就無法實現(xiàn)人機交互的功能；更為嚴重的是，當控制系統(tǒng)的集中監(jiān)控計算機停機（包括正常停機和故障停機）時，整條制絲生產(chǎn)線就不能正常生產(chǎn)。整個電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)繁雜、難于維護，無法適應目前先進的柔性生產(chǎn)理念的要求。

新電控系統(tǒng)的設計

控制體系的選擇

卷煙廠的自動化已由簡單的生產(chǎn)車間自動控制、辦公室的計算機使用，延伸到了管理層、控制層、現(xiàn)場層的方方面面。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 — 即以實時工業(yè)以太網(wǎng)（Real Time Ethernet）完成企業(yè)內(nèi)所有設備的聯(lián)接，實現(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）與PROFIBUS USER ORGANISATION（由西門子主導） 共同推出了。

PROFINET是一個整體的解決方案，它使用TCP/IP和IT標準，符合基于工業(yè)以太網(wǎng)的實時自動化體系。PROFINET能夠?qū)崿F(xiàn)與現(xiàn)場總線的無縫集成；它可以滿足用于所有客戶需要的統(tǒng)一的通信，將現(xiàn)場總線傳輸現(xiàn)場信息的實時性、使用方便、診斷功能強和經(jīng)濟性的特點，與工業(yè)以太網(wǎng)的多主站、通用性、同時能夠通過采用不同速率來傳輸大數(shù)量信息的特點有機地結(jié)合起來。

現(xiàn)場操作員終端的選擇

為更好地實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)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足了原有的現(xiàn)場顯示需求，同時提供通用的WINDOWS運行平臺，可以同時運行多套主機商開發(fā)的程序；PCI、ISA通用擴展槽、雙以太網(wǎng)口等接口，使通過外接擴展卡增強系統(tǒng)功能異常簡單。另外考慮到工業(yè)現(xiàn)場溫度較高、濕度較大、且粉塵較多、設備工作時震動頻率大，此工控機采用無風扇設計、工業(yè)硬盤且?guī)Х勒鸢惭b裝置。可維護性較好，同時數(shù)據(jù)信息得到良好保護。

其它控制系統(tǒng)器件的選擇

正常情況下，PLC、現(xiàn)場I/O等器件，選用符合IEC標準的產(chǎn)品即可。不過，因采用了最新的工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET，相關器件的接口就有了新的要求。PLC要求具備PROFINET接口，現(xiàn)場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，這樣才能傳送實時信號。

控制系統(tǒng)實施

新控制系統(tǒng)的建立

PROFINET交換機構(gòu)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(jié)構(gòu)在組態(tài)時完成，與硬件位置無關。

現(xiàn)場操作員終端通過PROFINET與所有控制段PLC通訊，實現(xiàn)對相關控制段設備的授權(quán)監(jiān)控，同時還通過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)計劃、批次任務、配方參數(shù)等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并將相關生產(chǎn)段的生產(chǎn)信息傳遞給生產(chǎn)管理層。

數(shù)據(jù)服務器同樣通過以太網(wǎng)接入工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET，采集相關數(shù)據(jù)。無線以太網(wǎng)交換機可以使工程師的無線設備便捷地連入網(wǎng)絡開展工作。

新的制絲線控制流程

自動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組配；片煙預處理工序?qū)⒏黝愋偷燃壍钠瑹熂訙鼗爻彼缮?、加料，根?jù)葉組配方要求完成批量配葉任務；制葉絲工序?qū)⒒旌虾筚A存到規(guī)定時間后的煙片由貯葉柜輸出，經(jīng)篩分、切絲、葉絲加濕進入烘絲環(huán)節(jié)；煙梗預處理工序?qū)煿；爻避浕邆錈煿Ｖ平z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、風冷、金屬探測等，進入切梗絲機；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小時以上的煙絲送至對應的卷接機組。

控制網(wǎng)絡構(gòu)建的要點

傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線控制系統(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，在組態(tài)時就可完成邏輯結(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)絡的優(yōu)勢來完成網(wǎng)絡構(gòu)建。

新的工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET控制系統(tǒng)，帶來一個問題，大量的設備直接連在網(wǎng)絡中，導致大量的數(shù)據(jù)包充斥網(wǎng)絡，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VLAN。