摘要：制絲生產(chǎn)是卷煙生產(chǎn)流程的一個(gè)子系統(tǒng)，它是將已初加工的煙片、煙梗作原料加工成滿(mǎn)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(jī)、電、信息于一體的系統(tǒng)工程。它是由很多部分構(gòu)成，每個(gè)部分有很多的控制點(diǎn)和采集點(diǎn)，整個(gè)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(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)工藝、生產(chǎn)、管理的自動(dòng)化。本文介紹了基于工業(yè)以太網(wǎng)的卷煙制絲線控制方法。
　　
　　引言
　　
　　制絲生產(chǎn)是卷煙生產(chǎn)流程的一個(gè)子系統(tǒng)，它是將已初加工的煙片、煙梗作原料加工成滿(mǎn)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(jī)、電、信息于一體的系統(tǒng)工程。它是由很多部分構(gòu)成，每個(gè)部分有很多的控制點(diǎn)和采集點(diǎn)，整個(gè)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(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)工藝、生產(chǎn)、管理的自動(dòng)化。為了保護(hù)以前的投資并且實(shí)現(xiàn)控制的無(wú)縫連接，需要采用可靠性高，穩(wěn)定性好，抗*力強(qiáng)，通信速率快，系統(tǒng)安全，符合環(huán)境保護(hù)要求、價(jià)格低、維護(hù)成本低的控制方案，將傳感器、PLC、計(jì)算機(jī)圖形、網(wǎng)絡(luò)、通訊等諸多迅速發(fā)展的技術(shù)結(jié)合在一起，用方便靈活的硬件和軟件模塊組合設(shè)計(jì)，以適應(yīng)用戶(hù)各種不同特點(diǎn)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)快速反映的市場(chǎng)需求，縮短新產(chǎn)品的上市時(shí)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)*線，到工廠控制層，直到管理層。因此信息技術(shù)，特別是基于生產(chǎn)自動(dòng)化的信息技術(shù)將成為推動(dòng)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(xiàng)戰(zhàn)略性的技術(shù)創(chuàng)新，profinet為自動(dòng)化通訊領(lǐng)域提供了一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案，囊括了如實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、運(yùn)動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化、故障安全以及網(wǎng)絡(luò)安全等當(dāng)前自動(dòng)化領(lǐng)域的技術(shù)，并且，作為跨供應(yīng)商的技術(shù)，可以*兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線（如Profibus）技術(shù)，保護(hù)現(xiàn)有投資［2］。
　　
　　由具有網(wǎng)絡(luò)管理功能和三層交換路由功能的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成冗余光纖環(huán)網(wǎng)作為車(chē)間級(jí)的主干通訊網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)，主要用于各控制系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)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(jī)為各工藝段控制系統(tǒng)構(gòu)建星型控制子網(wǎng)絡(luò)，以提供各控制段主控器件和io站點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)通訊。各控制子網(wǎng)可通過(guò)交換機(jī)接入主干網(wǎng)。
　　
　　為集中監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建子網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)一方面通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)接入車(chē)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(luò)通訊；另一方面通過(guò)交換機(jī)或web服務(wù)器與廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)連接，為廠級(jí)數(shù)據(jù)通訊提供網(wǎng)絡(luò)接口，同時(shí)在與廠級(jí)網(wǎng)接口處安裝硬件防火墻，以保護(hù)集控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)安全，防止來(lái)自廠級(jí)網(wǎng)和internet的侵害。
　　
　　所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用雙路供電，以保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具備冗余電源供應(yīng)，確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠。
　　
　　上位機(jī)組態(tài)軟件的選擇
　　
　　對(duì)scada（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)）系統(tǒng)要求：通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)profinet，具有與多臺(tái)下位機(jī)系統(tǒng)通訊的能力，實(shí)時(shí)監(jiān)控多臺(tái)下位機(jī)的工作狀態(tài)，顯示生產(chǎn)過(guò)程中的工作曲線；具有遠(yuǎn)程控制能力；向下位機(jī)采集數(shù)據(jù)，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢(xún)、顯示、打印等。因此，在一個(gè)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中，運(yùn)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(yuǎn)程監(jiān)視中心和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心，與各種控制、檢測(cè)設(shè)備（如plc、智能儀表等）共同構(gòu)成能快速響應(yīng)的控制中心。本系統(tǒng)選用了Siemens公司wincc（windowscontrolcenter）6.0組態(tài)軟件。wincc具有控制自動(dòng)化過(guò)程的強(qiáng)大功能，是基于個(gè)人計(jì)算機(jī)，同時(shí)具有*性?xún)r(jià)比的scad*操作監(jiān)視系統(tǒng)。在兩臺(tái)服務(wù)器上安裝服務(wù)器版和冗余軟件包，工作站上安裝運(yùn)行版。
　　
　　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(guò)，因采用了的工業(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)。其中，plc主站采用的是s7-300/400plc；遠(yuǎn)程i/o采用支持profinet技術(shù)的et200s。
　　
　　控制層骨干網(wǎng)絡(luò)由的scalancex系列交換機(jī)搭建靈活構(gòu)建電氣或光學(xué)工業(yè)以太網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、類(lèi)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(luò)可用性；即使故障時(shí)，也能通過(guò)非?？焖俚木W(wǎng)絡(luò)重新配置（《0.3s），可靠通訊；通過(guò)sc接口（千兆以太網(wǎng)）、st接口（快速以太網(wǎng)）以及預(yù)裝配光纖，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便的光纖連接技術(shù)；無(wú)需進(jìn)行傳輸時(shí)間的計(jì)算就可以簡(jiǎn)單地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)；應(yīng)用信號(hào)觸點(diǎn)、數(shù)字量輸入、snmp以及電子郵件和profineio診斷功能，監(jiān)視和診斷都十分簡(jiǎn)便；通過(guò)在simatic系統(tǒng)故障報(bào)文概念sfm的集成，降低sps/HMI工程費(fèi)用。
　　
　　其中scalancex200連接profinet網(wǎng)絡(luò)，骨干網(wǎng)采用scalancex414-3e形成一個(gè)環(huán)形的光纖冗余網(wǎng)絡(luò)，保證在網(wǎng)絡(luò)上一點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)正常通訊。也可以在不中斷通信的情況下，隨時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，充分的保證系統(tǒng)的可靠性。scalancex400型交換機(jī)為上層管理網(wǎng)絡(luò)提供了千兆的通訊接口，也為各個(gè)子系統(tǒng)的集成提供了一個(gè)開(kāi)放的平臺(tái)。該型交換機(jī)全面支持vlan和路由功能，有效的減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和防止網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的發(fā)生。進(jìn)一步提升了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。連接控制網(wǎng)絡(luò)和廠區(qū)外部網(wǎng)的scalances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*訪問(wèn)和其它不安全信息的傳播，同時(shí)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(kù)、co2膨脹線、公用動(dòng)力系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)等都采用profinet網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)一了所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的接口，實(shí)現(xiàn)了多網(wǎng)合一。統(tǒng)一的profinet系統(tǒng)接口，使得整個(gè)車(chē)間處于集中監(jiān)控狀態(tài)，增強(qiáng)了整個(gè)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(shè)備管理提供了極大的便利。同時(shí)，編程中引入cba概念，各個(gè)分系統(tǒng)分別作為各自獨(dú)立的組件，再通過(guò)imap軟件將它們連接成一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)。極大的簡(jiǎn)化和方便了通訊編程和調(diào)試的復(fù)雜程度，節(jié)約了大量時(shí)間。大量工業(yè)級(jí)光纖和工業(yè)級(jí)連接輔件的使用，也讓網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)細(xì)小連接牢不可斷。
　　
　　vlan劃分
　　
　　圖1為vlan劃分，如果沒(méi)有對(duì)交換機(jī)進(jìn)行虛擬局域網(wǎng)技術(shù)設(shè)置，局域網(wǎng)交換機(jī)只能對(duì)確定目的地址的分組進(jìn)行單獨(dú)信息交換。各站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包之前都要廣播查詢(xún)所要到達(dá)目的地的mac地址，同時(shí)，由于大量應(yīng)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(hù)，此時(shí)如果沒(méi)有vlan，這些數(shù)據(jù)包會(huì)很快占用整個(gè)網(wǎng)絡(luò)大量的資源，仍然象集線器一樣，向交換機(jī)的所有端口上轉(zhuǎn)發(fā)廣播信息。使得正常數(shù)據(jù)包無(wú)法搶得正常帶寬，嚴(yán)重影響到網(wǎng)絡(luò)效率及性能［3］。　　
　　控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及其難點(diǎn)
　　
　　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(wú)關(guān)。
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)操作員終端通過(guò)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*監(jiān)控，同時(shí)還通過(guò)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(guò)以太網(wǎng)接入工業(yè)以太網(wǎng)profinet，采集相關(guān)數(shù)據(jù)。無(wú)線以太網(wǎng)交換機(jī)可以使工作人員的無(wú)線設(shè)備便捷地連入網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展工作。圖2是制絲線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。　　
　　本方案設(shè)計(jì)中，zui容易出問(wèn)題的地方是通訊，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試zui麻煩的地方也是通訊，為此對(duì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖），并且對(duì)需要進(jìn)行通訊的設(shè)備在安裝前就要全部進(jìn)行一遍調(diào)試，要確認(rèn)其中的所有需要通訊的模塊是可以通訊的。比如，操作臺(tái)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(shí)，要考慮這些模塊的搭配作用。在i/o模塊的安裝時(shí)，通常同型號(hào)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(gè)回路的參量所涉及的模塊放置在一個(gè)機(jī)架上。基座安裝（rack）時(shí)，在決定控制箱內(nèi)各種控制組件及線槽位置后，要嚴(yán)格依照?qǐng)D紙所示尺寸，標(biāo)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(yīng)模塊前，必須同時(shí)注意電源線上的接地端有無(wú)與金屬機(jī)殼連結(jié)，若接地不好的話，會(huì)導(dǎo)致一系列的問(wèn)題，靜電、浪涌、外干擾等等。　　
　　控制系統(tǒng)完成的功能
　　
　　批次任務(wù)管理
　　
　　計(jì)算機(jī)從mes系統(tǒng)接收生產(chǎn)批次任務(wù)，并把生產(chǎn)批次任務(wù)分解下發(fā)至相應(yīng)的控制段監(jiān)控機(jī)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)有3種控制選擇模式，分別為mes控制／遠(yuǎn)程控制／本地控制。正常生產(chǎn)時(shí)，選擇mes控制模式，控制系統(tǒng)執(zhí)行由管理計(jì)算機(jī)分解后的mes系統(tǒng)下發(fā)的批次任務(wù)；當(dāng)mes系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，選擇遠(yuǎn)程控制模式，控制系統(tǒng)執(zhí)行在監(jiān)控機(jī)上手工錄入的批次任務(wù)；當(dāng)需要在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、檢修設(shè)備時(shí)，選擇本地控制模式，可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的啟動(dòng)、停止按鈕對(duì)電機(jī)進(jìn)行本地控制。
　　
　　集中監(jiān)控功能監(jiān)
　　
　　控計(jì)算機(jī)通過(guò)圖形化界面對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。控制功能包括生產(chǎn)線的控制模式選擇，工藝參數(shù)和設(shè)備參數(shù)的設(shè)定，生產(chǎn)線啟動(dòng)、停止操作等。監(jiān)視功能采用圖形界面，并*按照生產(chǎn)線工藝流程布置，具有生產(chǎn)線設(shè)備單機(jī)、分段或全局工藝流程運(yùn)行狀態(tài)顯示以及工藝參數(shù)和設(shè)備參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示功能。監(jiān)控機(jī)上還具有安全權(quán)限管理設(shè)置功能，操作人員或系統(tǒng)管理人員進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)必須先登錄，通過(guò)不同用戶(hù)身份的安全級(jí)別進(jìn)行權(quán)限控制，從而保證系統(tǒng)的安全、正常運(yùn)行。
　　
　　生產(chǎn)報(bào)表、統(tǒng)計(jì)功能
　　
　　每一批任務(wù)完成自動(dòng)形成生產(chǎn)報(bào)表，包括任務(wù)批次號(hào)、使用的配方參數(shù)、開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間，重要工藝指標(biāo)的zui大、zui小、平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差等統(tǒng)計(jì)參數(shù)，便于質(zhì)檢部門(mén)評(píng)價(jià)產(chǎn)品質(zhì)量。
　　
　　設(shè)備控制功能
　　
　　控制系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式，維修設(shè)備時(shí)，采用單機(jī)手動(dòng)方式；正常生產(chǎn)時(shí)，采用自動(dòng)方式。
　　
　　電機(jī)保護(hù)和緊急斷電功能
　　
　　控制系統(tǒng)對(duì)每臺(tái)電機(jī)都提供保護(hù)功能，同時(shí)提供緊急斷電功能，在各工藝段關(guān)鍵位置設(shè)置明顯的緊急按鈕，以備在緊急情況下能迅速切斷整個(gè)工藝段的動(dòng)力電源和控制電源。
　　
　　回路控制功能
　　
　　對(duì)需要調(diào)節(jié)的潤(rùn)葉筒溫度、增溫增濕機(jī)壓力、加香流量等進(jìn)行pid回路控制。pid參數(shù)在監(jiān)控機(jī)上設(shè)置，有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式。在手動(dòng)控制模式時(shí)，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(dòng)控制模式時(shí)，各回路控制器輸出由pid軟件自動(dòng)調(diào)節(jié)。