基于以太网的现代打叶复烤线的研究与设计

郑州轻工业学院电气信息工程学院 周小利

天昌国际烟草有限公司

郑州科技学院电子工程系 赵剑锷

基于以太网的现代打叶复烤线的研究与设计

郑州轻工业学院电气信息工程学院 周小利

天昌国际烟草有限公司

郑州科技学院电子工程系 赵剑锷

某烟草有限公司的一个生产线原控制系统全部采用传统底层控制方案，且无中控系统，其生产、控制具有相当的局限性，该生产线亟须进行系统化改造，改造总体目标为：一方面，以全新的控制框架和全新的控制模式对底层控制进行调整；另一方面，从面向控制、管理的角度出发对中控系统进行增加，使全线电控系统在使用、控制、管理、维护、自动化程度上都有所提高。经过方案论证比对，该生产线采用美国Rockwell公司可以一直延伸到企业现场设备控制层的EtherNet/IP实时工业以太网。

一、EtherNet/IP概述

EtherNet/IP由两个重要的国际组织ODVA和ControlNet International共同推出，并已得到全球近百家供应商的支持，目前，已有上百种EtherNet/IP产品可供用户选择，包括过程控制器、PLC、I/O、变频器、软启动器、视觉产品、条码扫描设备、称重设备、电力智能监控单元、过程总线FF链接设备、交换机和连接设备等。

EtherNet/IP满足从高精度时间同步、分布式伺服控制、离散控制、过程控制到安全系统等所有工业应用要求，并支持现场和远程监视、诊断和组态。EtherNet/IP产品也可使用其他标准TCP/IP以太网上的服务如HTTP、SNMP等。此外，EtherNet/IP还从EMC、安装防护等级各方面作出规定，保证了EtherNet/IP产品的严格工业环境适应性。

EtherNet/IP技术解决了传统意义上的从工业控制到电子化制造的大趋势中的许多问题。从车间工厂现场到整个企业的运转管理，包括物流、产品销售、技术支持和服务。人们不仅仅在控制制造工程中，而且在任何时间、任何地方都可以得到产品生命周期过程中任何感兴趣的信息，并能发出相应的控制、管理指令。

二、系统设计及配置

该生产线充分考虑了分段加工和柔性化生产的要求，全线控制系统共划分为5个工艺段：预处理段，打叶和配方、除尘段，叶片复烤段，梗碎叶复烤和碎叶打包段，预压打包、梗打包段。

1.系统网络结构。控制系统采用信息管理层、控制层和现场设备层3层结构，基于EtherNet/IP工业以太网组成全分布式控制系统，控制系统从底层的现场设备到控制层、信息管理层全部采用以太网，实现了以太网的“一网到底”。该生产线控制系统的网络设备主要包含5个ControlLogix站、若干FlexLogix子站、80余台AB变频器、20余台SMCFlex软启动器、5台现场操作员站等设备。此外，辅助设备如电子秤等也使用EtherNet/IP作为系统唯一的网络链接，对于不能通过以太网进行链接的智能仪表等通过DeviceNET进行链接。系统网络结构如图1所示。

2.现场设备层。设备层主要采用AB公司基于DeviceNet的总线控制方式，由DeviceNet网络链接控制主站、现场I/O站。设备控制层主要由PLC电控柜、分布式I/O站、现场操作终端、变频器、红外水分仪、电磁阀阀岛以及独立单机设备等组成。

主要实现工艺段的设备按工艺控制程序完成生产，对电机启停、阀的通断等数字开关量和水分、温度、流量等工艺参数实施控制以及其他控制元器件的参数化控制。各控制段根据生产工艺要求，合理设置启停操作功能，使各控制段既能整段开机，又能分工艺段开机，满足生产的灵活性，达到节能降耗的目的。设备层系统设计应满足柔性加工工艺的要求。

3.集中控制层（ControlNet和以太网）。集中控制层主要由连接各工艺控制段的PLC和其他相关设备控制段的PLC，以及上层的数据采集服务器、管理计算机、打印机和以太网网络器件组成。

集中控制层由ControlNet和以太网构成，光纤作为连接介质，保证主干网络的稳定可靠的通讯。数据采集服务器采用客户/服务器方式，为集中监控计算机提供数据。

该层主要是由PLC将设备现场分散的设备层各控制段组织起来，实现对现场的数据采集、报警、控制、连锁等功能，以及设备层与管理层的数据交换。同时该层为控制系统的人机交互接口，完成整线集中控制操作、监视、报警显示、记录等功能。

4.监控管理层。监控管理层的网络结构采用C/S（客户机/服务器）模式，监控软件采用ROCKWELL RSVIEW STUDIO版，通讯网络以中控室网络交换机为核心，通过光纤环形工业以太网、中控室内的标准以太网将设备控制层、监控层、监控管理层连接起来，以I/O数据服务器作为通讯控制中枢，将采集的数据提供给监控计算机进行集中监控和信息查询，同时将相应的产量、工艺等数据存入监控管理层数据库。

5.监控管理层配置及选型。监控管理层由各工艺段控制系统主站PLC与数据I/O服务器组成的工业光纤以太网络、2台监控计算机、1台工程师站、2台数据采集服务器、网络交换机及工控软件组成。

工业光纤以太网络的组成是在每一个工艺段控制系统及中控室配置一只连接模块OSM，通过冗余的工业光纤连接成工业以太网实现采集现场数据、下达工艺参数。在中控室配置网络交换机，组成标准以太网进行监控管理数据交换。

6.监控管理层系统硬件配置。设置2台工控机作为冗余数据采集（I/O）服务器，配备双以太网卡，同时连接冗余工业光纤以太网络和标准以太网络。

设置2台监控计算机通过冗余数据采集服务器对各工艺段设备运转进行监控、调度管理。各监控计算机监控画面可进行互相切换，监控范围可任意互换，并且将来可以进行自由扩展。

设置1台工程师站，配备双以太网卡，同时连接冗余工业光纤以太网络和标准以太网络。安装PLC编程软件后可用于对各生产段的相关程序进行维护和修改。设置1台网络交换机，提供集中监控系统的网络通讯及预留与工厂级网络的通讯接口。设置1台UPS电源对中控室设备以及网络设备进行集中供电，保证中控系统的稳定运行。

客户管理集成化，可以在办公室环境中访问当前生产数据，由于集中了软件管理，使维修费用减小到最少程度，如果使用防火墙，其可靠性更高。

7.监控管理层系统软件配置。集中监控软件选用ROCKWELL RSVIEW STUDIO版工业监控软件，操作系统选用MS Windows2003Server中文版（10用户）。数据库采用为ROCKWEL公司工业数据库系统，操作系统选用MS Windows2003Server中文版（10用户）。通过工业以太网卡采集设备控制层的数据和状态信息，下达各种指令和设定各种参数。

三、系统优点

1.更低的整体实施成本。对于自动控制产品开发人员的优点：基于更广泛的标准商业技术开发网络接口；基于标准TCP/IP以太网意味着使用标准ASIC+相应软件开发包即可开发。对于用户的优点：更少的培训，即可掌握工厂内所有网络的安装、调试和维护

因为100Mbps甚至更高速的TCP/IP以太网可以进行大量数据的传递，所以通过网络连接的现场设备不仅提供被测变量，同时，提供包括诊断信息在内的其他数据。

2.实现信息的无缝集成。对现有网络的集成，无需编程，即可实现透过多层网络的设备访问、程序修改和诊断维护。从工厂信息层到工厂现场网络均可以采用冗余环网，当线路出现故障时系统可自动快速恢复网络通讯。

四、结束语

某烟草有限公司12 000Kg/h打叶复烤生产线自2008年12月投入使用以来，控制系统稳定可靠。实际应用情况说明：本控制系统具有一定的先进性、可靠性、可操作性、可维护性、扩展性、安全性和经济适用性。EtherNet/IP工业以太网完全可以满足打叶复烤线现场设备控制的需要。