工業以太網在卷煙廠風力送絲與集中工藝除塵中的應用

戴新穩

摘 要：該文主要介紹了工業以太網（PROFINET）的特點，工業以太網在卷煙廠風力送絲系統中的應用和風力送絲中風力平衡控制最新方法。近些年來，工業太網在煙草行業得到廣泛的應用，PROFINET標準的開放性保證了工業以太網的兼容性與擴展性，進而可保護用戶的利益與投資。工業以太網的開放性使得企業信息網絡與工業控制網絡無縫整合，在以后現場總線發展中，工業以太網將取代現有現場總線成為主導地位。

關鍵詞：工業以太網 風力送絲 風力平衡 現場總線

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（c）-0063-02

近年來，工業以太網PROFINET廣泛的應用在煙草行業中。PROFINET是一種新的以太網通訊系統，是由Profibus用戶協會和西門子公司共同研發。PROFINET具有多制造商產品之間的通訊能力、工程模式、自動化，并針對分布式智能自動化系統進行了優化。其應用結果可以節省調試費用和配置。目前卷煙廠的風力送絲和集中工藝除塵以及環境除塵采用的控制系統一般為PROFIBUS DP網絡或是單機控制，雖然取得了一定的成效，但還有一些缺陷。

1 工業以太網技術的應用

工業以太網不僅可以為PROFIBUS提供以太網移植服務，而且可以對一些不同的現場總線網絡提供以太網移植服務；工業以太網的PROFINET具有開放性的功能，正因為它具有開放性能，所以使得其具有兼容和擴展的能力。這個特點可以在很大程度上維護用戶的相關利益。PROFINET不僅可以無縫集成和連接其它的現場總線網絡，還具有操作簡單、維護方便的特點。

和其他的現場總線進行比較，工業以太網應用具有下面的一些特性。

（1）實時通信：利用全雙工通信、流量控制盒和以太網交換等技術，并且通過確定性數據的通信調度控制策略、現場設備層網絡微網段化以及簡化通信棧軟件層次等，對于在工業過程中所出現的通信實時控制，可以使以太網的實時通信能力大大的提高。

（2）總線供電：通過直流電源耦合以及電源冗余管理等技術，確保以太網集線器可以實現總線供電或者網絡供電功能，從而把總線供電問題解決。

（3）遠距離傳輸：利用相關網絡技術實現信息的遠距離運輸，例如：控制區域微網段化、網絡分層以及光纖科技技術等。

（4）網絡安全：利用控制區域的微網段化，并且在相關的控制區域中采用網絡隔離措施，把主系統設備和具有全過濾功能的現場控制器相連接，確保在邏輯上對各個控制域的內部進行網絡隔離。

（5）可靠性：通過EMC設計和分散結構化等安全性技術方法，可知利用以太網技術的各個設備的可靠性較高。

（6）一網到底：在企業現場設備的控制層中也可以應用工業以太網PROFINET技術，因此該技術在未來的網絡控制中占有重要的地位，同時也是現場總線中的重要技術。

2 控制系統的組成和功能設計

通過管理控制一體化的實現，可以確保實現風力送絲與集中工藝除塵系統辦公自動化和現代化。控制系統不單單和上層管理系統有良好的借口，而且與下層的控制設備也有良好的借口，具有優良的擴展性。

2.1 系統組成及其特點

根據全集成自動化（Totally Integrated Automation）的思想，風力送絲和集中工藝除塵控制系統可以具體的分為管理級、控制級和現場級三部分。

（1）管理級：系統的核心部分就是管理級，該部分可以控制和管理風力送絲和集中工藝除塵處理過程中的各個部分，從而確保廠級自動化辦公的實現。管理級可以提供一個確保外部信息和整個控制系統交換的人機接口。由于管理層的功能結構具有層次性和可分割性，一般采用客戶/服務器（Client/Server）的結構。服務器一般是選用滿足分布式數據庫管理方式且開放的大型的網絡關系數據庫。控制室中的設備一般是兩臺上位機，一臺安裝有Siemens公司生產的完全版的WinCC組態軟件和冗余軟件包，另一臺安裝有WinCC監控組態軟件的冗余服務器，這兩臺服務器相互備用，可以實現冗余，從而使得系統的可靠性得到提高。

（2）控制級：實現系統功能的最重要部分就是控制級，同時控制級還是管理級和現場級的樞紐層。控制級的一個主要功能就是接受管理層設置的參數或者命令，而且還可以控制污水處理過程且向管理層輸送現場狀態。系統的中心部分就是控制器，一般包含兩套Siemens公司生產的S7_300（CPU317_2PN/DP）型PLC，通過交換機與光纖形成數據交換網，S7_300含有PROFINET集成接口，利用這個借口使I/O現場設備得到連接，全部驅動都在STEP7里面，利用STEP7可以不重新連接編碼器而直接延伸到PROFIBUS上的設備，利用現場設備還可以使其他集成的PROFIBUS接口得到連接，另外PROFINET接口還能用在單元級的通訊上。PRIFINET CPU可以通過PC/編碼器進行編程。

（3）現場級：現場級是系統功能實現的基礎。主要分為控制設備、一次儀表（如風速測試儀、差壓變送器等）。現場級的主要功能是上傳監測傳感器參數、監測數據和設備基本狀態，同時通過控制級指令來控制執行機構。因為控制設備的分散性，以前的輸入/輸出設備大多是通過機架進行連接，因此擴展系統或改變設備時的工作量很大，且柔性度低、成本高。把現場控制部件（可由第三方提供）通過以太網系統來連接可以很好的解決上述問題。分布式配置是指利用以太網從站把現場設備和I/O模塊進行連接。將I/O模塊轉換為執行器和就地監測器，該系統的第三方設備均使用了德國BECKHOFF公司性能高的BK9103 PROFINET以太網耦合器，通過其以太網端口與PROFINET網絡相連接，從而方便了運行過程中的系統維護和修理。

2.2 工藝控制endprint

為生產工藝提供控制規律是軟件編程的主要依據。試驗表明，在煙絲輸送過程中由于風力送絲系統風速不平衡，造碎較大，長絲率下降，影響煙絲結構和填充值，從而增加了卷煙加工消耗。假如能將風送風速維持在設定最佳值（16-18±1）m/s之間，必將會減少成品煙絲輸送造碎、從而達到減少卷煙加工消耗、提高經濟效益的目的。根據卷煙廠的上述需求，設計的風力送絲風速平衡控制系統總體結構如圖1所示。系統在各煙機旁安裝氣動調節閥和消音器，在總管上安裝風速測試儀（圖中ΔP0）和各機臺回風管上安裝差壓式流量計（圖中ΔP1～ΔP4），在總管末端和各機臺回風管加裝氣動調節閥（圖中V0～V4），在布袋除塵器入口管道上加裝負壓傳感器（圖中-P）。在各機的回風管上加裝電動閥（T5～T8）用于支管補風。電動閥（T1～T5）和（T5～T8）為互鎖關系，即T1打開T5關閉，T5打開T1關閉，用來保持整個風力系統之平衡。總管上的風速測速儀用來控制氣動調節閥V0，控制總管的風速。各機臺回風管上安裝差壓式流量計（圖中ΔP1～ΔP4）用來控制氣動調節閥（圖中V1～V4）。氣動調節閥的控制全采用PID調節，設定風速，反饋值為經差壓流量計換算后的風速。

通常卷煙廠風送除塵設備設置在卷包車間樓上，集中控制室也設置在卷包車間樓上，因而各臺卷煙機組間距較遠。所以采用分布式控制系統，即在每臺卷煙機旁設德車BKEOFF BK9103控制器，組成PROFINET以太網絡，與主控制器實時通訊。在上位人機界面上制作了一套監控軟件，便于顯示、操作和管理。

利用電氣柜上的自動、手動開關可以改變設備的狀態，但是無法改變通過PLC設置的工作時序，且在進入自動狀態后，也就進入了由PLC設定的工作時序。進入自動狀態后，工作人員只需在控制室利用人機界面遠程操作。所有現場設備的工作狀態都輸送到上位機顯示。

3 上位機組態軟件

SCADA系統（數據采集和監控系統）的具體要求：利用工業以太網和多臺下位機進行通訊，監控下位機的工作狀態，顯示生產中的工作曲線；對下位機進行數據采集，從而可以存儲、打印、顯示、查詢歷史數據。因而，監控組態軟件是自動監控系統中的遠程監視中心、數據收集處理和轉發中心。監控組態軟件和各種檢測控制設備（如智能儀表、PLC等）一起構成響應迅速的控制中心。該系統采用Siemens公司生產的WinCC（Windows Control Center）7.0組態軟件。該軟件的自動化控制功能強大，一般基于個人計算機，但同時還具有SCADA級操作監視系統。

安裝冗余和服務器版的軟件包在兩臺服務器上，而安裝運行版的軟件包的工作站上。監控系統的功能和特點如下所示。

（1）界面顯示：整個界面均為全中文顯示，界面舒適、操作方便。主菜單形式的操作畫面通過按鈕進行切換。工作人員可在中心控制室內實時監控整個系統的被控設備。

（2）實時畫面顯示功能：各現場被控設備的狀態參數和運行狀況可以通過圖形實時地顯示出來。

（3）數據管理：數據庫在存儲生產過程數據的同時提供相關數據，以便今后的統計分析。通過對比數據庫中數據和相關經驗參數，可以提出優化風力送絲工藝的方案。

（4）報警功能：當運行數據沒有在設備的安全運行范圍內導致故障發生時，利用組態可以發出聲光的差異性來緊急報警。同時，系統中每幅畫面都將近期發生的報警情況顯示在屏幕中，并可以瀏覽全部的系統報警情況和相關監控畫面。系統會記錄和長時間保存出現的報警數據，以便后期用于數據統計分析。

（5）報表打印功能：打印圖形和報表，同時實時打印報警數據和相關事件。

（6）通訊功能：WinCC是SCADA系統軟件，詳細的考慮與其它系統之間信息交換的必要性，支持如SQL.OPC.ODBC及DDE等標準，和上層的系統進行數據交換時有多種方式。

（7）冗余功能：兩臺服務器均安裝有WinCC組態軟件且互為冗余，從而保證了數據的完整性，使系統的可靠性大大的提高。

4 結語

把工業以太網應用到風力送絲和集中工藝除塵控制系統中，改變了全模擬量傳輸和現場總線的數據交換方式，在現場總線級實現了Ethernet數字傳輸，提高了信息的傳送精度、傳送數據量以及傳送距離，同時還提高了現場控制的靈活性，降低了數據交換網絡的施工費和初裝費，達到了便于擴展和維護，減少電纜敷設的目的。該控制系統得到了湖南中煙公司的認可，于2010年在湖南中煙公司郴州卷煙廠投入運行，實現了風力送絲及集中工藝除塵的自動控制，保證了網絡數據間的交換，提高控制的穩定性，降低能耗，使得風力送絲的效果良好，從而提高了社會效益及經濟效益。

參考文獻

[1] （德）Raimand Rigan，Mak Metter.西門子PROFINET工業通信指南[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[2] 劉國海.現場總線PROFINET[M].北京：電子工業出版社，2007.

[3] 吉順平，孫承志，孫書芳，等.西門子現場總線通信原理與應用[M].北京：機械工業出版社，2009.

[4] 崔堅.西門子S7可編程序控制器——STEP7編程指南[M].北京：機械工業出版社，2007.

[5] 趙欣.西門子工業網絡交換機應用指南[M].北京：機械工業出版社，2008.

[6] 王仁祥，王小曼.S7 300/400入門與進階[M].北京：中國電力出版社，2009.

[7] 凌志浩.DCS與現場總線控制系統[M].上海：華東理工大學出版社，2008.endprint