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唯一一家打葉復烤企業，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。

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以太網技術的自動化總線標準，作為一項戰略性的技術創新，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以太網和現有的現場總線（如profibus）技術，保護現有投資。Profinet技術基于工業以太網技術，使用TCP/IP和IT標準，TCP/IP是IT領域關于通訊協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，對于傳感器和執行器設備之間的數據交換，系統對響應時間的要求更為嚴格，為此，Profinet提供了一個優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協議。

1.2本系統配置

本系統針對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擴展兩個工業以太網口，一個口用于連接上位控制系統，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場的分布式I/O站實現。變頻器通過DP總線連接，如果該工藝段DP從站即變頻器數量超過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。

本系統選用SCALANCE X系列工業交換機，它具有以下幾個特點：低成本優化的光學和電氣接口數量，無縫集成在Profinet診斷解決方案中，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。通過優先級劃分，優化支持實時技術。本系統的各工藝段與現場I/O通訊的網絡交換機選用SCALANCE X204-2交換機，且現場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，并連接成光纖環網，確保系統可靠通訊，本生產線廠房面積13800平米，共使用SCALANCE X204-2數量22個。

1.3軟件控制流程及上位控制系統具備的功能

根據打葉復烤線流程，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節，即在葉片復烤和預壓打包段未啟動前，或前段工序故障，不影響后續工序的正常運行。

各工藝段的聯鎖信號（如啟動條件，故障停機等）采用硬聯鎖，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幾乎沒有，僅是順序啟動之間的信號聯鎖，又因該軟件為付費軟件。

本系統上位監控軟件選用GE公司的iFix數據采集及監控軟件，通過工業以太網Profinet具有與下位機系統（及各工藝段PLC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、控制系統完成的功能

2.1批次管理

監控計算機有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，系統通過從中央控制系統可以依次啟動本地設備，并下發任務單，為生產及工藝數據采集管理系統正常工作做好準備。當需要現場調試、運行或檢修設備時，可以選擇本地控制模式，可以通過現場的啟動、停止按鈕對電機進行本地控制。

2.2集中監控功能

監控工作站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，生產線的啟停等。監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顯示及工藝參數實時顯示功能。中控系統配置有視頻監控功能，除可以監控設備運行狀況外，還可以監控人流、物流情況，為生產中控和車間現場管理提供了方便，且具有設備常見故障報警視頻監控圖像自動切換功能。設備監控系統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。

2.3生產報表及統計功能

每一批任務完成自動生成生產報表，包括批次管理、配方參數管理、開始結束時間、工藝質量分析匯總等統計參數，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，操作人員通過現場子站的按鈕啟停相應電機，也可通過現場操作屏控制啟停電磁閥等執行器動作。在自動模式下，中控操作人員（現場設備為遠程模式）可以通過操作工作站畫面上的啟動、停止功能鍵實現對生產線的自動控制。

2.5電機保護功能

控制系統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進行PID回路控制。PID參數在現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據調節，在自動控制模式時，各回路控制器由PID軟件自動調節。

2.7在線診斷功能

控制系統在系統故障時會及時報系統那個器件故障，方便了操作及維護人員。系統提供網絡通訊狀態指示功能，及時幫助現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，可在監控操作屏上對報警進行確認，并通過不同的顏色區別故障的狀態。

2.9調節控制功能

喂料機的底帶、提升帶，打輥、內外循環風機的電機，挑選臺電機，儲葉柜的底帶等需要調節的電機均選用變頻控制，并采用DP總線與PLC通訊并交換數據，實現數字化信息交換。

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到現場I/O之間Profinet網絡通訊采用工業以太網光纖連接，根據交換機之間的距離選用定長光纖(規格為西門子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

該系統于2009年4月21日投入運行，歷時一年跨兩個生產季節，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，系統設計先進、完善、合理，故障率低。系統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，無需編程。系統層次清晰、結構簡單、系統布線少，便于維護，也使得企業取得了良好的經濟效益。