基于現(xiàn)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(yīng)用

一、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是80年代末、90年代初國(guó)際上形成的，用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間的實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱(chēng)為開(kāi)放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。
現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)FCS稱(chēng)為第五代控制系統(tǒng)，人們一般把50年代前的氣動(dòng)信號(hào)控制系統(tǒng)PCS稱(chēng)作第一代，把4～20mA等電動(dòng)模擬信號(hào)控制系統(tǒng)稱(chēng)為第二代，把數(shù)字計(jì)算機(jī)集中式控制系統(tǒng)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(tǒng)DCS稱(chēng)作第四代?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)的局限，采用了基于公開(kāi)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(chǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)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(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備之間的互聯(lián)通信，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)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(guò)網(wǎng)關(guān)與企業(yè)的上級(jí)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(dòng)化系統(tǒng)的信息孤島創(chuàng)造了條件。

1.現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS的分類(lèi)
目前世界流行的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)及總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)有很多種，其中PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是歐洲標(biāo)準(zhǔn)，其產(chǎn)品在世界市場(chǎng)上已被普遍接受，在中國(guó)也組建了PROFIBUS現(xiàn)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(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一。
在獸研所疫苗工程的工廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，不涉及車(chē)間級(jí)通信任務(wù)和本安型過(guò)程自動(dòng)化，因此重點(diǎn)應(yīng)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(duì)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(tái)PLC-300，CPU為315-ZDP，涉及到的通訊處理器為組成現(xiàn)場(chǎng)級(jí)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(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)。由于其可做為CPU的遠(yuǎn)程分布式I/O，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與CPU的通信距離長(zhǎng)達(dá)1.2KM,因此可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況將具體為從站設(shè)置在控制設(shè)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(xiàn)場(chǎng)信號(hào)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(tǒng)中，冷站與動(dòng)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?jī)?nèi)，但還有相當(dāng)一部分現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)是在生產(chǎn)廠房的南端車(chē)間，如工藝溫度、壓力信號(hào)，和地下技術(shù)夾層，如冷站和4臺(tái)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?jī)?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(chǎng)信號(hào)先送到DP站處理，DP站通過(guò)總線(xiàn)連接與冷站內(nèi)的中央控制柜實(shí)現(xiàn)通訊。其間的通信距離約為120m，處理的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)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(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(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(guò)程圖象存儲(chǔ)在DPRAM內(nèi)（CP上的存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)主機(jī)的CPU負(fù)荷，提高計(jì)算機(jī)主機(jī)用于其他計(jì)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(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(yīng)用

1、系統(tǒng)綜述
本項(xiàng)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(qū)域和單元聯(lián)網(wǎng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）和PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)（用于現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域和單元網(wǎng)絡(luò)的國(guó)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(guò)程/現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)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(chǎng)控制層、過(guò)程監(jiān)控層、生產(chǎn)管理和市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)管理層。

1）現(xiàn)場(chǎng)控制層
PROFIBUS是一種用于過(guò)程自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，其靈活的網(wǎng)絡(luò)配置和對(duì)分布式I/O設(shè)備的總線(xiàn)連接方式使得控制系統(tǒng)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(tǒng)可靠性和系統(tǒng)功能大大提高。
PROFIBUS的通訊協(xié)議完全滿(mǎn)足規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的要求，它的開(kāi)放性允許來(lái)自不同制造商的標(biāo)準(zhǔn)化部件實(shí)現(xiàn)兼容和集成。
我所的現(xiàn)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(hào)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(hào)建筑空調(diào)冷站工藝?yán)湔竞蛣?dòng)力站的監(jiān)控任務(wù)。PLC-5為52號(hào)建筑的照明和變配電系統(tǒng)的控制單元。PLC-6將對(duì)53號(hào)建筑的空調(diào)機(jī)組和冷站進(jìn)行監(jiān)控。PLC-7為52號(hào)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(duì)我所空壓站、純水處理站、工業(yè)蒸汽、水塔等動(dòng)力設(shè)施的監(jiān)視或控制。
對(duì)懸浮培養(yǎng)、滅活、乳化、分裝等工藝過(guò)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(xiàn)上（此時(shí)要求這些工藝處理控制設(shè)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(shè)備接口滿(mǎn)足TCP/IP通訊協(xié)議）。

2）過(guò)程監(jiān)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(tǒng)的過(guò)程監(jiān)控層。
根據(jù)8個(gè)控制單元的不同功能，在PROFIBUS總線(xiàn)上設(shè)置了4個(gè)獨(dú)立操作站和1個(gè)WINCC服務(wù)器。4個(gè)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(duì)PLC-1～PLC-4，PLC6這5個(gè)控制單元，照明/變配電系統(tǒng)操作站針對(duì)PLC-5控制單元，工藝設(shè)備控制操作站針對(duì)PLC-7控制單元，能源監(jiān)視系統(tǒng)操作站針對(duì)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(bào)警信息處理、數(shù)據(jù)收發(fā)、記錄和曲線(xiàn)、圖表顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和報(bào)表生成、打印輸出等。
所有8個(gè)控制單元的數(shù)據(jù)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(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(lái)的規(guī)劃項(xiàng)目的升級(jí)，在PROFIBUS總線(xiàn)層上預(yù)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(jí)（BL4）實(shí)驗(yàn)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(chē)間改造網(wǎng)絡(luò)接口