Profinet在制丝线自动化系统中的应用

烟草在线专稿  

 

川渝中烟重庆烟草工业公司黔江分厂制丝车间主要承担全厂烟丝生产的任务。工欲善其事,必先利其器,车间注重设备工作,以设备保障生产。制丝线是一条现代化的生产线,自动化程度高,车间在设备方面一直积极探索国内外新技术,本文就着重介绍了Profinet在制丝线自动化系统中的应用。

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  一、Profinet在制丝线自动化系统中的应用的背景

 

  (一)随着计算机控制技术的不断发展,烟草行业制丝生产线的自动化应用水平也不断提升。

 

  当前全国制丝线的自动化系统主要采用profibus总线,分厂制丝车间也主要采用profibus总线系统,总线在制丝线分布式控制系统中发挥着重要作用。但是其自身的缺点也逐步暴露出来,比如系统稳定性差、网络故障解决比较困难等,由于总线问题,曾经多次造成制丝线全线停机,profibus总线成了制约制丝线自动化发展的技术瓶颈。

 

  制丝车间在新一轮的技改时,认真参考、学习国内外新的自动化技术,车间积极提出了profinet以太网控制方案,修改了昆船继续使用总线的技改方案,协同工程科,新的技改方案得以实施,在国内烟草行业率先全线应用profinet工业以太网,profinet的应用较好地解决了profibus总线存在的问题。制丝车间积极创新利用新技术,为烟草行业制丝线的自动化发展提供了借鉴和参考。

 

  (二)制丝线Profibus总线系统介绍。

 

  profibus是国际上通用的现场总线标准,二十世纪末开始在中国推广使用。Profibus主要进行现场设备的数据通讯,对现场分布式I/O进行有效地集成。

 

  黔江分厂在技术改造前(2008年前),制丝线自动化系统主要采用profibus总线系统,技改前的制丝线自动化系统网络如下图:

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制丝车间技术改造前分为四个工段:叶片处理段、梗处理段、烟丝处理段、风力送丝段。每个工段由可编程控制器PLC s7-400控制,PLC s7-400由交换机接入以太网。每工段的PLC s7-400以下为profibus总线,图中红色网线连接部分即为profibus总线系统,profibus总线连接数量众多的子站ET200S(包括各种检测、执行元器件等)。

 

  (三)应用Profibus总线存在的主要问题

 

  1、Profibus总线系统稳定性差,主要是在复杂的生产环境中,总线防电磁干扰能力差所致。车间本身就有许多电磁干扰源,比如烧电焊、大电流的设备起动等都会产生电磁干扰,因此在实际生产中经常发生因电磁干扰造成总线网络故障。

 

  2、总线故障诊断困难,没有可靠的测试仪器,主要凭个人经验进行判断。我厂在实际工作中,由于总线故障难于判断,曾造成制丝线停产22小时的后果,导致企业较大的经济损失。

 

  3、Profibus总线拓扑结构不够灵活,由于硬件所限,扩展成星型或树型难度较大。从上图可看出,总线拓扑从主站到子站由一根双绞线连到底,这就会导致一段总线或一个节点(子站)故障,其后续节点(子站)全部停止工作,车间经常发生因某单台设备总线故障导致全工段停机。星型拓扑结构能保证各节点相互独立工作。

 

  4、Profibus总线只实现了底层I/O设备集成,不能与IT网络直接相联,与管理层没有效地集成。

 

  二、Profinet在制丝线自动化系统中的应用的内涵和主要做法

 

  (一)profinet工业以太网介绍

 

  1、Profinet的通信方式

 

  Profinet是西门子2004年开始推行使用的工业以太网。是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准,兼容工业以太网和现有的现场总线技术。

 

  Profinet有三种通信方式:

 

  第一种是TCP/IP标准通信。

 

  第二种是实时通信。应用于传感器和执行器之间的数据交换。

 

  第三种是等时同步实时(IRT)通信。应用于实时性要求很高的运动控制。

 

  从上面profinet通信方式来看,profinet是真正的工业以太网,能同时传递实时数据和标准的TCP/IP数据。

 

  2、profinet的特点

 

  系统开放性、实时性、稳定性好。以太网以前主要用于商业、办公系统,性能稳定可靠,西门子把以太网引入工业现场,替代以前用profibus总线连接底层设备的状况,从而保证了大量底层设备高效可靠通讯。

 

  网络拓扑结构能够实现灵活多样地组网。由于硬件上的改进,使用网络交换机scalance很容易组成星型、树型等。

 

  基于TCP/IP的标准以太网,系统兼容性好,资源共享能力强,很容易实现了系统集成。

 

  (二)profinet在制丝线的应用

 

  分厂制丝生产线以前主要运用profibus总线,2008年11月对制丝生产线的自动控制系统进行了技术改造,用工业以太网profinet代替profibus总线系统。

 

  分厂改造后的制丝线自动化网络系统如下图。

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(绿色网线:profinet,红色网线:保留的profibus)

 

  整个制丝生产线自动化网络系统分为两级:管理层和设备层。

 

  管理层:由以太网Ethernet构成;设备层:由profinet工业以太网构成。

 

  管理层(以太网Ethernet)主要实施管理功能,设备层(profinet)主要实施设备控制功能,是车间的主干网络。Profinet网络是一个光纤环网,环形网具有冗余功能,它的优点是:当网络某一处故障时,整个网络仍保持通讯正常。

 

  技改后的制丝生产线由五个工艺段构成:叶片处理段、叶丝处理段、梗及梗处理段、掺配处理段、风力送丝段。每个工段是profinet网络的一个主结点,用以太网交换机scalance(x408)以星型拓朴连接PLC S7-400、操作站PC677、scalance(x208)、部分检测执行元器件等。scalance(x208)下面再以星型形式连接数量众多的子站ET200S。为节约成本,技改保留了部分profibus设备,主要是数量较多的伦茨变频器和电子秤等。上图中红色网线相连的即为保留的profibus系统。

 

  这套制丝线自动化系统很容易地实现了星型结构,改变了传统的profibus总线难以实现星型拓朴的状况,这样一个子站故障其它子站同样也能工作,一台设备故障不会造成全段停机,从而保证网络内的各结点能相互独立工作。

 

  三、Profinet在制丝线自动化系统中的应用的效果

 

  (一)改造效果。改造后的制丝线自动化系统结构清晰,层次简单明了。整个profinet系统已工作运行1年多,系统实时性好,稳定性和可靠性明显提升, 1年来没有发生一次由于网络故障产生停机的现象。整个系统的数据信息处理能力大为加强,挂接在profinet上的每一设备或仪表都有单独的IP地址,能够在整个以太网内进行任意通讯,实现了底层设备的数据通讯简单化、标准化。 

 

  (二)制丝线自动化系统的发展方向。profibus现场总线只能实现底层设备的通讯,系统难以集成,工业以太网取代现场总线是今后工业应用的重要发展方向,profinet也是今后制丝生产线发展的必然趋势。

 

  黔江分厂制丝生产线利用Profinet工业以太网,在车间内实现了统一网络架构,搭建了自动化领域新的控制平台。profinet在全国烟草行业才处于起始阶段,黔江分厂制丝车间已经实施成为一个比较成功的案例,为烟草行业制丝生产线的自动化发展提供了重要的参考作用,也在全国制丝生产线树立了标杆、榜样作用。


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