烟草制丝线电控集成系统网络架构设计与分析

张东岳

摘   要：在中国进入到新世纪以来，经济水平和科技水平都得到了飞速发展，各个行业之间的竞争逐渐加大，特别是在烟草行业。在烟草行业中为了提高烟草产品的品质，就需要使用先进的制丝线电控集成系统。制丝线电控集成系统不仅包括与制丝线工艺段控制系统集成，还包括与MES系统、原料高架库、糖料间、膨胀烟丝生产线、半成品丝库（含掺配）、成品丝库（含风力喂丝）等系统的集成。本文首先对制丝线集控系统进行分析，然后从硬件和软件两方面进行研究，对制丝线电控集成系统网络架构进行设计，采用先进的分层设计方法保证系统的稳定性和可靠性。

关键词：制丝电控集成系统  分层设计  网络架构

中图分类号：TS43                                   文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2019）07（b）-0006-03

自从中国进入到新世纪以来，科技水平不断进步，人们的生活水平越来越高，对生活消费品的质量要求也越来越高，对国内的烟草制造厂家提出了相当高的要求。因此国内的烟草生产厂家为了提高自己产品的质量，在生产工艺上面进行不断的革新和进步，特别是在烟草生产的控制系统上面，使用最先进的控制技术来提高生产出来的烟草产品质量。在提高烟草产品质量过程中很重要的一个部分就是提高制丝工艺的技术水平，目前厂家为了提高制丝工艺的水平，使用了大量的先进的自动化设备，因此要求制丝线的控制系统必须要稳定可靠。如果制丝控制系統出现了问题，那么就会导致制丝生产工艺的生产出现问题，进而会严重地影响生产出来的烟草产品质量。在制丝线控制系统中能够保证制丝生产过程稳定最关键的就是网络架构，如果网络架构不合理，那么在长时间使用后，网络中数据传输速度会越来越慢，并且更为严重的情况就是导致了传输的数据丢失，从而使生产停止，带来严重的后果。因此设计出稳定可靠的制丝线集成系统的网络架构具有十分重要的意义。

本文为了实现整个制丝线集控系统的可靠性，主要是从制丝线电控集成系统的网络架构上进行设计，对制丝线生产系统整体进行研究和分析，设计出稳定可靠的网络架构。

1  制丝线电控集成系统概述

目前在烟草企业集成管理中，最重要的一个管理环节就是制丝线生产过程，对制丝线生产过程的管理占据了企业整体管理的大部分人力和物力。从烟草企业的管理角度出发，制丝线集成电控系统应该具有如下的功能。

（1）制丝线电控集成系统最基础的控制就是能够控制丝线生产设备，使它们可以合理地进行工作，从而生产出满意的产品。

（2）制丝线电控集成系统还应对制丝线生产过程中的数据进行采集，便于企业进行管理。

（3）制丝线电控集成系统必须要对制丝线生产过程进行实时的监控，具有故障检测和保护功能。

2  制丝线电控集成系统网络架构总体设计

根据制丝线电控集成系统的功能和企业管理对集成电控系统的要求，以及目前烟草生产厂家在制丝工艺中所应用的先进控制技术，和在制丝生产工艺中运用的先进自动化设备相结合，对制丝电控集成系统的网络架构进行深入的研究和分析，采用分层设计的方法来进行设计。将整个的制丝线电控集成系统中的网络架构有效分成三层架构，分别是：底层的设备控制层、用于实时监控的监控层以及对生产过程进行管理的管理层，如图1所示。

在制丝线电控集成系统网络架构中的最底层采用PROFINET为主要通信方式，同时结合了先进的工业以太网技术提高数据的传输能力。在制丝线电控集成网络架构中的集中监控管理层面采用控制层环网冗余结构，来保证整个网络架构的稳定。在制丝电控集成系统的生产管理层面采用的是先进的信息层厂级环网冗余结构。这样的网络架构设计可以保证整个集控系统生产过程安全稳定可靠。

3  制丝线电控集成系统网络架构各层设计

在设计好系统的总体网络架构后，需要对各个分层进行相应的网络架构设计，下面将对各个分层的网络架构进行设计。

（1）底层的自动化设备控制层网络设计。

在电控集成系统中关系到生产烟草质量好坏的最直接的一个层面就是设备控制层面。设备控制层对于整个生产系统来说是一个控制的大脑，它直接控制着生产系统的每个生产设备。只有设计好了设备控制层才可以对其他各个分层进行设计。

底层的自动化设备应具有的功能如下。

①具有远程和在本地对生产过程或者设备进行控制的功能，主要是在本地和远程都可以对生产现场的设备进行控制。

②故障监测报警和保护功能，在生产过程中如果某个生产设备发生故障就需要及时的发出报警，然后采取一定的保护策略。

③对生产工艺进行控制的功能，主要是可以进行生产配方的对比，以及对工单自动的下发从而进行自动的生产的功能。

④对生产过程中的设备进行管理的功能，该功能主要是对各单机电控设备的状态进行相应的管理，对设备参数具备维护功能。

根据上述设备控制层的功能，在设备控制中主要是采用了工业以太网来进行通信，工业以太网PROFINET通信稳定可靠，抗干扰能力强。在控制主站上面设计带有相应的PN接口，通过PN接口可以方便地通过工业以太网来对现场的各个生产自动化设备进行连接。如果现场的设备中，没有PROFINET通讯接口，那么也可以对PROFINET协议进行相应的转换，或者使用主站控制器上面的PROFIBUS-DP进口来进行通信，这样就完成了底层的网络设计。

（2）用于实时监控的监控层网络设计。

根据上面的制丝线集控系统整体的网络架构设计，监控层是在管理层和控制层中间，主要对现场的制丝生产设备进行监控，对现场的数据进行采集，然后将管理层的控制信息传给控制层，将控制层的信息传给管理层。因此在监控层中设备一般包括用于监控的上位机，应用对象服务器，数据库服务器来对监控数据进行存储。除此之外还应该有网络通信设备来完成网络通信以及相应的监控软件通信软件等等。

监控层主要是把从底层采集的数据根据一定的处理方式进行过滤，然后才可以传给管理层。监控还需要具有一定的通讯接口和相关的数据接口来和管理层进行通信来完成管理层指令的传达。监控层还需要和生产现场的主控器进行相应的通信，来对整个生产制丝工艺进行相应的监控和管理。

因此根据上面对监控层的功能要求，监控层需要传输的数据量比较大，所以通信介质采用光纤进行通信，使用工业以太网协议的通讯方式。由于监控层起到了承上启下的作用，因此必须对监控层的电源进行相应的冗余来保证监控层在工作的时候可靠，一般监控层中的设备都是采用UPS作为监控层相关计算设备的主电源，然后使用现场的配电箱电源来作为相应的冗余，这样就可以保证监控层在断电的时候也可以稳定地工作。

（3）生产过程进行管理的管理层网络设计。

在整个的制丝线电控集成系统中，管理层作为整个系统的最上层，对于烟草生产企业来说，是整个烟草企业最重要的一个环节。管理层在整个企业管理中的作用和监控层在整个电控集成系统中的功能是类似的，都是起到了承上启下的作用，管理层是把现场的设备层数据传输到企业的整个信息化的管理系统中，对整个烟草生产过程的全部信息进行统一的监控和管理，根据生产要求完成对生产的调度。管理层还可以把现场采集到的生产数据，通过管理层自身的数据管理软件进行分析和整理，然后把这些统计好的信息传递到整个企业的信息化管理系统中，这样企业管理者就可以对生产进度等信息实时的了解，为下一步的企业战略提供相应的参考。除此之外，管理层还可以接收来自整个企业管理层下发的烟草生产计划，然后传递给底层来完成相应的生产。在管理层还可以对生产产品的指标进行相应的改变来指导实际的生产过程。不仅如此，管理层还可以根据底层采集到的烟草生产数据以及设备的状态数据对整个的生产系统进行管理。

由于管理层的作用如此重要，因此根据上面管理层的功能以及相应的要求，管理层网络通信主要是采用工業以太网作为主要的通信方式。在管理中的主要设备包含装有用于生产指令下发软件的上位机以及相关的存储数据库来对生产数据进行保存。

在进行完每个分层的网络设计以后，设计出来的总体网络架构图如图2所示。

4  结论

本文主要是对制丝线电控集成系统的网络架构进行相应的设计，主要是采用了先进的分层设计理念，将整个制丝线电控集成系统分为底层的设备层、中间的监控层和上层的管理层，然后对制丝电控集成系统每个分层进行相应的网络设计。在底层的自动化设备控制层网络设计中，分析了底层设备控制层的主要功能是对现场设备进行相应的控制，根据这个要求设计了使用工业以太网来完成通信。对于用于实时监控的监控层网络，设计了控制层冗余环网的结构来保证监控层稳定可靠。对于生产过程进行管理的管理层网络，设计了信息层厂级冗余环网的结构来保证管理层可以实时对现场生产的数据进行采集处理分析，然后为企业相关的决策提供重要的参考依据。 本文设计出来的制丝线电控集成系统的网络架构具有稳定可靠，冗余度高的特点可以满足烟草企业日益增长的工艺的需求。

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