現(xiàn)場總線技術(shù)的工業(yè)以太網(wǎng)在制藥業(yè)的成功應(yīng)用

　　現(xiàn)場總線技術(shù)自80年代末問世，就出現(xiàn)了以不同實體倡導的標準，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，已經(jīng)先后成為德國國家標準DIN19245和歐洲標準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、在微機化測量控制設(shè)備之間的實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(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、標準化的解決方案，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。現(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)場總線及總線標準有很多種，其中PROFIBUS現(xiàn)場總線是歐洲標準，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的遠程分布式I/O，通過現(xiàn)場總線與CPU的通信距離長達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房內(nèi)，但還有相當一部分現(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點左右，用ET200M遠程分布式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主機的CPU負荷，提高計算機主機用于其他計算機或網(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)的國際標準)和PROFIBUS現(xiàn)場總線(用于現(xiàn)場區(qū)域和單元網(wǎng)絡(luò)的國際標準)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)范化和標準化的要求，它的開放性允許來自不同制造商的標準化部件實現(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號建筑新風機組和空調(diào)機組的控制單元。PLC-4擔負著52號建筑空調(diào)冷站工藝冷站和動力站的監(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)機組和冷站進行監(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、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個獨立操作站和1個WINCC服務(wù)器。4個獨立操作站分別為：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總線層上預留了以下系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口：

　　新建變配電站網(wǎng)絡(luò)接口

　　生物安全四級(BL4)實驗室網(wǎng)絡(luò)接口

　　鍋爐房監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口

　　現(xiàn)有GMP車間改造網(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)，進行集中布置。

　　上述工作站的計算機配置為：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)打印機一臺。采用激光打印機。總線打印機完成過程報警記錄、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

　　網(wǎng)絡(luò)工作站所監(jiān)控的內(nèi)容，如消防系統(tǒng)的運行狀態(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)的主機和激光打印機，將重要的生產(chǎn)工藝參數(shù)，生產(chǎn)進度安排等其它相關(guān)的管理信息及時打印輸出和進行歷史記錄。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)備的運轉(zhuǎn)狀況并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的維護管理辦法進行定期檢查和保養(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)備的運轉(zhuǎn)狀況，同時通過監(jiān)視器計算機可及時對各網(wǎng)絡(luò)工作站發(fā)布系統(tǒng)維護的相關(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)采用開放式總線拓撲結(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準DIN19245和歐洲標準EN50170的現(xiàn)場總線標準。

　　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，符合國家標準規(guī)定，并為將來系統(tǒng)的擴展留有余量。

　　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,特別是在當今新建項目中能在可靠性、高精度、經(jīng)濟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)自動化的主導設(shè)備。上述系統(tǒng)設(shè)計的站點多，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。