基于现场总线技术的工业以太网在生物制药行业中的应用

一、现场总线技术

现场总线是80年代末、90年代初国际上形成的，用于生产现场、在微机化测量控制设备之间的实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。
现场总线系统FCS称为第五代控制系统，人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把4～20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。现场总线技术的出现，实现了工程自动化，制造自动化，信息采集自动化等领域的现场智能设备之间的互联通信，实现了生产过程现场控制设备与更高信息管理层互联通信，此外，FCS还可以通过网关与企业的上级管理网络相连，以便管理者掌握第一手资料，为决策提供依据。为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。

1. 现场总线PROFIBUS的分类
目前世界流行的现场总线及总线标准有很多种，其中PROFIBUS现场总线是欧洲标准，其产品在世界市场上已被普遍接受，在中国也组建了PROFIBUS现场总线专业委员会，它是目前世界上最成功的现场总线之一。
在兽研所疫苗工程的工厂自动化控制系统中，不涉及车间级通信任务和本安型过程自动化，因此重点应用PROFIBUS-DP。

2. 西门子S7-300系列PLC的 PROFIBUS有关产品。
西门子PLC为PROFIBUS通信提供了多种CP通讯功能模块，针对兽研所口蹄疫疫苗工程的具体情况，分区域、分功能选用了7台PLC-300，CPU为315-ZDP，涉及到的通讯处理器为组成现场级PROFIBUS的DP从站ET200M；用于PLC之间通讯及人机接口的CP342-5; 用于PROFIBUS-PA到PG/PC系统接口的CP-5613。现将其分述如下：

1）DP从站ET-200M
ET-200M以PROFIBUS DP slave 拼成主从式的I/O分布式PLC现场总线系统。由于其可做为CPU的远程分布式I/O，通过现场总线与CPU的通信距离长达1.2KM,因此可根据现场实际情况将具体为从站设置在控制设备附近，然后通过总线与中央CPU相连通信。这样做的最大好处就是大大减少了现场信号传至中央控制柜的距离，降低了I/O布线的成本，提高了工程施工效率，同时由于PROFIBUS－DP的总线循环时间不到10ms，它的控制实时性决不会因此而降低，在兽研所疫苗工程PLC控制系统中，冷站与动力站位于生产厂房的最北端，主要工艺设备集中于北端的冷站机房内，但还有相当一部分现场信号是在生产厂房的南端车间，如工艺温度、压力信号，和地下技术夹层，如冷站和4台冷却水泵。为了解决这一矛盾，为将PLC的CPU中央控制柜设置在北端的冷站机房内，又在生产厂房南端的地下技术夹层设置其DP站ET200M，将所有有关的现场信号先送到DP站处理，DP站通过总线连接与冷站内的中央控制柜实现通讯。其间的通信距离约为120m，处理的现场信号在50点左右，用ET200M远程分布式I/O，很好的解决了这一问题，大大降低了工程施工成本。

2）CP342-5通讯处理器
CP342-5是连接西门子S7-300到PROFIBUS－DP总线系统的通讯处理器，他可作为DP主站式从站为系统提供PROFIBUS－DP、S7通讯、S5单元通讯，编程器和HMI系统通讯等功能，在疫苗工程的PLC控制系统中，它主要为S7-300与HMI系统的通讯组网服务。

3）CP-5613通讯处理器
CP5613用于在具有PCI槽内的WINDOWS NT4.0（WINDOWS200）下，将SIMATIC PG/PC和AT兼容PC连接到PROFIBUS。由于CP5613是作为PROFIBUS－DP主站运行的，它将过程图象存储在DP  RAM内（CP上的存储区），且硬件自律地处理高性能的数据传输，因此其可减轻计算机主机的CPU负荷，提高计算机主机用于其他计算机或网络处理器的性能，在兽研所口蹄疫疫苗工程的PLC控制系统中，将其作为HMI/SCADA系统主机与S7300PLC 系统之间的通讯处理器。

二、现场总线技术和工业以太网在生物制药行业中的应用

1、系统综述
本项目自动化网络主张采用西门子SIMATIC NET系列产品。整个网络以工业以太网（用于区域和单元联网的国际标准）和PROFIBUS现场总线（用于现场区域和单元网络的国际标准）为重要组成部分，可完成工厂通讯，数据通讯和过程/现场自动化通讯等不同层次，不同性能的复杂联网任务。
网络系统共分为3层结构，分别为：现场控制层、过程监控层、生产管理和市场经营管理层。

1）现场控制层
PROFIBUS是一种用于过程自动化的现场总线技术，其灵活的网络配置和对分布式I/O设备的总线连接方式使得控制系统在布线方面的工程成本大幅度降低，工程实施大大简化，系统可靠性和系统功能大大提高。
PROFIBUS的通讯协议完全满足规范化和标准化的要求，它的开放性允许来自不同制造商的标准化部件实现兼容和集成。
我所的现场I/O控制采用PROFIBUS-DP总线进行I/O分布式配置，共分8个PLC单元。PLC-1～PLC-3为52号建筑新风机组和空调机组的控制单元。PLC-4担负着52号建筑空调冷站工艺冷站和动力站的监控任务。PLC-5为52号建筑的照明和变配电系统的控制单元。PLC-6将对53号建筑的空调机组和冷站进行监控。PLC-7为52号建筑的工艺设备控制单元，主要控制设备有：转瓶机、灭菌柜，干燥箱等。PLC-8为能源监控单元，主要完成对我所空压站、纯水处理站、工业蒸汽、水塔等动力设施的监视或控制。
对悬浮培养、灭活、乳化、分装等工艺过程的监视或控制，将视我所配置的工艺处理控制设备通讯接口状况，或集成于PLC-7的PROFIBUS-DP总线上（此时要求这些工艺处理控制设备接口满足PROFIBUS通讯协议），或集成于工业以太网上（此时要求这些工艺处理控制设备接口满足TCP/IP通讯协议）。

2）过程监控层
上述8个控制单元全部挂接于PROFIBUS总线上，以完成与上位操作站或彼此之间的通讯处理，从而形成整个网络系统的过程监控层。
根据8个控制单元的不同功能，在PROFIBUS总线上设置了4个独立操作站和1个WINCC服务器。4个独立操作站分别为：HVAC系统操作站、照明/变配电系统操作站、工艺设备控制操作站和能源监控操作站。HVAC系统操作站针对PLC-1～PLC-4，PLC6这5个控制单元，照明/变配电系统操作站针对PLC-5控制单元，工艺设备控制操作站针对PLC-7控制单元，能源监视系统操作站针对PLC-8控制单元。这些操作站将安装SIMATIC WINCC视窗控制中心以生成用户所需的多种SCADA功能—工艺过程图形、报警信息处理、数据收发、记录和曲线、图表显示、数据存储和报表生成、打印输出等。
所有8个控制单元的数据信息将通过WINCC服务器传输至工业以太网的相关数据服务器中，以供系统的全集成使用。
考虑到我所未来的规划项目的升级，在PROFIBUS总线层上预留了以下系统的网络接口：
新建变配电站网络接口
生物安全四级（BL4）实验室网络接口
锅炉房监控系统网络接口
现有GMP车间改造网络接口[page]

3）生产与市场管理层
我所的生产调度、计划、库存、人事、财务、销售以及市场决策等构成工厂信息的管理层，并在这些部门间实现办公自动化。
SIMATIC NET是一种IT网络。由于其数据通讯采用了TCP/IP协议，因此整个工业控制系统的各主要部分可经过工业以太网集成到办公自动化环境中，实现了办公自动化与工业环境下自动化系统的无缝集成。
工业以太网（亦即Intranet）以TCP/IP通讯协议为基础，将该项目中的所有监控系统工作站、消防系统工作站、门禁系统工作站、设备现场监控工作站与上述的工艺过程监控系统服务器一起进行系统全集成。为此，在工业以太网上将设置数据库和网络管理服务器。
无论是现在还是将来，电子邮件和浏览器将作为广泛实施的通讯工具被应用在办公环境中。按照本设计的网络结构，我所的办公自动化水平不仅局限于电子邮件和浏览器的使用，同时经过ISDN（Integrated Service Digital Network）以及Internet 上的电话连接可实现与WAN（广域网）的连接功能，使异地办公、异地管理成为可能，这将为我所在未来的市场竞争中提供快速准确的全球性信息服务。

2、网络系统设置及设备选型

1）主控室工作站
主控室网络设备包括消防系统工作站，门禁系统工作站，设备现场监控操作站，及其过程监控层使用的HVAC系统操作站、照明/配电系统操作站及能源监视操作站。该工作站设置在52#建筑的轴向（B-C）-横向（2，3）上技术夹层办公室内，进行集中布置。
上述工作站的计算机配置为：奔腾Ⅲ-500MHZ以上CPU，64MB以上内存，4.3Gb以上硬盘，1.44MB软驱，17寸或21寸彩显，配鼠标器键盘等附件。
在过程监控层PROFIBUS总线上和工业以太网上各设网络打印机一台。采用激光打印机。总线打印机完成过程报警记录、过程数据记录、图表生成等功能。网络打印机完成各网络设备所输出的工艺信息、监控信息、管理图表等。
设置UPS电源1台，容量6KVA，停电应急时间不少于180分钟。

2）大屏监视室
大屏监视室设置于52#建筑的J06房间。通过大屏监视器，可清楚看到各主要网络工作站所监控的内容，如消防系统的运行状态，门禁系统的设置状况，现场工艺设备和HVAC系统设备的运行状况，照明设备的开启与否以及重要的现场信息等。

3）分控室
分控室设于52#建筑的J05房间。分控室设置工艺设备监控站和现场设备运转状况监视器。工艺设备监控站监控PLC-7的控制内容，现场设备运转状况监视器将通过多种画面组合显示现场设备的实时运行状况。

4）生产与市场管理——所长办公室监视器的设置
为使我所的领导们能够及时观察工艺流程的视频画面或调看相关生产数据和管理信息，将通过网络在所长办公室设置监视器一台，并配有相应的主机和激光打印机，将重要的生产工艺参数，生产进度安排等其它相关的管理信息及时打印输出和进行历史记录。同时所长可根据市场经营和需求情况及时对网络上各工作站发出相应的管理指令。

5）系统的维护与管理——系统管理工程师监视器的设置
系统管理工程师必须时刻掌握各网络设备的运转状况并根据网络设备的维护管理办法进行定期检查和保养。因此，将通过网络在办公室设置监视器一台，以供系统管理工程师随时查询各网络设备的运转状况，同时通过监视器计算机可及时对各网络工作站发布系统维护的相关通知或管理信息。

3、网络结构与通讯
网络系统采用开放式总线拓扑结构。三层总线构成了兽医所的FMCS系统。
现场控制层和过程监控层采用PROFIBUS通讯协议，它是作为德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。
工厂管理层采用工业以太网组成，通讯协议为TCP/IP，这样便于系统集成和扩展。

网络通讯设备的订购和线路敷设由自控承包商和我所共同完成。所选设备与线路材料应满足系统控制数据交换所必须的速率及可靠性，符合国家标准规定，并为将来系统的扩展留有余量。

三、结束语

在生物制药行业采用了现场总线后可实现真正的分层、分布式结构，这种结构极大的提高了整个系统的可靠性，灵活性和可扩展性，符合生物制药自动化的发展趋势。
现场总线技术在生物制药行业中有非常广阔的应用前景 ,特别是在当今新建项目中能在可靠性、高精度、经济性等诸多方面获得最大的效益。在国内外现场总线厂家和设计研究部门的共同努力下 ,基于现场总线的控制系统必将分系统、分阶段地逐步取代现有的分散式控制系统 ,在未来定将成为我国生物制药行业自动化的主导设备。上述系统设计的站点多，PROFIBUS总线长，用于生物制药企业（实现模拟量的监控，比其他行业都要复杂些），实现实时监控在国内并不多见。本文的主要贡献在于建设基于PROFIBUS总线的控制网络，并与IT网络实现资源共享，无缝链接。经过近两年的使用，效果良好，达到了设计要求，大大提高了该企业的信息化水平和管理水平。 

参考文献：

《现场总线技术及其应用》      清华大学出版社出版
《智能建筑》                   清华大学出版社出版
《SIMATIC NET工业通讯网络》  SIEMENS技术资料
《SIMATIC NET现场总线》      SIEMENS技术资料
《SIMATIC S7-300》            SIEMENS技术资料      
《Cisco 产品介绍》             Cisco技术资料