PROFINET在卷烟薄丝线中应用的研究

刘春桂崔 群

（1 安徽工程大学电气工程学院，安徽 芜湖 241000）

（2 芜湖天宇科技开发有限公司，安徽 芜湖 241009）

1 引言

目前，国内烟厂普遍采用PROFIBUS总线控制模式。经过杭州烟厂薄丝线运行后发现其存在一些问题，如PROFIBUS总线拓展性不理想，系统抗干扰能力差，故障查找困难，不能直接与IT网相连接，数据传递效率不高、可靠性不佳，影响到薄丝线生产控制精度，制约了薄丝内在品质的提升。进行技改势在必行。针对上述问题，提出了以PROFINET代替PROFIBUS总线连接生产设备的方案。本方案能较好地解决目前生产中存在的诸多问题，对提高薄丝内在品质有一定的意义，有助于提高卷烟的口感，增强企业的市场竞争能力。

2 目前薄丝线控制系统

2.1 目前薄丝线网络控制结构

当前杭州烟厂薄丝线控制系统主要由上位机、主控PLC及PROFIBUS-DP等组成。图1为该控制系统的网络结构，分散的现场设备通过标准接口I/O挂载到PROFIBUS-DP总线上，主控PLC（西门子S7-400系列CPU415-2PN/DP）通过PROFIBUS-DP总线与现场设备进行通信，便于主控PLC采集生产数据、调整参数设定以及发出动作指令。主控PLC通过工业以太网与上位机进行通讯，将生产信息传送给上位机Win CC，便于操作员通过上位机Win CC即可全面实时动态地掌握薄丝生产线的运行状况。

2.2 存在的主要缺点

2.2.1 数据传输速度慢。PROFIBUS-DP主要应于底层I/O设备的集成，不能直接与IT网络连接，限制了数据的吞吐能力，传输速度范围为9.6Kb/s～12Mb/s，且受传输距离影响。卷烟薄丝线对生产过程中薄丝的温度、水分实时数值的控制要求极高，PROFIBUS-DP总线明显不能满足薄丝线对实时性苛刻的要求。

图1 目前薄丝线网络结构图

2.2.2 系统的可靠性不高。PROFIBUS-DP总线采用“一连到底”的连接方式，通过一根双绞线将主站与所有的子站连接起来。当某段总线或者某个子站出现故障的情况下，其余子站有可能全部停止工作。难以在第一时间查出故障源并排除故障，极易影响薄丝线正常生产，导致了薄丝线控系统可靠性不高。

2.2.3 抗干扰能力差。PROFIBUS-DP总线采用屏蔽双绞线进行通信，PROFIBUS规范无法与普通屏蔽双绞线的内阻，线间电容等参数相匹配，系统经常出现非正常通讯状态，导致抗干扰能力不强。

2.2.4 故障诊断较难。一旦PROFIBUS-DP总线出现故障，查找故障点比较困难，缺乏有效可靠的专业检测仪器，主要依靠经验丰富的维护人员进行故障点排查，这样不仅浪费宝贵的生产时间，影响生产计划，还增加了人力资源成本。

3 基于工业以太网的PROFINET

3.1 PROFINET简介

PROFINET是基于工业以太网技术的新一代自动化总线标准，不仅可以兼容现有的现场总线技术（如：PROFIBUS）和工业以太网，保护企业现有资产投入；还可以兼容办公室以太网和工业现场控制网络，统一整个工厂的网络框架，实现"E网到底"。PROFINET的出现为工业自动化通信领域提供了一个更加完善的网络解决途径。

3.2 PROFINET-IO

PROFINET-IO是一种具有实时功能的标准化接口。带有PROFINET接口的智能设备可以直接接入网络中，一些简单的设备可以通过I/O模块与网络进行连接，实现了将分布在生产现场的众多I/O设备统一连接到工业以太网。PROFINET-IO设备可以分为三类：（1）IO-Controller控制器，类似于PLC的智能设备，（2）IOSupervisor监视器，具有人机界面功能能的编程设备，（3）IO设备，一般是传感器、执行器等设备。

在功能上，PROFINET-IO接口与PROFIBUSDP接口相似，只是通讯接口发生变化而已。企业在进行技改时，可以将原来挂在PROFIBUS上的设备直接挂到PROFINET上继续使用，最大程度地保护原有资产。在用户开发和维护方面，由于接口功能相似，在使用Step7v5.4进行编程、组态和诊断时几乎没有变化，减少了企业的资金投入。

3.3 选择PROFINET的理由

3.3.1 通信的实时性。针对控制对象的差异，PROFINET提供了三种不同时间等级的通信，①数据传输时间要求不严格，可选择TCP/UDP/IP标准通信，②过程数据需要实时传输，采用软实时（SRT）方式，③数据传输时间要求特别严格，则采用等时同步实时（IRT）方式。这样使得生产过程中数据传输更快，单位时间内能传输更多的数据量。

3.3.2 网络拓扑结构灵活。通过使用网络交换机可以灵活地将控制系统的网络结构连接成星形、树形，所有节点（子站）彼此独立工作，即任一节点出现故障，其它节点不受其影响，还可通过PROFINET网络进行通信。解决了PROFIBUS总线“一连到底”易出现的生产问题，控制系统的可靠性得到了保障。

3.3.3 抗干扰能力强。在PROFINET网络中使用金属接头和绿色网线，将金属接头与设备外壳相连，并与屏蔽层实现环状接触，这样可以显著降低使用PROFIBUS双绞线所引起的非正常通讯状态的概率，保障了大量现场设备的正常通信，抗干扰能力得到显著增强。

3.3.4 故障安全机制。故障安全包括操作人员安全和系统安全，当控制系统出现故障时，故障安全机制使得系统能够恢复到安全状态，整个系统的安全得到有效的保证，对操作人员和系统都不会造成损害。由于处于以太网中，对故障的诊断得更加灵活，获取诊断信息较容易。

工业以太网PROFINET是基于TCP/IP的标准以太网，开放性好，易于系统集成，使得工业控制网络和办公以太网能够无缝连接。PROFINET的出现有效地解决了PROFIBUS在工业生产中暴露出的问题，满足了企业自动化生产过程中的控制要求，较好的实现了企业安全、高效生产。随着工业控制领域要求愈发严格，PROFINET取代PROFIBUS已经成为趋势。

4 规划设计方案

4.1 薄丝线PROFINET网络结构

薄丝线控制系统以PROFINET和西门子工业通信网络作为研究平台，其网络结构如图2所示。系统主要由主控PLC、上位机（Win CC、工程师站）、工业以太网和PROFINET等组成。S7-400PLC作为通信中枢，子站通过PROFINET总线接收主控PLC指令以及将采集到的生产数据上传给主控PLC及上位机。

图2 薄丝线网络结构图

图3 Win CC动态监控主画面

由上图可以看出采用PROFINET总线的薄丝线控制网络结构简单清晰，系统易于集成，挂载在PROFINET总线上的任一设备在整个网络内均可进行任意通信，使得生产底层设备能够进行简单、标准化的数字通信。在系统内每个IO设备都有唯一的IP地址，其借助于PROFINET可以在整个以太网中进行通信，而不再局限于某个网段，使得其处理数据信息的能力得到空前的提高。

4.2 Win CC动态仿真运行

在个人PC机上建立一个名为“HZBSX”的项目，组态并设置相应的参数，然后不断进行仿真运行调试，直至达到设计方案指标参数要求。图3为Win CC动态监控显示主画面。

由Win CC动态监控显示主画面可以看出，整条薄丝线从准备喂料开始到最后的薄丝RFID装箱仿真运行流畅，生产状态良好，整条生产线组态连贯清晰。动态参数、临界报警、运行指示灯等显示全面覆盖整条生产线各个环节，便于操作员全面掌握整条生产线的信息，并根据显示的现场参数直接控制生产过程。

5 结束语

本方案是根据杭州烟厂薄丝线实际情况而制定的，使用PROFINET取代PROFIBUS总线进行通信，技改针对性较强。不仅提高了系统的数据传输速度和吞吐能力，还最大程度的保护了企业原有投资。经过仿真运行证明本方案切实可行，运行稳定高效，为杭州烟厂即将开始的技改做好了方案准备工作，同时也为其他烟厂的技改提供了参考样本，具有一定的实际应用意义。

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