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現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)自80年代末問(wèn)世，就出現了以不同實(shí)體倡導的標準，典型代表有：基金會(huì )LONWOKS、PROFIBUS、CAN、HART等。其中PROFIBUS是由德國西門(mén)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現場(chǎng)總線(xiàn)專(zhuān)業(yè)委員會(huì )。本文以西門(mén)子的PLC為例,以生物制藥工程為背景，闡述了現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在生物制藥行業(yè)實(shí)際應用中所解決的一些問(wèn)題。 一、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù) 現場(chǎng)總線(xiàn)是80年代末、90年代初國際上形成的，用于生產(chǎn)現場(chǎng)、在微機化測量控制設備之間的實(shí)現雙向串行多節點(diǎn)數字通信的系統，也被稱(chēng)為開(kāi)放式、數字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò )。 現場(chǎng)總線(xiàn)系統FCS稱(chēng)為第五代控制系統，人們一般把50年代前的氣動(dòng)信號控制系統PCS稱(chēng)作第一代，把4～20mA等電動(dòng)模擬信號控制系統稱(chēng)為第二代，把數字計算機集中式控制系統稱(chēng)為第三代，而把70年代中期以來(lái)的集散式分布控制系統DCS稱(chēng)作第四代�，F場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS作為新一代控制系統，一方面，突破了DCS系統采用通信專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )的局限，采用了基于公開(kāi)化、標準化的解決方案，克服了封閉系統所造成的缺陷;另一方面把DCS的集中與分散相結合的集散系統結構，變成了新型全分布式結構，把控制功能徹底下放到現場(chǎng)�，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的出現，實(shí)現了工程自動(dòng)化，制造自動(dòng)化，信息采集自動(dòng)化等領(lǐng)域的現場(chǎng)智能設備之間的互聯(lián)通信，實(shí)現了生產(chǎn)過(guò)程現場(chǎng)控制設備與更高信息管理層互聯(lián)通信，此外，FCS還可以通過(guò)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。為徹底打破自動(dòng)化系統的信息孤島創(chuàng )造了條件。 1.現場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS的分類(lèi) 目前世界流行的現場(chǎng)總線(xiàn)及總線(xiàn)標準有很多種，其中PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)是歐洲標準，其產(chǎn)品在世界市場(chǎng)上已被普遍接受，在中國也組建了PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)專(zhuān)業(yè)委員會(huì )，它是目前世界上最成功的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。 在獸研所疫苗工程的工廠(chǎng)自動(dòng)化控制系統中，不涉及車(chē)間級通信任務(wù)和本安型過(guò)程自動(dòng)化，因此重點(diǎn)應用PROFIBUS-DP。 2.西門(mén)子S7-300系列PLC的PROFIBUS有關(guān)產(chǎn)品。 西門(mén)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場(chǎng)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系統接口的CP-5613�，F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現場(chǎng)總線(xiàn)系統。 由于其可做為CPU的遠程分布式I/O，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)與CPU的通信距離長(cháng)達1.2KM,因此可根據現場(chǎng)實(shí)際情況將具體為從站設置在控制設備附近，然后通過(guò)總線(xiàn)與中央CPU相連通信。這樣做的最大好處就是大大減少了現場(chǎng)信號傳至中央控制柜的距離，降低了I/O布線(xiàn)的成本，提高了工程施工效率，同時(shí)由于PROFIBUS-DP的總線(xiàn)循環(huán)時(shí)間不到10ms，它的控制實(shí)時(shí)性決不會(huì )因此而降低，在獸研所疫苗工程PLC控制系統中，冷站與動(dòng)力站位于生產(chǎn)廠(chǎng)房的最北端，主要工藝設備集中于北端的冷站機房?jì)�，但還有相當一部分現場(chǎng)信號是在生產(chǎn)廠(chǎng)房的南端車(chē)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中央控制柜設置在北端的冷站機房?jì)�，又在生產(chǎn)廠(chǎng)房南端的地下技術(shù)夾層設置其DP站ET200M，將所有有關(guān)的現場(chǎng)信號先送到DP站處理，DP站通過(guò)總線(xiàn)連接與冷站內的中央控制柜實(shí)現通訊。其間的通信距離約為120m，處理的現場(chǎng)信號在50點(diǎn)左右，用ET200M遠程分布式I/O，很好的解決了這一問(wèn)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(mén)子S7-300到PROFIBUS-DP總線(xiàn)系統的通訊處理器，他可作為DP主站式從站為系統提供PROFIBUS-DP、S7通訊、S5單元通訊，編程器和HMI系統通訊等功能，在疫苗工程的PLC控制系統中，它主要為S7-300與HMI系統的通訊組網(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(guò)程圖象存儲在DPRAM內(CP上的存儲區)，且硬件自律地處理高性能的數據傳輸，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控制系統中，將其作為HMI/SCADA系統主機與S7300PLC系統之間的通訊處理器。 二、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)在生物制藥行業(yè)中的應用 1、系統綜述 本項目自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )主張采用西門(mén)子SIMATICNET系列產(chǎn)品。整個(gè)網(wǎng)絡(luò )以工業(yè)以太網(wǎng)(用于區域和單元聯(lián)網(wǎng)的國際標準)和PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)(用于現場(chǎng)區域和單元網(wǎng)絡(luò )的國際標準)為重要組成部分，可完成工廠(chǎng)通訊，數據通訊和過(guò)程/現場(chǎng)自動(dòng)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 )系統共分為3層結構，分別為：現場(chǎng)控制層、過(guò)程監控層、生產(chǎn)管理和市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)管理層。 1)現場(chǎng)控制層 PROFIBUS是一種用于過(guò)程自動(dòng)化的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，其靈活的網(wǎng)絡(luò )配置和對分布式I/O設備的總線(xiàn)連接方式使得控制系統在布線(xiàn)方面的工程成本大幅度降低，工程實(shí)施大大簡(jiǎn)化，系統可靠性和系統功能大大提高。 PROFIBUS的通訊協(xié)議完全滿(mǎn)足規范化和標準化的要求，它的開(kāi)放性允許來(lái)自不同制造商的標準化部件實(shí)現兼容和集成。 我所的現場(chǎng)I/O控制采用PROFIBUS-DP總線(xiàn)進(jìn)行I/O分布式配置，共分8個(gè)PLC單元。PLC-1～PLC-3為52號建筑新風(fēng)機組和空調機組的控制單元。PLC-4擔負著(zhù)52號建筑空調冷站工藝冷站和動(dòng)力站的監控任務(wù)。PLC-5為52號建筑的照明和變配電系統的控制單元。PLC-6將對53號建筑的空調機組和冷站進(jìn)行監控。PLC-7為52號建筑的工藝設備控制單元，主要控制設備有：轉瓶機、滅菌柜，干燥箱等。PLC-8為能源監控單元，主要完成對我所空壓站、純水處理站、工業(yè)蒸汽、水塔等動(dòng)力設施的監視或控制。 對懸浮培養、滅活、乳化、分裝等工藝過(guò)程的監視或控制，將視我所配置的工藝處理控制設備通訊接口狀況，或集成于PLC-7的PROFIBUS-DP總線(xiàn)上(此時(shí)要求這些工藝處理控制設備接口滿(mǎn)足PROFIBUS通訊協(xié)議)，或集成于工業(yè)以太網(wǎng)上(此時(shí)要求這些工藝處理控制設備接口滿(mǎn)足TCP/IP通訊協(xié)議)。 2)過(guò)程監控層 上述8個(gè)控制單元全部掛接于PROFIBUS總線(xiàn)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(gè)網(wǎng)絡(luò )系統的過(guò)程監控層。 根據8個(gè)控制單元的不同功能，在PROFIBUS總線(xiàn)上設置了4個(gè)獨立操作站和1個(gè)WINCC服務(wù)器。4個(gè)獨立操作站分別為：HVAC系統操作站、照明/變配電系統操作站、工藝設備控制操作站和能源監控操作站。HVAC系統操作站針對PLC-1～PLC-4，PLC6這5個(gè)控制單元，照明/變配電系統操作站針對PLC-5控制單元，工藝設備控制操作站針對PLC-7控制單元，能源監視系統操作站針對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(hù)所需的多種SCADA功能—工藝過(guò)程圖形、報警信息處理、數據收發(fā)、記錄和曲線(xiàn)、圖表顯示、數據存儲和報表生成、打印輸出等。 所有8個(gè)控制單元的數據信息將通過(guò)WINCC服務(wù)器傳輸至工業(yè)以太網(wǎng)的相關(guān)數據服務(wù)器中，以供系統的全集成使用。 考慮到我所未來(lái)的規劃項目的升級，在PROFIBUS總線(xiàn)層上預留了以下系統的網(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(shí)驗室網(wǎng)絡(luò )接口 鍋爐房監控系統網(wǎng)絡(luò )接口 現有GMP車(chē)間改造網(wǎng)絡(luò )接口 3)生產(chǎn)與市場(chǎng)管理層 我所的生產(chǎn)調度、計劃、庫存、人事、財務(wù)、銷(xiāo)售以及市場(chǎng)決策等構成工廠(chǎng)信息的管理層，并在這些部門(mén)間實(shí)現辦公自動(dòng)化。 SIMATICNET是一種IT網(wǎng)絡(luò )。由于其數據通訊采用了TCP/IP協(xié)議，因此整個(gè)工業(yè)控制系統的各主要部分可經(jīng)過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)集成到辦公自動(dòng)化環(huán)境中，實(shí)現了辦公自動(dòng)化與工業(yè)環(huán)境下自動(dòng)化系統的無(wú)縫集成。 工業(yè)以太網(wǎng)(亦即Intranet)以TCP/IP通訊協(xié)議為基礎，將該項目中的所有監控系統工作站、消防系統工作站、門(mén)禁系統工作站、設備現場(chǎng)監控工作站與上述的工藝過(guò)程監控系統服務(wù)器一起進(jìn)行系統全集成。為此，在工業(yè)以太網(wǎng)上將設置數據庫和網(wǎng)絡(luò )管理服務(wù)器。 無(wú)論是現在還是將來(lái)，電子郵件和瀏覽器將作為廣泛實(shí)施的通訊工具被應用在辦公環(huán)境中。按照本設計的網(wǎng)絡(luò )結構，我所的辦公自動(dòng)化水平不僅局限于電子郵件和瀏覽器的使用，同時(shí)經(jīng)過(guò)ISDN(IntegratedServiceDigitalNetwork)以及Internet上的電話(huà)連接可實(shí)現與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(lái)的市場(chǎng)競爭中提供快速準確的全球性信息服務(wù)。 2、網(wǎng)絡(luò )系統設置及設備選型 1)主控室工作站 主控室網(wǎng)絡(luò )設備包括消防系統工作站，門(mén)禁系統工作站，設備現場(chǎng)監控操作站，及其過(guò)程監控層使用的HVAC系統操作站、照明/配電系統操作站及能源監視操作站。該工作站設置在52#建筑的軸向(B-C)-橫向(2，3)上技術(shù)夾層辦公室內，進(jìn)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以上內存，4.3Gb以上硬盤(pán)，1.44MB軟驅?zhuān)?7寸或21寸彩顯，配鼠標器鍵盤(pán)等附件。 在過(guò)程監控層PROFIBUS總線(xiàn)上和工業(yè)以太網(wǎng)上各設網(wǎng)絡(luò )打印機一臺。采用激光打印機�？偩�(xiàn)打印機完成過(guò)程報警記錄、過(guò)程數據記錄、圖表生成等功能。網(wǎng)絡(luò )打印機完成各網(wǎng)絡(luò )設備所輸出的工藝信息、監控信息、管理圖表等。 設置UPS電源1臺，容量6KVA，停電應急時(shí)間不少于180分鐘。 2)大屏監視室 大屏監視室設置于52#建筑的J06房間。通過(guò)大屏監視器，可清楚看到各主要網(wǎng)絡(luò )工作站所監控的內容，如消防系統的運行狀態(tài)，門(mén)禁系統的設置狀況，現場(chǎng)工藝設備和HVAC系統設備的運行狀況，照明設備的開(kāi)啟與否以及重要的現場(chǎng)信息等。 3)分控室 分控室設于52#建筑的J05房間。分控室設置工藝設備監控站和現場(chǎng)設備運轉狀況監視器。工藝設備監控站監控PLC-7的控制內容，現場(chǎng)設備運轉狀況監視器將通過(guò)多種畫(huà)面組合顯示現場(chǎng)設備的實(shí)時(shí)運行狀況。 4)生產(chǎn)與市場(chǎng)管理——所長(cháng)辦公室監視器的設置 為使我所的領(lǐng)導們能夠及時(shí)觀(guān)察工藝流程的視頻畫(huà)面或調看相關(guān)生產(chǎn)數據和管理信息，將通過(guò)網(wǎng)絡(luò )在所長(cháng)辦公室設置監視器一臺，并配有相應的主機和激光打印機，將重要的生產(chǎn)工藝參數，生產(chǎn)進(jìn)度安排等其它相關(guān)的管理信息及時(shí)打印輸出和進(jìn)行歷史記錄。同時(shí)所長(cháng)可根據市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)和需求情況及時(shí)對網(wǎng)絡(luò )上各工作站發(fā)出相應的管理指令。 5)系統的維護與管理——系統管理工程師監視器的設置 系統管理工程師必須時(shí)刻掌握各網(wǎng)絡(luò )設備的運轉狀況并根據網(wǎng)絡(luò )設備的維護管理辦法進(jìn)行定期檢查和保養。因此，將通過(guò)網(wǎng)絡(luò )在辦公室設置監視器一臺，以供系統管理工程師隨時(shí)查詢(xún)各網(wǎng)絡(luò )設備的運轉狀況，同時(shí)通過(guò)監視器計算機可及時(shí)對各網(wǎng)絡(luò )工作站發(fā)布系統維護的相關(guān)通知或管理信息。 3、網(wǎng)絡(luò )結構與通訊 網(wǎng)絡(luò )系統采用開(kāi)放式總線(xiàn)拓撲結構。三層總線(xiàn)構成了獸醫所的FMCS系統。 現場(chǎng)控制層和過(guò)程監控層采用PROFIBUS通訊協(xié)議，它是作為德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現場(chǎng)總線(xiàn)標準。 工廠(chǎng)管理層采用工業(yè)以太網(wǎng)組成，通訊協(xié)議為T(mén)CP/IP，這樣便于系統集成和擴展。 網(wǎng)絡(luò )通訊設備的訂購和線(xiàn)路敷設由自控承包商和我所共同完成。所選設備與線(xiàn)路材料應滿(mǎn)足系統控制數據交換所必須的速率及可靠性，符合國家標準規定，并為將來(lái)系統的擴展留有余量。 三、結束語(yǔ) 在生物制藥行業(yè)采用了現場(chǎng)總線(xiàn)后可實(shí)現真正的分層、分布式結構，這種結構極大的提高了整個(gè)系統的可靠性，靈活性和可擴展性，符合生物制藥自動(dòng)化的發(fā)展趨勢。 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在生物制藥行業(yè)中有非常廣闊的應用前景,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。在國內外現場(chǎng)總線(xiàn)廠(chǎng)家和設計研究部門(mén)的共同努力下,基于現場(chǎng)總線(xiàn)的控制系統必將分系統、分階段地逐步取代現有的分散式控制系統,在未來(lái)定將成為我國生物制藥行業(yè)自動(dòng)化的主導設備。上述系統設計的站點(diǎn)多，PROFIBUS總線(xiàn)長(cháng)，用于生物制藥企業(yè)(實(shí)現模擬量的監控，比其他行業(yè)都要復雜些)，實(shí)現實(shí)時(shí)監控在國內并不多見(jiàn)。本文的主要貢獻在于建設基于PROFIBUS總線(xiàn)的控制網(wǎng)絡(luò )，并與IT網(wǎng)絡(luò )實(shí)現資源共享，無(wú)縫鏈接。經(jīng)過(guò)近兩年的使用，效果良好，達到了設計要求，大大提高了該企業(yè)的信息化水平和管理水平。 |
