工業(yè)以太網(wǎng)在卷煙廠風(fēng)力送絲與集中工藝除塵中的應(yīng)用

戴新穩(wěn)

摘 要：該文主要介紹了工業(yè)以太網(wǎng)（PROFINET）的特點(diǎn)，工業(yè)以太網(wǎng)在卷煙廠風(fēng)力送絲系統(tǒng)中的應(yīng)用和風(fēng)力送絲中風(fēng)力平衡控制最新方法。近些年來，工業(yè)太網(wǎng)在煙草行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，PROFINET標(biāo)準(zhǔn)的開放性保證了工業(yè)以太網(wǎng)的兼容性與擴(kuò)展性，進(jìn)而可保護(hù)用戶的利益與投資。工業(yè)以太網(wǎng)的開放性使得企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)無縫整合，在以后現(xiàn)場總線發(fā)展中，工業(yè)以太網(wǎng)將取代現(xiàn)有現(xiàn)場總線成為主導(dǎo)地位。

關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng) 風(fēng)力送絲 風(fēng)力平衡 現(xiàn)場總線

中圖分類號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）11（c）-0063-02

近年來，工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET廣泛的應(yīng)用在煙草行業(yè)中。PROFINET是一種新的以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)，是由Profibus用戶協(xié)會(huì)和西門子公司共同研發(fā)。PROFINET具有多制造商產(chǎn)品之間的通訊能力、工程模式、自動(dòng)化，并針對(duì)分布式智能自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。其應(yīng)用結(jié)果可以節(jié)省調(diào)試費(fèi)用和配置。目前卷煙廠的風(fēng)力送絲和集中工藝除塵以及環(huán)境除塵采用的控制系統(tǒng)一般為PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)或是單機(jī)控制，雖然取得了一定的成效，但還有一些缺陷。

1 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

工業(yè)以太網(wǎng)不僅可以為PROFIBUS提供以太網(wǎng)移植服務(wù)，而且可以對(duì)一些不同的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)提供以太網(wǎng)移植服務(wù)；工業(yè)以太網(wǎng)的PROFINET具有開放性的功能，正因?yàn)樗哂虚_放性能，所以使得其具有兼容和擴(kuò)展的能力。這個(gè)特點(diǎn)可以在很大程度上維護(hù)用戶的相關(guān)利益。PROFINET不僅可以無縫集成和連接其它的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，還具有操作簡單、維護(hù)方便的特點(diǎn)。

和其他的現(xiàn)場總線進(jìn)行比較，工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用具有下面的一些特性。

（1）實(shí)時(shí)通信：利用全雙工通信、流量控制盒和以太網(wǎng)交換等技術(shù)，并且通過確定性數(shù)據(jù)的通信調(diào)度控制策略、現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)微網(wǎng)段化以及簡化通信棧軟件層次等，對(duì)于在工業(yè)過程中所出現(xiàn)的通信實(shí)時(shí)控制，可以使以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)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(shù)，確保以太網(wǎng)集線器可以實(shí)現(xiàn)總線供電或者網(wǎng)絡(luò)供電功能，從而把總線供電問題解決。

（3）遠(yuǎn)距離傳輸：利用相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，例如：控制區(qū)域微網(wǎng)段化、網(wǎng)絡(luò)分層以及光纖科技技術(shù)等。

（4）網(wǎng)絡(luò)安全：利用控制區(qū)域的微網(wǎng)段化，并且在相關(guān)的控制區(qū)域中采用網(wǎng)絡(luò)隔離措施，把主系統(tǒng)設(shè)備和具有全過濾功能的現(xiàn)場控制器相連接，確保在邏輯上對(duì)各個(gè)控制域的內(nèi)部進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)隔離。

（5）可靠性：通過EMC設(shè)計(jì)和分散結(jié)構(gòu)化等安全性技術(shù)方法，可知利用以太網(wǎng)技術(shù)的各個(gè)設(shè)備的可靠性較高。

（6）一網(wǎng)到底：在企業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的控制層中也可以應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET技術(shù)，因此該技術(shù)在未來的網(wǎng)絡(luò)控制中占有重要的地位，同時(shí)也是現(xiàn)場總線中的重要技術(shù)。

2 控制系統(tǒng)的組成和功能設(shè)計(jì)

通過管理控制一體化的實(shí)現(xiàn)，可以確保實(shí)現(xiàn)風(fēng)力送絲與集中工藝除塵系統(tǒng)辦公自動(dòng)化和現(xiàn)代化。控制系統(tǒng)不單單和上層管理系統(tǒng)有良好的借口，而且與下層的控制設(shè)備也有良好的借口，具有優(yōu)良的擴(kuò)展性。

2.1 系統(tǒng)組成及其特點(diǎn)

根據(jù)全集成自動(dòng)化（Totally Integrated Automation）的思想，風(fēng)力送絲和集中工藝除塵控制系統(tǒng)可以具體的分為管理級(jí)、控制級(jí)和現(xiàn)場級(jí)三部分。

（1）管理級(jí)：系統(tǒng)的核心部分就是管理級(jí)，該部分可以控制和管理風(fēng)力送絲和集中工藝除塵處理過程中的各個(gè)部分，從而確保廠級(jí)自動(dòng)化辦公的實(shí)現(xiàn)。管理級(jí)可以提供一個(gè)確保外部信息和整個(gè)控制系統(tǒng)交換的人機(jī)接口。由于管理層的功能結(jié)構(gòu)具有層次性和可分割性，一般采用客戶/服務(wù)器（Client/Server）的結(jié)構(gòu)。服務(wù)器一般是選用滿足分布式數(shù)據(jù)庫管理方式且開放的大型的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系數(shù)據(jù)庫。控制室中的設(shè)備一般是兩臺(tái)上位機(jī)，一臺(tái)安裝有Siemens公司生產(chǎn)的完全版的WinCC組態(tài)軟件和冗余軟件包，另一臺(tái)安裝有WinCC監(jiān)控組態(tài)軟件的冗余服務(wù)器，這兩臺(tái)服務(wù)器相互備用，可以實(shí)現(xiàn)冗余，從而使得系統(tǒng)的可靠性得到提高。

（2）控制級(jí)：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的最重要部分就是控制級(jí)，同時(shí)控制級(jí)還是管理級(jí)和現(xiàn)場級(jí)的樞紐層?？刂萍?jí)的一個(gè)主要功能就是接受管理層設(shè)置的參數(shù)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(xiàn)場狀態(tài)。系統(tǒng)的中心部分就是控制器，一般包含兩套Siemens公司生產(chǎn)的S7_300（CPU317_2PN/DP）型PLC，通過交換機(jī)與光纖形成數(shù)據(jù)交換網(wǎng)，S7_300含有PROFINET集成接口，利用這個(gè)借口使I/O現(xiàn)場設(shè)備得到連接，全部驅(qū)動(dòng)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(shè)備，利用現(xiàn)場設(shè)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(jí)的通訊上。PRIFINET CPU可以通過PC/編碼器進(jìn)行編程。

（3）現(xiàn)場級(jí)：現(xiàn)場級(jí)是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。主要分為控制設(shè)備、一次儀表（如風(fēng)速測(cè)試儀、差壓變送器等）?，F(xiàn)場級(jí)的主要功能是上傳監(jiān)測(cè)傳感器參數(shù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)備基本狀態(tài)，同時(shí)通過控制級(jí)指令來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因?yàn)榭刂圃O(shè)備的分散性，以前的輸入/輸出設(shè)備大多是通過機(jī)架進(jìn)行連接，因此擴(kuò)展系統(tǒng)或改變?cè)O(shè)備時(shí)的工作量很大，且柔性度低、成本高。把現(xiàn)場控制部件（可由第三方提供）通過以太網(wǎng)系統(tǒng)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(wǎng)從站把現(xiàn)場設(shè)備和I/O模塊進(jìn)行連接。將I/O模塊轉(zhuǎn)換為執(zhí)行器和就地監(jiān)測(cè)器，該系統(tǒng)的第三方設(shè)備均使用了德國BECKHOFF公司性能高的BK9103 PROFINET以太網(wǎng)耦合器，通過其以太網(wǎng)端口與PROFINET網(wǎng)絡(luò)相連接，從而方便了運(yùn)行過程中的系統(tǒng)維護(hù)和修理。

2.2 工藝控制endprint

為生產(chǎn)工藝提供控制規(guī)律是軟件編程的主要依據(jù)。試驗(yàn)表明，在煙絲輸送過程中由于風(fēng)力送絲系統(tǒng)風(fēng)速不平衡，造碎較大，長絲率下降，影響煙絲結(jié)構(gòu)和填充值，從而增加了卷煙加工消耗。假如能將風(fēng)送風(fēng)速維持在設(shè)定最佳值（16-18±1）m/s之間，必將會(huì)減少成品煙絲輸送造碎、從而達(dá)到減少卷煙加工消耗、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。根據(jù)卷煙廠的上述需求，設(shè)計(jì)的風(fēng)力送絲風(fēng)速平衡控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)在各煙機(jī)旁安裝氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥和消音器，在總管上安裝風(fēng)速測(cè)試儀（圖中ΔP0）和各機(jī)臺(tái)回風(fēng)管上安裝差壓式流量計(jì)（圖中ΔP1～ΔP4），在總管末端和各機(jī)臺(tái)回風(fēng)管加裝氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥（圖中V0～V4），在布袋除塵器入口管道上加裝負(fù)壓傳感器（圖中-P）。在各機(jī)的回風(fēng)管上加裝電動(dòng)閥（T5～T8）用于支管補(bǔ)風(fēng)。電動(dòng)閥（T1～T5）和（T5～T8）為互鎖關(guān)系，即T1打開T5關(guān)閉，T5打開T1關(guān)閉，用來保持整個(gè)風(fēng)力系統(tǒng)之平衡。總管上的風(fēng)速測(cè)速儀用來控制氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥V0，控制總管的風(fēng)速。各機(jī)臺(tái)回風(fēng)管上安裝差壓式流量計(jì)（圖中ΔP1～ΔP4）用來控制氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥（圖中V1～V4）。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制全采用PID調(diào)節(jié)，設(shè)定風(fēng)速，反饋值為經(jīng)差壓流量計(jì)換算后的風(fēng)速。

通常卷煙廠風(fēng)送除塵設(shè)備設(shè)置在卷包車間樓上，集中控制室也設(shè)置在卷包車間樓上，因而各臺(tái)卷煙機(jī)組間距較遠(yuǎn)。所以采用分布式控制系統(tǒng)，即在每臺(tái)卷煙機(jī)旁設(shè)德車BKEOFF BK9103控制器，組成PROFINET以太網(wǎng)絡(luò)，與主控制器實(shí)時(shí)通訊。在上位人機(jī)界面上制作了一套監(jiān)控軟件，便于顯示、操作和管理。

利用電氣柜上的自動(dòng)、手動(dòng)開關(guān)可以改變?cè)O(shè)備的狀態(tài)，但是無法改變通過PLC設(shè)置的工作時(shí)序，且在進(jìn)入自動(dòng)狀態(tài)后，也就進(jìn)入了由PLC設(shè)定的工作時(shí)序。進(jìn)入自動(dòng)狀態(tài)后，工作人員只需在控制室利用人機(jī)界面遠(yuǎn)程操作。所有現(xiàn)場設(shè)備的工作狀態(tài)都輸送到上位機(jī)顯示。

3 上位機(jī)組態(tài)軟件

SCADA系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)）的具體要求：利用工業(yè)以太網(wǎng)和多臺(tái)下位機(jī)進(jìn)行通訊，監(jiān)控下位機(jī)的工作狀態(tài)，顯示生產(chǎn)中的工作曲線；對(duì)下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而可以存儲(chǔ)、打印、顯示、查詢歷史數(shù)據(jù)。因而，監(jiān)控組態(tài)軟件是自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程監(jiān)視中心、數(shù)據(jù)收集處理和轉(zhuǎn)發(fā)中心。監(jiān)控組態(tài)軟件和各種檢測(cè)控制設(shè)備（如智能儀表、PLC等）一起構(gòu)成響應(yīng)迅速的控制中心。該系統(tǒng)采用Siemens公司生產(chǎn)的WinCC（Windows Control Center）7.0組態(tài)軟件。該軟件的自動(dòng)化控制功能強(qiáng)大，一般基于個(gè)人計(jì)算機(jī)，但同時(shí)還具有SCADA級(jí)操作監(jiān)視系統(tǒng)。

安裝冗余和服務(wù)器版的軟件包在兩臺(tái)服務(wù)器上，而安裝運(yùn)行版的軟件包的工作站上。監(jiān)控系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)如下所示。

（1）界面顯示：整個(gè)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(jìn)行切換。工作人員可在中心控制室內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的被控設(shè)備。

（2）實(shí)時(shí)畫面顯示功能：各現(xiàn)場被控設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)和運(yùn)行狀況可以通過圖形實(shí)時(shí)地顯示出來。

（3）數(shù)據(jù)管理：數(shù)據(jù)庫在存儲(chǔ)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的同時(shí)提供相關(guān)數(shù)據(jù)，以便今后的統(tǒng)計(jì)分析。通過對(duì)比數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，可以提出優(yōu)化風(fēng)力送絲工藝的方案。

（4）報(bào)警功能：當(dāng)運(yùn)行數(shù)據(jù)沒有在設(shè)備的安全運(yùn)行范圍內(nèi)導(dǎo)致故障發(fā)生時(shí)，利用組態(tài)可以發(fā)出聲光的差異性來緊急報(bào)警。同時(shí)，系統(tǒng)中每幅畫面都將近期發(fā)生的報(bào)警情況顯示在屏幕中，并可以瀏覽全部的系統(tǒng)報(bào)警情況和相關(guān)監(jiān)控畫面。系統(tǒng)會(huì)記錄和長時(shí)間保存出現(xiàn)的報(bào)警數(shù)據(jù)，以便后期用于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

（5）報(bào)表打印功能：打印圖形和報(bào)表，同時(shí)實(shí)時(shí)打印報(bào)警數(shù)據(jù)和相關(guān)事件。

（6）通訊功能：WinCC是SCADA系統(tǒng)軟件，詳細(xì)的考慮與其它系統(tǒng)之間信息交換的必要性，支持如SQL.OPC.ODBC及DDE等標(biāo)準(zhǔn)，和上層的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)有多種方式。

（7）冗余功能：兩臺(tái)服務(wù)器均安裝有WinCC組態(tài)軟件且互為冗余，從而保證了數(shù)據(jù)的完整性，使系統(tǒng)的可靠性大大的提高。

4 結(jié)語

把工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用到風(fēng)力送絲和集中工藝除塵控制系統(tǒng)中，改變了全模擬量傳輸和現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)交換方式，在現(xiàn)場總線級(jí)實(shí)現(xiàn)了Ethernet數(shù)字傳輸，提高了信息的傳送精度、傳送數(shù)據(jù)量以及傳送距離，同時(shí)還提高了現(xiàn)場控制的靈活性，降低了數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)的施工費(fèi)和初裝費(fèi)，達(dá)到了便于擴(kuò)展和維護(hù)，減少電纜敷設(shè)的目的。該控制系統(tǒng)得到了湖南中煙公司的認(rèn)可，于2010年在湖南中煙公司郴州卷煙廠投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力送絲及集中工藝除塵的自動(dòng)控制，保證了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)間的交換，提高控制的穩(wěn)定性，降低能耗，使得風(fēng)力送絲的效果良好，從而提高了社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。

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