基于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的工業(yè)以太網(wǎng)在生物制藥行業(yè)中的應用

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