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)線是集光的钞、機、電扰肌、信息于一體的系統(tǒng)工程抛寝。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曙旭，整個系統(tǒng)而言盗舰，各部分之間有大量的數(shù)據(jù)信息交換，控制的關(guān)鍵是實現(xiàn)工藝桂躏、生產(chǎn)钻趋、管理的自動化。為了保護以前的投資并且實現(xiàn)控制的無縫連接剂习，需要采用可靠性高蛮位，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強鳞绕，通信速率快失仁，系統(tǒng)安全尸曼，符合環(huán)境保護要求、價格低萄焦、維護成本低的控制方案协包，將傳感器、plc忠牛、計算機圖形、網(wǎng)絡(luò)司报、通訊等諸多迅速發(fā)展的技術(shù)結(jié)合在一起克鼠，用方便靈活的硬件和軟件模塊組合設(shè)計，以適應(yīng)用戶各種不同特點的工藝控制和管理要求［1］偎洋。

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滚尼，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)信息流睁奶，用于戰(zhàn)略決策：

　　從生產(chǎn)第一線鉴吕，到工廠控制層，直到管理層爵蝠。因此信息技術(shù)捌唾，特別是基于生產(chǎn)自動化的信息技術(shù)將成為推動生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本和企業(yè)創(chuàng)新的主要力量揩墓。作為一項戰(zhàn)略性的技術(shù)創(chuàng)新吆视，profinet為自動化通訊領(lǐng)域提供了一個完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案，囊括了如實時以太網(wǎng)酥宴、運動控制啦吧、分布式自動化、故障安全以及網(wǎng)絡(luò)安全等當前自動化領(lǐng)域的最新技術(shù)拙寡，并且授滓，作為跨供應(yīng)商的技術(shù)，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(shù)肆糕，保護現(xiàn)有投資［2］般堆。

　　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)交換機組成冗余光纖環(huán)網(wǎng)作為車間級的主干通訊網(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)間的通訊擎宝。

　　按照工藝段和各控制系統(tǒng)的控制范圍劃分郁妈，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(luò)，以提供各控制段主控器件和io站點間的網(wǎng)絡(luò)通訊绍申。各控制子網(wǎng)可通過交換機接入主干網(wǎng)噩咪。

　　為集中監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建子網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)一方面通過以太網(wǎng)交換機接入車間主干網(wǎng)极阅，完成集中監(jiān)控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)通訊胃碾；另一方面通過交換機或web服務(wù)器與廠級網(wǎng)絡(luò)連接，為廠級數(shù)據(jù)通訊提供網(wǎng)絡(luò)接口，同時在與廠級網(wǎng)接口處安裝硬件防火墻样京，以保護集控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)安全涯贝，防止來自廠級網(wǎng)和internet的侵害。

　　所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用雙路供電品痕，以保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具備冗余電源供應(yīng)跃呛，確保網(wǎng)絡(luò)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府贰，具有與多臺下位機系統(tǒng)通訊的能力秦砌，實時監(jiān)控多臺下位機的工作狀態(tài)，顯示生產(chǎn)過程中的工作曲線窑岖；具有遠程控制能力经聊；向下位機采集數(shù)據(jù)，對歷史數(shù)據(jù)進行存儲匹惊、查詢守譬、顯示、打印等凛忿。因此澈灼，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)收集處理中心店溢、遠程監(jiān)視中心和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心蕉汪，與各種控制、檢測設(shè)備（如plc逞怨、智能儀表等）共同構(gòu)成能快速響應(yīng)的控制中心者疤。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叠赦，是基于個人計算機驹马，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(wù)器上安裝服務(wù)器版和冗余軟件包除秀，工作站上安裝運行版糯累。

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　　其它控制系統(tǒng)器件的選擇

　　正常情況下，plc册踩、現(xiàn)場i/o等器件泳姐，選用符合iec標準的產(chǎn)品即可。不過囤檐，因采用了最新的工業(yè)以太網(wǎng)profinet门烧，相關(guān)器件的接口就有了新的要求。plc要求具備profinet接口膊护，現(xiàn)場i/o子站的耦合器要求具備profinet接口鹅棺。此外兜充，交換機要求支持profinet功能，這樣才能傳送實時信號脂性。其中雄睦，plc主站采用的是s7-300/400plc；遠程i/o采用支持profinet技術(shù)的et200s汹振。

　　控制層骨干網(wǎng)絡(luò)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)娇裁；網(wǎng)絡(luò)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沼津。它有高度的網(wǎng)絡(luò)可用性证账；即使故障時，也能通過非痴炊快速的網(wǎng)絡(luò)重新配置（《0.3s），可靠通訊弟头；通過sc接口（千兆以太網(wǎng)）吩抓、st接口（快速以太網(wǎng)）以及預(yù)裝配光纖，可實現(xiàn)簡便的光纖連接技術(shù)赴恨；無需進行傳輸時間的計算就可以簡單地進行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)疹娶；應(yīng)用信號觸點、數(shù)字量輸入伦连、snmp以及電子郵件和profine io診斷功能雨饺，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的集成惑淳，降低sps/hmi工程費用额港。

　　其中scalance x 200連接profinet網(wǎng)絡(luò)，骨干網(wǎng)采用scalance x414-3e形成一個環(huán)形的光纖冗余網(wǎng)絡(luò)歧焦，保證在網(wǎng)絡(luò)上一點發(fā)生故障時正常通訊移斩。也可以在不中斷通信的情況下，隨時進行網(wǎng)絡(luò)擴展绢馍，充分的保證系統(tǒng)的可靠性向瓷。scalance x400型交換機為上層管理網(wǎng)絡(luò)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歇肖。該型交換機全面支持vlan和路由功能夜川，有效的減輕網(wǎng)絡(luò)負載和防止網(wǎng)絡(luò)風暴的發(fā)生。進一步提升了網(wǎng)絡(luò)的可靠性役寡。連接控制網(wǎng)絡(luò)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)的非安全連接麻百。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超棚。由于所有的分系統(tǒng)咪犹，諸如：制絲線爷瓜、除塵線、配方庫遭屑、co2膨脹線享偎、公用動力系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)等都采用profinet網(wǎng)絡(luò)贴袖，統(tǒng)一了所有現(xiàn)場設(shè)備的接口漏匹，實現(xiàn)了多網(wǎng)合一。統(tǒng)一的profinet系統(tǒng)接口质窒，使得整個車間處于集中監(jiān)控狀態(tài)硫朦，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背镇。這些都為設(shè)備管理提供了極大的便利咬展。同時，編程中引入cba概念瞒斩，各個分系統(tǒng)分別作為各自獨立的組件破婆，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(fù)雜程度胸囱，節(jié)約了大量時間祷舀。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(luò)的每一個細小連接牢不可斷烹笔。

　　vlan劃分

　　圖1為vlan劃分裳扯，如果沒有對交換機進行虛擬局域網(wǎng)技術(shù)設(shè)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谤职。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地址饰豺，同時，由于大量應(yīng)用層軟件需要廣播傳送某些數(shù)據(jù)包允蜈，而這些數(shù)據(jù)廣播包只須發(fā)向某一組用戶哟忍，此時如果沒有vlan，這些數(shù)據(jù)包會很快占用整個網(wǎng)絡(luò)大量的資源秃囚，仍然象集線器一樣融确，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测佣，嚴重影響到網(wǎng)絡(luò)效率及性能［3］醒横。

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(shè)備不再按物理劃分忽件，全部就近接入工業(yè)以太網(wǎng)profinet禁舌。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(guān)涌俘。

　　現(xiàn)場操作員終端通過profinet與所有控制段plc通訊权煎，實現(xiàn)對相關(guān)控制段設(shè)備的授權(quán)監(jiān)控蒂扇，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)計劃狱揩、批次任務(wù)喝暂、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)管理層彻犁。數(shù)據(jù)服務(wù)器同樣通過以太網(wǎng)接入工業(yè)以太網(wǎng)profinet叫胁，采集相關(guān)數(shù)據(jù)。無線以太網(wǎng)交換機可以使工作人員的無線設(shè)備便捷地連入網(wǎng)絡(luò)開展工作汞幢。圖2是制絲線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖驼鹅。

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　　本方案設(shè)計中，最容易出問題的地方是通訊森篷，現(xiàn)場調(diào)試最麻煩的地方也是通訊输钩，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）仲智，并且對需要進行通訊的設(shè)備在安裝前就要全部進行一遍調(diào)試买乃，要確認其中的所有需要通訊的模塊是可以通訊的。比如坎藐，操作臺電腦、觸摸屏哼绑、plc岩馍、變頻器、其它的plc抖韩、一些智能儀表和儀器浇沧。由于該系統(tǒng)較大，由于使用規(guī)范性的限制豹炊，在系統(tǒng)硬件組態(tài)時坏扣，要考慮這些模塊的搭配作用。在i/o模塊的安裝時遂报，通常同型號的模塊放置在一起则徒。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瞳弱，將一個回路的參量所涉及的模塊放置在一個機架上冠幕。基座安裝（rack）時纽债，在決定控制箱內(nèi)各種控制組件及線槽位置后雇蚁，要嚴格依照圖紙所示尺寸，標定孔位倚痰，鉆孔后將固定螺絲旋緊到基座牢固為止讥高。在裝上電源供應(yīng)模塊前揣誓，必須同時注意電源線上的接地端有無與金屬機殼連結(jié)，若接地不好的話巾陕，會導(dǎo)致一系列的問題讨跟，靜電、浪涌惜论、外干擾等等许赃。

控制系統(tǒng)完成的功能

　　批次任務(wù)管理

　　計算機從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)控機馆类。監(jiān)控計算機有3種控制選擇模式混聊，分別為mes控制／遠程控制／本地控制。正常生產(chǎn)時乾巧，選擇mes控制模式句喜，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(wù)；當mes系統(tǒng)出現(xiàn)故障時沟于，選擇遠程控制模式咳胃，控制系統(tǒng)執(zhí)行在監(jiān)控機上手工錄入的批次任務(wù)；當需要在現(xiàn)場調(diào)試旷太、檢修設(shè)備時展懈，選擇本地控制模式，可以通過現(xiàn)場的啟動祟勿、停止按鈕對電機進行本地控制停柬。

　　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∫茫控制功能包括生產(chǎn)線的控制模式選擇盯糠，工藝參數(shù)和設(shè)備參數(shù)的設(shè)定，生產(chǎn)線啟動傅女、停止操作等洁揽。監(jiān)視功能采用圖形界面，并完全按照生產(chǎn)線工藝流程布置原酷，具有生產(chǎn)線設(shè)備單機杉轿、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(shè)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(shè)置功能蔼俐，操作人員或系統(tǒng)管理人員進入監(jiān)控系統(tǒng)必須先登錄段辈，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)的安全欲炉、正常運行憾宅。

　　生產(chǎn)報表、統(tǒng)計功能

　　每一批任務(wù)完成自動形成生產(chǎn)報表愧捕，包括任務(wù)批次號奢驯、使用的配方參數(shù)申钩、開始和結(jié)束時間，重要工藝指標的最大瘪阁、最小撒遣、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)量管跺。

　　設(shè)備控制功能

　　控制系統(tǒng)具有手動和自動兩種工作方式义黎，維修設(shè)備時，采用單機手動方式豁跑；正常生產(chǎn)時廉涕，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艇拍，同時提供緊急斷電功能狐蜕，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工藝段的動力電源和控制電源卸夕。

　　回路控制功能

　　對需要調(diào)節(jié)的潤葉筒溫度层释、增溫增濕機壓力、加香流量等進行pid回路控制讨拷。pid參數(shù)在監(jiān)控機上設(shè)置馅拗，有手動和自動兩種控制模式。在手動控制模式時依粮，各回路控制器輸出由操作員直接輸入數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)宿替；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)购狈。

　　在線診斷功能

　　控制系統(tǒng)可以在線診斷工藝段或主機設(shè)啟動條件是否滿足魂欺，并提示尚未滿足的條件為操作人員的操作提供指導(dǎo)粮唯≡踊控制系統(tǒng)的運行非常依賴于網(wǎng)絡(luò)，一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障浇找，會致工藝段甚至整個生產(chǎn)線停產(chǎn)签子，通過網(wǎng)絡(luò)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(luò)故障提幫助搭为。

　　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缺西，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)馒胆，是故障已失缨称，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祝迂，并選裝接口網(wǎng)卡睦尽，使各段變頻器均以現(xiàn)場總線式與plc通訊器净，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(shù)当凡、全雙工通信山害、流量控制等技術(shù)，以及確定性數(shù)據(jù)通信調(diào)度控制策略沿量、簡化通信棧軟件層次浪慌、現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)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)通信的實時性朴则。

　　結(jié)構(gòu)簡單：它采用直流電源耦合权纤、電源冗余管理等技術(shù)，設(shè)計了能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)供電或總線供電的以太網(wǎng)集線器佛掖，解決了以太網(wǎng)總線的供電問題只逐。

　　傳輸距離遠：它采用網(wǎng)絡(luò)分層、控制區(qū)域微網(wǎng)段化虚蹋、網(wǎng)絡(luò)超小時滯中繼以及光纖等技術(shù)實現(xiàn)了以太網(wǎng)的遠距離傳輸荞亩。

　　網(wǎng)絡(luò)安全：profinet都使用了profisafe安全性技術(shù)，此外還采用控制區(qū)域微網(wǎng)段化抄娜，各控制區(qū)域通過具有網(wǎng)絡(luò)隔離和安全過濾的現(xiàn)場控制器與系統(tǒng)主干相連驾腕，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(luò)隔離。

　　可靠性 ：profinet采用分散結(jié)構(gòu)化設(shè)計砂彻、emc設(shè)計陷今、冗余、自診斷等可靠性設(shè)計技術(shù)等搪狗，提高了基于以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場設(shè)備可靠性吻毅。

　　一網(wǎng)到底：profinet可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場設(shè)備控制層，所以被人們普遍認為是控制網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案跛究。

　　性價比高：工程實踐證明妆墩，在組建企業(yè)工控網(wǎng)絡(luò)時采用profinet通訊技術(shù)可節(jié)省近15%的硬件投資≈芈牵控制系統(tǒng)不僅與下層控制設(shè)備有良好的接口践付，而且具有與上層管理系統(tǒng)集成的接口，還具有可擴展性缺厉。具有很強的系統(tǒng)的可靠性永高，使整個系統(tǒng)能夠長時間無故障地運行。

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