Anwendung von Profibus- und Ethernet-Feldbustechnologie in Steuerungssystemen für Tabakverarbeitungslinien

Einleitung Die Tabakverarbeitungslinie ist der erste Schritt der Zigarettenherstellung und umfasst die Blatt- und Stängelverarbeitungslinien. Ihre Aufgabe ist es, die in der Nachtrocknungsanlage verarbeiteten Tabakblätter und -stängel zu rehydrieren, mit Zutaten zu versetzen, zu schneiden und zu trocknen. Anschließend wird der verarbeitete Tabak gemäß den Prozessanforderungen gemischt und aromatisiert, um fertigen, für Zigaretten geeigneten Tabak zu erhalten. Der stabile und zuverlässige Betrieb des Steuerungssystems der Tabakverarbeitungslinie ist entscheidend für die Sicherstellung der Tabakqualität.
Die Tabakverarbeitungslinie der Shanghai Gaoyang International Tobacco Co., Ltd. wurde Anfang der 1990er Jahre aus Deutschland importiert. Die gesamte Linie nutzt fünf speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) der Siemens-Serie S5-135U. Jede SPS ist mit einer Abschnittsüberwachungseinheit ausgestattet, deren CP528-Prozessor mit der SPS kommuniziert und somit nur eine 1:1-Beziehung ermöglicht. Die Modernisierung des Steuerungssystems zielte darauf ab, die Anforderungen der Tabakindustrie hinsichtlich präziser Rezeptur, gleichmäßiger Mischung, exakter Dosierung der Inhaltsstoffe und gleichbleibender Qualität zu erfüllen und gleichzeitig den Stand der Informationstechnologie zu verbessern. Basierend auf den Designprinzipien Zuverlässigkeit, fortschrittliche Technologie, Offenheit, Skalierbarkeit und Vernetzung wurde für die Modernisierung eine Kombination aus Feldbustechnologie für verteilte Steuerung und Ethernet eingesetzt, um das Steuerungssystem der Tabakverarbeitungslinie zu entwickeln und zu implementieren.
Überblick über das Steuerungssystem der Tabakverarbeitungslinie: Im Rahmen des Projekts zur Modernisierung des Steuerungssystems der Tabakverarbeitungslinie der Shanghai Gaoyang International Tobacco Co., Ltd. wurde gemäß den Prinzipien der dezentralen Steuerung, des zentralen Managements und des Datenaustauschs eine dreistufige Netzwerkstruktur aus Informationsschicht, Steuerungsschicht und Geräteschicht (Sensor-/Ausführungsschicht) eingeführt, um ein integriertes Steuerungs- und Managementsystem für die Produktionsliniensteuerung und -verwaltung zu realisieren.
Gemäß den Anwenderanforderungen wurde die S5-SPS des Systems auf eine S7-400-SPS mit Feldbussteuerung aufgerüstet. Die Wahl fiel auf die verteilte E/A-Einheit ET200S. Diese zeichnet sich durch ihre kompakte Bauweise, die nahtlose Modulinstallation, die einfache und direkte Erweiterung und den Austausch von Modulen sowie die Hot-Swap-Fähigkeit aus. Motoren unter 7,5 kW, mit Ausnahme derjenigen, die von Frequenzumrichtern und Sanftanlaufgeräten gesteuert werden, werden von Hochleistungs-Motorstartern der Baureihe DSle-x angesteuert. Frequenzumrichter, Motorstarter, Feld-E/A-Feuchtemessgerät, Durchflussmesser und elektronische Waage sind über ein Profibus-DP-Netzwerk angebunden, um Daten zu übertragen. Dies ermöglicht die Datenerfassung, Parametereinstellung und den digitalen Informationsaustausch sowie die Prozesssteuerung. Jede SPS ist zudem mit einem Ethernet-Kommunikationsmodul CP443-1 ausgestattet, das an einen industriellen Ethernet-Switch Siemens OSM ITP62 mit Glasfaseranschlüssen angeschlossen und in ein Glasfaser-Ringnetzwerk integriert ist. Die Verbindungen zwischen den SPS-Systemen sowie zwischen den SPS und der Überwachungseinheit werden über ein 100 m breites Glasfaserringnetz mit hoher elektromagnetischer Störfestigkeit hergestellt. Die Überwachungssoftware der Überwachungseinheit ist iFIX 3.5 von Intellution. Zur Erleichterung der Inspektion durch das Personal vor Ort wurden vier 15-Zoll-Überwachungsstationen (MP370) in den Bereichen Blatt-, Stamm- und Blattfilamentbehandlung installiert.
Da die gewählte OSM-Integration auf Web Management (WBM) basiert, lässt sich der Status jedes Switches im Netzwerk über einen Internet Explorer-Browser beobachten und entsprechende Aktionen können je nach Anmeldeberechtigung durchgeführt werden. Dies ermöglicht die Fernüberwachung und -steuerung des Kommunikationsstatus des Systems.
Gemäß den Prozessanforderungen ist die Modernisierung des gesamten elektrischen Steuerungssystems in fünf Prozessabschnitte und fünf SPS-Gruppen unterteilt: Klingenverarbeitungsabschnitt ZS1, Blattfilamentverarbeitungsabschnitt ZS3, Tabakstängelverarbeitungsabschnitt ZS5, Stängelfilamentverarbeitungsabschnitt ZS6 und windbetriebener Zuführabschnitt ZS4.
Der Hauptprozessablauf der Garnherstellungslinie ist in Abbildung 1 dargestellt.

Das Steuerungssystem der Seidenproduktionslinie ist von oben nach unten in eine Datenverwaltungsschicht, eine zentrale Überwachungsschicht und eine Anlagensteuerungsschicht unterteilt. Die Netzwerkstruktur ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2. Netzwerkstrukturdiagramm des Steuerungssystems der Tabakverarbeitungslinie der Shanghai Gaoyang International Tobacco Co., Ltd.
1. Hardwarekomponenten der Dateninformationsmanagementschicht: bestehend aus einem Host-Management-Computer, Drucker, Switch usw.
Softwareplattform: Microsoft SQL Server 2000-Datenbank, Visual Basic-Entwicklungssoftware und iFIX iClient.
Informationsaustauschnetzwerk: TCP/IP Ethernet.
Funktionen: Diese Ebene ermöglicht die Planung und Verteilung von Produktionsaufgaben, die Überwachung der Produktion vor Ort, die statistische Analyse, Speicherung, Abfrage und den Druck von Berichten, den Abruf von Informationen zu gelagerten Materialien in Lagerschränken, die Statusüberwachung von SPS-Schaltschränken sowie die Erstellung von Verlaufsdiagrammen wichtiger Prozessparameter. Sie kommuniziert mit dem Werksmanagementsystem, beispielsweise dem SPC-System, um Produktionsdaten an die Werksleitung und verschiedene Fachabteilungen weiterzugeben und so eine Grundlage für die Entscheidungsfindung im Werk zu schaffen. Über das Steuerungsnetzwerk kommuniziert sie mit der Steuerungs- und Anlagenebene, um die Produktionslinie in der Werkstatt zu überwachen und eine zentrale Überwachung und Steuerung zu gewährleisten.
2. Hardwarekonfiguration der zentralen Überwachungsschicht: Das System verwendet eine verteilte Client/Server-Architektur, bestehend aus zwei redundanten iFIX SCADA-Servern und einem lokalen iClient iFIX SCADA-Client, die ein zentrales Überwachungssystem bilden. Es überwacht die Rotorblatt- und die Spindellinie separat.
Softwareplattform: iFIX SCADA/iClient Überwachungs- und Konfigurationssoftware.
Informationsaustauschnetzwerk: Glasfaserring, industrielles Ethernet, TCP/IP-Ethernet.
Funktion: Empfängt Aufgaben (Chargen- und Formelparameter) vom Produktionsmanagement-Hostrechner, sendet diese an die entsprechenden SPSen in jedem Produktionsabschnitt der Anlagensteuerungsebene, steuert und regelt zentral den Betrieb der Produktionslinie und lädt gleichzeitig den Betriebszustand der Produktionslinienausrüstung, Echtzeit-Prozessdaten und Chargenstatistikdaten auf den Produktionsmanagement-Hostrechner hoch.
3. Hardwarekomponenten der Gerätesteuerungsebene: einschließlich SPS-Steuerschrankgruppe, Feldverteilungs-E/A-Box, Feldüberwachungsstation, Feldaktor und Sensorerkennungsmechanismus.
Softwareplattform: STEP7 V5.3 Programmiersoftware und WinCC Flexible Konfigurationssoftware.
Informationsaustauschnetzwerk: ProfiBus-DP Feldbus, Glasfaserschleife, industrielles Ethernet.
Funktionen: Ermöglicht Ein-/Ausschalt- und analoge Steuerungsvorgänge an der Produktionslinie, erfasst und zeigt den Betriebszustand der Anlagen und Prozessdaten der Produktionslinie an, stellt Parameter ein und zeigt Anlagenfehler an.
4. Hauptfunktionen und Merkmale des Steuerungssystems (1) Verwaltungsfunktionen Die Überwachungsanlage verfügt über Funktionen wie Systemverwaltung, Verwaltung von Sicherheitsberechtigungen, Formelverwaltung und Prozessparameterverwaltung. Bediener oder Systemadministratoren müssen sich zunächst im iFIX-Echtzeit-Überwachungssystem anmelden. Der Zugriff wird über verschiedene Benutzeridentitäts-Sicherheitsstufen kontrolliert, um den sicheren und ordnungsgemäßen Betrieb des Systems zu gewährleisten und unbefugte Zugriffe zu verhindern.
(2) Batch-Aufgaben- und Prozessparameterverwaltungsfunktion: Da verschiedene Tabakformulierungen unterschiedliche Anforderungen an die Prozessparameter stellen, können die Formulierungsparameter und Prozessparameter lokal an der Überwachungsmaschine geändert werden.
(3) Die grafische Benutzeroberfläche der Überwachungsmaschine ist dem Prozessablauf der Produktionslinie entsprechend aufgebaut. Sie zeigt den Betriebszustand einzelner Schlüsselmaschinen, Segmente oder des gesamten Prozessablaufs der Produktionslinienanlagen an und stellt Prozess- und Anlagenparameter in Echtzeit dar. Ebenso werden Soll- und Istwerte wichtiger Parameter in Echtzeit angezeigt, um die Produktqualität zu analysieren und zu überwachen. Jede Überwachungsmaschine ermöglicht die Steuerung aller Prozesssegmente der Seidenproduktionslinie. Diese Eins-zu-Viele-Steuerung sorgt für mehr Flexibilität und Komfort.
(4) Produktionssteuerungsfunktion, PID-Funktion, Umschaltung zwischen manuellem und automatischem Steuerungsmodus, Realisierung der individuellen Betriebs- und Produktionssteuerung der Anlagen in jedem Prozessabschnitt der Produktionslinie, Bereitstellung der Auswahl von Lagertank-Einlass/Auslass, Auswahl des Zuführtanks (Duftstofftank), Steuerung einzelner Maschinen (hauptsächlich Steuerung einzelner Maschinen wie Tabakblatt-Befeuchter, Zuführmaschine, Trocknungsmaschine usw., die ein separates Vorheizen, Starten und Stoppen erfordern); Realisierung der präzisen Steuerung jedes wichtigen Prozessparameters im Produktionsprozess.
Die Temperatur des Blattbefeuchters, der Druck der Heiz- und Befeuchtungsanlage und die Durchflussrate des Duftstoffs werden alle PID-gesteuert, und die Regelkreisparameter können in Echtzeit korrigiert werden.
Die Genauigkeit der Mischungs- und Aromatisierungskontrolle ist ein entscheidender Leistungsindikator für die Anwender und beeinflusst direkt die Qualität des fertigen Tabaks. Basierend auf der tatsächlichen Blattflussrate und dem in den Formelparametern festgelegten Anteil an Zusatzstoffen werden die Durchflussraten der elektronischen Waagen für Stängel, Flakes und expandierten Tabak separat gesteuert. Anschließend wird aus der Summe der Echtzeit-Durchflussraten aller Tabaksorten und dem in den Formelparametern festgelegten Aromaverhältnis die eingestellte Aromaflussrate berechnet. Nach der Berechnung mittels PID-Regler wird die Drehzahl des Aromapumpen-Frequenzumrichters so gesteuert, dass die Aromamenge angepasst und das gewünschte Aromaverhältnis erreicht wird. Da die elektronischen Waagen und Aromaflussmesser digitale Informationen über ein Profibus-DP-Netzwerk austauschen, ist die Datenerfassung im Vergleich zum vorherigen analogen Ein-/Ausgangsmodus genauer und die Regelungsgenauigkeit deutlich verbessert. Aktuell liegt die Genauigkeit der Aromaverhältnisregelung bei fünf Chargen pro Schicht unter 0,4 % und übertrifft damit die Anforderungen der Anwender.

(5) Produktionsberichte und statistische Funktionen: Nach Abschluss jedes Arbeitsgangs wird automatisch ein Produktionsbericht erstellt. Dieser enthält die Chargennummer, die verwendeten Formelparameter, Start- und Endzeitpunkte sowie statistische Kennzahlen wie Maximum, Minimum, Mittelwert und Standardabweichung wichtiger Prozessindikatoren. Dies erleichtert die Bewertung der Produktqualität.
Bei kumulierten Mengen während des Prozesses, wie z. B. der Gesamtmenge an Aromastoffen, Blattfasern und expandierten Fasern, setzt sich das System am Ende jeder Charge automatisch auf null zurück. Zusätzlich verfügt es über eine Taste „Gesamt zurücksetzen“ für die sofortige Nullstellung (zur einfachen Fehlersuche). Da alle neun elektronischen Waagen der Linie über das Profibus-DP-Netzwerk mit dem EM277 verbunden sind, ist eine automatische Fernnullstellung möglich. Im Gegensatz zur Zeit vor der Modernisierung, als die Bediener die Gesamtmenge nach jeder Charge lokal am Steuerschrank der elektronischen Waage zurücksetzen mussten – was insbesondere beim Wechsel von Chargen derselben Marke problematisch war und leicht zu ungenauen kumulierten Mengen führte –, reduziert das neue Steuerungssystem den Arbeitsaufwand der Bediener und gewährleistet gleichzeitig präzise Messungen.
(6) Das Online-Diagnose- und Alarmsystem verfügt über die Funktionen, die zulässigen Anlaufbedingungen in Segmenten abzufragen, die zulässigen Anlaufbedingungen von Hilfsfunktionen einzelner Maschinen abzufragen und Fehler im Steuerungsnetz und im Bus zu diagnostizieren.
Jeder Prozessabschnitt verfügt über eine vollständige Fehleralarmfunktion, die den Alarm bestätigen und zurücksetzen kann und den Alarmstatus durch verschiedene Farben kennzeichnet, die anzeigen, ob es sich um einen Normalzustand handelt oder ob noch ein Fehler vorliegt.
(7) Fernreset-Funktion für Motorstarter: Jeder Prozessabschnitt verfügt über eine Taste zur Rücksetzung des Zuführers auf dem Überwachungsbildschirm. Bei Überlastung eines Motors kann dieser per Fernzugriff zurückgesetzt werden. Dank des Einsatzes eines leistungsstarken Motorstarters mit erweiterten Steuerungs- und Diagnosefunktionen wird das Betriebssignal des Motors nicht nur durch die Prüfung des Schützbetätigungszustands, sondern auch durch die Erkennung eines kontinuierlichen Stromflusses beurteilt. Dies führt zu einem zuverlässigeren Ergebnis. Der Motorstrom kann online überwacht werden, wodurch der Motorstatus leichter erkennbar wird.
(8) Zeitsynchronisationsfunktion zwischen Host-Rechner und SPS: Da ein Aufgabenmanagement stattfindet, wird für jeden Aufgabenlauf ein Produktionsbericht erstellt. Darüber hinaus gibt es in der Seidenproduktionslinie viele Prozessabschnitte, die jeweils von einer SPS gesteuert werden. Daher ist eine Zeitsynchronisation zwischen dem Host-Rechner und mehreren SPSen erforderlich.
Aufgrund der Produktionsmerkmale der Zigarettenfabrik wird die Zeitsynchronisation über eine Funktionstaste realisiert: Auf dem Host-Rechner wird eine Funktionstaste für die SPS-Zeitsynchronisation eingerichtet. Gleichzeitig sendet der Host-Rechner seine Systemzeit (Jahr, Monat, Tag, Stunde, Minute, Sekunde, wobei nur die letzten beiden Ziffern des Jahres verwendet werden) an die Zeitempfangsadresse der SPS. Sobald die SPS erkennt, dass das Zeitsynchronisationsbit gesetzt ist, führt sie eine Zeitformatkonvertierung durch und ruft SFC0 auf, um die Systemuhr der SPS einmalig zu synchronisieren und so die Zeitsynchronisation mit dem Host-Rechner zu erreichen.
(9) Auf Basis von Webmanagement (WBM) kann der Kommunikationsstatus jedes Switches im Netzwerk, einschließlich des Kommunikationsstatus jedes Ports, fernüberwacht werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das modernisierte Steuerungssystem der Tabakverarbeitungslinie bei Shanghai Gaoyang International Tobacco Co., Ltd. fortschrittliche Funktionen sowohl in der Netzwerk-Hardware als auch in der Software-Steuerungstechnik aufweist. Der Einsatz von Profibus-Feldbus- und Ethernet-Technologien gewährleistet einen sicheren und zuverlässigen Systembetrieb und erleichtert den Datenaustausch. Während zuvor jede Überwachungseinheit nur eine SPS überwachen konnte, überwacht nun jede Einheit alle fünf SPSen der gesamten Linie. Vier 15-Zoll-Feldüberwachungsstationen (MP370) bieten eine umfassende Echtzeit-Anzeige des Prozessablaufs, der Prozessparameter und der Anlagenparameter und ermöglichen so eine deutlich höhere Flexibilität und Bedienfreundlichkeit. Produktionstests haben die Zuverlässigkeit und den einwandfreien Betrieb des gesamten Steuerungssystems sowie seine umfassenden Produktionsmanagementfunktionen bestätigt. Diese Modernisierung verbesserte einige Schwächen der ursprünglichen Prozesse und des Designs, ermöglichte die Systemerweiterung und brachte erhebliche wirtschaftliche und technische Vorteile mit sich, was vom Anwender sehr positiv aufgenommen wurde.