ProfiNet工业以太网在烟草行业的应用

前言
       本项目是汶川地震灾后重建项目，长城雪茄烟厂新建雪茄烟烟片生产线、叶丝生产线、梗丝生产线各一条，分为真空回潮段、叶丝预处理段、叶丝干燥加香段、储丝段、叶片预处理段、打叶机段、叶片复烤段、除尘段、制梗丝段等九个工艺段。建成后将是亚洲最大的雪茄烟生产制造基地。为了实现制丝生产线自动化生产和高度的集中控制管理，需要建设一套适合生产和管理要求的制丝生产线管控系统
1系统总体设计
       该项目控制系统主要由设备控制层、集中监控层、生产管理层三层体系结构构成。工业网络ProfiNet、管理以太网TCP/IP、Profibus-DP/PA构成设备控制层通讯链路，工业以太网满足PLC间通讯要求，TCP/IP以太网构成上位通讯链路满足集中监控层数据通讯要求，车间数据管理层为ERP或MES系统提供数据。设备控制层主要实现各工艺段设备的按工艺控制程序完成生产，对电机启停、阀的开关等数字开关量和温度、流量、水份等工艺参数的控制；集中监控层采用分段监控、集中管理，为控制系统的人机交换接口，完成整线集中控制操作、监视、生产工艺数据采集、配方管理、报警显示、记录等功能。同时接受生产管理系统的生产管理信息并为生产管理系统提供分析和统计所需的各类数据和生产信息；生产管理层完成对整个成品烟丝生产过程的所有物流和信息归类、整理和综合分析，以实现生产管理、工艺管理、设备管理、质量管理等目的；作为企业级MES系统的子系统实现全面的信息化集成。
       另外中控系统将完成对视频监控、大屏幕显示、现场LED系统等辅助系统的信息化集成，将所有系统集成在信息自动化的系统平台上，保证整个车间信息系统的全面集成。
2 主干网络系统
       主干网络系统包括长城雪茄烟厂叶丝生产线、烟片生产线、梗丝生产线管理控制系统，对下属各控制系统进行信息集成所需配置的交换机、通讯模块、网络电缆及附件等。

主要配置
       a) 为车间构建ProfiNet控制以太网和管理以太网，两个网络均采用环型结构，主干网交换机之间采用千兆光纤连接。控制以太网主要用于PLC控制系统间的数据通讯以及上位系统与控制系统间的数据通讯，管理以太网主要用于现场操作站与上位系统之间的数据通讯以及LED系统的数据通讯。
       b) 全线共配置8台控制主干网交换机（西门子SCALANCE X414-3E）和8台管理主干网交换机，分别放置在真空回潮段、叶丝预处理段、打叶机、烤片机段、储丝段、叶片复烤段、制梗丝段电控柜和中控室内，交换机间通过多模光纤连接，构成光纤冗余环网。
       c) 各工艺段内通过PROFINET及ProfiBus_DP/PA网络进行通讯。工艺段间及与上位监控系统通过工业以太网通讯，要求这两个网络分别在不同的网段上。
       d) 所有主干网交换机均配置独立24VDC稳压电源，并采用双电源供电，一路由交换机所在控制柜提供24VDC，另一路由中控室UPS输出220VAC接入所配置的24VDC稳压电源转换后提供。
3 集中监控系统配置
        集中监控层承担“远程控制”和设备状态监测功能，同时作为设备控制层和生产管理系统间的信息沟通环节，以实现信息管理系统和自动化控制系统的一体化集成。集中监控系统构建在千兆工业以太网光纤环网的基础上，将服务器、管理计算机、各工艺控制段的PLC、其它相关设备控制段的PLC等设备接入工业以太网。通过IO采集软件，完成对现场控制PLC中数据的采集，通过HMI实现监视、控制、报警、记录等功能，同时实现设备层与管理层的数据交换。集中监控管理系统采用C/S和B/S结合的模式。
       在各工艺段现场各配置一个PC677B现场操作站，PC677B在接入车间控制网的同时还接入车间管理网，在中控系统正常工作时，现场操作站通过管理网从IO服务器获取监控数据实现对生产线的监控，当中控系统IO服务器不可用或管理以太网系统故障时，现场操作站可以通过控制网与PLC直接通讯，完成基本的系统监视和控制功能。
       配置2台I/O服务器, 该服务器中配置西门子CP1623工业以太网通讯网卡，接入ProfiNet光纤环网，同时通过自带的1个以太网络接口接入到中控室的管理网络中。在I/O服务器中配置SCADA  Server和I/O 通讯软件。I/O服务器通过ProfiNet网络直接与控制系统的PLC进行数据通讯，并向监控计算机和其他系统提供实时I/O数据。2台I/O服务器配置SCADA  Server冗余选件，2台服务器互为冗余，一台服务器出现问题后系统可以无缝切换到另一台服务器继续使用，保证监控系统和数据采集的正常工作
       配置1台远程I/O服务器，在远程I/O服务器中配置OPC等通用远程数据接口软件，为系统提供远程的数据I/O接口应用服务。远程I/O服务器可以通过数据接口将系统中的实时数据信息提供给其他系统使用。
       配置1台实时数据库服务器，配置实时数据库软件，服务器通过监控网络将从I/O服务器中采集到的PLC数据存入实时数据库中，为监控和管理系统提供强大的实时/历史数据平台。
       配置1台管理数据库服务器，在管理数据库服务器中配置关系数据库软件(Oracle 11g)。服务器将保存整个制丝中控系统的所有业务数据并提供相应的数据访问服务。
       配置1台管理应用服务器，用于向生产管理系统提供业务应用接口，此应用服务器也用于和厂级MES系统进行应用交互接口
       配置1台Web服务器，一方面作为车间监控信息的WEB发布平台，另一方面作为生产管理系统的WEB发布平台。
       IO服务器、管理数据库服务器、实时数据库服务器和WEB服务器操作系统选用Windows 2003 Server，I/O服务器配置西门子公司WinCC V7.0，实时数据库软件采用Woderware公司的工业实时数据库Historian Server 5K Tag Standard Edition V9.0，管理数据库软件选用Oracle公司数据库软件Oracle 11g
4 设备控制层：
       电控系统采用SIEMENS公司S7-400系列主控器，控制方式采用电控柜加现场子站ET200S分布式I/O的控制模式，采用ProfiNet为主干网络，ProfiBus_DP/PA为辅助网络，构成设备控制层硬件平台(如图2)，同时经过对控制系统的PLC进行程序编制和相互连锁，从而对电机启停、阀的开关等数字开关量和温度、流量、水份等模拟量工艺参数的进行控制，最终实现该工艺段的设备按工艺控制程序完成生产。
       每组控制系统配置现场操作站，通过现场操作站显示设备运行状况和生产数据，及工艺参数、生产参数的设置与修改，从而实现本地显示与控制功能。每组系统配置以太网卡，通过网络通讯完成PLC与集中监控层的数据上传下达，从而实现设备的远程显示与控制功能。
       真空回潮段、叶丝预处理段、叶丝干燥加香段、储丝段、叶片预处理段、打叶机段、叶片复烤段、除尘段、制梗丝段等九个工艺段ProfiNet节点共有近300个、主要包括以下设备：96个ET200S分布式I/O子站系统、115台丹佛士公司的FC302变频器、37台TP177B操作屏、14台水份仪、16台电子皮带秤

4.1控制层网络设计原则：
       设备控制层网络以西门子ProfiNet为主干网络，以ProfiBus_DP/PA为辅助网络搭建成设备控制层硬件平台。网络设计遵循以下几个原则：
       a.每组工艺段控制系统配置独立的ProfiNet网卡（CP443-1 Advanced），同上位中控系统进行数据通讯，从而实现网络的上下层隔离，杜绝网络信息堵塞。
       b. ProfiNet网络采用总线+星形的网络拓扑方式，总线串联形式以不超过5个网络节点为原则。
       c.网络节点间使用FC标准电缆连接时不超过100米，如果超过该距离，则采用光纤进行连接。
4.2 操作方式和控制功能
     为满足生产线在生产、维修、设备保养时对设备操作的不同需求，在各工艺段设置了自动控制模式、单机控制模式、闭锁控制模式。
       a. 自动控制模式：控制系统在自动方式下，按照权限进行现场操作，实现对各设备的自动控制，包括电机启/停、故障处理（声光报警等）、执行机构的动作以及必要的自动状态下的手动操作功能等；同时，采集物料和相关设备的温度、压力、水份、流量等过程工艺参数，按一定算法调节回路的控制变量最终满足各工艺参数的要求。各设备在启动时，应按照物料流动的反方向顺序启动，每相邻设备之间的起动间隔一定时间，带有测控元件的设备，其动作次序按照生产工艺确定,以防堵料,减小设备起动对电网的冲击。
       b. 单机控制模式：控制系统提供单机操作功能，实现人工对各设备电机进行启动/停止操作以及生产线主机设备所必需的清洗、测试等操作，方便设备的维修。
       c. 闭锁控制模式：在闭锁控制模式下，系统进入禁止控制模式，所有的电动机、电磁阀、调节阀均强制地处于失电状态，所有电机、电磁阀和其它控制器件无论通过现场或操作屏上的“启动”都不能启动。
5 工程设计与电气施工
       工程设计是整个工程的一个关键所在，在一个自动控制流水线的初始设计阶段，就应该充分考虑，电气设备的分布密度，数据传输介质的网络结构和规模，对于数据传输的极限，物理介质距离和相互之间电源、电磁干扰，以及网络优化，分布策略等等。具体来说，比如网络数据包的数量将会决定节点交换机的选型，电气设备的数据量将会决定网络传输设备和传输介质的具体参数型号。
       电气安装施工是整个工程的另一个关键。重要设备的安装，走线，比如变频器的走线和接线方式，必须采取有效方式降低谐波干扰对设备的影响。强电和弱电信号线必须分开布局，专业的网络介质需要专业的器材和制作工具来安装，还需要采用专业的测试工具来检测各项质量指标。电源干扰和设备节点接地问题也必须重点考虑。
6 结束语
       ProfiNet具有ProfiBus_DP和IT标准的开放透明通信，支持从现场层到工厂管理层通信的连续性，从而增加了生产过程的透明度，优化了工厂自动化系统的运作，提高了系统的实时性。特别是ProfiNet针对自动化系统中传送信息类型的不同，使用不同的方法满足不同实时性通信的要求。该项目已实际生产运行近半年，控制系统稳定可靠，可以满足烟草现场设备控制的实时性和可靠性，并且易于集成扩展,维护方便，为提高工艺加工水平奠定了基础。