采用西門子SIMATICNET系列產(chǎn)品在生物制藥行業(yè)中的應(yīng)用

現(xiàn)場總線技術(shù)自80年代末問世，就出現(xiàn)了以不同實體倡導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)，典型代表有：基金會LONWOKS、PROFIBUS、CAN、HART等。其中PROFIBUS是由德國西門子公司提出并極力倡導(dǎo)，已經(jīng)先后成為德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EU50170。在中國也組建了PROFIBUS現(xiàn)場總線專業(yè)委員會。本文以西門子的PLC為例，以生物制藥工程為背景，闡述了現(xiàn)場總線技術(shù)在生物制藥行業(yè)實際應(yīng)用中所解決的一些問題。

一、現(xiàn)場總線技術(shù)

現(xiàn)場總線是80年代末、90年代初國際上形成的，用于生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機(jī)化測量控制設(shè)備之間的實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)場總線系統(tǒng)FCS稱為第五代控制系統(tǒng)，人們一般把50年代前的氣動信號控制系統(tǒng)PCS稱作第一代，把4～20mA等電動模擬信號控制系統(tǒng)稱為第二代，把數(shù)字計算機(jī)集中式控制系統(tǒng)稱為第三代，而把70年代中期以來的集散式分布控制系統(tǒng)DCS稱作第四代。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS作為新一代控制系統(tǒng)，一方面，突破了DCS系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡(luò)的局限，采用了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷;另一方面把DCS的集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場?，F(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)，實現(xiàn)了工程自動化，制造自動化，信息采集自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備之間的互聯(lián)通信，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程現(xiàn)場控制設(shè)備與更高信息管理層互聯(lián)通信，此外，F(xiàn)CS還可以通過網(wǎng)關(guān)與企業(yè)的上級管理網(wǎng)絡(luò)相連，以便管理者掌握第一手資料，為決策提供依據(jù)。為徹底打破自動化系統(tǒng)的信息孤島創(chuàng)造了條件。

1.現(xiàn)場總線PROFIBUS的分類

目前世界流行的現(xiàn)場總線及總線標(biāo)準(zhǔn)有很多種，其中PROFIBUS現(xiàn)場總線是歐洲標(biāo)準(zhǔn)，其產(chǎn)品在世界市場上已被普遍接受，在中國也組建了PROFIBUS現(xiàn)場總線專業(yè)委員會，它是目前世界上最成功的現(xiàn)場總線之一。

在獸研所疫苗工程的工廠自動化控制系統(tǒng)中，不涉及車間級通信任務(wù)和本安型過程自動化，因此重點(diǎn)應(yīng)用PROFIBUS-DP。

2.西門子S7-300系列PLC的PROFIBUS有關(guān)產(chǎn)品。

西門子PLC為PROFIBUS通信提供了多種CP通訊功能模塊，針對獸研所口蹄疫疫苗工程的具體情況，分區(qū)域、分功能選用了7臺PLC-300，CPU為315-ZDP，涉及到的通訊處理器為組成現(xiàn)場級PROFIBUS的DP從站ET200M;用于PLC之間通訊及人機(jī)接口的CP342-5;用于PROFIBUS-PA到PG/PC系統(tǒng)接口的CP-5613。現(xiàn)將其分述如下：

1）DP從站ET-200M

ET-200M以PROFIBUSDPslave拼成主從式的I/O分布式PLC現(xiàn)場總線系統(tǒng)。

由于其可做為CPU的遠(yuǎn)程分布式I/O，通過現(xiàn)場總線與CPU的通信距離長達(dá)1.2KM，因此可根據(jù)現(xiàn)場實際情況將具體為從站設(shè)置在控制設(shè)備附近，然后通過總線與中央CPU相連通信。這樣做的最大好處就是大大減少了現(xiàn)場信號傳至中央控制柜的距離，降低了I/O布線的成本，提高了工程施工效率，同時由于PROFIBUS-DP的總線循環(huán)時間不到10ms，它的控制實時性決不會因此而降低，在獸研所疫苗工程PLC控制系統(tǒng)中，冷站與動力站位于生產(chǎn)廠房的最北端，主要工藝設(shè)備集中于北端的冷站機(jī)房內(nèi)，但還有相當(dāng)一部分現(xiàn)場信號是在生產(chǎn)廠房的南端車間，如工藝溫度、壓力信號，和地下技術(shù)夾層，如冷站和4臺冷卻水泵。為了解決這一矛盾，為將PLC的CPU中央控制柜設(shè)置在北端的冷站機(jī)房內(nèi)，又在生產(chǎn)廠房南端的地下技術(shù)夾層設(shè)置其DP站ET200M，將所有有關(guān)的現(xiàn)場信號先送到DP站處理，DP站通過總線連接與冷站內(nèi)的中央控制柜實現(xiàn)通訊。其間的通信距離約為120m，處理的現(xiàn)場信號在50點(diǎn)左右，用ET200M遠(yuǎn)程分布式I/O，很好的解決了這一問題，大大降低了工程施工成本。

2）CP342-5通訊處理器

CP342-5是連接西門子S7-300到PROFIBUS-DP總線系統(tǒng)的通訊處理器，他可作為DP主站式從站為系統(tǒng)提供PROFIBUS-DP、S7通訊、S5單元通訊，編程器和HMI系統(tǒng)通訊等功能，在疫苗工程的PLC控制系統(tǒng)中，它主要為S7-300與HMI系統(tǒng)的通訊組網(wǎng)服務(wù)。

3）CP-5613通訊處理器

CP5613用于在具有PCI槽內(nèi)的WINDOWSNT4.0（WINDOWS200）下，將SIMATICPG/PC和AT兼容PC連接到PROFIBUS。由于CP5613是作為PROFIBUS-DP主站運(yùn)行的，它將過程圖象存儲在DPRAM內(nèi)（CP上的存儲區(qū)），且硬件自律地處理高性能的數(shù)據(jù)傳輸，因此其可減輕計算機(jī)主機(jī)的CPU負(fù)荷，提高計算機(jī)主機(jī)用于其他計算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)處理器的性能，在獸研所口蹄疫疫苗工程的PLC控制系統(tǒng)中，將其作為HMI/SCADA系統(tǒng)主機(jī)與S7300PLC系統(tǒng)之間的通訊處理器。

二、現(xiàn)場總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)在生物制藥行業(yè)中的應(yīng)用

1、系統(tǒng)綜述

本項目自動化網(wǎng)絡(luò)主張采用西門子SIMATICNET系列產(chǎn)品。整個網(wǎng)絡(luò)以工業(yè)以太網(wǎng)（用于區(qū)域和單元聯(lián)網(wǎng)的國際標(biāo)準(zhǔn)）和PROFIBUS現(xiàn)場總線（用于現(xiàn)場區(qū)域和單元網(wǎng)絡(luò)的國際標(biāo)準(zhǔn)）為重要組成部分，可完成工廠通訊，數(shù)據(jù)通訊和過程/現(xiàn)場自動化通訊等不同層次，不同性能的復(fù)雜聯(lián)網(wǎng)任務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)共分為3層結(jié)構(gòu)，分別為：現(xiàn)場控制層、過程監(jiān)控層、生產(chǎn)管理和市場經(jīng)營管理層。

1）現(xiàn)場控制層

PROFIBUS是一種用于過程自動化的現(xiàn)場總線技術(shù)，其靈活的網(wǎng)絡(luò)配置和對分布式I/O設(shè)備的總線連接方式使得控制系統(tǒng)在布線方面的工程成本大幅度降低，工程實施大大簡化，系統(tǒng)可靠性和系統(tǒng)功能大大提高。

PROFIBUS的通訊協(xié)議完全滿足規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的要求，它的開放性允許來自不同制造商的標(biāo)準(zhǔn)化部件實現(xiàn)兼容和集成。

我所的現(xiàn)場I/O控制采用PROFIBUS-DP總線進(jìn)行I/O分布式配置，共分8個PLC單元。PLC-1～PLC-3為52號建筑新風(fēng)機(jī)組和空調(diào)機(jī)組的控制單元。PLC-4擔(dān)負(fù)著52號建筑空調(diào)冷站工藝?yán)湔竞蛣恿φ镜谋O(jiān)控任務(wù)。PLC-5為52號建筑的照明和變配電系統(tǒng)的控制單元。PLC-6將對53號建筑的空調(diào)機(jī)組和冷站進(jìn)行監(jiān)控。PLC-7為52號建筑的工藝設(shè)備控制單元，主要控制設(shè)備有：轉(zhuǎn)瓶機(jī)、滅菌柜，干燥箱等。PLC-8為能源監(jiān)控單元，主要完成對我所空壓站、純水處理站、工業(yè)蒸汽、水塔等動力設(shè)施的監(jiān)視或控制。

對懸浮培養(yǎng)、滅活、乳化、分裝等工藝過程的監(jiān)視或控制，將視我所配置的工藝處理控制設(shè)備通訊接口狀況，或集成于PLC-7的PROFIBUS-DP總線上（此時要求這些工藝處理控制設(shè)備接口滿足PROFIBUS通訊協(xié)議），或集成于工業(yè)以太網(wǎng)上（此時要求這些工藝處理控制設(shè)備接口滿足TCP/IP通訊協(xié)議）。

2）過程監(jiān)控層

上述8個控制單元全部掛接于PROFIBUS總線上，以完成與上位操作站或彼此之間的通訊處理，從而形成整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的過程監(jiān)控層。

根據(jù)8個控制單元的不同功能，在PROFIBUS總線上設(shè)置了4個獨(dú)立操作站和1個WINCC服務(wù)器。4個獨(dú)立操作站分別為：HVAC系統(tǒng)操作站、照明/變配電系統(tǒng)操作站、工藝設(shè)備控制操作站和能源監(jiān)控操作站。HVAC系統(tǒng)操作站針對PLC-1～PLC-4，PLC6這5個控制單元，照明/變配電系統(tǒng)操作站針對PLC-5控制單元，工藝設(shè)備控制操作站針對PLC-7控制單元，能源監(jiān)視系統(tǒng)操作站針對PLC-8控制單元。這些操作站將安裝SIMATICWINCC視窗控制中心以生成用戶所需的多種SCADA功能—工藝過程圖形、報警信息處理、數(shù)據(jù)收發(fā)、記錄和曲線、圖表顯示、數(shù)據(jù)存儲和報表生成、打印輸出等。

所有8個控制單元的數(shù)據(jù)信息將通過WINCC服務(wù)器傳輸至工業(yè)以太網(wǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)服務(wù)器中，以供系統(tǒng)的全集成使用。

考慮到我所未來的規(guī)劃項目的升級，在PROFIBUS總線層上預(yù)留了以下系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口：

3）生產(chǎn)與市場管理層

我所的生產(chǎn)調(diào)度、計劃、庫存、人事、財務(wù)、銷售以及市場決策等構(gòu)成工廠信息的管理層，并在這些部門間實現(xiàn)辦公自動化。

SIMATICNET是一種IT網(wǎng)絡(luò)。由于其數(shù)據(jù)通訊采用了TCP/IP協(xié)議，因此整個工業(yè)控制系統(tǒng)的各主要部分可經(jīng)過工業(yè)以太網(wǎng)集成到辦公自動化環(huán)境中，實現(xiàn)了辦公自動化與工業(yè)環(huán)境下自動化系統(tǒng)的無縫集成。

工業(yè)以太網(wǎng)（亦即Intranet）以TCP/IP通訊協(xié)議為基礎(chǔ)，將該項目中的所有監(jiān)控系統(tǒng)工作站、消防系統(tǒng)工作站、門禁系統(tǒng)工作站、設(shè)備現(xiàn)場監(jiān)控工作站與上述的工藝過程監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器一起進(jìn)行系統(tǒng)全集成。為此，在工業(yè)以太網(wǎng)上將設(shè)置數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器。

無論是現(xiàn)在還是將來，電子郵件和瀏覽器將作為廣泛實施的通訊工具被應(yīng)用在辦公環(huán)境中。按照本設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，我所的辦公自動化水平不僅局限于電子郵件和瀏覽器的使用，同時經(jīng)過ISDN（IntegratedServiceDigitalNetwork）以及Internet上的電話連接可實現(xiàn)與WAN（廣域網(wǎng)）的連接功能，使異地辦公、異地管理成為可能，這將為我所在未來的市場競爭中提供快速準(zhǔn)確的全球性信息服務(wù)。

2、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)置及設(shè)備選型

1）主控室工作站

主控室網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括消防系統(tǒng)工作站，門禁系統(tǒng)工作站，設(shè)備現(xiàn)場監(jiān)控操作站，及其過程監(jiān)控層使用的HVAC系統(tǒng)操作站、照明/配電系統(tǒng)操作站及能源監(jiān)視操作站。該工作站設(shè)置在52#建筑的軸向（B-C）-橫向（2，3）上技術(shù)夾層辦公室內(nèi)，進(jìn)行集中布置。

上述工作站的計算機(jī)配置為：奔騰Ⅲ-500MHZ以上CPU，64MB以上內(nèi)存，4.3Gb以上硬盤，1.44MB軟驅(qū)，17寸或21寸彩顯，配鼠標(biāo)器鍵盤等附件。

在過程監(jiān)控層PROFIBUS總線上和工業(yè)以太網(wǎng)上各設(shè)網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)一臺。采用激光打印機(jī)?？偩€打印機(jī)完成過程報警記錄、過程數(shù)據(jù)記錄、圖表生成等功能。網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)完成各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所輸出的工藝信息、監(jiān)控信息、管理圖表等。

設(shè)置UPS電源1臺，容量6KVA，停電應(yīng)急時間不少于180分鐘。

2）大屏監(jiān)視室

大屏監(jiān)視室設(shè)置于52#建筑的J06房間。通過大屏監(jiān)視器，可清楚看到各主要網(wǎng)絡(luò)工作站所監(jiān)控的內(nèi)容，如消防系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，門禁系統(tǒng)的設(shè)置狀況，現(xiàn)場工藝設(shè)備和HVAC系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀況，照明設(shè)備的開啟與否以及重要的現(xiàn)場信息等。

3）分控室

分控室設(shè)于52#建筑的J05房間。分控室設(shè)置工藝設(shè)備監(jiān)控站和現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況監(jiān)視器。工藝設(shè)備監(jiān)控站監(jiān)控PLC-7的控制內(nèi)容，現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況監(jiān)視器將通過多種畫面組合顯示現(xiàn)場設(shè)備的實時運(yùn)行狀況。

4）生產(chǎn)與市場管理——所長辦公室監(jiān)視器的設(shè)置

為使我所的領(lǐng)導(dǎo)們能夠及時觀察工藝流程的視頻畫面或調(diào)看相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和管理信息，將通過網(wǎng)絡(luò)在所長辦公室設(shè)置監(jiān)視器一臺，并配有相應(yīng)的主機(jī)和激光打印機(jī)，將重要的生產(chǎn)工藝參數(shù)，生產(chǎn)進(jìn)度安排等其它相關(guān)的管理信息及時打印輸出和進(jìn)行歷史記錄。同時所長可根據(jù)市場經(jīng)營和需求情況及時對網(wǎng)絡(luò)上各工作站發(fā)出相應(yīng)的管理指令。

5）系統(tǒng)的維護(hù)與管理——系統(tǒng)管理工程師監(jiān)視器的設(shè)置

系統(tǒng)管理工程師必須時刻掌握各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的維護(hù)管理辦法進(jìn)行定期檢查和保養(yǎng)。因此，將通過網(wǎng)絡(luò)在辦公室設(shè)置監(jiān)視器一臺，以供系統(tǒng)管理工程師隨時查詢各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，同時通過監(jiān)視器計算機(jī)可及時對各網(wǎng)絡(luò)工作站發(fā)布系統(tǒng)維護(hù)的相關(guān)通知或管理信息。

3、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與通訊

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用開放式總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。三層總線構(gòu)成了獸醫(yī)所的FMCS系統(tǒng)。

現(xiàn)場控制層和過程監(jiān)控層采用PROFIBUS通訊協(xié)議，它是作為德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。

工廠管理層采用工業(yè)以太網(wǎng)組成，通訊協(xié)議為TCP/IP，這樣便于系統(tǒng)集成和擴(kuò)展。

網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備的訂購和線路敷設(shè)由自控承包商和我所共同完成。所選設(shè)備與線路材料應(yīng)滿足系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)交換所必須的速率及可靠性，符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，并為將來系統(tǒng)的擴(kuò)展留有余量。

三、結(jié)束語

在生物制藥行業(yè)采用了現(xiàn)場總線后可實現(xiàn)真正的分層、分布式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)極大的提高了整個系統(tǒng)的可靠性，靈活性和可擴(kuò)展性，符合生物制藥自動化的發(fā)展趨勢。

現(xiàn)場總線技術(shù)在生物制藥行業(yè)中有非常廣闊的應(yīng)用前景，特別是在當(dāng)今新建項目中能在可靠性、高精度、經(jīng)濟(jì)性等諸多方面獲得最大的效益。在國內(nèi)外現(xiàn)場總線廠家和設(shè)計研究部門的共同努力下，基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)必將分系統(tǒng)、分階段地逐步取代現(xiàn)有的分散式控制系統(tǒng)，在未來定將成為我國生物制藥行業(yè)自動化的主導(dǎo)設(shè)備。上述系統(tǒng)設(shè)計的站點(diǎn)多，PROFIBUS總線長，用于生物制藥企業(yè)（實現(xiàn)模擬量的監(jiān)控，比其他行業(yè)都要復(fù)雜些），實現(xiàn)實時監(jiān)控在國內(nèi)并不多見。本文的主要貢獻(xiàn)在于建設(shè)基于PROFIBUS總線的控制網(wǎng)絡(luò)，并與IT網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)資源共享，無縫鏈接。經(jīng)過近兩年的使用，效果良好，達(dá)到了設(shè)計要求，大大提高了該企業(yè)的信息化水平和管理水平。

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