基于工业以太网的卷烟制丝线控制

引言

　　制丝生产是卷烟生产流程的一个子系统，它是将已初加工的烟片、烟梗作原料加工成满足卷烟要求的成品烟丝的生产线，整条生产线是集光、机、电、信息于一体的系统工程。它是由很多部分构成，每个部分有很多的控制点和采集点，整个系统而言，各部分之间有大量的数据信息交换，控制的关键是实现工艺、生产、管理的自动化。为了保护以前的投资并且实现控制的无缝连接，需要采用可靠性高，稳定性好，抗干扰能力强，通信速率快，系统安全，符合环境保护要求、价格低、维护成本低的控制方案，将传感器、plc、计算机图形、网络、通讯等诸多迅速发展的技术结合在一起，用方便灵活的硬件和软件模块组合设计，以适应用户各种不同特点的工艺控制和管理要求［1］。

控制系统构成

　　控制体系的选择

　　为了使生产快速反映最新的市场需求，缩短新产品的上市时间，这就需要根据烟厂范围内的连续信息流，用于战略决策：

　　从生产第一线，到工厂控制层，直到管理层。因此信息技术，特别是基于生产自动化的信息技术将成为推动生产效率、降低生产成本和企业创新的主要力量。作为一项战略性的技术创新，profinet为自动化通讯领域提供了一个完整的网络解决方案，囊括了如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的最新技术，并且，作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如profibus）技术，保护现有投资［2］。

　　由具有网络管理功能和三层交换路由功能的工业以太网交换机组成冗余光纤环网作为车间级的主干通讯网络网，主要用于各控制系统间的网络通讯和控制系统与集中监控系统间的通讯。

　　按照工艺段和各控制系统的控制范围划分，采用工业以太网交换机为各工艺段控制系统构建星型控制子网络，以提供各控制段主控器件和io站点间的网络通讯。各控制子网可通过交换机接入主干网。

　　为集中监控系统构建子网络，该网络一方面通过以太网交换机接入车间主干网，完成集中监控系统和控制系统间的网络通讯；另一方面通过交换机或web服务器与厂级网络连接，为厂级数据通讯提供网络接口，同时在与厂级网接口处安装硬件防火墙，以保护集控系统和控制系统安全，防止来自厂级网和internet的侵害。

　　所有网络设备采用双路供电，以保证网络设备具备冗余电源供应，确保网络的稳定可靠。

　　上位机组态软件的选择

　　对scada（数据采集与监控系统）系统要求：通过工业以太网profinet，具有与多台下位机系统通讯的能力，实时监控多台下位机的工作状态，显示生产过程中的工作曲线；具有远程控制能力；向下位机采集数据，对历史数据进行存储、查询、显示、打印等。因此，在一个自动监控系统中，运行的监控组态软件是系统的数据收集处理中心、远程监视中心和数据转发中心，与各种控制、检测设备（如plc、智能仪表等）共同构成能快速响应的控制中心。本系统选用了siemens公司wincc（windows control center）6.0组态软件。wincc具有控制自动化过程的强大功能，是基于个人计算机，同时具有极高性价比的scada级操作监视系统。在两台服务器上安装服务器版和冗余软件包，工作站上安装运行版。

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　　其它控制系统器件的选择

　　正常情况下，plc、现场i/o等器件，选用符合iec标准的产品即可。不过，因采用了最新的工业以太网profinet，相关器件的接口就有了新的要求。plc要求具备profinet接口，现场i/o子站的耦合器要求具备profinet接口。此外，交换机要求支持profinet功能，这样才能传送实时信号。其中，plc主站采用的是s7-300/400plc；远程i/o采用支持profinet技术的et200s。

　　控制层骨干网络由最新的scalance x系列交换机搭建灵活构建电气或光学工业以太网；网络拓扑结构、类型以及端口数量都可很容易地适配工厂布局。它有高度的网络可用性；即使故障时，也能通过非常快速的网络重新配置（《0.3s），可靠通讯；通过sc接口（千兆以太网）、st接口（快速以太网）以及预装配光纤，可实现简便的光纤连接技术；无需进行传输时间的计算就可以简单地进行网络组态；应用信号触点、数字量输入、snmp以及电子邮件和profine io诊断功能，监视和诊断都十分简便；通过在simatic系统故障报文概念sfm的集成，降低sps/hmi工程费用。

　　其中scalance x 200连接profinet网络，骨干网采用scalance x414-3e形成一个环形的光纤冗余网络，保证在网络上一点发生故障时正常通讯。也可以在不中断通信的情况下，随时进行网络扩展，充分的保证系统的可靠性。scalance x400型交换机为上层管理网络提供了千兆的通讯接口，也为各个子系统的集成提供了一个开放的平台。该型交换机全面支持vlan和路由功能，有效的减轻网络负载和防止网络风暴的发生。进一步提升了网络的可靠性。连接控制网络和厂区外部网的scalance s模块能够隔离内网和外网的非安全连接。有效屏蔽外网的非授权访问和其它不安全信息的传播，同时又能保障有效信息的通讯。由于所有的分系统，诸如：制丝线、除尘线、配方库、co2膨胀线、公用动力系统、能源管理系统等都采用profinet网络，统一了所有现场设备的接口，实现了多网合一。统一的profinet系统接口，使得整个车间处于集中监控状态，增强了整个系统的透明度，有效数据采集和传输也更为方便和快捷。这些都为设备管理提供了极大的便利。同时，编程中引入cba概念，各个分系统分别作为各自独立的组件，再通过imap软件将它们连接成一个统一的系统。极大的简化和方便了通讯编程和调试的复杂程度，节约了大量时间。大量工业级光纤和工业级连接辅件的使用，也让网络的每一个细小连接牢不可断。

　　vlan划分

　　图1为vlan划分，如果没有对交换机进行虚拟局域网技术设置，局域网交换机只能对确定目的地址的分组进行单独信息交换。各站点发送数据包之前都要广播查询所要到达目的地的mac地址，同时，由于大量应用层软件需要广播传送某些数据包，而这些数据广播包只须发向某一组用户，此时如果没有vlan，这些数据包会很快占用整个网络大量的资源，仍然象集线器一样，向交换机的所有端口上转发广播信息。使得正常数据包无法抢得正常带宽，严重影响到网络效率及性能［3］。

控制系统的实现及其难点

　　profinet交换机构建冗余光纤环网，各工艺段的电气设备不再按物理划分，全部就近接入工业以太网profinet。各工艺段的逻辑结构在组态时完成，与硬件位置无关。

　　现场操作员终端通过profinet与所有控制段plc通讯，实现对相关控制段设备的授权监控，同时还通过profinet与生产管理层连接，直接从生产管理层获得生产作业计划、批次任务、配方参数等生产数据，并将相关生产段的生产信息传递给生产管理层。数据服务器同样通过以太网接入工业以太网profinet，采集相关数据。无线以太网交换机可以使工作人员的无线设备便捷地连入网络开展工作。图2是制丝线控制系统结构图。

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　　本方案设计中，最容易出问题的地方是通讯，现场调试最麻烦的地方也是通讯，为此对于通讯的部分，必须清晰了解系统的框架结构（图3是制丝线拓扑结构图），并且对需要进行通讯的设备在安装前就要全部进行一遍调试，要确认其中的所有需要通讯的模块是可以通讯的。比如，操作台电脑、触摸屏、plc、变频器、其它的plc、一些智能仪表和仪器。由于该系统较大，由于使用规范性的限制，在系统硬件组态时，要考虑这些模块的搭配作用。在i/o模块的安装时，通常同型号的模块放置在一起。但是由于系统较大，我们采用输出模块与输入模块形成回路的，将一个回路的参量所涉及的模块放置在一个机架上。基座安装（rack）时，在决定控制箱内各种控制组件及线槽位置后，要严格依照图纸所示尺寸，标定孔位，钻孔后将固定螺丝旋紧到基座牢固为止。在装上电源供应模块前，必须同时注意电源线上的接地端有无与金属机壳连结，若接地不好的话，会导致一系列的问题，静电、浪涌、外干扰等等。

控制系统完成的功能

　　批次任务管理

　　计算机从mes系统接收生产批次任务，并把生产批次任务分解下发至相应的控制段监控机。监控计算机有3种控制选择模式，分别为mes控制／远程控制／本地控制。正常生产时，选择mes控制模式，控制系统执行由管理计算机分解后的mes系统下发的批次任务；当mes系统出现故障时，选择远程控制模式，控制系统执行在监控机上手工录入的批次任务；当需要在现场调试、检修设备时，选择本地控制模式，可以通过现场的启动、停止按钮对电机进行本地控制。

　　集中监控功能监

　　控计算机通过图形化界面对生产线进行实时监控。控制功能包括生产线的控制模式选择，工艺参数和设备参数的设定，生产线启动、停止操作等。监视功能采用图形界面，并完全按照生产线工艺流程布置，具有生产线设备单机、分段或全局工艺流程运行状态显示以及工艺参数和设备参数的实时显示功能。监控机上还具有安全权限管理设置功能，操作人员或系统管理人员进入监控系统必须先登录，通过不同用户身份的安全级别进行权限控制，从而保证系统的安全、正常运行。

　　生产报表、统计功能

　　每一批任务完成自动形成生产报表，包括任务批次号、使用的配方参数、开始和结束时间，重要工艺指标的最大、最小、平均值及标准偏差等统计参数，便于质检部门评价产品质量。

　　设备控制功能

　　控制系统具有手动和自动两种工作方式，维修设备时，采用单机手动方式；正常生产时，采用自动方式。

　　电机保护和紧急断电功能

　　控制系统对每台电机都提供保护功能，同时提供紧急断电功能，在各工艺段关键位置设置明显的紧急按钮，以备在紧急情况下能迅速切断整个工艺段的动力电源和控制电源。

　　回路控制功能

　　对需要调节的润叶筒温度、增温增湿机压力、加香流量等进行pid回路控制。pid参数在监控机上设置，有手动和自动两种控制模式。在手动控制模式时，各回路控制器输出由操作员直接输入数据调节；在自动控制模式时，各回路控制器输出由pid软件自动调节。

　　在线诊断功能

　　控制系统可以在线诊断工艺段或主机设启动条件是否满足，并提示尚未满足的条件为操作人员的操作提供指导。控制系统的运行非常依赖于网络，一旦出现网络故障，会致工艺段甚至整个生产线停产，通过网络在线诊断可以对工业以太网和现场总线故障显示定位，为维修人员快速排除网络故障提帮助。

　　报警功能

　　各工艺段均有完善的故障声光报警及消除光报警功能，可在监控机上对报警进行确认和位，并通过不同颜色区分报警的状态，是故障已失，还是仍处于故障状态。

　　变频控制功能

　　喂料机上的提升带及贮柜底带等需调节转的电机均采用变频器进行控制，并选装接口网卡，使各段变频器均以现场总线式与plc通讯，实现数字化信息交换。

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结语

　　基于profinet制丝线有以下优点：

　　实时性高：它采用以太网交换技术、全双工通信、流量控制等技术，以及确定性数据通信调度控制策略、简化通信栈软件层次、现场设备层网络微网段化等针对工业过程控制的通信实时性措施，提高了以太网通信的实时性。

　　结构简单：它采用直流电源耦合、电源冗余管理等技术，设计了能实现网络供电或总线供电的以太网集线器，解决了以太网总线的供电问题。

　　传输距离远：它采用网络分层、控制区域微网段化、网络超小时滞中继以及光纤等技术实现了以太网的远距离传输。

　　网络安全：profinet都使用了profisafe安全性技术，此外还采用控制区域微网段化，各控制区域通过具有网络隔离和安全过滤的现场控制器与系统主干相连，实现各控制区域与其他区域之间的逻辑上的网络隔离。

　　可靠性 ：profinet采用分散结构化设计、emc设计、冗余、自诊断等可靠性设计技术等，提高了基于以太网技术的现场设备可靠性。

　　一网到底：profinet可以一直延伸到企业现场设备控制层，所以被人们普遍认为是控制网络的最佳解决方案。

　　性价比高：工程实践证明，在组建企业工控网络时采用profinet通讯技术可节省近15%的硬件投资。控制系统不仅与下层控制设备有良好的接口，而且具有与上层管理系统集成的接口，还具有可扩展性。具有很强的系统的可靠性，使整个系统能够长时间无故障地运行。

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