西门子自动化产品在双向拉伸薄膜生产线上的应用探讨

摘要：双向拉伸塑料薄膜简称BOPF(Biaxially Oriented Plastics Film)，包括管膜法工艺和平面双向拉伸工艺。平面双向拉伸薄膜品种较多，许多结晶型聚合物和非结晶型聚合物都可拉伸成膜。目前，已经实现工业化生产的双向拉伸薄膜有：聚丙烯(BOPP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(BOPET)、聚酰胺(尼龙、BOPA)、聚苯乙烯(BOPS)等等。随着工业电气控制技术的不断提高，各种流水生产线的控制自动化程度愈来愈高，本文以德国布鲁克纳公司的双向拉伸聚酯薄膜（BOPET）生产线的自动控制系统为例，从以下方面来探讨双向拉伸薄膜生产线自动控制系统的特点和发展趋势。

关键词: 自动控制系统,总线,工业以太网，组态软件

１引言

    现代化的流水线对控制系统的要求越来越高，而现场总线作为实时、可靠、快速的控制总线，携其大幅度地降低系统成本的优势，广泛的应用到分布式控制系统中，在现代制造业中扮演着越来越重要的角色。

我公司双向拉伸聚酯薄膜生产线于2004年从德国布鲁克纳公司引进，于2006年7月6日正式投产，本生产线薄膜的生产控制采用集成的过程控制系统（IPC系统），主要控制部件采用西门子S7－400可编程控制器作为主站，以ET－200系列分布式I/O等装置作为从站，通过工业Ethernet总线、Profibus总线、CAN总线进行通信实现对生产过程的控制。

2双向拉伸聚酯薄膜生产流程

2．1工艺流程

                                                                                         图1

以上是国内配套的原料干燥部分，控制部分采用西门子S－300系列的可编程控制器（PLC），人机界面采用组态王软件组态，通信系统采用PROFIBUS DP现场总线，不过控制系统相对比较简单，不在本文论述之列。

                                                                                      接图1

                                                                                                          图2

     双向拉伸薄膜的制造对设备的自动化程度要求非常高，生产过程中有大量的温度、压力、速度、流量、湿度、料位、位置、厚度以及大量的开关信号需要控制和显示，在生产过程中对速度的精度控制、速度链（相互速比）的控制的要求极高，它决定了生产

的正常与否，而其他各物理量的控制精度和反应速度则直接决定产品的质量。

2．2设备布置流程示意图见图3

                                                            图3双向拉伸薄膜生产线设备布置流程示意图

3双向拉伸聚酯薄膜生产线控制系统的拓扑结构

           图4  图中蓝线和红线为工业以太网（PROFInet）,使用TCP/IP通讯协议，黑线为PROFIBUS DP现场总线，安全主从站为PROFIsafe系统，橙色线条为CAN总线

从图4可以看出，系统分为三层，最上层为管理监控层，包括服务器和操作站，中间层为控制层，包括4个主控制站，底层为现场层，包括多个从站。

4．控制系统结构、设备选型和功能分析

本系统管理监控层中服务器通过数据交换机与3个主控制站和1个安全主站交换设备运行和控制数据信号，通过数据交换机与四个操作站和工程师站交换来自操作员的操作数据及设备运行状态数据，通过提供给设备供应商的互联网IP地址端口来实现远程维护。服务器和操作站是基于工业以太网（PROFInet）的网络结构。因操作站4离服务器比较远，所以要通过网络交换机和光纤再与操作站相连，实现监控和操作。

管理监控层所有设备的连接是通过工业以太网PROFInet实现的，PROFInet 是基于工业以太网，用于工业自动化的开放性标准。它是PROFIBUS 国际组织创新的自动化标准，用于实现基于工业以太网的集成、一致的自动化解决方案，它的一个关键特点是从现有的现场总线解决方案（例如：PROFIBUS DP）到基于以太网的PROFInet的无缝转换。PROFInet 满足所有自动化的需求，它吸纳了多年积累的PROFIBUS和工业以太网的技术精髓，现在PROFInet已成为IEC 61158 的组成部分（IEC 61158 第10 部分）。

图4中，服务器采用的是Dell Poweredge 2650服务器，安装Linux操作系统，本服务器采用磁盘阵列实现硬盘冗余，软件组态采用PVSSⅡ组态软件，其主要功能是一方面从主控制器获取设备运行状态参数如温度、压力、速度、流量、湿度、料位、位置、厚度以及大量的开关状态信号通过系统运算后实时地在操作站上显示出来，另一方面接受来自操作站控制指令如：设备运行工艺参数的修改、设备的启动/停止、允许/禁止、速比的调整等等，然后通过PROFInet网络传输给控制器实现相应的操作。服务器另一个功能就是大量的历史数据的存储记录和统计分析。

操作站采用的是Dell Optiplex Gx260台式机，操作系统是Window 2000，安装PVSSⅡ组态软件运行版，其主要功能实际上是一个人机交互的界面，工艺参数、设备运行参数的修改，设备的启停控制可在操作站上实现，设备运行状态、运行参数均在操作站上显示，它使生产处于可控状态。

主控制站上的PROFInet组件是CP 443-1，它使S7 400可编程控制器连接到工业以太网上，CP 443-1是通过包含NCM S7的STEP7软件包配置的，S7 400可编程控制器通过此模块与服务器（通过交换机）完成数据通信。

控制层包含3个S7 400可编程控制器和一个S7 300可编程控制器，它们作为主站通过PROFIBUS DP现场总线与作为从站的ET200分布式I/O站和其他一些DP从站，如变频驱动、位置传感器等进行数据交换，将来自操作站的操作信号、操纵台的操作信号经过程序处理后传输给从站，再通过从站输出模块控制执行机构执行。四个主站之间通MPI口互联，便于同步运行和相互协调。

PROFIBUS是一种开放的、不依赖于设备生产商的现场总线标准，它由三个兼容部分组成，PROFIBUS DP、PROFIBUS PA、PROFIBUS FMS，广泛应用于制造业自动化、楼宇自动化等等领域中。PROFIBUS协议以ISO/OSI国际标准化组织开放系统互联网络为参考模型，PROFIBUS DP采用了该模型七层中的第一层（物理层）、第二层（数据链路层），并使用了用户层，用户层中包括DP基本功能和DP行规，此种结构确保了数据实时快速的传输，其最高速率可达12Mbit/s，在要求传输距离较远时，PROFIBUS DP也支持光纤传输。PROFIBUS DP是一个主站/从站总线系统，DP主站和DP从站间进行循环的数据交换。

PROFIBUS是一种开放的现场总线，它是通过GSD文件（电子设备数据文件）实现的，GSD的结构符合ISO15745，它由包含模块的组态数据、设备的参数特定部分和包含传输速度及连接系统通信的特定部分组成。组态工具利用GSD文件可将不同生产厂商的设备集成到一个PROFIBUS总线系统中，给用户提供了更好的选择。图3中橙色线为CAN总线，它的使用，说明PROFIBUS是一种比较开放的现场总线，这也是当今工业自动化控制系统中的一种发展趋势：多种总线并存，体现控制系统的开放性和冗余性。

本系统中可借助工程师站，使用SIMATIC Manager软件包中的STEP7 HW－Config直接对主控制站1、2、3总线系统进行硬件组态，而安全主从站则需要在硬件组态完成后，通过MPI接口下载至主站中。

控制程序采用STEP7 SCL语言编制，完成复杂的控制功能。

图4中安全主站采用西门子公司专门为生产安全而开发的S7 300可编程控制器，控制器为CPU 315F－2DP，专门负责安全控制，可以说是安全快速通道。从站为ET200 S总线端子，安装PROFIsafe模块，采集所有的E－STOP、M－STOP、安全门、安全栏、安全绳、安全垫等安全开关信号，当这些开关动作时，通过PROFIsafe快速通道和安全PLC，根据工艺的要求实现全线急停或局部快速停机，使出现状况的时刻至停机间隔时间最短，避免设备和人身事故。这种设计体现了欧洲对安全的极度重视。

现场层为若干个DP从站，这些DP从站中有西门子TP 170B触摸屏，ET200M、ET200L－SC，ET200S，西门子Masterdrive－VC驱动、西门子Masterdrive－MC驱动、西门子MicroMaster变频器，液位传感器，角度位置传感器和ETS 132Ⅱ温度控制器等等，在总线网络距离比较长的地方中间增加了多通道的诊断收发器。它们共同的特点是采集现场的模拟量和开关量输入信号，与主站进行循环数据交换，输出来自主站的模拟量和开关量输出信号给执行机构，控制设备的运行。这些从站都位于最靠近设备的现场，相比最初的集中控制节省了大量的电缆和工程费用，同时也提高了设备的可靠性。

这套集成的过程控制系统（IPC系统）完成复杂的制膜工艺的控制工作，主要功能如下：

1．各设备如电机、电磁阀、加热器等的启停。

2.各工艺温度、压力、速度等设定、精确控制和显示。它直接关系到薄膜的内在

        性能和产品质量。

3. 动态显示设备运行状态和设备运行参数。

4. 各物理量的历史数据记录，趋势图的显示。

5. 故障诊断和报警信息显示以及记录。

                         图5 1至5项控制功能都可以在操作站上的PVSS II组态画面上查询到

6．在穿膜过程中不同的工作方式下，速度精确的联动控制和正常生产中速度链的精确控制（这是很重要的，稍有波动就造成破膜）。下图是穿膜过程中不同的工作方式下，速度联动控制画面。

                                               图6 速度联动画面（基于PVSS II组态画面）

5．应用效果

通过近3年的运行，系统稳定可靠，故障率低，故障诊断比较容易，维护简单，得宜于开放的、多种总线并存的、冗余的、先进的组态控制的、现代化的、庞大的自动化控制系统的成功使用。

5．1 PROFIsafe的使用极大地提高了设备运行的安全性能，设备3年的运行中没有出现人身事故和设备事故。

5．2 使用PROFIBUS DP总线的分布式控制系统减少了大量的电缆和电子器件，因而减少了故障源。数字信号的传输相对模拟信号的传输受干扰的影响更小，可带电插拔的模块使维修更简单快捷。

5．3 基于PROFInet的服务器/客户机体系结构使系统能够处理和记录大量的实时数据，系统的响应速度也较快。

5．4 基于PROFInet的工程师站使系统调试和故障诊断更加方便，它可置于任何一个节点上。

5．5 PROFIBUS DP强大的诊断功能和IPC系统的事件记录以及报警功能使维修变得更容易。

5．6 精确的温度、压力、速度以及厚度控制，确保了产品优质高效产出。

5．7 IPC系统的分级权限设置防止了无关人员的误操作。

6．结论

可见开放的、多种总线并存的、冗余的、先进组态控制的、通用的、标准的、庞大的自动化控制系统的成功使用，是目前世界上最流行的自动化控制系统，也是双向拉伸薄膜生产线最先进的自动化控制系统。