工业以太网PROFINET革新制丝线的电控系统

1 前言
    卷烟企业的生产流程，主要是：制丝、卷接、包装。而制丝线（Prime line）是确保保证卷烟质量稳定的生产线，同时制丝线也是的工艺流程最长、工序最繁杂、设备种类最多的生产线。制丝线的自动控制方式，是按叶线、梗线、配比、加香加料等工艺段划分，先独立通过PLC挂接现场总线（Fieldbus）的方式完成工艺段的控制，然后再通过以太网（Ethernet）将各工艺段相联，最终完成相应的数控采集、监控。这种控制模式在当前的卷烟行业内得到了最广泛的应用。
2 当前制丝线电控系统简介及问题分析
2.1 卷烟厂制丝线电控系统 
    原电控系统的各个工艺段由PLC、触摸屏、现场I/O站组成控制系统，现场总线将各部件联接；现场层与监控管理层通过以太网交换机进行联接。 

    在生产现场，各工艺段的PLC负责本工艺段的控制，根据生产工艺要求，发送相应控制指令；现场总线传送指令到达现场I/O站，完成对现场执行器件的控制，同时采集现场传感器的信号，回传至PLC。触摸屏显示相关的生产参数，供现场人员了解生产线状况，接收现场人员的生产操作命令。
    监控管理层，交换机通过以太网将现场层与监控管理层联接。服务器采集现场的生产信息，生成相应报表；监控计算机实时监控现场生产状况，并可发布生产调度计划。
2.2 现有系统存在的问题
    在原电控系统中，各工艺段相对独立，工序固定单一，适合固定产品的大批量生产。但当前卷烟市场竞争激烈，新产品的开发投产要求工艺技术不断改进，此时这类电控系统的刚性就暴露无遗。工艺段进行调整时，整个工艺段的电控系统要重新设计；制丝线的整线调整就等同于新建一条生产线。此外，现场触摸屏的人机界面功能单薄，而且当现场操作触摸屏出现问题时，其所负责的监控的工艺段就无法实现人机交互的功能；更为严重的是，当控制系统的集中监控计算机停机（包括正常停机和故障停机）时，整条制丝生产线就不能正常生产。整个电控系统结构繁杂、难于维护，无法适应目前先进的柔性生产理念的要求。
3 新电控系统的设计
3.1 控制体系的选择
    卷烟厂的自动化已由简单的生产车间自动控制、办公室的计算机使用，延伸到了管理层、控制层、现场层的方方面面。正如菲尼克斯电气在2004年首次提出信息控制一体化的理念 — 即以实时工业以太网（Real Time Ethernet）完成企业内所有设备的联接，实现信息流的畅通无阻。在此选用的工业以太网PROFINET，正是基于这一理念，由INTERBUS CLUB（由菲尼克斯电气主导）与PROFIBUS USER ORGANISATION（由西门子主导） 共同推出了。
    PROFINET是一个整体的解决方案，它使用TCP/IP和IT标准，符合基于工业以太网的实时自动化体系。PROFINET能够实现与现场总线的无缝集成；它可以满足用于所有客户需要的统一的通信，将现场总线传输现场信息的实时性、使用方便、诊断功能强和经济性的特点，与工业以太网的多主站、通用性、同时能够通过采用不同速率来传输大数量信息的特点有机地结合起来。
3.2 现场操作员终端的选择
    为更好地实现现场监控，此次选用了PPC 5315工控机（菲尼克斯电气）。此种型号的工控机满足了原有的现场显示需求，同时提供通用的WINDOWS运行平台，可以同时运行多套主机商开发的程序；PCI、ISA通用扩展槽、双以太网口等接口，使通过外接扩展卡增强系统功能异常简单。另外考虑到工业现场温度较高、湿度较大、且粉尘较多、设备工作时震动频率大，此工控机采用无风扇设计、工业硬盘且带防震安装装置。可维护性较好，同时数据信息得到良好保护。
3.3 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。 [page]
4 控制系统实施
4.1 新控制系统的建立

    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程师的无线设备便捷地连入网络开展工作。
4.2 新的制丝线控制流程
    自动配叶工序按照卷烟叶组配方要求，完成片烟原料和烟梗的自动组配；片烟预处理工序将各类型等级的片烟加温回潮松散、加料，根据叶组配方要求完成批量配叶任务；制叶丝工序将混合后贮存到规定时间后的烟片由贮叶柜输出，经筛分、切丝、叶丝加湿进入烘丝环节；烟梗预处理工序将烟梗回潮软化，具备烟梗制丝的条件；制梗丝工序将处理好的烟梗由贮柜输出，经蒸梗、压梗、风冷、金属探测等，进入切梗丝机；混合加香工序实现叶丝、梗丝、二氧化碳膨胀烟丝、薄片丝、回用烟丝的比例掺兑和均匀加香；贮丝喂丝工序将加香后贮存8小时以上的烟丝送至对应的卷接机组。
4.3 控制网络构建的要点
    传统的现场总线控制系统，要求同一工艺段的电气器件必须通过总线电缆直接相连。工业以太网PROFINET无此要求，只需就近将电气器件接入交换机，在组态时就可完成逻辑结构的构建。因而在此要求打破旧有的思维，依据信息网络的优势来完成网络构建。
    新的工业以太网PROFINET控制系统，带来一个问题，大量的设备直接连在网络中，导致大量的数据包充斥网络，造成通讯效能下降。解决办法就是使用VLAN（虚拟局域网），即在交换机中启动VLAN功能（参见具体产品说明书），将逻辑上属于同一工艺段的电气器件划归同一个VLAN。
5 结语
    新电控系统的PROFINET网络集成了强大功能，从网络安装到基于web诊断的整个自动化解决方案的实现；PROFINET的模块化结构可非常容易地扩展和包含其他功能；PROFINET提供标准化的独立于制造商的工程接口，它能够方便地把各个制造商的设备和组件集成到单一系统中。PPC5135的人机界面友好，不仅使现场的监控更便捷，同时其通讯功能使车间总控室可以实时监视现场生产情况。
    新的控制系统将网络通讯协议简化为一种，极大地节约了构建成本、未来维护成本。同时为未来柔性制丝系统的构建打下了良好的基础。