摘要：制絲生產是卷煙生產流程的一個子系統，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線，整條生產線是集光、機、電、信息于一體的系統工程。它是由很多部分構成，每個部分有很多的控制點和采集點，整個系統而言，各部分之間有大量的數據信息交換，控制的關鍵是實現工藝、生產、管理的自動化。本文介紹了基于工業以太網的卷煙制絲線控制方法。
　　
　　引言
　　
　　制絲生產是卷煙生產流程的一個子系統，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線，整條生產線是集光、機、電、信息于一體的系統工程。它是由很多部分構成，每個部分有很多的控制點和采集點，整個系統而言，各部分之間有大量的數據信息交換，控制的關鍵是實現工藝、生產、管理的自動化。為了保護以前的投資并且實現控制的無縫連接，需要采用可靠性高，穩定性好，抗*力強，通信速率快，系統安全，符合環境保護要求、價格低、維護成本低的控制方案，將傳感器、PLC、計算機圖形、網絡、通訊等諸多迅速發展的技術結合在一起，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］。
　　
　　控制系統構成
　　
　　控制體系的選擇
　　
　　為了使生產快速反映的市場需求，縮短新產品的上市時間，這就需要根據煙廠范圍內的連續信息流，用于戰略決策：
　　
　　從生產*線，到工廠控制層，直到管理層。因此信息技術，特別是基于生產自動化的信息技術將成為推動生產效率、降低生產成本和企業創新的主要力量。作為一項戰略性的技術創新，profinet為自動化通訊領域提供了一個完整的網絡解決方案，囊括了如實時以太網、運動控制、分布式自動化、故障安全以及網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*兼容工業以太網和現有的現場總線（如Profibus）技術，保護現有投資［2］。
　　
　　由具有網絡管理功能和三層交換路由功能的工業以太網交換機組成冗余光纖環網作為車間級的主干通訊網絡網，主要用于各控制系統間的網絡通訊和控制系統與集中監控系統間的通訊。
　　
　　按照工藝段和各控制系統的控制范圍劃分，采用工業以太網交換機為各工藝段控制系統構建星型控制子網絡，以提供各控制段主控器件和io站點間的網絡通訊。各控制子網可通過交換機接入主干網。
　　
　　為集中監控系統構建子網絡，該網絡一方面通過以太網交換機接入車間主干網，完成集中監控系統和控制系統間的網絡通訊；另一方面通過交換機或web服務器與廠級網絡連接，為廠級數據通訊提供網絡接口，同時在與廠級網接口處安裝硬件防火墻，以保護集控系統和控制系統安全，防止來自廠級網和internet的侵害。
　　
　　所有網絡設備采用雙路供電，以保證網絡設備具備冗余電源供應，確保網絡的穩定可靠。
　　
　　上位機組態軟件的選擇
　　
　　對scada（數據采集與監控系統）系統要求：通過工業以太網profinet，具有與多臺下位機系統通訊的能力，實時監控多臺下位機的工作狀態，顯示生產過程中的工作曲線；具有遠程控制能力；向下位機采集數據，對歷史數據進行存儲、查詢、顯示、打印等。因此，在一個自動監控系統中，運行的監控組態軟件是系統的數據收集處理中心、遠程監視中心和數據轉發中心，與各種控制、檢測設備（如plc、智能儀表等）共同構成能快速響應的控制中心。本系統選用了Siemens公司wincc（windowscontrolcenter）6.0組態軟件。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*操作監視系統。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。
　　
　　其它控制系統器件的選擇
　　
　　正常情況下，PLC、現場i/o等器件，選用符合iec標準的產品即可。不過，因采用了的工業以太網profinet，相關器件的接口就有了新的要求。plc要求具備profinet接口，現場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。
　　
　　控制層骨干網絡由的scalancex系列交換機搭建靈活構建電氣或光學工業以太網；網絡拓撲結構、類型以及端口數量都可很容易地適配工廠布局。它有高度的網絡可用性；即使故障時，也能通過非常快速的網絡重新配置（《0.3s），可靠通訊；通過sc接口（千兆以太網）、st接口（快速以太網）以及預裝配光纖，可實現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絡組態；應用信號觸點、數字量輸入、snmp以及電子郵件和profineio診斷功能，監視和診斷都十分簡便；通過在simatic系統故障報文概念sfm的集成，降低sps/HMI工程費用。
　　
　　其中scalancex200連接profinet網絡，骨干網采用scalancex414-3e形成一個環形的光纖冗余網絡，保證在網絡上一點發生故障時正常通訊。也可以在不中斷通信的情況下，隨時進行網絡擴展，充分的保證系統的可靠性。scalancex400型交換機為上層管理網絡提供了千兆的通訊接口，也為各個子系統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，有效的減輕網絡負載和防止網絡風暴的發生。進一步提升了網絡的可靠性。連接控制網絡和廠區外部網的scalances模塊能夠隔離內網和外網的非安全連接。有效屏蔽外網的非*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，諸如：制絲線、除塵線、配方庫、co2膨脹線、公用動力系統、能源管理系統等都采用profinet網絡，統一了所有現場設備的接口，實現了多網合一。統一的profinet系統接口，使得整個車間處于集中監控狀態，增強了整個系統的透明度，有效數據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一的系統。極大的簡化和方便了通訊編程和調試的復雜程度，節約了大量時間。大量工業級光纖和工業級連接輔件的使用，也讓網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技術設置，局域網交換機只能對確定目的地址的分組進行單獨信息交換。各站點發送數據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據包，而這些數據廣播包只須發向某一組用戶，此時如果沒有vlan，這些數據包會很快占用整個網絡大量的資源，仍然象集線器一樣，向交換機的所有端口上轉發廣播信息。使得正常數據包無法搶得正常帶寬，嚴重影響到網絡效率及性能［3］。　　
　　控制系統的實現及其難點
　　
　　profinet交換機構建冗余光纖環網，各工藝段的電氣設備不再按物理劃分，全部就近接入工業以太網profinet。各工藝段的邏輯結構在組態時完成，與硬件位置無關。
　　
　　現場操作員終端通過profinet與所有控制段PLC通訊，實現對相關控制段設備的*監控，同時還通過profinet與生產管理層連接，直接從生產管理層獲得生產作業計劃、批次任務、配方參數等生產數據，并將相關生產段的生產信息傳遞給生產管理層。數據服務器同樣通過以太網接入工業以太網profinet，采集相關數據。無線以太網交換機可以使工作人員的無線設備便捷地連入網絡開展工作。圖2是制絲線控制系統結構圖。　　
　　本方案設計中，zui容易出問題的地方是通訊，現場調試zui麻煩的地方也是通訊，為此對于通訊的部分，必須清晰了解系統的框架結構（圖3是制絲線拓撲結構圖），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。由于該系統較大，由于使用規范性的限制，在系統硬件組態時，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，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。　　
　　控制系統完成的功能
　　
　　批次任務管理
　　
　　計算機從mes系統接收生產批次任務，并把生產批次任務分解下發至相應的控制段監控機。監控計算機有3種控制選擇模式，分別為mes控制／遠程控制／本地控制。正常生產時，選擇mes控制模式，控制系統執行由管理計算機分解后的mes系統下發的批次任務；當mes系統出現故障時，選擇遠程控制模式，控制系統執行在監控機上手工錄入的批次任務；當需要在現場調試、檢修設備時，選擇本地控制模式，可以通過現場的啟動、停止按鈕對電機進行本地控制。
　　
　　集中監控功能監
　　
　　控計算機通過圖形化界面對生產線進行實時監控。控制功能包括生產線的控制模式選擇，工藝參數和設備參數的設定，生產線啟動、停止操作等。監視功能采用圖形界面，并*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運行狀態顯示以及工藝參數和設備參數的實時顯示功能。監控機上還具有安全權限管理設置功能，操作人員或系統管理人員進入監控系統必須先登錄，通過不同用戶身份的安全級別進行權限控制，從而保證系統的安全、正常運行。
　　
　　生產報表、統計功能
　　
　　每一批任務完成自動形成生產報表，包括任務批次號、使用的配方參數、開始和結束時間，重要工藝指標的zui大、zui小、平均值及標準偏差等統計參數，便于質檢部門評價產品質量。
　　
　　設備控制功能
　　
　　控制系統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；正常生產時，采用自動方式。
　　
　　電機保護和緊急斷電功能
　　
　　控制系統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
　　
　　對需要調節的潤葉筒溫度、增溫增濕機壓力、加香流量等進行pid回路控制。pid參數在監控機上設置，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據調節；在自動控制模式時，各回路控制器輸出由pid軟件自動調節。