引言

打葉復烤線作為卷煙廠的“第一車間”，承擔著原料的預處理和深加工，它的精細化加工直接決定著卷煙廠的產品性能和品質，近年隨著打葉復烤線的技術改造的加快，一些新工藝和新技術的應用大大提高了打葉復烤線的技術水平。

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

1、總體架構

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)以太網技術的自動化總線標準，作為一項戰(zhàn)略性的技術創(chuàng)新，Profinet為自動化通信領域提供了一個完整的解決方案，囊括了諸如實時以太網、運動控制、分布式自動化、故障安全及網絡安全等當前自動化領域的熱點話題，并且作為跨供應商的技術可以完全兼容工業(yè)以太網和現(xiàn)有的現(xiàn)場總線（如profibus）技術，保護現(xiàn)有投資。Profinet技術基于工業(yè)以太網技術，使用TCP/IP和IT標準，TCP/IP是IT領域關于通訊協(xié)議方面的事實上的標準，盡管其響應時間大概在100ms的量級，不過對工廠控制級的應用來說，這個響應時間就足夠了，對于傳感器和執(zhí)行器設備之間的數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)對響應時間的要求更為嚴格，為此，Profinet提供了一個優(yōu)化的基于以太網第二層的實時通訊通道，Profinet實時通訊的典型響應時間是5-10ms。

Profinet網絡對接入的網絡設備有要求，所采用的可編程控制器PLC、分布式IO需有PN接口，網絡交換機必須支持Profinet協(xié)議。

1.2本系統(tǒng)配置

本系統(tǒng)針對I/O點多的關鍵工藝段預處理、打葉復烤及葉片復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擴展兩個工業(yè)以太網口，一個口用于連接上位控制系統(tǒng)，另一個口連接分布式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，開關量、模擬量信號、和普通小電機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，則需通過CP443-5通訊模塊擴展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，它具有以下幾個特點：低成本優(yōu)化的光學和電氣接口數(shù)量，無縫集成在Profinet診斷解決方案中，即使故障時，也能通過非?？焖俚木W絡重新配置（＜0.3s），可靠通訊。通過優(yōu)先級劃分，優(yōu)化支持實時技術。本系統(tǒng)的各工藝段與現(xiàn)場I/O通訊的網絡交換機選用SCALANCE X204-2交換機，且現(xiàn)場I/O子站連接物理長度超過100米時，也需要通過SCALANCE X204-2光交換機予以擴展，各工藝段之間的通訊采用SCALANCE X204-2交換機，并連接成光纖環(huán)網，確保系統(tǒng)可靠通訊，本生產線廠房面積13800平米，共使用SCALANCE X204-2數(shù)量22個。

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，上一工藝段啟動完成給下一工藝段發(fā)一啟動完成信號，下一工藝段從后到前啟動。其中儲葉柜是整條生產線的緩沖環(huán)節(jié)，即在葉片復烤和預壓打包段未啟動前，或前段工序故障，不影響后續(xù)工序的正常運行。

各工藝段的聯(lián)鎖信號（如啟動條件，故障停機等）采用硬聯(lián)鎖，即無源觸點給另一工藝段，沒有采用西門子的基于組件的自動化軟件CBA，因為打葉復烤各工藝段之間需要相互傳遞的工藝參數(shù)幾乎沒有，僅是順序啟動之間的信號聯(lián)鎖，又因該軟件為付費軟件。

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Profinet具有與下位機系統(tǒng)（及各工藝段PLC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)進行存貯、查詢、顯示、打印等功能。打葉復烤線的網絡架構如下（其中黃綠色線為Profinet網絡，紫色線為Profibus網絡，其余為普通以太網）。

2、控制系統(tǒng)完成的功能

2.1批次管理

監(jiān)控計算機有2種控制選擇模式，分別為本地/遠程，當各工藝段選擇遠程時，系統(tǒng)通過從中央控制系統(tǒng)可以依次啟動本地設備，并下發(fā)任務單，為生產及工藝數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)正常工作做好準備。當需要現(xiàn)場調試、運行或檢修設備時，可以選擇本地控制模式，可以通過現(xiàn)場的啟動、停止按鈕對電機進行本地控制。

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線進行實時監(jiān)控。控制功能包括生產線的控制模式選擇，工藝參數(shù)和設備參數(shù)的設定，生產線的啟停等。監(jiān)視功能采用圖形界面，并完全按照生產線工藝流程布置，具有生產線設備單機、分段或全局工藝流程設備運行狀態(tài)顯示及工藝參數(shù)實時顯示功能。中控系統(tǒng)配置有視頻監(jiān)控功能，除可以監(jiān)控設備運行狀況外，還可以監(jiān)控人流、物流情況，為生產中控和車間現(xiàn)場管理提供了方便，且具有設備常見故障報警視頻監(jiān)控圖像自動切換功能。設備監(jiān)控系統(tǒng)還具有安全權限管理設置功能，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限控制，從而保證系統(tǒng)的安全正常運行。

2.3生產報表及統(tǒng)計功能

每一批任務完成自動生成生產報表，包括批次管理、配方參數(shù)管理、開始結束時間、工藝質量分析匯總等統(tǒng)計參數(shù)，便于質檢部門評價產品質量情況。

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

2.5電機保護功能

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

2.6模擬量控制回路

針對潤葉機及葉片復烤、梗復烤等涉及模擬量控制的系統(tǒng)進行PID回路控制。PID參數(shù)在現(xiàn)場操作屏上設有手動及自動兩種工作模式。在手動模式時，各回路控制器輸出由操作人員直接輸入數(shù)據(jù)調節(jié)，在自動控制模式時，各回路控制器由PID軟件自動調節(jié)。

2.7在線診斷功能

控制系統(tǒng)在系統(tǒng)故障時會及時報系統(tǒng)那個器件故障，方便了操作及維護人員。系統(tǒng)提供網絡通訊狀態(tài)指示功能，及時幫助現(xiàn)場維修人員判斷網絡故障。

2.8報警功能

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

2.9調節(jié)控制功能

喂料機的底帶、提升帶，打輥、內外循環(huán)風機的電機，挑選臺電機，儲葉柜的底帶等需要調節(jié)的電機均選用變頻控制，并采用DP總線與PLC通訊并交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)字化信息交換。

3、項目實施中的難點分析及其解決辦法

3.1 防止網絡干擾的措施

在項目的實施過程中，最難的莫過于防止網絡的干擾，為此設計時，設計院充分考慮了防止強、弱電的相互干擾，在電纜橋架的敷設方面分為強電橋架和弱電的控制電纜橋架，但盡管設計很合理，但實施起來比較難，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。經過一年多的試運行，實踐證明在100米以內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的。在此需要注明的一點是，在與設備廠家簽訂技術協(xié)議時，為防止通訊不可靠，造成雙方扯皮，要求各設備廠家的通訊網線（含SIEMENS IE PC 標準電纜、工業(yè)以太網光纜）由項目乙方自行購置，由甲方指定品牌。

我公司工藝電控系統(tǒng)為防止生產線灰塵經常造成的電氣故障，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，主柜由可編程控制器PLC到現(xiàn)場I/O之間Profinet網絡通訊采用工業(yè)以太網光纖連接，根據(jù)交換機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)，有效解決了網絡干擾的問題。

3.2 Profibus DP網絡干擾問題的解決

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置要一致（在能滿足通訊實時性要求的條件下，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、結束語

該系統(tǒng)于2009年4月21日投入運行，歷時一年跨兩個生產季節(jié)，加工原煙近3.5萬擔，加工的產品質量獲得客戶的一致好評，系統(tǒng)設計先進、完善、合理，故障率低。系統(tǒng)診斷功能幫助操作維護人員迅速判斷故障并提示，設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、結構簡單、系統(tǒng)布線少，便于維護，也使得企業(yè)取得了良好的經濟效益。