陶瓷墻地磚生產線實時監控系統設計

吳啟榮，胡國金

（廣東科達機電股份有限公司，佛山 528313）

0 引言

近三十年來，我國建筑陶瓷行業得到持續高速發展，陶瓷墻地磚的年產量多年保持著世界第一的水平。但在這“輝煌”的成績背后，整個行業卻不僅仍處于能源和原材料消耗大、勞動生產率較低、勞動力密集的發展水平，還處于科技含量低、整體技術開發能力低、附加值低、無真正國際品牌、“質低價廉”的尷尬地位。當前我國在陶瓷墻地磚的生產過程中需要眾多產業人員在充斥著大量廢氣、粉塵、廢水、廢料、噪音、高溫的惡劣環境中工作，這種環境嚴重影響他們的身心健康，并引發各種職業病，使得陶瓷企業越來越難招收員工，經營成本不斷高漲。而近年來隨著集散控制技術、現場總線控制技術和現代網絡控制系統等先進控制技術的飛速發展和在各個工業領域中大量投入應用，使陶瓷生產企業構建工廠級現場控制通訊網絡，實現現場設備層到車間級監控的集散控制成為可能，并為實現陶瓷生產廠綜合自動化和現場設備智能化提供可行的解決方案。這將成為陶瓷行業在未來發展中有效地降低經營成本，提高勞動生產率和資源利用率，加快經營決策，提高市場競爭力的必然途徑。

1 PROFIBUS ＆ PROFINET介紹

PROFINET是Process Field Net的縮寫，是由現場總線PROFIBUS國際組織（PI）推出的新一代基于實時工業以太網技術的自動化總線標準。在國際上，PI國際組織已經成立了27個PI區域性協會，擁有1400多家會員公司以及超過2500種不同的產品，覆蓋了從生產自動化與過程自動化到運動控制與安全應用的所有工業自動化技術領域，成為了全球最大的工業自動化技術社區組織。2011年全世界PROFIBUS設備總數量超過4010萬件，PROFINET的節點數達到430萬個。PROFINET采用標準以太網作為連接介質，運用TCP/IP協議加上應用層的RPC/DCOM技術來完成節點之間的通訊和網絡尋址，可以通過代理設備（Proxy）掛接傳統PROFIBUS系統，也可以直接與支持該標準的新型智能現場設備集成。PROFINET主要組成部分為：分散式現場設備（PROFINET IO）、分布式自動化、用于所有客戶需要統一的通訊、網絡安裝、IT集成及現場總線集成等。

2 系統分析及設計

2.1 控制需求分析

陶瓷墻地磚生產過程由原料制備、壓制成型、施釉燒制、磚坯深加工、撿選包裝等工序以及制釉等輔助工序構成。整個生產過程使用很多設備，如原料制備工序的喂料機、球磨機、攪拌機、噴霧干燥塔、除鐵震動篩、粉料陳腐罐和配料系統等；壓制成型工序使用布料系統、壓磚機、翻坯機等；施釉燒制工序包括快速干燥器及其配套設備、施釉線設備、儲坯系統、輥道窯，下磚機等；深加工工序是一條連續生產的設備線，包括上磚機、刮平定厚機、磨邊機、拋光機、納米液打磨機、快速風干機、打蠟機、下磚機等；檢選包裝工序使用上/下磚機、自動/人工檢測分選系統、垛磚機、捆扎包裝系統等；還有輔助工序的設備包括煤氣爐、制釉設備、污水處理設備等。根據不同的生產目的，設備的配置也有所差別，設備也可能是不同的設備制造商生產制造。因此，這些單元設備基本都是用PLC或繼電開關獨立單機控制，而相互之間僅僅部分使用簡單的聯鎖開關控制進行協同運行，各個單元設備之間基本無信息通信，相互配合度差，生產動作配備需要靠有經驗的生產人員來調整控制，每次更變生產目的都需要花費大量時間做相關調整準備工作。

現代陶瓷墻地磚生產線的設備在地理空間上分布比較廣，其生產工藝流程較長。而規模越來越大的陶瓷生產企業更是呈現出多個生產基地、多個工廠、多個車間、多種品種、多條生產線混合生產的特點。隨著資源環境壓力日益增大，陶瓷企業升級轉型的需求日益緊迫，其經營管理者越來越希望能夠把全部生產經營活動所需的信息集成起來，形成集控制、調度、管理、決策于一體的新型綜合管理模式。而生產過程信息的失缺，正是當前該管理模式急待需要解決的問題。根據新的綜合管理模式要求，各個車間、各個工廠都要有獨立的監控系統，同時各個設備的控制系統、車間的監控系統又要相互緊密配合起來，實現整個陶瓷墻地磚生產過程最佳的生產運作。因此，整廠中心監控系統不但要對各個單元設備的所有重要工藝參數進行全面實時監控，還要對各個生產車間、生產工段、生產線之間運作情況進行監控、協調和調度。此外，企業的管理層也急切需要第一時間掌握各個生產線如壓機、窯爐、檢選包裝等關鍵設備的生產信息，以便及時掌握各個工廠、各個產品生產線的生產實際狀況。所以，整廠中心監控系統還有需要具有通過互聯網向企業總部上傳實時生產信息的功能。

2.2 系統方案確定

基于以上分析，系統屬于典型的分布控制集中管理系統。這要求尋找一種符合當前設備現狀，能夠通過簡單技改實現的，既分散又開放的網絡控制技術作為支撐。經比較當今各種技術方案，比較符合要求的是采用開放的工業以太網標準PROFINET和現場總線PROFIBUS結合的網絡系統架構方案。其主要基于以下考慮：

1）工業以太網標準PROFINET和現場總線PROFIBUS作為當今新型自動化通信標準，已經在多個行業中實際應用，其技術標準比較成熟，得到各個控制系統制造商、傳感設備制造商的廣泛支持。

2）由于兩者由同一個技術協會提供支持，可以很好的結合在一起，充分發揮這兩種總線的特長，形成優勢互補，提高網絡控制系統的整體性能。同時，它們具有的全開放、全分散、智能化特點，可以靈活組建各種不同網絡系統，以便滿足企業從生產現場到經營管理之間實時的、統一的通信要求。

3）由于陶瓷生產線中相當多的關鍵設備是使用西門子的PLC進行控制的，而西門子公司正是這兩種總線推廣的最主要企業，西門子的所有自動化產品稍微調整或添加相應的模塊就能夠無縫地使用這兩種總線標準，這將大大降低技改的難度和成本，提高了系統的整體穩定性。

3 方案設計與實現

對于不同規模大小的陶瓷企業，經綜合考慮，選擇基于西門子自動化系統的兩種不同系統方案來實現。對于規模較小的企業或生產工廠，由于單元設備數量相對較少，設備的控制系統可以直接連接到以工業以太網PROFINET為基礎的通信網絡中，實現統一的集中監控，如圖1所示。對于繼電開關控制或非西門子PLC簡單控制的生產設備，使用低成本的西門子小型PLC S7-1200或者是S7-200搭配CP243-1通信模塊進行改造。對于原使用西門子PLC控制的生產設備，則對其增加必要的通信模塊及改變相關控制軟件，實現對PROFINET通信的支持。對于如窯爐等控制過程復雜，但又非西門子PLC控制的設備系統，可以添加相關OPC服務器，實現聯網監控功能。同時，對于一些生產過程中必需的監測點，也增添適合的感知設備，使用遠程IO如ET200S或PLC S7-1200等設備作為通信控制器進行監控。整廠監控中心使用WinCC服務器進行系統組態和整廠系統運行監控，采用實時數據庫進行采集信息的儲存和處理。而各個車間辦公室或工段的工藝設備監控室則采用WinCC客戶端對所在工段和相關設備進行監控和管理調度。在授權許可的情況下，還能夠使各個監測點之間相互操作和相互訪問，有效滿足生產調度和實時監控生產情況的需要，實現監控中心集中監察管理，各個車間和工段分散監控，各設備獨立分布控制的三層管理要求。

圖1 小規模陶瓷墻地磚生產企業自動化生產線監控系統架構

圖2 大規模陶瓷墻地磚生產企業自動化生產線監控系統架構

對于規模較大的陶瓷墻地磚生產企業，由于生產設備較多，各種產品工藝流程較為復雜，設備之間布線困難，因此各個單元設備將不直接連接到工業以太網PROFINET中，而是通過PROFINBUS現場總線連接到各個工段的分中心控制器，見圖2所示。單元生產設備控制系統的改造主要采用西門子PLC S7-200搭配通訊模塊EM277，而分中心控制器則采用西門子PLC S7-300控制器。該分中心控制器主要是實現對各個單元設備控制系統進行監控和數據采集，對數據進行檢測和初步處理，并將重要的數據通過工業以太網PROFINET上傳到監控中心，以減輕中心服務器的運行負擔，從而有效提高系統的整體性能。由于生產基地規模可能較大，各個工廠和車間之間的地理位置距離較遠，各個分中心控制器之間將采用光纖介質為基礎的PROFINET通訊網絡進行互相訪問，克服以雙絞線電纜為介質的以太網通訊距離短固有的缺陷。

同時，監控中心還能夠通過互聯網把工廠的實時生產信息上傳到企業總部，以便集團總部對各個生產基地、生產工廠進行物資和生產任務的調度，實現集控制、調度、管理、決策于一體的集團綜合管理。

4 結論

本文針對當前陶瓷墻地磚生產企業面臨的困難和生產實際的需求，提出采用PROFINET和PROFIBUS集成技術，將當今先進成熟的自動化控制技術應用到陶瓷生產行業中。該方案既克服國內陶瓷生產過程中生產設備各自獨立、實時集中監控困難、生產信息不透明的制約，又控制了改造成本，提高了陶瓷墻地磚生產線的綜合自動化水平和生產企業綜合競爭力。同時，采用具有高度開放性、互操作性和實時性的PROFINET和PROFIBUS總線技術的網絡控制系統，將為陶瓷行業以后開發先進過程控制技術，實現在線優化和遠程維護，推行管控一體化綜合管理系統，留下了足夠系統擴展和升級空間。

[1] 屠志平,等.基于網絡技術墻地磚生產線控制系統集成[J].制造業自動化,2004(10):39-41.

[2] 王文林,等.陶瓷墻地磚生產線自動化技術發展綜述[J].中國陶瓷,2006(1):4-7,18.