1 引言
制丝生产线是卷烟生产过程工艺流程最长的生产线,作为其控制核心的制丝管控系统的水平是衡量烟草企业先进性、市场竞争力的重要指标。目前基于工业以太网的PROFINET技术以及基于分组加工的柔性化制丝管控生产模式已经越来越多地应用于烟草企业[1]。
2 基于PROFINET的网络架构
2.1 PROFINET综述
PROFINET由PROFIBUS国际组织(PROFIBUS International,PI)推出的新一代基于工业以太网技术的开放的、标准的、全面的、实时的自动化总线标准。它使用TCP/IP 和IT标准,能够对现场总线系统无缝集成,相比以前的现场总线能够容纳更多的站点,可以使用工业无线WLAN进行无线通信[2]。
PROFINET支持以下三种通信方式见表1所示:
其中实时(RT)通信的实现是由PROFINET基于以太网Layer2规定了一个优化的实时通信通道,减少了通信栈上占用的时间,提高了刷新率方面的性能。而等时实时(IRT)通信的实现是由在Layer2上内嵌的ERTEC同步实时交换芯片提供的。带RT功能的网络设备使用标准的网络器件可以进行RT通信,而IRT通信则必须使用内嵌ERTEC芯片的网络器件。另外,TCP/IP标准通信、RT通信、IRT通信能够同时使用,在一根电缆上可以存在大量的协议:PROFINET、TCP/IP、HTTP、SNMP、Diagnostic、S7-Communication、Send/Receive、FTP、E-Mail等等。
从上面PROFINET通信方式来看,制丝管控系统主要采用TCP/IP和RT通信。在设备控制层的PROFINET IO控制器与PROFINET IO子站(现场设备)间的通讯为RT通讯,而集中监控层和生产管理层则使用TCP/IP通信。
2.2 PROFINET的优点
PROFINET具有如下的优点:
(1) 完全兼容工业以太网和现有的现场总线技术。
(2) 基于现有成熟IT标准,提供对TCP/IP的绝对支持,便于系统集成。
(3) 可以进行实时通信。
(4) 提供标准的独立于制造商的工程接口,可方便地把各制造商的设备和组件集成到单一系统中。
(5) 拓扑结构灵活[3]。
2.3 PROFINET在制丝管控系统的应用
基于以上优势,PROFINET在制丝管控系统中得到了全面应用。由于PROFIBUS现场总线的抗干扰性相对差以及总线故障排查困难,PROFINET受到了更多的欢迎,这也与PROFIBUS常用的菊花链总线拓扑结构易造成“一损俱损”、不利于维修、扩展、调试有关。伴随越来越多的现场设备(如变频器、水分仪等)对PROFINET提供了支持,各主机设备厂家的电控系统也都提供了PROFINET接口,这都为PROFINET的应用带来了便利。对于因保护投资而移植过来的有PROFIBUS接口的利旧设备,可通过IE/PB Link代理无缝集成到PROFINET中,对原PROFIBUS从站的故障诊断统一为对各PROFINET设备的诊断[4]。
2.4 一种高可靠的制丝管控系统网络架构
制丝管控系统通常采用三层结构:设备控制层、集中监控层、生产管理层。以下介绍一种基于PROFINET的高可靠的网络结构见图1。
2.4.1 网络结构特点
上述网络结构具有以下特点:
(1) 除主干网络采用千兆光纤环网外,各工艺段的子网均采用百兆光纤环网,并通过主/备两条光纤链路分别连接骨干网上的不同交换机,既保证了环内的容错性,又实现了环网之间的连接冗余。
(2) 通过将各工艺段划分到不同的VLAN中以及采用三层交换技术,既解决了广播风暴问题,增加了网络安全性,又便于集中化的管理控制。
(3) 对中控室监控机采用CLIENT/SERVER模式而对现场操作站采用单机独立连接PLC模式,通过提供两种模式确保了在上层网络出现故障时仍能将生产任务打到本地由设备层控制生产的能力。
(4)通过配置工业WLAN,实现了生产现场的无线接入功能。
3 分组加工新工艺带来的挑战
分组加工技术作为特色工艺研究与精细化加工工艺的有机结合,近年来成为烟草行业研究的重点。在分组加工模式下,工艺线路渐趋复杂,对生产的柔性化要求显著加强,生产变化更频繁,对制丝管控系统提出了更高的要求。如何解决分组加工模式下多工艺线路、多模块组合带来的生产组织的复杂性,满足多模块物料加工中的过程控制智能化和精细化的要求,是我们研究的重点。
3.1 工艺流程新特点
以淮阴卷烟厂“十一五”技术改造新建制丝生产线为例,该生产线充分吸收了“分组加工、柔性化生产”等先进工艺理念设计工艺流程,形成了“两头、两身、三尾,中间交叉”12条路径的生产格局,增加了储叶柜、储丝柜数量和容量,特别是叶丝干燥后配置了4组对顶叶丝缓存柜,为制丝生产向模块分组加工转变提供了设备保证。
“中间交叉”以及“多组叶丝缓存柜”的工艺流程特点使得叶片预混柜、储叶柜以及叶丝缓存柜均配置了双分配行车,即双线均可进任一柜;同时这些柜以及梗丝柜中的任一柜均可出料到双线上。不同于以往传统的单工艺路径直线式制丝加工过程,在分组加工工艺流程下,呈现多分支、多组合的复杂工艺线路,在交叉点存在大量“公共”设备,这些设备不属于任何一条线,而是动态地根据任务或选柜临时归属于某条线,当本批生产结束后又归于“公用”。实际上柔性化生产就是对这些“公共”设备的复用,以解决传统生产线的刚性生产问题。
3.2 分组加工新工艺的管控实现
针对分组加工新工艺的特点,从生产管理系统到电控系统都需要使用一些新的设计方法,简要介绍如下:
3.2.1 生产管理系统的建模
相比于过去的单一工艺路线,在任务管理中需建立制叶片任务模型、制叶丝任务模型、分组加工任务模型,并在头、身、尾之间灵活组合,实现模块烟丝、版块烟丝、分组加工、交班丝等的任务调度。
针对“多组叶丝缓存柜配多台电子秤”带来的叶丝间掺配的多分支、多组合线路,建立双线配方模型,将叶丝间掺配的配方参数抽象为最多n种叶丝掺配成分的叶丝代码、是否主成分、配比比例以及是否为掺配基数,既涵盖所有可能,又区别于任务配置。
3.2.2 电控系统的建模
在各工艺子段内按照同启同停的原则划分最小基本设备组,每个最小基本设备组由若干设备按物料流向串接而成,在最小基本设备组内的设备具有相同的组启动、组停止、组释放以及选中信号。在最小基本设备组内部不再有路径选择的问题。
最小基本设备组又分为专用和公用两类,专用最小基本设备组专属于某条线,而公用最小基本设备组则根据任务或选柜动态临时归属于某条线(被某条线选中),随该线启动而启动或在物料到时启动,在物料结束信号延时通过后自动停止并且从被某条线选中的状态中脱离出来(释放),再次成为公用组。
采用最小化基本设备组、工艺组动态组合、设备组自动选择与释放等新的设计方法,解决双线交叉、多路径动态选择、路径临时更改、路径冲突检测等关键技术。
针对“多组叶丝缓存柜配多台电子秤”以及“掺配路线较长”的新工艺,对双线叶丝主成分过秤之后的瞬时流量和累计重量延时队列建模,根据任务及选柜动态确定主路线,按设备间的位置关系以及设备当前运行状态在各延时队列中进行动态传递。
采用延时队列动态传递的方法解决主秤任选、掺配延时、内掺外掺的问题。
采用逻辑秤的方案,为双线n个逻辑秤分别建模,结合掺配的配方参数解决分组加工下制丝报工自动上行的问题。
4 结束语
上述基于PROFINET的网络构架以及针对分组加工新工艺所采取的新的设计方法,在淮阴卷烟厂“十一五”技改新制丝线管控系统中得到了较好的应用,用方便灵活的硬件和软件模块组合设计,实现了分组加工、多层配方的柔性化中式卷烟工艺。系统自投入使用以来,运行稳定、可靠,控制方式先进,信息采集和处理功能完备。两条制丝生产线既可独立进行生产,也可以交叉进行生产,亦可以按分组加工模式进行生产,可进行12种工艺路径切换,实现了精细化加工的特色处理工艺。
参考文献:
[1] SIEMENS A&D CS2 FA.PROFINET IO Overview[Z].2004.
[2] 西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团技术支持部.SCALANCE X-400路由用户指导手册[Z].2007.
[3] 张家毅,崔鸿刚.应用MES技术优化分组加工工艺过程[J].烟草科技,2007,(6),5-7.
[4] 金殿明,孙海平,金岚峰,李青,梁伟,韩丽萍.制丝工艺参数优化研究[C].中国烟草学会2010年学术年会论文集.
作者简介:郝爱民(1968-),男,工程师,研究方向:自动控制和信息化与设备管理。