引 言
制絲生產(chǎn)線是卷煙生產(chǎn)的第一道工序，包括葉絲生產(chǎn)線和梗絲生產(chǎn)線，其目的是將復(fù)烤廠加工后的煙葉及煙梗分別進行回潮、加料、切絲、烘絲，然后將加工后的煙絲按照工藝要求進行摻配、加香，生產(chǎn)出適用于卷煙的成品煙絲。制絲線控制系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運行是保證煙絲質(zhì)量的關(guān)鍵。
上海高楊國際煙草有限公司的制絲線，是20世紀90年代初從德國引進，全線五套可編程控制器采用的是Siemens公司的S5——135U系列產(chǎn)品，各PLC配有一臺段監(jiān)控機，段監(jiān)控機的CP528處理器與PLC通信，只能一對一的操作。在控制系統(tǒng)改造中，以煙草行業(yè)要求的準確配方、均勻摻兌、精確配料和質(zhì)量穩(wěn)定，提高信息化水平為目的，從設(shè)計的可靠性、先進性、開放性、可擴展性、網(wǎng)絡(luò)化出發(fā)，采用現(xiàn)場總線技術(shù)分布式控制和以太網(wǎng)相結(jié)合，完成制絲線控制系統(tǒng)改造的設(shè)計、實施。
制絲線控制系統(tǒng)概述
在上海高楊國際煙草有限公司制絲線控制系統(tǒng)改造項目中按照分散控制、集中管理、數(shù)據(jù)共享的原則，采用了信息層、控制層和設(shè)備層（傳感/執(zhí)行層）三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)生產(chǎn)線控制和管理的管控一體化系統(tǒng)。
根據(jù)用戶要求將系統(tǒng)中的S5PLC升級為S7—400PLC，使用現(xiàn)場總線控制方案，選用ET200S分布式I/O，ET200S結(jié)構(gòu)緊湊，模塊無間隙安裝，擴展和更換方便、直接，可以熱插拔。7.5kW以下除變頻器、軟起動器控制以外的電動機均采用DSle—x型高性能電動機起動器控制。將變頻器、電動機起動單元、現(xiàn)場I/O水分儀、流量計、電子秤聯(lián)入Profibus—DP網(wǎng)，通過網(wǎng)絡(luò)傳遞數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)定等數(shù)字信息交換及過程控制。同時各PLC配以CP443—1以太網(wǎng)通信模塊，連接到帶光纖口的Siemens OSM ITP62工業(yè)以太網(wǎng)交換機，掛入光纖環(huán)網(wǎng)，各PLC系統(tǒng)之間以及PLC與監(jiān)控機之間通過抗電磁干擾能力強的100M光纖環(huán)網(wǎng)連接。監(jiān)控機的監(jiān)控軟件選用Intellution公司的iFIX3.5。同時為了方便現(xiàn)場巡檢人員的巡視檢查，在葉片處理段、梗處理段、葉絲處理段放置四臺15in現(xiàn)場監(jiān)控站（MP370）。
由于選用的OSM集成基于Web管理（WBM），可通過IE瀏覽器觀察網(wǎng)絡(luò)上各個交換機的狀態(tài)，根據(jù)登錄權(quán)限還可對之進行相應(yīng)操作。這樣便于遠程監(jiān)控控制系統(tǒng)通信狀態(tài)。
根據(jù)工藝要求，電控系統(tǒng)改造全線劃分為五個工藝段、五組PLC：葉片處理段ZS1、葉絲處理段ZS3、煙梗處理段ZS5、梗絲處理段ZS6、風(fēng)力喂絲段ZS4。
制絲線主工藝流程如圖1所示。
制絲線控制系統(tǒng)從上到下分為數(shù)據(jù)管理層、集中監(jiān)控層、設(shè)備控制層，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 上海高楊國際煙草有限公司制絲線控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
1 數(shù)據(jù)信息管理層
硬件組成：由上位管理計算機、打印機、交換機等組成。
軟件平臺： 微軟SQLServer2000數(shù)據(jù)庫、Visual Basic開發(fā)軟件和iFIX iClient。
信息交換網(wǎng)絡(luò)：TCP/IP以太網(wǎng)。
功能：實現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)的調(diào)度下發(fā)；現(xiàn)場生產(chǎn)情況的監(jiān)測；報表的統(tǒng)計、保存、查詢、打印；儲柜儲存物料的信息查詢；PLC控制柜的狀態(tài)監(jiān)測；關(guān)鍵工藝參數(shù)的歷史變化趨勢圖等。本層向上與廠管理系統(tǒng)如SPC系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信，向廠領(lǐng)導(dǎo)和各職能部門發(fā)布生產(chǎn)數(shù)據(jù)，為廠里的決策提供依據(jù)；向下通過控制網(wǎng)絡(luò)與控制執(zhí)行層和設(shè)備層進行數(shù)據(jù)通信，對車間生產(chǎn)線進行監(jiān)控，以實現(xiàn)集中監(jiān)控和管理。
2 集中監(jiān)控層
硬件組成：采用分布式、客戶端/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，由兩臺冗余的iFIX SCADA服務(wù)器，一臺iFIX SCADA的本地iClient客戶端，構(gòu)成集中監(jiān)控系統(tǒng)。分別對制絲葉線、梗線監(jiān)控。
軟件平臺：iFIX SCADA/iClient監(jiān)控組態(tài)軟件。
信息交換網(wǎng)絡(luò)：光纖環(huán)行工業(yè)以太網(wǎng)、TCP/IP以太網(wǎng)。
功能：接收生產(chǎn)管理上位管理機發(fā)出的任務(wù)（批次與配方參數(shù)），發(fā)送至設(shè)備控制層各相應(yīng)生產(chǎn)段的PLC，集中指揮控制生產(chǎn)線的運行，同時將生產(chǎn)線設(shè)備的運行情況、實時工藝、批次統(tǒng)計數(shù)據(jù)上傳生產(chǎn)管理上位管理機。
3 設(shè)備控制層
硬件組成：包括PLC控制柜組、現(xiàn)場分布I/O箱、現(xiàn)場監(jiān)控站、現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)和傳感器檢測機構(gòu)。
軟件平臺：STEP7 V5.3編程軟件和WinCC Flexible組態(tài)軟件。
信息交換網(wǎng)絡(luò)：現(xiàn)場總線ProfiBus—DP、光纖環(huán)行工業(yè)以太網(wǎng)。
功能：實現(xiàn)生產(chǎn)線開關(guān)量、模擬量控制操作，設(shè)備運行狀況和生產(chǎn)線工藝數(shù)據(jù)采集、顯示，參數(shù)設(shè)置、設(shè)備故障顯示等。
4 控制系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能和特點
（1）管理功能 監(jiān)控機有系統(tǒng)管理、安全權(quán)限管理、配方管理、工藝參數(shù)管理等功能。操作人員或系統(tǒng)管理人員進入iFIX實時監(jiān)控系統(tǒng)必須先登錄，通過不同用戶身份的安全級別進行權(quán)限控制，從而保證系統(tǒng)的安全、正常操作，防止越權(quán)操作。
（2）批次任務(wù)、工藝參數(shù)管理功能 由于煙絲不同配方對工藝參數(shù)有著不同的要求，所以可在監(jiān)控機本地修改配方參數(shù)和工藝參數(shù)。
（3）全線集中監(jiān)控功能 監(jiān)控機圖形界面完全按照生產(chǎn)線工藝流程布置，具有生產(chǎn)線設(shè)備關(guān)鍵單機、分片或全局工藝流程運行狀態(tài)顯示、工藝參數(shù)和設(shè)備參數(shù)的實時顯示；重要參數(shù)的設(shè)定值、實際值實時顯示，以便分析和追蹤產(chǎn)品的質(zhì)量；在任一臺監(jiān)控機上可對制絲線上所有工藝段進行控制操作，這種一對多的模式，使操作更靈活、方便。
（4）生產(chǎn)控制功能、PID功能手動、自動控制方式轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)生產(chǎn)線各工藝段設(shè)備的單個運行和生產(chǎn)運行控制，提供儲柜進/出料選擇、加料（香）罐選擇，單機設(shè)備控制（主要單機設(shè)備控制如煙片回潮機、加料機、烘絲機等需單獨預(yù)熱的起動、停止）；實現(xiàn)生產(chǎn)過程中各主要工藝參數(shù)的精確控制。
對需要調(diào)節(jié)的潤葉筒溫度、增溫增濕機壓力、加香流量等均進行PID調(diào)節(jié)，并且回路參數(shù)可實時修正。
其中，摻配加香控制精度是用戶日常的考核指標(biāo)，直接關(guān)系到成品煙絲的質(zhì)量。根據(jù)實際的葉絲流量，與配方參數(shù)里設(shè)定摻配的輔料比例，分別控制梗絲、薄片、膨絲等電子秤的流量，再根據(jù)所有煙絲的實時流量之和及配方參數(shù)里預(yù)定的香料配比量，計算出設(shè)定加香流量，經(jīng)PID回路運算后，控制加香泵變頻器的速度來調(diào)節(jié)加香量，達到要求的香料配比量。由于電子秤及加香流量計上Profibus—DP網(wǎng)，進行數(shù)字信息交換，相比改造前的模擬量輸入、模擬量輸出模式，采集信息更準確，控制精度有明顯提高。現(xiàn)以一班五批次計算，加香比例控制精度小于0.4％，高于用戶的要求。
（5）生產(chǎn)報表、統(tǒng)計功能 每一批任務(wù)完成自動形成生產(chǎn)報表，包括任務(wù)批次號、使用的配方參數(shù)、開始和結(jié)束時間，重要工藝指標(biāo)的最大、最小、平均值及標(biāo)準偏差等統(tǒng)計參數(shù)。便于評價產(chǎn)品質(zhì)量。
對于過程中的累計量，如加香總量、葉絲、膨絲等摻配總量既有每個批次結(jié)束自動清零，也有“復(fù)位總量”功能鍵隨時清零（便于調(diào)試時使用）。最明顯的是，由于全線九臺電子秤通過EM277上Profibus—DP網(wǎng)，實現(xiàn)了遠程自動清零，不像改造前每批任務(wù)結(jié)束需要操作工在電子秤控制柜本地復(fù)位總量，尤其當(dāng)同牌號換批時，容易造成累計量不準確。新控制系統(tǒng)的使用既減輕了操作工的勞動強度，又達到準確計量的目的。
（6）在線診斷和報警功能 系統(tǒng)具有分段起動允許條件查詢功能、單機設(shè)備輔助功能起動允許條件查詢功能，控制網(wǎng)絡(luò)和總線故障診斷。
各工藝段均有完善的故障報警功能，可對報警進行確認和復(fù)位，并通過不同顏色區(qū)分報警的狀態(tài)，是已正常，還是仍故障。
（7）遠程復(fù)位電動機起動器功能 各工藝段在監(jiān)控機畫面上都有“復(fù)位饋電器”功能鍵，當(dāng)有電動機過載，可進行遠程復(fù)位；由于使用控制和檢測診斷功能更加豐富的高性能電動機起動器，電動機運行信號的判斷通過檢測是否有連續(xù)的電流來實現(xiàn)，而不是僅僅檢測接觸器是否吸合，使判斷結(jié)果更為可靠；可以在線監(jiān)視電動機電流，便于了解電動機狀況。
（8）上位機與PLC時間同步功能 由于有任務(wù)管理，每批任務(wù)完成都有生產(chǎn)報告，而且制絲線工藝段較多，每一段由一個PLC控制，所以上位機與幾個PLC之間就需要時間同步。
考慮到煙廠生產(chǎn)特點，采用功能鍵形式實現(xiàn)時間同步：在上位機作一功能鍵用于PLC時間同步，同時上位機將本機的系統(tǒng)時間送入PLC的時間接收地址（年、月、日、時、分、秒，年份只取后兩位）。PLC判斷時間同步位狀態(tài)為1，則進行時間格式轉(zhuǎn)換，并調(diào)用SFC0設(shè)置PLC系統(tǒng)時鐘一次，實現(xiàn)與上位機時間同步。
（9）基于Web管理（WBM），遠程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)上各個交換機通信狀態(tài)，包括各個端口的通信情況。
結(jié)束語
綜上所述，升級改造后的上海高楊國際煙草有限公司制絲線控制系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)硬件和軟件控制思想方面都有一定的先進性。現(xiàn)場總線Profibus和以太網(wǎng)技術(shù)的使用，既保證了系統(tǒng)運行的安全可靠，又實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享。改造前每臺段監(jiān)控機，只能一一對應(yīng)監(jiān)控一個PLC，現(xiàn)在每臺段監(jiān)控機都可以監(jiān)控全線五個PLC；現(xiàn)場四臺15in現(xiàn)場監(jiān)控站（MP370），全面實時顯示工藝流程運行狀態(tài)、工藝參數(shù)和設(shè)備參數(shù)，操作上的靈活、方便是顯而易見的。經(jīng)過生產(chǎn)證明：整套控制系統(tǒng)工作可靠，運行狀態(tài)良好，有完善的生產(chǎn)管理功能。此次升級改造，改進了原有的一些工藝和設(shè)計上不合理的部分，且便于系統(tǒng)擴展，經(jīng)濟和技術(shù)效益顯著，得到用戶的好評。
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