引言

打葉復(fù)烤線作為卷煙廠的“第一車間”，承擔(dān)著原料的預(yù)處理和深加工，它的精細(xì)化加工直接決定著卷煙廠的產(chǎn)品性能和品質(zhì)，近年隨著打葉復(fù)烤線的技術(shù)改造的加快，一些新工藝和新技術(shù)的應(yīng)用大大提高了打葉復(fù)烤線的技術(shù)水平。

咸陽煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司打葉復(fù)烤線作為西北地區(qū)唯一一家打葉復(fù)烤企業(yè)，本次技術(shù)改造為就地全新改造，所以我們大膽應(yīng)用了西門子最新的Profinet總線系統(tǒng)。

1、總體架構(gòu)

1.1 Profinet總線簡介

Profinet是由profibus國際組織推出的新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)，作為一項(xiàng)戰(zhàn)略性的技術(shù)創(chuàng)新，Profinet為自動(dòng)化通信領(lǐng)域提供了一個(gè)完整的解決方案，囊括了諸如實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、運(yùn)動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化、故障安全及網(wǎng)絡(luò)安全等當(dāng)前自動(dòng)化領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題，并且作為跨供應(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)，保護(hù)現(xiàn)有投資。Profinet技術(shù)基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，使用TCP/IP和IT標(biāo)準(zhǔn)，TCP/IP是IT領(lǐng)域關(guān)于通訊協(xié)議方面的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，盡管其響應(yīng)時(shí)間大概在100ms的量級，不過對工廠控制級的應(yīng)用來說，這個(gè)響應(yīng)時(shí)間就足夠了，對于傳感器和執(zhí)行器設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)對響應(yīng)時(shí)間的要求更為嚴(yán)格，為此，Profinet提供了一個(gè)優(yōu)化的基于以太網(wǎng)第二層的實(shí)時(shí)通訊通道，Profinet實(shí)時(shí)通訊的典型響應(yīng)時(shí)間是5-10ms。

Profinet網(wǎng)絡(luò)對接入的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有要求，所采用的可編程控制器PLC、分布式IO需有PN接口，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)必須支持Profinet協(xié)議。

1.2本系統(tǒng)配置

本系統(tǒng)針對I/O點(diǎn)多的關(guān)鍵工藝段預(yù)處理、打葉復(fù)烤及葉片復(fù)烤可編程控制器選用SIEMENS公司的CPU 414-2DP，通過通訊處理器CP443-1擴(kuò)展兩個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)口，一個(gè)口用于連接上位控制系統(tǒng)，另一個(gè)口連接分布式I/0站。其余工藝段選用CPU315-2PN/DP作為各工藝段電控系統(tǒng)的主控制器，開關(guān)量、模擬量信號、和普通小電機(jī)的信號采集和控制均通過安放在現(xiàn)場的分布式I/O站實(shí)現(xiàn)。變頻器通過DP總線連接，如果該工藝段DP從站即變頻器數(shù)量超過32個(gè)，則需通過CP443-5通訊模塊擴(kuò)展DP口接入PLC。分布式I/O站(PROFINET總線接口模塊,規(guī)格型號6ES7 151-3AA20-0AB0) 、紅外水分儀、電子皮帶秤等通過Profinet與PLC通訊。

本系統(tǒng)選用SCALANCE X系列工業(yè)交換機(jī)，它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：低成本優(yōu)化的光學(xué)和電氣接口數(shù)量，無縫集成在Profinet診斷解決方案中，即使故障時(shí)，也能通過非常快速的網(wǎng)絡(luò)重新配置（＜0.3s），可靠通訊。通過優(yōu)先級劃分，優(yōu)化支持實(shí)時(shí)技術(shù)。本系統(tǒng)的各工藝段與現(xiàn)場I/O通訊的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)選用SCALANCE X204-2交換機(jī)，且現(xiàn)場I/O子站連接物理長度超過100米時(shí)，也需要通過SCALANCE X204-2光交換機(jī)予以擴(kuò)展，各工藝段之間的通訊采用SCALANCE X204-2交換機(jī)，并連接成光纖環(huán)網(wǎng)，確保系統(tǒng)可靠通訊，本生產(chǎn)線廠房面積13800平米，共使用SCALANCE X204-2數(shù)量22個(gè)。

1.3軟件控制流程及上位控制系統(tǒng)具備的功能

根據(jù)打葉復(fù)烤線流程，按照工藝配置要求，主要控制流程如下：

軟件控制流程按照工藝流程的相反方向，上一工藝段啟動(dòng)完成給下一工藝段發(fā)一啟動(dòng)完成信號，下一工藝段從后到前啟動(dòng)。其中儲葉柜是整條生產(chǎn)線的緩沖環(huán)節(jié)，即在葉片復(fù)烤和預(yù)壓打包段未啟動(dòng)前，或前段工序故障，不影響后續(xù)工序的正常運(yùn)行。

各工藝段的聯(lián)鎖信號（如啟動(dòng)條件，故障停機(jī)等）采用硬聯(lián)鎖，即無源觸點(diǎn)給另一工藝段，沒有采用西門子的基于組件的自動(dòng)化軟件CBA，因?yàn)榇蛉~復(fù)烤各工藝段之間需要相互傳遞的工藝參數(shù)幾乎沒有，僅是順序啟動(dòng)之間的信號聯(lián)鎖，又因該軟件為付費(fèi)軟件。

本系統(tǒng)上位監(jiān)控軟件選用GE公司的iFix數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控軟件，通過工業(yè)以太網(wǎng)Profinet具有與下位機(jī)系統(tǒng)（及各工藝段PLC系統(tǒng)）通訊的能力，實(shí)時(shí)監(jiān)控多臺下位機(jī)的工作狀態(tài)，顯示生產(chǎn)過程中的工作曲線，具有遠(yuǎn)程控制能力，向下位機(jī)采集數(shù)據(jù)，對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯、查詢、顯示、打印等功能。打葉復(fù)烤線的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如下（其中黃綠色線為Profinet網(wǎng)絡(luò)，紫色線為Profibus網(wǎng)絡(luò)，其余為普通以太網(wǎng)）。

2、控制系統(tǒng)完成的功能

2.1批次管理

監(jiān)控計(jì)算機(jī)有2種控制選擇模式，分別為本地/遠(yuǎn)程，當(dāng)各工藝段選擇遠(yuǎn)程時(shí)，系統(tǒng)通過從中央控制系統(tǒng)可以依次啟動(dòng)本地設(shè)備，并下發(fā)任務(wù)單，為生產(chǎn)及工藝數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)正常工作做好準(zhǔn)備。當(dāng)需要現(xiàn)場調(diào)試、運(yùn)行或檢修設(shè)備時(shí)，可以選擇本地控制模式，可以通過現(xiàn)場的啟動(dòng)、停止按鈕對電機(jī)進(jìn)行本地控制。

2.2集中監(jiān)控功能

監(jiān)控工作站通過圖形化界面對生產(chǎn)線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控?？刂乒δ馨ㄉa(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)線的啟停等。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，具有生產(chǎn)線設(shè)備單機(jī)、分段或全局工藝流程設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示及工藝參數(shù)實(shí)時(shí)顯示功能。中控系統(tǒng)配置有視頻監(jiān)控功能，除可以監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀況外，還可以監(jiān)控人流、物流情況，為生產(chǎn)中控和車間現(xiàn)場管理提供了方便，且具有設(shè)備常見故障報(bào)警視頻監(jiān)控圖像自動(dòng)切換功能。設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)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，通過不同用戶身份的安全級別進(jìn)行權(quán)限控制，從而保證系統(tǒng)的安全正常運(yùn)行。

2.3生產(chǎn)報(bào)表及統(tǒng)計(jì)功能

每一批任務(wù)完成自動(dòng)生成生產(chǎn)報(bào)表，包括批次管理、配方參數(shù)管理、開始結(jié)束時(shí)間、工藝質(zhì)量分析匯總等統(tǒng)計(jì)參數(shù)，便于質(zhì)檢部門評價(jià)產(chǎn)品質(zhì)量情況。

2.4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)模式，正常生產(chǎn)時(shí)采用自動(dòng)模式。手動(dòng)模式時(shí)，操作人員通過現(xiàn)場子站的按鈕啟停相應(yīng)電機(jī)，也可通過現(xiàn)場操作屏控制啟停電磁閥等執(zhí)行器動(dòng)作。在自動(dòng)模式下，中控操作人員（現(xiàn)場設(shè)備為遠(yuǎn)程模式）可以通過操作工作站畫面上的啟動(dòng)、停止功能鍵實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線的自動(dòng)控制。

2.5電機(jī)保護(hù)功能

控制系統(tǒng)對每臺電機(jī)都提供保護(hù)功能，同時(shí)每個(gè)工藝段為防止意外的設(shè)備及人身事故，根據(jù)操作便利性分段設(shè)置急停開關(guān)，當(dāng)有緊急情況可以拍下即停按鈕，電控系統(tǒng)即切斷動(dòng)力電源，防止設(shè)備及人員傷亡事故。

2.6模擬量控制回路

針對潤葉機(jī)及葉片復(fù)烤、梗復(fù)烤等涉及模擬量控制的系統(tǒng)進(jìn)行PID回路控制。PID參數(shù)在現(xiàn)場操作屏上設(shè)有手動(dòng)及自動(dòng)兩種工作模式。在手動(dòng)模式時(shí)，各回路控制器輸出由操作人員直接輸入數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)，在自動(dòng)控制模式時(shí)，各回路控制器由PID軟件自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2.7在線診斷功能

控制系統(tǒng)在系統(tǒng)故障時(shí)會及時(shí)報(bào)系統(tǒng)那個(gè)器件故障，方便了操作及維護(hù)人員。系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)指示功能，及時(shí)幫助現(xiàn)場維修人員判斷網(wǎng)絡(luò)故障。

2.8報(bào)警功能

各工藝段均有完善的聲光故障報(bào)警及消除功能，可在監(jiān)控操作屏上對報(bào)警進(jìn)行確認(rèn)，并通過不同的顏色區(qū)別故障的狀態(tài)。

2.9調(diào)節(jié)控制功能

喂料機(jī)的底帶、提升帶，打輥、內(nèi)外循環(huán)風(fēng)機(jī)的電機(jī)，挑選臺電機(jī)，儲葉柜的底帶等需要調(diào)節(jié)的電機(jī)均選用變頻控制，并采用DP總線與PLC通訊并交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化信息交換。

3、項(xiàng)目實(shí)施中的難點(diǎn)分析及其解決辦法

3.1 防止網(wǎng)絡(luò)干擾的措施

在項(xiàng)目的實(shí)施過程中，最難的莫過于防止網(wǎng)絡(luò)的干擾，為此設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)院充分考慮了防止強(qiáng)、弱電的相互干擾，在電纜橋架的敷設(shè)方面分為強(qiáng)電橋架和弱電的控制電纜橋架，但盡管設(shè)計(jì)很合理，但實(shí)施起來比較難，特別是在子站50米附近380V交流電源、24V直流電源及通訊電纜、光纜會匯總到一起，開始考慮先不要隔離，如果干擾厲害可以考慮在橋架中間加隔板的措施來解決干擾的問題。經(jīng)過一年多的試運(yùn)行，實(shí)踐證明在100米以內(nèi)橋架中間不加隔板可以防止干擾，Profinet總線的抗干擾能力還是比較強(qiáng)的。在此需要注明的一點(diǎn)是，在與設(shè)備廠家簽訂技術(shù)協(xié)議時(shí)，為防止通訊不可靠，造成雙方扯皮，要求各設(shè)備廠家的通訊網(wǎng)線（含SIEMENS IE PC 標(biāo)準(zhǔn)電纜、工業(yè)以太網(wǎng)光纜）由項(xiàng)目乙方自行購置，由甲方指定品牌。

我公司工藝電控系統(tǒng)為防止生產(chǎn)線灰塵經(jīng)常造成的電氣故障，將各工藝配電控制主柜及變頻器均放置在車間一間附房內(nèi)，主柜由可編程控制器PLC到現(xiàn)場I/O之間Profinet網(wǎng)絡(luò)通訊采用工業(yè)以太網(wǎng)光纖連接，根據(jù)交換機(jī)之間的距離選用定長光纖(規(guī)格為西門子6XV1 820-5BT10/15/20,即定長為100、150、200米長度)，有效解決了網(wǎng)絡(luò)干擾的問題。

3.2 Profibus DP網(wǎng)絡(luò)干擾問題的解決

由于車間所有的變頻器選用的是西門子MM440系列，其與PLC的通訊是通過DP總線相連，且為防止現(xiàn)場灰塵，故將所有變頻器集中到附房中的電控柜中，這樣DP線纜實(shí)際布線也簡單了，但問題恰恰出在變頻器的通訊方面。問題在于波特率的設(shè)置要一致（在能滿足通訊實(shí)時(shí)性要求的條件下，盡可能的降低通訊波特率，DP/485通訊比較可靠的通訊速率為4800bps、9600 bps。），終端電阻除通訊模塊起始端要打在on，分支末尾的終端電阻也要打在on，這樣可有效解決一般通訊干擾問題。

4、結(jié)束語

該系統(tǒng)于2009年4月21日投入運(yùn)行，歷時(shí)一年跨兩個(gè)生產(chǎn)季節(jié)，加工原煙近3.5萬擔(dān)，加工的產(chǎn)品質(zhì)量獲得客戶的一致好評，系統(tǒng)設(shè)計(jì)先進(jìn)、完善、合理，故障率低。系統(tǒng)診斷功能幫助操作維護(hù)人員迅速判斷故障并提示，設(shè)備之間的通訊連接以圖形形式組態(tài)，無需編程。系統(tǒng)層次清晰、結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)布線少，便于維護(hù)，也使得企業(yè)取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。