陶瓷墙地砖生产线实时监控系统设计

吴启荣，胡国金

（广东科达机电股份有限公司，佛山 528313）

0 引言

近三十年来，我国建筑陶瓷行业得到持续高速发展，陶瓷墙地砖的年产量多年保持着世界第一的水平。但在这“辉煌”的成绩背后，整个行业却不仅仍处于能源和原材料消耗大、劳动生产率较低、劳动力密集的发展水平，还处于科技含量低、整体技术开发能力低、附加值低、无真正国际品牌、“质低价廉”的尴尬地位。当前我国在陶瓷墙地砖的生产过程中需要众多产业人员在充斥着大量废气、粉尘、废水、废料、噪音、高温的恶劣环境中工作，这种环境严重影响他们的身心健康，并引发各种职业病，使得陶瓷企业越来越难招收员工，经营成本不断高涨。而近年来随着集散控制技术、现场总线控制技术和现代网络控制系统等先进控制技术的飞速发展和在各个工业领域中大量投入应用，使陶瓷生产企业构建工厂级现场控制通讯网络，实现现场设备层到车间级监控的集散控制成为可能，并为实现陶瓷生产厂综合自动化和现场设备智能化提供可行的解决方案。这将成为陶瓷行业在未来发展中有效地降低经营成本，提高劳动生产率和资源利用率，加快经营决策，提高市场竞争力的必然途径。

1 PROFIBUS ＆ PROFINET介绍

PROFINET是Process Field Net的缩写，是由现场总线PROFIBUS国际组织（PI）推出的新一代基于实时工业以太网技术的自动化总线标准。在国际上，PI国际组织已经成立了27个PI区域性协会，拥有1400多家会员公司以及超过2500种不同的产品，覆盖了从生产自动化与过程自动化到运动控制与安全应用的所有工业自动化技术领域，成为了全球最大的工业自动化技术社区组织。2011年全世界PROFIBUS设备总数量超过4010万件，PROFINET的节点数达到430万个。PROFINET采用标准以太网作为连接介质，运用TCP/IP协议加上应用层的RPC/DCOM技术来完成节点之间的通讯和网络寻址，可以通过代理设备（Proxy）挂接传统PROFIBUS系统，也可以直接与支持该标准的新型智能现场设备集成。PROFINET主要组成部分为：分散式现场设备（PROFINET IO）、分布式自动化、用于所有客户需要统一的通讯、网络安装、IT集成及现场总线集成等。

2 系统分析及设计

2.1 控制需求分析

陶瓷墙地砖生产过程由原料制备、压制成型、施釉烧制、砖坯深加工、捡选包装等工序以及制釉等辅助工序构成。整个生产过程使用很多设备，如原料制备工序的喂料机、球磨机、搅拌机、喷雾干燥塔、除铁震动筛、粉料陈腐罐和配料系统等；压制成型工序使用布料系统、压砖机、翻坯机等；施釉烧制工序包括快速干燥器及其配套设备、施釉线设备、储坯系统、辊道窑，下砖机等；深加工工序是一条连续生产的设备线，包括上砖机、刮平定厚机、磨边机、抛光机、纳米液打磨机、快速风干机、打蜡机、下砖机等；检选包装工序使用上/下砖机、自动/人工检测分选系统、垛砖机、捆扎包装系统等；还有辅助工序的设备包括煤气炉、制釉设备、污水处理设备等。根据不同的生产目的，设备的配置也有所差别，设备也可能是不同的设备制造商生产制造。因此，这些单元设备基本都是用PLC或继电开关独立单机控制，而相互之间仅仅部分使用简单的联锁开关控制进行协同运行，各个单元设备之间基本无信息通信，相互配合度差，生产动作配备需要靠有经验的生产人员来调整控制，每次更变生产目的都需要花费大量时间做相关调整准备工作。

现代陶瓷墙地砖生产线的设备在地理空间上分布比较广，其生产工艺流程较长。而规模越来越大的陶瓷生产企业更是呈现出多个生产基地、多个工厂、多个车间、多种品种、多条生产线混合生产的特点。随着资源环境压力日益增大，陶瓷企业升级转型的需求日益紧迫，其经营管理者越来越希望能够把全部生产经营活动所需的信息集成起来，形成集控制、调度、管理、决策于一体的新型综合管理模式。而生产过程信息的失缺，正是当前该管理模式急待需要解决的问题。根据新的综合管理模式要求，各个车间、各个工厂都要有独立的监控系统，同时各个设备的控制系统、车间的监控系统又要相互紧密配合起来，实现整个陶瓷墙地砖生产过程最佳的生产运作。因此，整厂中心监控系统不但要对各个单元设备的所有重要工艺参数进行全面实时监控，还要对各个生产车间、生产工段、生产线之间运作情况进行监控、协调和调度。此外，企业的管理层也急切需要第一时间掌握各个生产线如压机、窑炉、检选包装等关键设备的生产信息，以便及时掌握各个工厂、各个产品生产线的生产实际状况。所以，整厂中心监控系统还有需要具有通过互联网向企业总部上传实时生产信息的功能。

2.2 系统方案确定

基于以上分析，系统属于典型的分布控制集中管理系统。这要求寻找一种符合当前设备现状，能够通过简单技改实现的，既分散又开放的网络控制技术作为支撑。经比较当今各种技术方案，比较符合要求的是采用开放的工业以太网标准PROFINET和现场总线PROFIBUS结合的网络系统架构方案。其主要基于以下考虑：

1）工业以太网标准PROFINET和现场总线PROFIBUS作为当今新型自动化通信标准，已经在多个行业中实际应用，其技术标准比较成熟，得到各个控制系统制造商、传感设备制造商的广泛支持。

2）由于两者由同一个技术协会提供支持，可以很好的结合在一起，充分发挥这两种总线的特长，形成优势互补，提高网络控制系统的整体性能。同时，它们具有的全开放、全分散、智能化特点，可以灵活组建各种不同网络系统，以便满足企业从生产现场到经营管理之间实时的、统一的通信要求。

3）由于陶瓷生产线中相当多的关键设备是使用西门子的PLC进行控制的，而西门子公司正是这两种总线推广的最主要企业，西门子的所有自动化产品稍微调整或添加相应的模块就能够无缝地使用这两种总线标准，这将大大降低技改的难度和成本，提高了系统的整体稳定性。

3 方案设计与实现

对于不同规模大小的陶瓷企业，经综合考虑，选择基于西门子自动化系统的两种不同系统方案来实现。对于规模较小的企业或生产工厂，由于单元设备数量相对较少，设备的控制系统可以直接连接到以工业以太网PROFINET为基础的通信网络中，实现统一的集中监控，如图1所示。对于继电开关控制或非西门子PLC简单控制的生产设备，使用低成本的西门子小型PLC S7-1200或者是S7-200搭配CP243-1通信模块进行改造。对于原使用西门子PLC控制的生产设备，则对其增加必要的通信模块及改变相关控制软件，实现对PROFINET通信的支持。对于如窑炉等控制过程复杂，但又非西门子PLC控制的设备系统，可以添加相关OPC服务器，实现联网监控功能。同时，对于一些生产过程中必需的监测点，也增添适合的感知设备，使用远程IO如ET200S或PLC S7-1200等设备作为通信控制器进行监控。整厂监控中心使用WinCC服务器进行系统组态和整厂系统运行监控，采用实时数据库进行采集信息的储存和处理。而各个车间办公室或工段的工艺设备监控室则采用WinCC客户端对所在工段和相关设备进行监控和管理调度。在授权许可的情况下，还能够使各个监测点之间相互操作和相互访问，有效满足生产调度和实时监控生产情况的需要，实现监控中心集中监察管理，各个车间和工段分散监控，各设备独立分布控制的三层管理要求。

图1 小规模陶瓷墙地砖生产企业自动化生产线监控系统架构

图2 大规模陶瓷墙地砖生产企业自动化生产线监控系统架构

对于规模较大的陶瓷墙地砖生产企业，由于生产设备较多，各种产品工艺流程较为复杂，设备之间布线困难，因此各个单元设备将不直接连接到工业以太网PROFINET中，而是通过PROFINBUS现场总线连接到各个工段的分中心控制器，见图2所示。单元生产设备控制系统的改造主要采用西门子PLC S7-200搭配通讯模块EM277，而分中心控制器则采用西门子PLC S7-300控制器。该分中心控制器主要是实现对各个单元设备控制系统进行监控和数据采集，对数据进行检测和初步处理，并将重要的数据通过工业以太网PROFINET上传到监控中心，以减轻中心服务器的运行负担，从而有效提高系统的整体性能。由于生产基地规模可能较大，各个工厂和车间之间的地理位置距离较远，各个分中心控制器之间将采用光纤介质为基础的PROFINET通讯网络进行互相访问，克服以双绞线电缆为介质的以太网通讯距离短固有的缺陷。

同时，监控中心还能够通过互联网把工厂的实时生产信息上传到企业总部，以便集团总部对各个生产基地、生产工厂进行物资和生产任务的调度，实现集控制、调度、管理、决策于一体的集团综合管理。

4 结论

本文针对当前陶瓷墙地砖生产企业面临的困难和生产实际的需求，提出采用PROFINET和PROFIBUS集成技术，将当今先进成熟的自动化控制技术应用到陶瓷生产行业中。该方案既克服国内陶瓷生产过程中生产设备各自独立、实时集中监控困难、生产信息不透明的制约，又控制了改造成本，提高了陶瓷墙地砖生产线的综合自动化水平和生产企业综合竞争力。同时，采用具有高度开放性、互操作性和实时性的PROFINET和PROFIBUS总线技术的网络控制系统，将为陶瓷行业以后开发先进过程控制技术，实现在线优化和远程维护，推行管控一体化综合管理系统，留下了足够系统扩展和升级空间。

[1] 屠志平,等.基于网络技术墙地砖生产线控制系统集成[J].制造业自动化,2004(10):39-41.

[2] 王文林,等.陶瓷墙地砖生产线自动化技术发展综述[J].中国陶瓷,2006(1):4-7,18.