引言
制絲生產(chǎn)是卷煙生產(chǎn)流程的一個子系統(tǒng)，它是將已初加工的煙片、煙梗作原料加工成滿足卷煙要求的成品煙絲的生產(chǎn)線，整條生產(chǎn)線是集光、機、電、信息于一體的系統(tǒng)工程。它是由很多部分構(gòu)成，每個部分有很多的控制點和采集點，整個系統(tǒng)而言，各部分之間有大量的數(shù)據(jù)信息交換，控制的關鍵是實現(xiàn)工藝、生產(chǎn)、管理的自動化。為了保護以前的投資并且實現(xiàn)控制的無縫連接，需要采用可靠性高，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強，通信速率快，系統(tǒng)安全，符合環(huán)境保護要求、價格低、維護成本低的控制方案，將傳感器、plc、計算機圖形、網(wǎng)絡、通訊等諸多迅速發(fā)展的技術結(jié)合在一起，用方便靈活的硬件和軟件模塊組合設計，以適應用戶各種不同特點的工藝控制和管理要求［1］。
控制系統(tǒng)構(gòu)成
控制體系的選擇
為了使生產(chǎn)快速反映最新的市場需求，縮短新產(chǎn)品的上市時間，這就需要根據(jù)煙廠范圍內(nèi)的連續(xù)信息流，用于戰(zhàn)略決策：
從生產(chǎn)第一線，到工廠控制層，直到管理層。因此信息技術，特別是基于生產(chǎn)自動化的信息技術將成為推動生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本和企業(yè)創(chuàng)新的主要力量。作為一項戰(zhàn)略性的技術創(chuàng)新，profinet為自動化通訊領域提供了一個完整的網(wǎng)絡解決方案，囊括了如實時以太網(wǎng)、運動控制、分布式自動化、故障安全以及網(wǎng)絡安全等當前自動化領域的最新技術，并且，作為跨供應商的技術，可以完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的現(xiàn)場總線（如profibus）技術，保護現(xiàn)有投資［2］。
由具有網(wǎng)絡管理功能和三層交換路由功能的工業(yè)以太網(wǎng)交換機組成冗余光纖環(huán)網(wǎng)作為車間級的主干通訊網(wǎng)絡網(wǎng)，主要用于各控制系統(tǒng)間的網(wǎng)絡通訊和控制系統(tǒng)與集中監(jiān)控系統(tǒng)間的通訊。
按照工藝段和各控制系統(tǒng)的控制范圍劃分，采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機為各工藝段控制系統(tǒng)構(gòu)建星型控制子網(wǎng)絡，以提供各控制段主控器件和io站點間的網(wǎng)絡通訊。各控制子網(wǎng)可通過交換機接入主干網(wǎng)。
為集中監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建子網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡一方面通過以太網(wǎng)交換機接入車間主干網(wǎng)，完成集中監(jiān)控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)間的網(wǎng)絡通訊；另一方面通過交換機或web服務器與廠級網(wǎng)絡連接，為廠級數(shù)據(jù)通訊提供網(wǎng)絡接口，同時在與廠級網(wǎng)接口處安裝硬件防火墻，以保護集控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)安全，防止來自廠級網(wǎng)和internet的侵害。
所有網(wǎng)絡設備采用雙路供電，以保證網(wǎng)絡設備具備冗余電源供應，確保網(wǎng)絡的穩(wěn)定可靠。
上位機組態(tài)軟件的選擇
對scada（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)）系統(tǒng)要求：通過工業(yè)以太網(wǎng)profinet，具有與多臺下位機系統(tǒng)通訊的能力，實時監(jiān)控多臺下位機的工作狀態(tài)，顯示生產(chǎn)過程中的工作曲線；具有遠程控制能力；向下位機采集數(shù)據(jù)，對歷史數(shù)據(jù)進行存儲、查詢、顯示、打印等。因此，在一個自動監(jiān)控系統(tǒng)中，運行的監(jiān)控組態(tài)軟件是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集處理中心、遠程監(jiān)視中心和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心，與各種控制、檢測設備（如plc、智能儀表等）共同構(gòu)成能快速響應的控制中心。本系統(tǒng)選用了siemens公司wincc（windows control center）6.0組態(tài)軟件。wincc具有控制自動化過程的強大功能，是基于個人計算機，同時具有極高性價比的scada級操作監(jiān)視系統(tǒng)。在兩臺服務器上安裝服務器版和冗余軟件包，工作站上安裝運行版。
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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。其中，plc主站采用的是s7-300/400plc；遠程i/o采用支持profinet技術的et200s。
控制層骨干網(wǎng)絡由最新的scalance x系列交換機搭建靈活構(gòu)建電氣或光學工業(yè)以太網(wǎng)；網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、類型以及端口數(shù)量都可很容易地適配工廠布局。它有高度的網(wǎng)絡可用性；即使故障時，也能通過非?？焖俚木W(wǎng)絡重新配置（《0.3s），可靠通訊；通過sc接口（千兆以太網(wǎng)）、st接口（快速以太網(wǎng)）以及預裝配光纖，可實現(xiàn)簡便的光纖連接技術；無需進行傳輸時間的計算就可以簡單地進行網(wǎng)絡組態(tài)；應用信號觸點、數(shù)字量輸入、snmp以及電子郵件和profine io診斷功能，監(jiān)視和診斷都十分簡便；通過在simatic系統(tǒng)故障報文概念sfm的集成，降低sps/hmi工程費用。
其中scalance x 200連接profinet網(wǎng)絡，骨干網(wǎng)采用scalance x414-3e形成一個環(huán)形的光纖冗余網(wǎng)絡，保證在網(wǎng)絡上一點發(fā)生故障時正常通訊。也可以在不中斷通信的情況下，隨時進行網(wǎng)絡擴展，充分的保證系統(tǒng)的可靠性。scalance x400型交換機為上層管理網(wǎng)絡提供了千兆的通訊接口，也為各個子系統(tǒng)的集成提供了一個開放的平臺。該型交換機全面支持vlan和路由功能，有效的減輕網(wǎng)絡負載和防止網(wǎng)絡風暴的發(fā)生。進一步提升了網(wǎng)絡的可靠性。連接控制網(wǎng)絡和廠區(qū)外部網(wǎng)的scalance s模塊能夠隔離內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)的非安全連接。有效屏蔽外網(wǎng)的非授權(quán)訪問和其它不安全信息的傳播，同時又能保障有效信息的通訊。由于所有的分系統(tǒng)，諸如：制絲線、除塵線、配方庫、co2膨脹線、公用動力系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)等都采用profinet網(wǎng)絡，統(tǒng)一了所有現(xiàn)場設備的接口，實現(xiàn)了多網(wǎng)合一。統(tǒng)一的profinet系統(tǒng)接口，使得整個車間處于集中監(jiān)控狀態(tài)，增強了整個系統(tǒng)的透明度，有效數(shù)據(jù)采集和傳輸也更為方便和快捷。這些都為設備管理提供了極大的便利。同時，編程中引入cba概念，各個分系統(tǒng)分別作為各自獨立的組件，再通過imap軟件將它們連接成一個統(tǒng)一的系統(tǒng)。極大的簡化和方便了通訊編程和調(diào)試的復雜程度，節(jié)約了大量時間。大量工業(yè)級光纖和工業(yè)級連接輔件的使用，也讓網(wǎng)絡的每一個細小連接牢不可斷。
vlan劃分
圖1為vlan劃分，如果沒有對交換機進行虛擬局域網(wǎng)技術設置，局域網(wǎng)交換機只能對確定目的地址的分組進行單獨信息交換。各站點發(fā)送數(shù)據(jù)包之前都要廣播查詢所要到達目的地的mac地址，同時，由于大量應用層軟件需要廣播傳送某些數(shù)據(jù)包，而這些數(shù)據(jù)廣播包只須發(fā)向某一組用戶，此時如果沒有vlan，這些數(shù)據(jù)包會很快占用整個網(wǎng)絡大量的資源，仍然象集線器一樣，向交換機的所有端口上轉(zhuǎn)發(fā)廣播信息。使得正常數(shù)據(jù)包無法搶得正常帶寬，嚴重影響到網(wǎng)絡效率及性能［3］。
控制系統(tǒng)的實現(xiàn)及其難點
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)交換機可以使工作人員的無線設備便捷地連入網(wǎng)絡開展工作。圖2是制絲線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
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本方案設計中，最容易出問題的地方是通訊，現(xiàn)場調(diào)試最麻煩的地方也是通訊，為此對于通訊的部分，必須清晰了解系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)（圖3是制絲線拓撲結(jié)構(gòu)圖），并且對需要進行通訊的設備在安裝前就要全部進行一遍調(diào)試，要確認其中的所有需要通訊的模塊是可以通訊的。比如，操作臺電腦、觸摸屏、plc、變頻器、其它的plc、一些智能儀表和儀器。由于該系統(tǒng)較大，由于使用規(guī)范性的限制，在系統(tǒng)硬件組態(tài)時，要考慮這些模塊的搭配作用。在i/o模塊的安裝時，通常同型號的模塊放置在一起。但是由于系統(tǒng)較大，我們采用輸出模塊與輸入模塊形成回路的，將一個回路的參量所涉及的模塊放置在一個機架上?；惭b（rack）時，在決定控制箱內(nèi)各種控制組件及線槽位置后，要嚴格依照圖紙所示尺寸，標定孔位，鉆孔后將固定螺絲旋緊到基座牢固為止。在裝上電源供應模塊前，必須同時注意電源線上的接地端有無與金屬機殼連結(jié)，若接地不好的話，會導致一系列的問題，靜電、浪涌、外干擾等等。
控制系統(tǒng)完成的功能
批次任務管理
計算機從mes系統(tǒng)接收生產(chǎn)批次任務，并把生產(chǎn)批次任務分解下發(fā)至相應的控制段監(jiān)控機。監(jiān)控計算機有3種控制選擇模式，分別為mes控制／遠程控制／本地控制。正常生產(chǎn)時，選擇mes控制模式，控制系統(tǒng)執(zhí)行由管理計算機分解后的mes系統(tǒng)下發(fā)的批次任務；當mes系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，選擇遠程控制模式，控制系統(tǒng)執(zhí)行在監(jiān)控機上手工錄入的批次任務；當需要在現(xiàn)場調(diào)試、檢修設備時，選擇本地控制模式，可以通過現(xiàn)場的啟動、停止按鈕對電機進行本地控制。
集中監(jiān)控功能監(jiān)
控計算機通過圖形化界面對生產(chǎn)線進行實時監(jiān)控?？刂乒δ馨ㄉa(chǎn)線的控制模式選擇，工藝參數(shù)和設備參數(shù)的設定，生產(chǎn)線啟動、停止操作等。監(jiān)視功能采用圖形界面，并完全按照生產(chǎn)線工藝流程布置，具有生產(chǎn)線設備單機、分段或全局工藝流程運行狀態(tài)顯示以及工藝參數(shù)和設備參數(shù)的實時顯示功能。監(jiān)控機上還具有安全權(quán)限管理設置功能，操作人員或系統(tǒng)管理人員進入監(jiān)控系統(tǒng)必須先登錄，通過不同用戶身份的安全級別進行權(quán)限控制，從而保證系統(tǒng)的安全、正常運行。
生產(chǎn)報表、統(tǒng)計功能
每一批任務完成自動形成生產(chǎn)報表，包括任務批次號、使用的配方參數(shù)、開始和結(jié)束時間，重要工藝指標的最大、最小、平均值及標準偏差等統(tǒng)計參數(shù)，便于質(zhì)檢部門評價產(chǎn)品質(zhì)量。
設備控制功能
控制系統(tǒng)具有手動和自動兩種工作方式，維修設備時，采用單機手動方式；正常生產(chǎn)時，采用自動方式。
電機保護和緊急斷電功能
控制系統(tǒng)對每臺電機都提供保護功能，同時提供緊急斷電功能，在各工藝段關鍵位置設置明顯的緊急按鈕，以備在緊急情況下能迅速切斷整個工藝段的動力電源和控制電源。
回路控制功能
對需要調(diào)節(jié)的潤葉筒溫度、增溫增濕機壓力、加香流量等進行pid回路控制。pid參數(shù)在監(jiān)控機上設置，有手動和自動兩種控制模式。在手動控制模式時，各回路控制器輸出由操作員直接輸入數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)；在自動控制模式時，各回路控制器輸出由pid軟件自動調(diào)節(jié)。
在線診斷功能
控制系統(tǒng)可以在線診斷工藝段或主機設啟動條件是否滿足，并提示尚未滿足的條件為操作人員的操作提供指導。控制系統(tǒng)的運行非常依賴于網(wǎng)絡，一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡故障，會致工藝段甚至整個生產(chǎn)線停產(chǎn)，通過網(wǎng)絡在線診斷可以對工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線故障顯示定位，為維修人員快速排除網(wǎng)絡故障提幫助。
報警功能
各工藝段均有完善的故障聲光報警及消除光報警功能，可在監(jiān)控機上對報警進行確認和位，并通過不同顏色區(qū)分報警的狀態(tài)，是故障已失，還是仍處于故障狀態(tài)。
變頻控制功能
喂料機上的提升帶及貯柜底帶等需調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)的電機均采用變頻器進行控制，并選裝接口網(wǎng)卡，使各段變頻器均以現(xiàn)場總線式與plc通訊，實現(xiàn)數(shù)字化信息交換。
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結(jié)語
基于profinet制絲線有以下優(yōu)點：
實時性高：它采用以太網(wǎng)交換技術、全雙工通信、流量控制等技術，以及確定性數(shù)據(jù)通信調(diào)度控制策略、簡化通信棧軟件層次、現(xiàn)場設備層網(wǎng)絡微網(wǎng)段化等針對工業(yè)過程控制的通信實時性措施，提高了以太網(wǎng)通信的實時性。
結(jié)構(gòu)簡單：它采用直流電源耦合、電源冗余管理等技術，設計了能實現(xiàn)網(wǎng)絡供電或總線供電的以太網(wǎng)集線器，解決了以太網(wǎng)總線的供電問題。
傳輸距離遠：它采用網(wǎng)絡分層、控制區(qū)域微網(wǎng)段化、網(wǎng)絡超小時滯中繼以及光纖等技術實現(xiàn)了以太網(wǎng)的遠距離傳輸。
網(wǎng)絡安全：profinet都使用了profisafe安全性技術，此外還采用控制區(qū)域微網(wǎng)段化，各控制區(qū)域通過具有網(wǎng)絡隔離和安全過濾的現(xiàn)場控制器與系統(tǒng)主干相連，實現(xiàn)各控制區(qū)域與其他區(qū)域之間的邏輯上的網(wǎng)絡隔離。
可靠性 ：profinet采用分散結(jié)構(gòu)化設計、emc設計、冗余、自診斷等可靠性設計技術等，提高了基于以太網(wǎng)技術的現(xiàn)場設備可靠性。
一網(wǎng)到底：profinet可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場設備控制層，所以被人們普遍認為是控制網(wǎng)絡的最佳解決方案。
性價比高：工程實踐證明，在組建企業(yè)工控網(wǎng)絡時采用profinet通訊技術可節(jié)省近15%的硬件投資?？刂葡到y(tǒng)不僅與下層控制設備有良好的接口，而且具有與上層管理系統(tǒng)集成的接口，還具有可擴展性。具有很強的系統(tǒng)的可靠性，使整個系統(tǒng)能夠長時間無故障地運行。
（轉(zhuǎn)載）
