鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 周小利

天昌國際煙草有限公司

鄭州科技學(xué)院電子工程系 趙劍鍔

基于以太網(wǎng)的現(xiàn)代打葉復(fù)烤線的研究與設(shè)計(jì)

鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 周小利

天昌國際煙草有限公司

鄭州科技學(xué)院電子工程系 趙劍鍔

某煙草有限公司的一個(gè)生產(chǎn)線原控制系統(tǒng)全部采用傳統(tǒng)底層控制方案，且無中控系統(tǒng)，其生產(chǎn)、控制具有相當(dāng)?shù)木窒扌?，該生產(chǎn)線亟須進(jìn)行系統(tǒng)化改造，改造總體目標(biāo)為：一方面，以全新的控制框架和全新的控制模式對底層控制進(jìn)行調(diào)整；另一方面，從面向控制、管理的角度出發(fā)對中控系統(tǒng)進(jìn)行增加，使全線電控系統(tǒng)在使用、控制、管理、維護(hù)、自動(dòng)化程度上都有所提高。經(jīng)過方案論證比對，該生產(chǎn)線采用美國Rockwell公司可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場設(shè)備控制層的EtherNet/IP實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)。

一、EtherNet/IP概述

EtherNet/IP由兩個(gè)重要的國際組織ODVA和ControlNet International共同推出，并已得到全球近百家供應(yīng)商的支持，目前，已有上百種EtherNet/IP產(chǎn)品可供用戶選擇，包括過程控制器、PLC、I/O、變頻器、軟啟動(dòng)器、視覺產(chǎn)品、條碼掃描設(shè)備、稱重設(shè)備、電力智能監(jiān)控單元、過程總線FF鏈接設(shè)備、交換機(jī)和連接設(shè)備等。

EtherNet/IP滿足從高精度時(shí)間同步、分布式伺服控制、離散控制、過程控制到安全系統(tǒng)等所有工業(yè)應(yīng)用要求，并支持現(xiàn)場和遠(yuǎn)程監(jiān)視、診斷和組態(tài)。EtherNet/IP產(chǎn)品也可使用其他標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP以太網(wǎng)上的服務(wù)如HTTP、SNMP等。此外，EtherNet/IP還從EMC、安裝防護(hù)等級各方面作出規(guī)定，保證了EtherNet/IP產(chǎn)品的嚴(yán)格工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性。

EtherNet/IP技術(shù)解決了傳統(tǒng)意義上的從工業(yè)控制到電子化制造的大趨勢中的許多問題。從車間工廠現(xiàn)場到整個(gè)企業(yè)的運(yùn)轉(zhuǎn)管理，包括物流、產(chǎn)品銷售、技術(shù)支持和服務(wù)。人們不僅僅在控制制造工程中，而且在任何時(shí)間、任何地方都可以得到產(chǎn)品生命周期過程中任何感興趣的信息，并能發(fā)出相應(yīng)的控制、管理指令。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及配置

該生產(chǎn)線充分考慮了分段加工和柔性化生產(chǎn)的要求，全線控制系統(tǒng)共劃分為5個(gè)工藝段：預(yù)處理段，打葉和配方、除塵段，葉片復(fù)烤段，梗碎葉復(fù)烤和碎葉打包段，預(yù)壓打包、梗打包段。

1.系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)采用信息管理層、控制層和現(xiàn)場設(shè)備層3層結(jié)構(gòu)，基于EtherNet/IP工業(yè)以太網(wǎng)組成全分布式控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)從底層的現(xiàn)場設(shè)備到控制層、信息管理層全部采用以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)的“一網(wǎng)到底”。該生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要包含5個(gè)ControlLogix站、若干FlexLogix子站、80余臺(tái)AB變頻器、20余臺(tái)SMCFlex軟啟動(dòng)器、5臺(tái)現(xiàn)場操作員站等設(shè)備。此外，輔助設(shè)備如電子秤等也使用EtherNet/IP作為系統(tǒng)唯一的網(wǎng)絡(luò)鏈接，對于不能通過以太網(wǎng)進(jìn)行鏈接的智能儀表等通過DeviceNET進(jìn)行鏈接。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.現(xiàn)場設(shè)備層。設(shè)備層主要采用AB公司基于DeviceNet的總線控制方式，由DeviceNet網(wǎng)絡(luò)鏈接控制主站、現(xiàn)場I/O站。設(shè)備控制層主要由PLC電控柜、分布式I/O站、現(xiàn)場操作終端、變頻器、紅外水分儀、電磁閥閥島以及獨(dú)立單機(jī)設(shè)備等組成。

主要實(shí)現(xiàn)工藝段的設(shè)備按工藝控制程序完成生產(chǎn)，對電機(jī)啟停、閥的通斷等數(shù)字開關(guān)量和水分、溫度、流量等工藝參數(shù)實(shí)施控制以及其他控制元器件的參數(shù)化控制。各控制段根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，合理設(shè)置啟停操作功能，使各控制段既能整段開機(jī)，又能分工藝段開機(jī)，滿足生產(chǎn)的靈活性，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。設(shè)備層系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足柔性加工工藝的要求。

3.集中控制層（ControlNet和以太網(wǎng)）。集中控制層主要由連接各工藝控制段的PLC和其他相關(guān)設(shè)備控制段的PLC，以及上層的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、管理計(jì)算機(jī)、打印機(jī)和以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)器件組成。

集中控制層由ControlNet和以太網(wǎng)構(gòu)成，光纖作為連接介質(zhì)，保證主干網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠的通訊。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器采用客戶/服務(wù)器方式，為集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)提供數(shù)據(jù)。

該層主要是由PLC將設(shè)備現(xiàn)場分散的設(shè)備層各控制段組織起來，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、報(bào)警、控制、連鎖等功能，以及設(shè)備層與管理層的數(shù)據(jù)交換。同時(shí)該層為控制系統(tǒng)的人機(jī)交互接口，完成整線集中控制操作、監(jiān)視、報(bào)警顯示、記錄等功能。

4.監(jiān)控管理層。監(jiān)控管理層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用C/S（客戶機(jī)/服務(wù)器）模式，監(jiān)控軟件采用ROCKWELL RSVIEW STUDIO版，通訊網(wǎng)絡(luò)以中控室網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)為核心，通過光纖環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)、中控室內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)將設(shè)備控制層、監(jiān)控層、監(jiān)控管理層連接起來，以I/O數(shù)據(jù)服務(wù)器作為通訊控制中樞，將采集的數(shù)據(jù)提供給監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)控和信息查詢，同時(shí)將相應(yīng)的產(chǎn)量、工藝等數(shù)據(jù)存入監(jiān)控管理層數(shù)據(jù)庫。

5.監(jiān)控管理層配置及選型。監(jiān)控管理層由各工藝段控制系統(tǒng)主站PLC與數(shù)據(jù)I/O服務(wù)器組成的工業(yè)光纖以太網(wǎng)絡(luò)、2臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)、1臺(tái)工程師站、2臺(tái)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)及工控軟件組成。

工業(yè)光纖以太網(wǎng)絡(luò)的組成是在每一個(gè)工藝段控制系統(tǒng)及中控室配置一只連接模塊OSM，通過冗余的工業(yè)光纖連接成工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)、下達(dá)工藝參數(shù)。在中控室配置網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，組成標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控管理數(shù)據(jù)交換。

6.監(jiān)控管理層系統(tǒng)硬件配置。設(shè)置2臺(tái)工控機(jī)作為冗余數(shù)據(jù)采集（I/O）服務(wù)器，配備雙以太網(wǎng)卡，同時(shí)連接冗余工業(yè)光纖以太網(wǎng)絡(luò)和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)絡(luò)。

設(shè)置2臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過冗余數(shù)據(jù)采集服務(wù)器對各工藝段設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行監(jiān)控、調(diào)度管理。各監(jiān)控計(jì)算機(jī)監(jiān)控畫面可進(jìn)行互相切換，監(jiān)控范圍可任意互換，并且將來可以進(jìn)行自由擴(kuò)展。

設(shè)置1臺(tái)工程師站，配備雙以太網(wǎng)卡，同時(shí)連接冗余工業(yè)光纖以太網(wǎng)絡(luò)和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)絡(luò)。安裝PLC編程軟件后可用于對各生產(chǎn)段的相關(guān)程序進(jìn)行維護(hù)和修改。設(shè)置1臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，提供集中監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊及預(yù)留與工廠級網(wǎng)絡(luò)的通訊接口。設(shè)置1臺(tái)UPS電源對中控室設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行集中供電，保證中控系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

客戶管理集成化，可以在辦公室環(huán)境中訪問當(dāng)前生產(chǎn)數(shù)據(jù)，由于集中了軟件管理，使維修費(fèi)用減小到最少程度，如果使用防火墻，其可靠性更高。

7.監(jiān)控管理層系統(tǒng)軟件配置。集中監(jiān)控軟件選用ROCKWELL RSVIEW STUDIO版工業(yè)監(jiān)控軟件，操作系統(tǒng)選用MS Windows2003Server中文版（10用戶）。數(shù)據(jù)庫采用為ROCKWEL公司工業(yè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，操作系統(tǒng)選用MS Windows2003Server中文版（10用戶）。通過工業(yè)以太網(wǎng)卡采集設(shè)備控制層的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，下達(dá)各種指令和設(shè)定各種參數(shù)。

三、系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

1.更低的整體實(shí)施成本。對于自動(dòng)控制產(chǎn)品開發(fā)人員的優(yōu)點(diǎn)：基于更廣泛的標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)技術(shù)開發(fā)網(wǎng)絡(luò)接口；基于標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP以太網(wǎng)意味著使用標(biāo)準(zhǔn)ASIC+相應(yīng)軟件開發(fā)包即可開發(fā)。對于用戶的優(yōu)點(diǎn)：更少的培訓(xùn)，即可掌握工廠內(nèi)所有網(wǎng)絡(luò)的安裝、調(diào)試和維護(hù)

因?yàn)?00Mbps甚至更高速的TCP/IP以太網(wǎng)可以進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的傳遞，所以通過網(wǎng)絡(luò)連接的現(xiàn)場設(shè)備不僅提供被測變量，同時(shí)，提供包括診斷信息在內(nèi)的其他數(shù)據(jù)。

2.實(shí)現(xiàn)信息的無縫集成。對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的集成，無需編程，即可實(shí)現(xiàn)透過多層網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備訪問、程序修改和診斷維護(hù)。從工廠信息層到工廠現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)均可以采用冗余環(huán)網(wǎng)，當(dāng)線路出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)可自動(dòng)快速恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)通訊。

四、結(jié)束語

某煙草有限公司12 000Kg/h打葉復(fù)烤生產(chǎn)線自2008年12月投入使用以來，控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。實(shí)際應(yīng)用情況說明：本控制系統(tǒng)具有一定的先進(jìn)性、可靠性、可操作性、可維護(hù)性、擴(kuò)展性、安全性和經(jīng)濟(jì)適用性。EtherNet/IP工業(yè)以太網(wǎng)完全可以滿足打葉復(fù)烤線現(xiàn)場設(shè)備控制的需要。