高速水汽線數(shù)字化改造網(wǎng)絡(luò)拓撲架構(gòu)淺談

毛定秋 吳嘯雄

[摘? ? 要]隨著信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)的不斷深度融合是大勢所趨，所以娃哈哈集團有限公司作為國內(nèi)飲料生產(chǎn)企業(yè)的龍頭，在生產(chǎn)線數(shù)字化和智能化方面也進行了嘗試，同國際知名企業(yè)德國西門子公司合作對一條先進的高速水汽線進行了數(shù)字化和智能化改造，本文探討的是生產(chǎn)線底層的通訊網(wǎng)絡(luò)、硬件需求及網(wǎng)絡(luò)拓撲架構(gòu)的設(shè)計思路及方案，以便于適應(yīng)生產(chǎn)線數(shù)字化和智能化改造對生產(chǎn)線底層網(wǎng)絡(luò)的需求。

[關(guān)鍵詞]網(wǎng)絡(luò)拓撲;WINCC;數(shù)字化生產(chǎn)線;PLC

[中圖分類號]TP393.0[文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）09–00–03

[Abstract]With the continuous development of information technology and Internet technology， and the continuous deep integration of industry and Internet is the general trend. Therefore， as the leader of domestic beverage production enterprises， a domestic large-scale beverage production enterprise in which the author works， as the leader of domestic beverage production enterprises， has also made an attempt in the digitization and intellectualization of production lines， which is similar to Germany， a well-known international enterprise Siemens Co.， Ltd. has carried out the digital and intelligent transformation of an advanced high-speed water vapor line. This paper discusses the design ideas and schemes of the communication network， hardware requirements and network topology architecture of the production line， so as to adapt to the needs of the digital and intelligent transformation of the production line on the bottom network of the production line.

[Keywords]network topology; WinCC; digital production line; PLC

54 000瓶每小時高速水汽線改造的方案是采用西門子公司的SIMATIC S7-1500 PLC以及上位機監(jiān)控系統(tǒng)Wincc作為系統(tǒng)平臺。同時加入基于批次配方的專用過程管理軟件PM Control，Pm Quality等。新增CONNECTIVITY PACK通訊選件包，為信息系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口，保障數(shù)據(jù)的完整性和統(tǒng)一性，為將來做更多數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)優(yōu)化提供便利。中央集控系統(tǒng)全面采用西門子的Profinet網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)CPU同遠程ET200SP的連接，CPU與現(xiàn)場IPC的連接，CPU同上位機的連接等。整個底層車間及系統(tǒng)總線采用100M工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，上位機監(jiān)控層采用1000M光纖通訊。

1 車間設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)拓撲圖及通訊網(wǎng)絡(luò)

車間設(shè)備采集層網(wǎng)絡(luò)采用西門子的Profinet網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)PLC與遠程ET200SP的連接，PLC與現(xiàn)場IPC的連接，PLC同上位工控機的連接。網(wǎng)絡(luò)連接圖如圖1所示。

車間設(shè)備層級網(wǎng)絡(luò)采用西門子X204管理型交換機，通過安裝有西門子ET200SP的遠程I/O數(shù)據(jù)采集站的數(shù)據(jù)采集箱對生產(chǎn)線的各單機設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集和控制，西門子管理型交換機和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集站分別分配相應(yīng)的IP地址，通過西門子profinet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行通訊聯(lián)接交換數(shù)據(jù)，需要注意的是所有的地址需在同一網(wǎng)段。由于生產(chǎn)線單機設(shè)備眾多，設(shè)備也較分散，所以采用西門子的這種遠程I/O站點的方案比較合適，現(xiàn)場布線接線工作量小，安裝調(diào)試及后期的維護相對簡單容易，此方案性價比高。如圖2所示。

由于整個車間的單機設(shè)備眾多，再加上能源動力的輔機設(shè)備和倉庫的碼垛噴碼設(shè)備等距離車間較遠，車間的設(shè)備的通訊數(shù)據(jù)量大，實時性要求高，所以整個車間級系統(tǒng)采用100M工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)光纖連接的方式，通訊在遠距離和網(wǎng)絡(luò)中某個接點通訊故障后依然可以建立有效的連接，保證數(shù)據(jù)通訊的快速性和可靠性，中控網(wǎng)絡(luò)機柜的交換機采用西門子X212管理型交換機。

2 上位機數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)拓撲及通訊網(wǎng)絡(luò)

上位機監(jiān)控層級采用1000M級管理型交換機X324來連接管理整個工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)采用服務(wù)器/客戶機模式搭建，中控室配置1臺Wincc服務(wù)器，2臺操作員站客戶機，公用系統(tǒng)配置一臺Wincc服務(wù)器和一個能源采集操作員站客戶機，上位機軟件采用西門子Wincc7.3版本的組態(tài)軟件。

如圖3所示，系統(tǒng)配置2臺西門子1500的PLC，水汽線的1500 PLC負責(zé)采集車間生產(chǎn)線各單機設(shè)備的運行數(shù)據(jù)及控制，水汽生產(chǎn)線的設(shè)備包含注塑、吹瓶、配料、灌裝、產(chǎn)品輸送、包裝、噴碼、碼垛等設(shè)備。公用工程1500 PLC負責(zé)采集為車間設(shè)備提供能源動力的設(shè)備的運行參數(shù)及控制，公用工程設(shè)備包含空壓機、配電設(shè)備、制冷設(shè)備、水處理和污水處理等設(shè)備，上位機數(shù)據(jù)采集服務(wù)器和操作站采用西門子IPC847D工控機，此工控機配置了雙網(wǎng)卡，可以滿足跟兩個不同網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)同時進行連接，此工控機高效強大的性能保證了整個網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的通用性、方便性和實用性。

能源管理服務(wù)上配置西門子的能源管理軟件B.DATA，Wincc服務(wù)器上配置西門子配方管理選件件PM-Control和質(zhì)量追溯選件PM-Quality，用于同wincc組態(tài)軟件配合使用來對車間的訂單執(zhí)行和質(zhì)量追溯等功能的快速實現(xiàn)。生產(chǎn)線Wincc服務(wù)器負責(zé)管理車間生產(chǎn)線的相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、報表生產(chǎn)、訂單執(zhí)行及報警信息管理和控制等，能源管理服務(wù)器負責(zé)管理能源動力車間的相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、能耗分析、報表生產(chǎn)及相應(yīng)的操作控制等，雙服務(wù)器可以使得生產(chǎn)車間的數(shù)據(jù)管理和分析同能源動力車間的數(shù)據(jù)管理做到根據(jù)各自的實際使用的特點進行操作和統(tǒng)計分析，較好的滿足了車間現(xiàn)場的實際生產(chǎn)情況需求。

3 車間網(wǎng)絡(luò)同公司局域網(wǎng)互聯(lián)及遠程維護服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)

車間內(nèi)部中控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通過西門子S615安全型交換機同外網(wǎng)連接，同時采用西門子RC服務(wù)器建立外部網(wǎng)絡(luò)同車間設(shè)備的遠程連接及遠程診斷，為車間生產(chǎn)線的設(shè)備提供遠程維護及訪問查看提供支持，網(wǎng)絡(luò)連接圖如圖4所示。

通過配置西門子RC服務(wù)器、S615路由器、西門子RC客戶端的參數(shù)，然后通過VPN普通PC機就能遠程連接車間生產(chǎn)線的各個設(shè)備，隨時查看維護車間的設(shè)備，減少維護人工成本，提高設(shè)備維護的相應(yīng)時間及維護效率，此處需對RC Server和S615安全型防火墻路由器進行設(shè)置來保證外網(wǎng)訪問的安全性，防止外部網(wǎng)絡(luò)的未經(jīng)授權(quán)的訪問，保證網(wǎng)絡(luò)的安全和車間設(shè)備運行和數(shù)據(jù)的安全，參數(shù)配置圖如圖5所示。

4 結(jié)束語

本文分析總結(jié)了水汽線數(shù)字化改造后的生產(chǎn)線各設(shè)備及車間層級的網(wǎng)絡(luò)拓撲架構(gòu)設(shè)置及相應(yīng)的聯(lián)接特點及方法，相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)硬件、控制器和服務(wù)器的選型方案及方法，生產(chǎn)線數(shù)字化改造后運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了生產(chǎn)線各設(shè)備的運行狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)的記錄分析，生產(chǎn)線各設(shè)備的水、電、氣等能源消耗統(tǒng)計和分析，能源消耗報表的生成及成本統(tǒng)計核算，生產(chǎn)訂單的下發(fā)及物料信息的追蹤追溯，生產(chǎn)線設(shè)備的遠程故障診斷和維護等，改造后生產(chǎn)線實現(xiàn)了數(shù)字化及部分智能化，達到了預(yù)期的效果。

參考文獻

[1] 李艇.實時工業(yè)網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[2] 鄭發(fā)躍.工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場總線技術(shù)基礎(chǔ)與案例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.

[3] 納普.工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全[M].北京：國防工業(yè)出版社，2014.

[4] 許勇.工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2013.

[5] 宋云艷.工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社出版社，2017.