陶瓷墻地磚生產(chǎn)線實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

吳啟榮，胡國金

（廣東科達(dá)機電股份有限公司，佛山 528313）

0 引言

近三十年來，我國建筑陶瓷行業(yè)得到持續(xù)高速發(fā)展，陶瓷墻地磚的年產(chǎn)量多年保持著世界第一的水平。但在這“輝煌”的成績背后，整個行業(yè)卻不僅仍處于能源和原材料消耗大、勞動生產(chǎn)率較低、勞動力密集的發(fā)展水平，還處于科技含量低、整體技術(shù)開發(fā)能力低、附加值低、無真正國際品牌、“質(zhì)低價廉”的尷尬地位。當(dāng)前我國在陶瓷墻地磚的生產(chǎn)過程中需要眾多產(chǎn)業(yè)人員在充斥著大量廢氣、粉塵、廢水、廢料、噪音、高溫的惡劣環(huán)境中工作，這種環(huán)境嚴(yán)重影響他們的身心健康，并引發(fā)各種職業(yè)病，使得陶瓷企業(yè)越來越難招收員工，經(jīng)營成本不斷高漲。而近年來隨著集散控制技術(shù)、現(xiàn)場總線控制技術(shù)和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等先進(jìn)控制技術(shù)的飛速發(fā)展和在各個工業(yè)領(lǐng)域中大量投入應(yīng)用，使陶瓷生產(chǎn)企業(yè)構(gòu)建工廠級現(xiàn)場控制通訊網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層到車間級監(jiān)控的集散控制成為可能，并為實現(xiàn)陶瓷生產(chǎn)廠綜合自動化和現(xiàn)場設(shè)備智能化提供可行的解決方案。這將成為陶瓷行業(yè)在未來發(fā)展中有效地降低經(jīng)營成本，提高勞動生產(chǎn)率和資源利用率，加快經(jīng)營決策，提高市場競爭力的必然途徑。

1 PROFIBUS ＆ PROFINET介紹

PROFINET是Process Field Net的縮寫，是由現(xiàn)場總線PROFIBUS國際組織（PI）推出的新一代基于實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標(biāo)準(zhǔn)。在國際上，PI國際組織已經(jīng)成立了27個PI區(qū)域性協(xié)會，擁有1400多家會員公司以及超過2500種不同的產(chǎn)品，覆蓋了從生產(chǎn)自動化與過程自動化到運動控制與安全應(yīng)用的所有工業(yè)自動化技術(shù)領(lǐng)域，成為了全球最大的工業(yè)自動化技術(shù)社區(qū)組織。2011年全世界PROFIBUS設(shè)備總數(shù)量超過4010萬件，PROFINET的節(jié)點數(shù)達(dá)到430萬個。PROFINET采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)作為連接介質(zhì)，運用TCP/IP協(xié)議加上應(yīng)用層的RPC/DCOM技術(shù)來完成節(jié)點之間的通訊和網(wǎng)絡(luò)尋址，可以通過代理設(shè)備（Proxy）掛接傳統(tǒng)PROFIBUS系統(tǒng)，也可以直接與支持該標(biāo)準(zhǔn)的新型智能現(xiàn)場設(shè)備集成。PROFINET主要組成部分為：分散式現(xiàn)場設(shè)備（PROFINET IO）、分布式自動化、用于所有客戶需要統(tǒng)一的通訊、網(wǎng)絡(luò)安裝、IT集成及現(xiàn)場總線集成等。

2 系統(tǒng)分析及設(shè)計

2.1 控制需求分析

陶瓷墻地磚生產(chǎn)過程由原料制備、壓制成型、施釉燒制、磚坯深加工、撿選包裝等工序以及制釉等輔助工序構(gòu)成。整個生產(chǎn)過程使用很多設(shè)備，如原料制備工序的喂料機、球磨機、攪拌機、噴霧干燥塔、除鐵震動篩、粉料陳腐罐和配料系統(tǒng)等；壓制成型工序使用布料系統(tǒng)、壓磚機、翻坯機等；施釉燒制工序包括快速干燥器及其配套設(shè)備、施釉線設(shè)備、儲坯系統(tǒng)、輥道窯，下磚機等；深加工工序是一條連續(xù)生產(chǎn)的設(shè)備線，包括上磚機、刮平定厚機、磨邊機、拋光機、納米液打磨機、快速風(fēng)干機、打蠟機、下磚機等；檢選包裝工序使用上/下磚機、自動/人工檢測分選系統(tǒng)、垛磚機、捆扎包裝系統(tǒng)等；還有輔助工序的設(shè)備包括煤氣爐、制釉設(shè)備、污水處理設(shè)備等。根據(jù)不同的生產(chǎn)目的，設(shè)備的配置也有所差別，設(shè)備也可能是不同的設(shè)備制造商生產(chǎn)制造。因此，這些單元設(shè)備基本都是用PLC或繼電開關(guān)獨立單機控制，而相互之間僅僅部分使用簡單的聯(lián)鎖開關(guān)控制進(jìn)行協(xié)同運行，各個單元設(shè)備之間基本無信息通信，相互配合度差，生產(chǎn)動作配備需要靠有經(jīng)驗的生產(chǎn)人員來調(diào)整控制，每次更變生產(chǎn)目的都需要花費大量時間做相關(guān)調(diào)整準(zhǔn)備工作。

現(xiàn)代陶瓷墻地磚生產(chǎn)線的設(shè)備在地理空間上分布比較廣，其生產(chǎn)工藝流程較長。而規(guī)模越來越大的陶瓷生產(chǎn)企業(yè)更是呈現(xiàn)出多個生產(chǎn)基地、多個工廠、多個車間、多種品種、多條生產(chǎn)線混合生產(chǎn)的特點。隨著資源環(huán)境壓力日益增大，陶瓷企業(yè)升級轉(zhuǎn)型的需求日益緊迫，其經(jīng)營管理者越來越希望能夠把全部生產(chǎn)經(jīng)營活動所需的信息集成起來，形成集控制、調(diào)度、管理、決策于一體的新型綜合管理模式。而生產(chǎn)過程信息的失缺，正是當(dāng)前該管理模式急待需要解決的問題。根據(jù)新的綜合管理模式要求，各個車間、各個工廠都要有獨立的監(jiān)控系統(tǒng)，同時各個設(shè)備的控制系統(tǒng)、車間的監(jiān)控系統(tǒng)又要相互緊密配合起來，實現(xiàn)整個陶瓷墻地磚生產(chǎn)過程最佳的生產(chǎn)運作。因此，整廠中心監(jiān)控系統(tǒng)不但要對各個單元設(shè)備的所有重要工藝參數(shù)進(jìn)行全面實時監(jiān)控，還要對各個生產(chǎn)車間、生產(chǎn)工段、生產(chǎn)線之間運作情況進(jìn)行監(jiān)控、協(xié)調(diào)和調(diào)度。此外，企業(yè)的管理層也急切需要第一時間掌握各個生產(chǎn)線如壓機、窯爐、檢選包裝等關(guān)鍵設(shè)備的生產(chǎn)信息，以便及時掌握各個工廠、各個產(chǎn)品生產(chǎn)線的生產(chǎn)實際狀況。所以，整廠中心監(jiān)控系統(tǒng)還有需要具有通過互聯(lián)網(wǎng)向企業(yè)總部上傳實時生產(chǎn)信息的功能。

2.2 系統(tǒng)方案確定

基于以上分析，系統(tǒng)屬于典型的分布控制集中管理系統(tǒng)。這要求尋找一種符合當(dāng)前設(shè)備現(xiàn)狀，能夠通過簡單技改實現(xiàn)的，既分散又開放的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)作為支撐。經(jīng)比較當(dāng)今各種技術(shù)方案，比較符合要求的是采用開放的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)PROFINET和現(xiàn)場總線PROFIBUS結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)方案。其主要基于以下考慮：

1）工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)PROFINET和現(xiàn)場總線PROFIBUS作為當(dāng)今新型自動化通信標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)在多個行業(yè)中實際應(yīng)用，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比較成熟，得到各個控制系統(tǒng)制造商、傳感設(shè)備制造商的廣泛支持。

2）由于兩者由同一個技術(shù)協(xié)會提供支持，可以很好的結(jié)合在一起，充分發(fā)揮這兩種總線的特長，形成優(yōu)勢互補，提高網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的整體性能。同時，它們具有的全開放、全分散、智能化特點，可以靈活組建各種不同網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以便滿足企業(yè)從生產(chǎn)現(xiàn)場到經(jīng)營管理之間實時的、統(tǒng)一的通信要求。

3）由于陶瓷生產(chǎn)線中相當(dāng)多的關(guān)鍵設(shè)備是使用西門子的PLC進(jìn)行控制的，而西門子公司正是這兩種總線推廣的最主要企業(yè)，西門子的所有自動化產(chǎn)品稍微調(diào)整或添加相應(yīng)的模塊就能夠無縫地使用這兩種總線標(biāo)準(zhǔn)，這將大大降低技改的難度和成本，提高了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

3 方案設(shè)計與實現(xiàn)

對于不同規(guī)模大小的陶瓷企業(yè)，經(jīng)綜合考慮，選擇基于西門子自動化系統(tǒng)的兩種不同系統(tǒng)方案來實現(xiàn)。對于規(guī)模較小的企業(yè)或生產(chǎn)工廠，由于單元設(shè)備數(shù)量相對較少，設(shè)備的控制系統(tǒng)可以直接連接到以工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET為基礎(chǔ)的通信網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)統(tǒng)一的集中監(jiān)控，如圖1所示。對于繼電開關(guān)控制或非西門子PLC簡單控制的生產(chǎn)設(shè)備，使用低成本的西門子小型PLC S7-1200或者是S7-200搭配CP243-1通信模塊進(jìn)行改造。對于原使用西門子PLC控制的生產(chǎn)設(shè)備，則對其增加必要的通信模塊及改變相關(guān)控制軟件，實現(xiàn)對PROFINET通信的支持。對于如窯爐等控制過程復(fù)雜，但又非西門子PLC控制的設(shè)備系統(tǒng)，可以添加相關(guān)OPC服務(wù)器，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控功能。同時，對于一些生產(chǎn)過程中必需的監(jiān)測點，也增添適合的感知設(shè)備，使用遠(yuǎn)程IO如ET200S或PLC S7-1200等設(shè)備作為通信控制器進(jìn)行監(jiān)控。整廠監(jiān)控中心使用WinCC服務(wù)器進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)和整廠系統(tǒng)運行監(jiān)控，采用實時數(shù)據(jù)庫進(jìn)行采集信息的儲存和處理。而各個車間辦公室或工段的工藝設(shè)備監(jiān)控室則采用WinCC客戶端對所在工段和相關(guān)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和管理調(diào)度。在授權(quán)許可的情況下，還能夠使各個監(jiān)測點之間相互操作和相互訪問，有效滿足生產(chǎn)調(diào)度和實時監(jiān)控生產(chǎn)情況的需要，實現(xiàn)監(jiān)控中心集中監(jiān)察管理，各個車間和工段分散監(jiān)控，各設(shè)備獨立分布控制的三層管理要求。

圖1 小規(guī)模陶瓷墻地磚生產(chǎn)企業(yè)自動化生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 大規(guī)模陶瓷墻地磚生產(chǎn)企業(yè)自動化生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

對于規(guī)模較大的陶瓷墻地磚生產(chǎn)企業(yè)，由于生產(chǎn)設(shè)備較多，各種產(chǎn)品工藝流程較為復(fù)雜，設(shè)備之間布線困難，因此各個單元設(shè)備將不直接連接到工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET中，而是通過PROFINBUS現(xiàn)場總線連接到各個工段的分中心控制器，見圖2所示。單元生產(chǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)的改造主要采用西門子PLC S7-200搭配通訊模塊EM277，而分中心控制器則采用西門子PLC S7-300控制器。該分中心控制器主要是實現(xiàn)對各個單元設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測和初步處理，并將重要的數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET上傳到監(jiān)控中心，以減輕中心服務(wù)器的運行負(fù)擔(dān)，從而有效提高系統(tǒng)的整體性能。由于生產(chǎn)基地規(guī)?？赡茌^大，各個工廠和車間之間的地理位置距離較遠(yuǎn)，各個分中心控制器之間將采用光纖介質(zhì)為基礎(chǔ)的PROFINET通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互相訪問，克服以雙絞線電纜為介質(zhì)的以太網(wǎng)通訊距離短固有的缺陷。

同時，監(jiān)控中心還能夠通過互聯(lián)網(wǎng)把工廠的實時生產(chǎn)信息上傳到企業(yè)總部，以便集團(tuán)總部對各個生產(chǎn)基地、生產(chǎn)工廠進(jìn)行物資和生產(chǎn)任務(wù)的調(diào)度，實現(xiàn)集控制、調(diào)度、管理、決策于一體的集團(tuán)綜合管理。

4 結(jié)論

本文針對當(dāng)前陶瓷墻地磚生產(chǎn)企業(yè)面臨的困難和生產(chǎn)實際的需求，提出采用PROFINET和PROFIBUS集成技術(shù)，將當(dāng)今先進(jìn)成熟的自動化控制技術(shù)應(yīng)用到陶瓷生產(chǎn)行業(yè)中。該方案既克服國內(nèi)陶瓷生產(chǎn)過程中生產(chǎn)設(shè)備各自獨立、實時集中監(jiān)控困難、生產(chǎn)信息不透明的制約，又控制了改造成本，提高了陶瓷墻地磚生產(chǎn)線的綜合自動化水平和生產(chǎn)企業(yè)綜合競爭力。同時，采用具有高度開放性、互操作性和實時性的PROFINET和PROFIBUS總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，將為陶瓷行業(yè)以后開發(fā)先進(jìn)過程控制技術(shù)，實現(xiàn)在線優(yōu)化和遠(yuǎn)程維護(hù)，推行管控一體化綜合管理系統(tǒng)，留下了足夠系統(tǒng)擴展和升級空間。

[1] 屠志平,等.基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)墻地磚生產(chǎn)線控制系統(tǒng)集成[J].制造業(yè)自動化,2004(10):39-41.

[2] 王文林,等.陶瓷墻地磚生產(chǎn)線自動化技術(shù)發(fā)展綜述[J].中國陶瓷,2006(1):4-7,18.