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PROFIBUSDPslave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WINDOWSNT4.0（WINDOWS200）下，将SIMATICPG/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DPRAM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SIMATICNET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）。