劉春桂崔 群

（1 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

（2 蕪湖天宇科技開發(fā)有限公司，安徽 蕪湖 241009）

1 引言

目前，國內(nèi)煙廠普遍采用PROFIBUS總線控制模式。經(jīng)過杭州煙廠薄絲線運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)其存在一些問題，如PROFIBUS總線拓展性不理想，系統(tǒng)抗干擾能力差，故障查找困難，不能直接與IT網(wǎng)相連接，數(shù)據(jù)傳遞效率不高、可靠性不佳，影響到薄絲線生產(chǎn)控制精度，制約了薄絲內(nèi)在品質(zhì)的提升。進(jìn)行技改勢在必行。針對上述問題，提出了以PROFINET代替PROFIBUS總線連接生產(chǎn)設(shè)備的方案。本方案能較好地解決目前生產(chǎn)中存在的諸多問題，對提高薄絲內(nèi)在品質(zhì)有一定的意義，有助于提高卷煙的口感，增強(qiáng)企業(yè)的市場競爭能力。

2 目前薄絲線控制系統(tǒng)

2.1 目前薄絲線網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)

當(dāng)前杭州煙廠薄絲線控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、主控PLC及PROFIBUS-DP等組成。圖1為該控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分散的現(xiàn)場設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)接口I/O掛載到PROFIBUS-DP總線上，主控PLC（西門子S7-400系列CPU415-2PN/DP）通過PROFIBUS-DP總線與現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行通信，便于主控PLC采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)、調(diào)整參數(shù)設(shè)定以及發(fā)出動作指令。主控PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行通訊，將生產(chǎn)信息傳送給上位機(jī)Win CC，便于操作員通過上位機(jī)Win CC即可全面實時動態(tài)地掌握薄絲生產(chǎn)線的運(yùn)行狀況。

2.2 存在的主要缺點(diǎn)

2.2.1 數(shù)據(jù)傳輸速度慢。PROFIBUS-DP主要應(yīng)于底層I/O設(shè)備的集成，不能直接與IT網(wǎng)絡(luò)連接，限制了數(shù)據(jù)的吞吐能力，傳輸速度范圍為9.6Kb/s～12Mb/s，且受傳輸距離影響。卷煙薄絲線對生產(chǎn)過程中薄絲的溫度、水分實時數(shù)值的控制要求極高，PROFIBUS-DP總線明顯不能滿足薄絲線對實時性苛刻的要求。

圖1 目前薄絲線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 系統(tǒng)的可靠性不高。PROFIBUS-DP總線采用“一連到底”的連接方式，通過一根雙絞線將主站與所有的子站連接起來。當(dāng)某段總線或者某個子站出現(xiàn)故障的情況下，其余子站有可能全部停止工作。難以在第一時間查出故障源并排除故障，極易影響薄絲線正常生產(chǎn)，導(dǎo)致了薄絲線控系統(tǒng)可靠性不高。

2.2.3 抗干擾能力差。PROFIBUS-DP總線采用屏蔽雙絞線進(jìn)行通信，PROFIBUS規(guī)范無法與普通屏蔽雙絞線的內(nèi)阻，線間電容等參數(shù)相匹配，系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)非正常通訊狀態(tài)，導(dǎo)致抗干擾能力不強(qiáng)。

2.2.4 故障診斷較難。一旦PROFIBUS-DP總線出現(xiàn)故障，查找故障點(diǎn)比較困難，缺乏有效可靠的專業(yè)檢測儀器，主要依靠經(jīng)驗豐富的維護(hù)人員進(jìn)行故障點(diǎn)排查，這樣不僅浪費(fèi)寶貴的生產(chǎn)時間，影響生產(chǎn)計劃，還增加了人力資源成本。

3 基于工業(yè)以太網(wǎng)的PROFINET

3.1 PROFINET簡介

PROFINET是基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的新一代自動化總線標(biāo)準(zhǔn)，不僅可以兼容現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術(shù)（如：PROFIBUS）和工業(yè)以太網(wǎng)，保護(hù)企業(yè)現(xiàn)有資產(chǎn)投入；還可以兼容辦公室以太網(wǎng)和工業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)一整個工廠的網(wǎng)絡(luò)框架，實現(xiàn)"E網(wǎng)到底"。PROFINET的出現(xiàn)為工業(yè)自動化通信領(lǐng)域提供了一個更加完善的網(wǎng)絡(luò)解決途徑。

3.2 PROFINET-IO

PROFINET-IO是一種具有實時功能的標(biāo)準(zhǔn)化接口。帶有PROFINET接口的智能設(shè)備可以直接接入網(wǎng)絡(luò)中，一些簡單的設(shè)備可以通過I/O模塊與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，實現(xiàn)了將分布在生產(chǎn)現(xiàn)場的眾多I/O設(shè)備統(tǒng)一連接到工業(yè)以太網(wǎng)。PROFINET-IO設(shè)備可以分為三類：（1）IO-Controller控制器，類似于PLC的智能設(shè)備，（2）IOSupervisor監(jiān)視器，具有人機(jī)界面功能能的編程設(shè)備，（3）IO設(shè)備，一般是傳感器、執(zhí)行器等設(shè)備。

在功能上，PROFINET-IO接口與PROFIBUSDP接口相似，只是通訊接口發(fā)生變化而已。企業(yè)在進(jìn)行技改時，可以將原來掛在PROFIBUS上的設(shè)備直接掛到PROFINET上繼續(xù)使用，最大程度地保護(hù)原有資產(chǎn)。在用戶開發(fā)和維護(hù)方面，由于接口功能相似，在使用Step7v5.4進(jìn)行編程、組態(tài)和診斷時幾乎沒有變化，減少了企業(yè)的資金投入。

3.3 選擇PROFINET的理由

3.3.1 通信的實時性。針對控制對象的差異，PROFINET提供了三種不同時間等級的通信，①數(shù)據(jù)傳輸時間要求不嚴(yán)格，可選擇TCP/UDP/IP標(biāo)準(zhǔn)通信，②過程數(shù)據(jù)需要實時傳輸，采用軟實時（SRT）方式，③數(shù)據(jù)傳輸時間要求特別嚴(yán)格，則采用等時同步實時（IRT）方式。這樣使得生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)傳輸更快，單位時間內(nèi)能傳輸更多的數(shù)據(jù)量。

3.3.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活。通過使用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)可以靈活地將控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接成星形、樹形，所有節(jié)點(diǎn)（子站）彼此獨(dú)立工作，即任一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，其它節(jié)點(diǎn)不受其影響，還可通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。解決了PROFIBUS總線“一連到底”易出現(xiàn)的生產(chǎn)問題，控制系統(tǒng)的可靠性得到了保障。

3.3.3 抗干擾能力強(qiáng)。在PROFINET網(wǎng)絡(luò)中使用金屬接頭和綠色網(wǎng)線，將金屬接頭與設(shè)備外殼相連，并與屏蔽層實現(xiàn)環(huán)狀接觸，這樣可以顯著降低使用PROFIBUS雙絞線所引起的非正常通訊狀態(tài)的概率，保障了大量現(xiàn)場設(shè)備的正常通信，抗干擾能力得到顯著增強(qiáng)。

3.3.4 故障安全機(jī)制。故障安全包括操作人員安全和系統(tǒng)安全，當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，故障安全機(jī)制使得系統(tǒng)能夠恢復(fù)到安全狀態(tài)，整個系統(tǒng)的安全得到有效的保證，對操作人員和系統(tǒng)都不會造成損害。由于處于以太網(wǎng)中，對故障的診斷得更加靈活，獲取診斷信息較容易。

工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET是基于TCP/IP的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，開放性好，易于系統(tǒng)集成，使得工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和辦公以太網(wǎng)能夠無縫連接。PROFINET的出現(xiàn)有效地解決了PROFIBUS在工業(yè)生產(chǎn)中暴露出的問題，滿足了企業(yè)自動化生產(chǎn)過程中的控制要求，較好的實現(xiàn)了企業(yè)安全、高效生產(chǎn)。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求愈發(fā)嚴(yán)格，PROFINET取代PROFIBUS已經(jīng)成為趨勢。

4 規(guī)劃設(shè)計方案

4.1 薄絲線PROFINET網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

薄絲線控制系統(tǒng)以PROFINET和西門子工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)作為研究平臺，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主要由主控PLC、上位機(jī)（Win CC、工程師站）、工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET等組成。S7-400PLC作為通信中樞，子站通過PROFINET總線接收主控PLC指令以及將采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳給主控PLC及上位機(jī)。

圖2 薄絲線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖3 Win CC動態(tài)監(jiān)控主畫面

由上圖可以看出采用PROFINET總線的薄絲線控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單清晰，系統(tǒng)易于集成，掛載在PROFINET總線上的任一設(shè)備在整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)均可進(jìn)行任意通信，使得生產(chǎn)底層設(shè)備能夠進(jìn)行簡單、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字通信。在系統(tǒng)內(nèi)每個IO設(shè)備都有唯一的IP地址，其借助于PROFINET可以在整個以太網(wǎng)中進(jìn)行通信，而不再局限于某個網(wǎng)段，使得其處理數(shù)據(jù)信息的能力得到空前的提高。

4.2 Win CC動態(tài)仿真運(yùn)行

在個人PC機(jī)上建立一個名為“HZBSX”的項目，組態(tài)并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，然后不斷進(jìn)行仿真運(yùn)行調(diào)試，直至達(dá)到設(shè)計方案指標(biāo)參數(shù)要求。圖3為Win CC動態(tài)監(jiān)控顯示主畫面。

由Win CC動態(tài)監(jiān)控顯示主畫面可以看出，整條薄絲線從準(zhǔn)備喂料開始到最后的薄絲RFID裝箱仿真運(yùn)行流暢，生產(chǎn)狀態(tài)良好，整條生產(chǎn)線組態(tài)連貫清晰。動態(tài)參數(shù)、臨界報警、運(yùn)行指示燈等顯示全面覆蓋整條生產(chǎn)線各個環(huán)節(jié)，便于操作員全面掌握整條生產(chǎn)線的信息，并根據(jù)顯示的現(xiàn)場參數(shù)直接控制生產(chǎn)過程。

5 結(jié)束語

本方案是根據(jù)杭州煙廠薄絲線實際情況而制定的，使用PROFINET取代PROFIBUS總線進(jìn)行通信，技改針對性較強(qiáng)。不僅提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度和吞吐能力，還最大程度的保護(hù)了企業(yè)原有投資。經(jīng)過仿真運(yùn)行證明本方案切實可行，運(yùn)行穩(wěn)定高效，為杭州煙廠即將開始的技改做好了方案準(zhǔn)備工作，同時也為其他煙廠的技改提供了參考樣本，具有一定的實際應(yīng)用意義。

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