摘要：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。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*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)*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技術，并且，作為跨供應商的技術，可以*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（windowscontrolcenter）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*性價比的scad*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。
　　
　　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)絡由的scalancex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，也能通過非常快速的網(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profineio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scalancex200連接profinet網(wǎng)絡，骨干網(wǎng)采用scalancex414-3e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。scalancex400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*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。　　
　　本方案設計中，zui容易出問題的地方是通訊，現(xiàn)場調(diào)試zui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。基座安裝（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。控制功能包括生產(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*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zui大、zui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)。