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摘 要：该文主要介绍了工业以太网（PROFINET）的特点，工业以太网在卷烟厂风力送丝系统中的应用和风力送丝中风力平衡控制最新方法。近些年来，工业太网在烟草行业得到广泛的应用，PROFINET标准的开放性保证了工业以太网的兼容性与扩展性，进而可保护用户的利益与投资。工业以太网的开放性使得企业信息网络与工业控制网络无缝整合，在以后现场总线发展中，工业以太网将取代现有现场总线成为主导地位。
关键词：工业以太网 风力送丝 风力平衡 现场总线
中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）11（c）-0063-02
近年来，工业以太网PROFINET广泛的应用在烟草行业中。PROFINET是一种新的以太网通讯系统，是由Profibus用户协会和西门子公司共同研发。PROFINET具有多制造商产品之间的通讯能力、工程模式、自动化，并针对分布式智能自动化系统进行了优化。其应用结果可以节省调试费用和配置。目前卷烟厂的风力送丝和集中工艺除尘以及环境除尘采用的控制系统一般为PROFIBUS DP网络或是单机控制，虽然取得了一定的成效，但还有一些缺陷。
1 工业以太网技术的应用
工业以太网不仅可以为PROFIBUS提供以太网移植服务，而且可以对一些不同的现场总线网络提供以太网移植服务；工业以太网的PROFINET具有开放性的功能，正因为它具有开放性能，所以使得其具有兼容和扩展的能力。这个特点可以在很大程度上维护用户的相关利益。PROFINET不仅可以无缝集成和连接其它的现场总线网络，还具有操作简单、维护方便的特点。
和其他的现场总线进行比较，工业以太网应用具有下面的一些特性。
（1）实时通信：利用全双工通信、流量控制盒和以太网交换等技术，并且通过确定性数据的通信调度控制策略、现场设备层网络微网段化以及简化通信栈软件层次等，对于在工业过程中所出现的通信实时控制，可以使以太网的实时通信能力大大的提高。
（2）总线供电：通过直流电源耦合以及电源冗余管理等技术，确保以太网集线器可以实现总线供电或者网络供电功能，从而把总线供电问题解决。
（3）远距离传输：利用相关网络技术实现信息的远距离运输，例如：控制区域微网段化、网络分层以及光纤科技技术等。
（4）网络安全：利用控制区域的微网段化，并且在相关的控制区域中采用网络隔离措施，把主系统设备和具有全过滤功能的现场控制器相连接，确保在逻辑上对各个控制域的内部进行网络隔离。
（5）可靠性：通过EMC设计和分散结构化等安全性技术方法，可知利用以太网技术的各个设备的可靠性较高。
（6）一网到底：在企业现场设备的控制层中也可以应用工业以太网PROFINET技术，因此该技术在未来的网络控制中占有重要的地位，同时也是现场总线中的重要技术。
2 控制系统的组成和功能设计
通过管理控制一体化的实现，可以确保实现风力送丝与集中工艺除尘系统办公自动化和现代化。控制系统不单单和上层管理系统有良好的借口，而且与下层的控制设备也有良好的借口，具有优良的扩展性。
2.1 系统组成及其特点
根据全集成自动化（Totally Integrated Automation）的思想，风力送丝和集中工艺除尘控制系统可以具体的分为管理级、控制级和现场级三部分。
（1）管理级：系统的核心部分就是管理级，该部分可以控制和管理风力送丝和集中工艺除尘处理过程中的各个部分，从而确保厂级自动化办公的实现。管理级可以提供一个确保外部信息和整个控制系统交换的人机接口。由于管理层的功能结构具有层次性和可分割性，一般采用客户/服务器（Client/Server）的结构。服务器一般是选用满足分布式数据库管理方式且开放的大型的网络关系数据库。控制室中的设备一般是两台上位机，一台安装有Siemens公司生产的完全版的WinCC组态软件和冗余软件包，另一台安装有WinCC监控组态软件的冗余服务器，这两台服务器相互备用，可以实现冗余，从而使得系统的可靠性得到提高。
（2）控制级：实现系统功能的最重要部分就是控制级，同时控制级还是管理级和现场级的枢纽层。控制级的一个主要功能就是接受管理层设置的参数或者命令，而且还可以控制污水处理过程且向管理层输送现场状态。系统的中心部分就是控制器，一般包含两套Siemens公司生产的S7_300（CPU317_2PN/DP）型PLC，通过交换机与光纤形成数据交换网，S7_300含有PROFINET集成接口，利用这个借口使I/O现场设备得到连接，全部驱动都在STEP7里面，利用STEP7可以不重新连接编码器而直接延伸到PROFIBUS上的设备，利用现场设备还可以使其他集成的PROFIBUS接口得到连接，另外PROFINET接口还能用在单元级的通讯上。PRIFINET CPU可以通过PC/编码器进行编程。
（3）现场级：现场级是系统功能实现的基础。主要分为控制设备、一次仪表（如风速测试仪、差压变送器等）。现场级的主要功能是上传监测传感器参数、监测数据和设备基本状态，同时通过控制级指令来控制执行机构。因为控制设备的分散性，以前的输入/输出设备大多是通过机架进行连接，因此扩展系统或改变设备时的工作量很大，且柔性度低、成本高。把现场控制部件（可由第三方提供）通过以太网系统来连接可以很好的解决上述问题。分布式配置是指利用以太网从站把现场设备和I/O模块进行连接。将I/O模块转换为执行器和就地监测器，该系统的第三方设备均使用了德国BECKHOFF公司性能高的BK9103 PROFINET以太网耦合器，通过其以太网端口与PROFINET网络相连接，从而方便了运行过程中的系统维护和修理。
2.2 工艺控制 为生产工艺提供控制规律是软件编程的主要依据。试验表明，在烟丝输送过程中由于风力送丝系统风速不平衡，造碎较大，长丝率下降，影响烟丝结构和填充值，从而增加了卷烟加工消耗。假如能将风送风速维持在设定最佳值（16-18±1）m/s之间，必将会减少成品烟丝输送造碎、从而达到减少卷烟加工消耗、提高经济效益的目的。根据卷烟厂的上述需求，设计的风力送丝风速平衡控制系统总体结构如图1所示。系统在各烟机旁安装气动调节阀和消音器，在总管上安装风速测试仪（图中ΔP0）和各机台回风管上安装差压式流量计（图中ΔP1～ΔP4），在总管末端和各机台回风管加装气动调节阀（图中V0～V4），在布袋除尘器入口管道上加装负压传感器（图中-P）。在各机的回风管上加装电动阀（T5～T8）用于支管补风。电动阀（T1～T5）和（T5～T8）为互锁关系，即T1打开T5关闭，T5打开T1关闭，用来保持整个风力系统之平衡。总管上的风速测速仪用来控制气动调节阀V0，控制总管的风速。各机台回风管上安装差压式流量计（图中ΔP1～ΔP4）用来控制气动调节阀（图中V1～V4）。气动调节阀的控制全采用PID调节，设定风速，反馈值为经差压流量计换算后的风速。
通常卷烟厂风送除尘设备设置在卷包车间楼上，集中控制室也设置在卷包车间楼上，因而各台卷烟机组间距较远。所以采用分布式控制系统，即在每台卷烟机旁设德车BKEOFF BK9103控制器，组成PROFINET以太网络，与主控制器实时通讯。在上位人机界面上制作了一套监控软件，便于显示、操作和管理。
利用电气柜上的自动、手动开关可以改变设备的状态，但是无法改变通过PLC设置的工作时序，且在进入自动状态后，也就进入了由PLC设定的工作时序。进入自动状态后，工作人员只需在控制室利用人机界面远程操作。所有现场设备的工作状态都输送到上位机显示。
3 上位机组态软件
SCADA系统（数据采集和监控系统）的具体要求：利用工业以太网和多台下位机进行通讯，监控下位机的工作状态，显示生产中的工作曲线；对下位机进行数据采集，从而可以存储、打印、显示、查询历史数据。因而，监控组态软件是自动监控系统中的远程监视中心、数据收集处理和转发中心。监控组态软件和各种检测控制设备（如智能仪表、PLC等）一起构成响应迅速的控制中心。该系统采用Siemens公司生产的WinCC（Windows Control Center）7.0组态软件。该软件的自动化控制功能强大，一般基于个人计算机，但同时还具有SCADA级操作监视系统。
安装冗余和服务器版的软件包在两台服务器上，而安装运行版的软件包的工作站上。监控系统的功能和特点如下所示。
（1）界面显示：整个界面均为全中文显示，界面舒适、操作方便。主菜单形式的操作画面通过按钮进行切换。工作人员可在中心控制室内实时监控整个系统的被控设备。
（2）实时画面显示功能：各现场被控设备的状态参数和运行状况可以通过图形实时地显示出来。
（3）数据管理：数据库在存储生产过程数据的同时提供相关数据，以便今后的统计分析。通过对比数据库中数据和相关经验参数，可以提出优化风力送丝工艺的方案。
（4）报警功能：当运行数据没有在设备的安全运行范围内导致故障发生时，利用组态可以发出声光的差异性来紧急报警。同时，系统中每幅画面都将近期发生的报警情况显示在屏幕中，并可以浏览全部的系统报警情况和相关监控画面。系统会记录和长时间保存出现的报警数据，以便后期用于数据统计分析。
（5）报表打印功能：打印图形和报表，同时实时打印报警数据和相关事件。
（6）通讯功能：WinCC是SCADA系统软件，详细的考虑与其它系统之间信息交换的必要性，支持如SQL.OPC.ODBC及DDE等标准，和上层的系统进行数据交换时有多种方式。
（7）冗余功能：两台服务器均安装有WinCC组态软件且互为冗余，从而保证了数据的完整性，使系统的可靠性大大的提高。
4 结语
把工业以太网应用到风力送丝和集中工艺除尘控制系统中，改变了全模拟量传输和现场总线的数据交换方式，在现场总线级实现了Ethernet数字传输，提高了信息的传送精度、传送数据量以及传送距离，同时还提高了现场控制的灵活性，降低了数据交换网络的施工费和初装费，达到了便于扩展和维护，减少电缆敷设的目的。该控制系统得到了湖南中烟公司的认可，于2010年在湖南中烟公司郴州卷烟厂投入运行，实现了风力送丝及集中工艺除尘的自动控制，保证了网络数据间的交换，提高控制的稳定性，降低能耗，使得风力送丝的效果良好，从而提高了社会效益及经济效益。
参考文献
[1] （德）Raimand Rigan，Mak Metter.西门子PROFINET工业通信指南[M].北京：人民邮电出版社，2007.
[2] 刘国海.现场总线PROFINET[M].北京：电子工业出版社，2007.
[3] 吉顺平，孙承志，孙书芳，等.西门子现场总线通信原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2009.
[4] 崔坚.西门子S7可编程序控制器——STEP7编程指南[M].北京：机械工业出版社，2007.
[5] 赵欣.西门子工业网络交换机应用指南[M].北京：机械工业出版社，2008.
[6] 王仁祥，王小曼.S7 300/400入门与进阶[M].北京：中国电力出版社，2009.
[7] 凌志浩.DCS与现场总线控制系统[M].上海：华东理工大学出版社，2008.
关键词：工业以太网 风力送丝 风力平衡 现场总线
中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）11（c）-0063-02
近年来，工业以太网PROFINET广泛的应用在烟草行业中。PROFINET是一种新的以太网通讯系统，是由Profibus用户协会和西门子公司共同研发。PROFINET具有多制造商产品之间的通讯能力、工程模式、自动化，并针对分布式智能自动化系统进行了优化。其应用结果可以节省调试费用和配置。目前卷烟厂的风力送丝和集中工艺除尘以及环境除尘采用的控制系统一般为PROFIBUS DP网络或是单机控制，虽然取得了一定的成效，但还有一些缺陷。
1 工业以太网技术的应用
工业以太网不仅可以为PROFIBUS提供以太网移植服务，而且可以对一些不同的现场总线网络提供以太网移植服务；工业以太网的PROFINET具有开放性的功能，正因为它具有开放性能，所以使得其具有兼容和扩展的能力。这个特点可以在很大程度上维护用户的相关利益。PROFINET不仅可以无缝集成和连接其它的现场总线网络，还具有操作简单、维护方便的特点。
和其他的现场总线进行比较，工业以太网应用具有下面的一些特性。
（1）实时通信：利用全双工通信、流量控制盒和以太网交换等技术，并且通过确定性数据的通信调度控制策略、现场设备层网络微网段化以及简化通信栈软件层次等，对于在工业过程中所出现的通信实时控制，可以使以太网的实时通信能力大大的提高。
（2）总线供电：通过直流电源耦合以及电源冗余管理等技术，确保以太网集线器可以实现总线供电或者网络供电功能，从而把总线供电问题解决。
（3）远距离传输：利用相关网络技术实现信息的远距离运输，例如：控制区域微网段化、网络分层以及光纤科技技术等。
（4）网络安全：利用控制区域的微网段化，并且在相关的控制区域中采用网络隔离措施，把主系统设备和具有全过滤功能的现场控制器相连接，确保在逻辑上对各个控制域的内部进行网络隔离。
（5）可靠性：通过EMC设计和分散结构化等安全性技术方法，可知利用以太网技术的各个设备的可靠性较高。
（6）一网到底：在企业现场设备的控制层中也可以应用工业以太网PROFINET技术，因此该技术在未来的网络控制中占有重要的地位，同时也是现场总线中的重要技术。
2 控制系统的组成和功能设计
通过管理控制一体化的实现，可以确保实现风力送丝与集中工艺除尘系统办公自动化和现代化。控制系统不单单和上层管理系统有良好的借口，而且与下层的控制设备也有良好的借口，具有优良的扩展性。
2.1 系统组成及其特点
根据全集成自动化（Totally Integrated Automation）的思想，风力送丝和集中工艺除尘控制系统可以具体的分为管理级、控制级和现场级三部分。
（1）管理级：系统的核心部分就是管理级，该部分可以控制和管理风力送丝和集中工艺除尘处理过程中的各个部分，从而确保厂级自动化办公的实现。管理级可以提供一个确保外部信息和整个控制系统交换的人机接口。由于管理层的功能结构具有层次性和可分割性，一般采用客户/服务器（Client/Server）的结构。服务器一般是选用满足分布式数据库管理方式且开放的大型的网络关系数据库。控制室中的设备一般是两台上位机，一台安装有Siemens公司生产的完全版的WinCC组态软件和冗余软件包，另一台安装有WinCC监控组态软件的冗余服务器，这两台服务器相互备用，可以实现冗余，从而使得系统的可靠性得到提高。
（2）控制级：实现系统功能的最重要部分就是控制级，同时控制级还是管理级和现场级的枢纽层。控制级的一个主要功能就是接受管理层设置的参数或者命令，而且还可以控制污水处理过程且向管理层输送现场状态。系统的中心部分就是控制器，一般包含两套Siemens公司生产的S7_300（CPU317_2PN/DP）型PLC，通过交换机与光纤形成数据交换网，S7_300含有PROFINET集成接口，利用这个借口使I/O现场设备得到连接，全部驱动都在STEP7里面，利用STEP7可以不重新连接编码器而直接延伸到PROFIBUS上的设备，利用现场设备还可以使其他集成的PROFIBUS接口得到连接，另外PROFINET接口还能用在单元级的通讯上。PRIFINET CPU可以通过PC/编码器进行编程。
（3）现场级：现场级是系统功能实现的基础。主要分为控制设备、一次仪表（如风速测试仪、差压变送器等）。现场级的主要功能是上传监测传感器参数、监测数据和设备基本状态，同时通过控制级指令来控制执行机构。因为控制设备的分散性，以前的输入/输出设备大多是通过机架进行连接，因此扩展系统或改变设备时的工作量很大，且柔性度低、成本高。把现场控制部件（可由第三方提供）通过以太网系统来连接可以很好的解决上述问题。分布式配置是指利用以太网从站把现场设备和I/O模块进行连接。将I/O模块转换为执行器和就地监测器，该系统的第三方设备均使用了德国BECKHOFF公司性能高的BK9103 PROFINET以太网耦合器，通过其以太网端口与PROFINET网络相连接，从而方便了运行过程中的系统维护和修理。
2.2 工艺控制 为生产工艺提供控制规律是软件编程的主要依据。试验表明，在烟丝输送过程中由于风力送丝系统风速不平衡，造碎较大，长丝率下降，影响烟丝结构和填充值，从而增加了卷烟加工消耗。假如能将风送风速维持在设定最佳值（16-18±1）m/s之间，必将会减少成品烟丝输送造碎、从而达到减少卷烟加工消耗、提高经济效益的目的。根据卷烟厂的上述需求，设计的风力送丝风速平衡控制系统总体结构如图1所示。系统在各烟机旁安装气动调节阀和消音器，在总管上安装风速测试仪（图中ΔP0）和各机台回风管上安装差压式流量计（图中ΔP1～ΔP4），在总管末端和各机台回风管加装气动调节阀（图中V0～V4），在布袋除尘器入口管道上加装负压传感器（图中-P）。在各机的回风管上加装电动阀（T5～T8）用于支管补风。电动阀（T1～T5）和（T5～T8）为互锁关系，即T1打开T5关闭，T5打开T1关闭，用来保持整个风力系统之平衡。总管上的风速测速仪用来控制气动调节阀V0，控制总管的风速。各机台回风管上安装差压式流量计（图中ΔP1～ΔP4）用来控制气动调节阀（图中V1～V4）。气动调节阀的控制全采用PID调节，设定风速，反馈值为经差压流量计换算后的风速。
通常卷烟厂风送除尘设备设置在卷包车间楼上，集中控制室也设置在卷包车间楼上，因而各台卷烟机组间距较远。所以采用分布式控制系统，即在每台卷烟机旁设德车BKEOFF BK9103控制器，组成PROFINET以太网络，与主控制器实时通讯。在上位人机界面上制作了一套监控软件，便于显示、操作和管理。
利用电气柜上的自动、手动开关可以改变设备的状态，但是无法改变通过PLC设置的工作时序，且在进入自动状态后，也就进入了由PLC设定的工作时序。进入自动状态后，工作人员只需在控制室利用人机界面远程操作。所有现场设备的工作状态都输送到上位机显示。
3 上位机组态软件
SCADA系统（数据采集和监控系统）的具体要求：利用工业以太网和多台下位机进行通讯，监控下位机的工作状态，显示生产中的工作曲线；对下位机进行数据采集，从而可以存储、打印、显示、查询历史数据。因而，监控组态软件是自动监控系统中的远程监视中心、数据收集处理和转发中心。监控组态软件和各种检测控制设备（如智能仪表、PLC等）一起构成响应迅速的控制中心。该系统采用Siemens公司生产的WinCC（Windows Control Center）7.0组态软件。该软件的自动化控制功能强大，一般基于个人计算机，但同时还具有SCADA级操作监视系统。
安装冗余和服务器版的软件包在两台服务器上，而安装运行版的软件包的工作站上。监控系统的功能和特点如下所示。
（1）界面显示：整个界面均为全中文显示，界面舒适、操作方便。主菜单形式的操作画面通过按钮进行切换。工作人员可在中心控制室内实时监控整个系统的被控设备。
（2）实时画面显示功能：各现场被控设备的状态参数和运行状况可以通过图形实时地显示出来。
（3）数据管理：数据库在存储生产过程数据的同时提供相关数据，以便今后的统计分析。通过对比数据库中数据和相关经验参数，可以提出优化风力送丝工艺的方案。
（4）报警功能：当运行数据没有在设备的安全运行范围内导致故障发生时，利用组态可以发出声光的差异性来紧急报警。同时，系统中每幅画面都将近期发生的报警情况显示在屏幕中，并可以浏览全部的系统报警情况和相关监控画面。系统会记录和长时间保存出现的报警数据，以便后期用于数据统计分析。
（5）报表打印功能：打印图形和报表，同时实时打印报警数据和相关事件。
（6）通讯功能：WinCC是SCADA系统软件，详细的考虑与其它系统之间信息交换的必要性，支持如SQL.OPC.ODBC及DDE等标准，和上层的系统进行数据交换时有多种方式。
（7）冗余功能：两台服务器均安装有WinCC组态软件且互为冗余，从而保证了数据的完整性，使系统的可靠性大大的提高。
4 结语
把工业以太网应用到风力送丝和集中工艺除尘控制系统中，改变了全模拟量传输和现场总线的数据交换方式，在现场总线级实现了Ethernet数字传输，提高了信息的传送精度、传送数据量以及传送距离，同时还提高了现场控制的灵活性，降低了数据交换网络的施工费和初装费，达到了便于扩展和维护，减少电缆敷设的目的。该控制系统得到了湖南中烟公司的认可，于2010年在湖南中烟公司郴州卷烟厂投入运行，实现了风力送丝及集中工艺除尘的自动控制，保证了网络数据间的交换，提高控制的稳定性，降低能耗，使得风力送丝的效果良好，从而提高了社会效益及经济效益。
参考文献
[1] （德）Raimand Rigan，Mak Metter.西门子PROFINET工业通信指南[M].北京：人民邮电出版社，2007.
[2] 刘国海.现场总线PROFINET[M].北京：电子工业出版社，2007.
[3] 吉顺平，孙承志，孙书芳，等.西门子现场总线通信原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2009.
[4] 崔坚.西门子S7可编程序控制器——STEP7编程指南[M].北京：机械工业出版社，2007.
[5] 赵欣.西门子工业网络交换机应用指南[M].北京：机械工业出版社，2008.
[6] 王仁祥，王小曼.S7 300/400入门与进阶[M].北京：中国电力出版社，2009.
[7] 凌志浩.DCS与现场总线控制系统[M].上海：华东理工大学出版社，2008.