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摘要 本文介紹了采用工業以太網（PROFINET）革新使用現場總線完成制絲線系統控制的方法。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題，給出了新系統的設計方案、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的效率。
關鍵詞 實時工業以太網，制絲線，PLC，工控機
1.前言
卷煙企業的生產流程，主要是：制絲、卷接、包裝。而制絲線（Prime line）是確保保證卷煙質量穩定的生產線，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掛接現場總線（Fieldbus）的方式完成工藝段的控制，然后再通過以太網（Ethernet）將各工藝段相聯，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內得到了最廣泛的應用。
2.當前制絲線電控系統簡介及問題分析
2.1卷煙廠制絲線電控系統
制絲線電控系統是卷煙廠制絲生產線的控制核心。系統示意圖如圖1。
圖1卷煙廠制絲線電控系統示意圖
原電控系統的各個工藝段由PLC、觸摸屏、現場I/O站組成控制系統，現場總線將各部件聯接；現場層與監控管理層通過以太網交換機進行聯接。
在生產現場，各工藝段的PLC負責本工藝段的控制，根據生產工藝要求，發送相應控制指令；現場總線傳送指令到達現場I/O站，完成對現場執行器件的控制，同時采集現場傳感器的信號，回傳至PLC。觸摸屏顯示相關的生產參數，供現場人員了解生產線狀況，接收現場人員的生產操作命令。
監控管理層，交換機通過以太網將現場層與監控管理層聯接。服務器采集現場的生產信息，生成相應報表；監控計算機實時監控現場生產狀況，并可發布生產調度計劃。
2.2現有系統存在的問題
在原電控系統中，各工藝段相對獨立，工序固定單一，適合固定產品的大批量生產。但當前卷煙市場競爭激烈，新產品的開發投產要求工藝技術不斷改進，此時這類電控系統的剛性就暴露無遺。工藝段進行調整時，整個工藝段的電控系統要重新設計；制絲線的整線調整就等同于新建一條生產線。此外，現場觸摸屏的人機界面功能單薄，而且當現場操作觸摸屏出現問題時，其所負責的監控的工藝段就無法實現人機交互的功能；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，整條制絲生產線就不能正常生產。整個電控系統結構繁雜、難于維護，無法適應目前先進的柔性生產理念的要求。
3.新電控系統的設計
3.1控制體系的選擇
卷煙廠的自動化已由簡單的生產車間自動控制、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 — 即以實時工業以太網（Real Time Ethernet）完成企業內所有設備的聯接，實現信息流的暢通無阻。在此選用的工業以太網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，符合基于工業以太網的實時自動化體系。PROFINET能夠實現與現場總線的無縫集成；它可以滿足用于所有客戶需要的統一的通信，將現場總線傳輸現場信息的實時性、使用方便、診斷功能強和經濟性的特點，與工業以太網的多主站、通用性、同時能夠通過采用不同速率來傳輸大數量信息的特點有機地結合起來。
3.2現場操作員終端的選擇
為更好地實現現場監控，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足了原有的現場顯示需求，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的程序；PCI、ISA通用擴展槽、雙以太網口等接口，使通過外接擴展卡增強系統功能異常簡單。另外考慮到工業現場溫度較高、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、工業硬盤且帶防震安裝裝置。可維護性較好，同時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I/O等器件，選用符合IEC標準的產品即可。不過，因采用了最新的工業以太網PROFINET，相關器件的接口就有了新的要求。PLC要求具備PROFINET接口，現場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。
4.控制系統實施
4.1新控制系統的建立
圖2新控制系統示意圖
PROFINET交換機構建冗余光纖環網，各工藝段的電氣設備不再按物理劃分，全部就近接入工業以太網PROFINET。各工藝段的邏輯結構在組態時完成，與硬件位置無關。
現場操作員終端通過PROFINET與所有控制段PLC通訊，實現對相關控制段設備的授權監控，同時還通過PROFINET與生產管理層連接，直接從生產管理層獲得生產作業計劃、批次任務、配方參數等生產數據，并將相關生產段的生產信息傳遞給生產管理層。
數據服務器同樣通過以太網接入工業以太網PROFINET，采集相關數據。無線以太網交換機可以使工程師的無線設備便捷地連入網絡開展工作。
4.2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；片煙預處理工序將各類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；制葉絲工序將混合后貯存到規定時間后的煙片由貯葉柜輸出，經篩分、切絲、葉絲加濕進入烘絲環節；煙梗預處理工序將煙梗回潮軟化，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，經蒸梗、壓梗、風冷、金屬探測等，進入切梗絲機；混合加香工序實現葉絲、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小時以上的煙絲送至對應的卷接機組。
4.3控制網絡構建的要點
傳統的現場總線控制系統，要求同一工藝段的電氣器件必須通過總線電纜直接相連。工業以太網PROFINET無此要求，只需就近將電氣器件接入交換機，在組態時就可完成邏輯結構的構建。因而在此要求打破舊有的思維，依據信息網絡的優勢來完成網絡構建。
新的工業以太網PROFINET控制系統，帶來一個問題，大量的設備直接連在網絡中，導致大量的數據包充斥網絡，造成通訊效能下降。解決辦法就是使用VLAN（虛擬局域網），即在交換機中啟動VLAN功能（參見具體產品說明書），將邏輯上屬于同一工藝段的電氣器件劃歸同一個VLAN。
5.結語
新電控系統的PROFINET網絡集成了強大功能，從網絡安裝到基于web診斷的整個自動化解決方案的實現；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，不僅使現場的監控更便捷，同時其通訊功能使車間總控室可以實時監視現場生產情況。
新的控制系統將網絡通訊協議簡化為一種，極大地節約了構建成本、未來維護成本。同時為未來柔性制絲系統的構建打下了良好的基礎。
作者信息：
張 杰 寶雞卷煙廠，大學本科，寶雞卷煙廠電氣工程師，主要從事工業控制系統的開發和應用。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號