引言：現(xiàn)場總線技術自80年代末問世，就出現(xiàn)了以不同實體倡導的標準，典型代表有：基 金會LONWOKS 、PROFIBUS 、CAN、HART等。其中PROFIBUS是由德國西門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(xiàn)場總線專業(yè)委員會。本文以西門子的PLC為例,以生物制藥工程為背景，闡述了現(xiàn)場總線技術在生物制藥行業(yè)實際應用中所解決的一些問題。
關鍵詞：現(xiàn)場總線；自動化控制系統(tǒng)；工業(yè)以太網(wǎng)
一、現(xiàn)場總線技術
現(xiàn)場總線是80年代末、90年代初國際上形成的，用于生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設備之間的實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡。
現(xiàn)場總線系統(tǒng)FCS稱為第五代控制系統(tǒng)，人們一般把50年代前的氣動信號控制系統(tǒng)PCS稱作第一代，把4～20mA等電動模擬信號控制系統(tǒng)稱為第二代，把數(shù)字計算機集中式控制系統(tǒng)稱為第三代，而把70年代中期以來的集散式分布控制系統(tǒng)DCS稱作第四代?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS作為新一代控制系統(tǒng)，一方面，突破了DCS系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡的局限，采用了基于公開化、標準化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中與分散相結合的集散系統(tǒng)結構，變成了新型全分布式結構，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場?，F(xiàn)場總線技術的出現(xiàn)，實現(xiàn)了工程自動化，制造自動化，信息采集自動化等領域的現(xiàn)場智能設備之間的互聯(lián)通信，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程現(xiàn)場控制設備與更高信息管理層互聯(lián)通信，此外，F(xiàn)CS還可以通過網(wǎng)關與企業(yè)的上級管理網(wǎng)絡相連，以便管理者掌握第一手資料，為決策提供依據(jù)。為徹底打破自動化系統(tǒng)的信息孤島創(chuàng)造了條件。
1. 現(xiàn)場總線PROFIBUS的分類
目前世界流行的現(xiàn)場總線及總線標準有很多種，其中PROFIBUS現(xiàn)場總線是歐洲標準，其產(chǎn)品在世界市場上已被普遍接受，在中國也組建了PROFIBUS現(xiàn)場總線專業(yè)委員會，它是目前世界上最成功的現(xiàn)場總線之一。
在獸研所疫苗工程的工廠自動化控制系統(tǒng)中，不涉及車間級通信任務和本安型過程自動化，因此重點應用PROFIBUS-DP。
2. 西門子S7-300系列PLC的 PROFIBUS有關產(chǎn)品。
西門子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(qū)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(xiàn)場級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(tǒng)接口的CP-5613?，F(xiàn)將其分述如下：
1）DP從站ET-200M
ET-200M以PROFIBUS DP slave 拼成主從式的I/O分布式PLC現(xiàn)場總線系統(tǒng)。由于其可做為CPU的遠程分布式I/O，通過現(xiàn)場總線與CPU的通信距離長達1.2KM,因此可根據(jù)現(xiàn)場實際情況將具體為從站設置在控制設備附近，然后通過總線與中央CPU相連通信。這樣做的最大好處就是大大減少了現(xiàn)場信號傳至中央控制柜的距離，降低了I/O布線的成本，提高了工程施工效率，同時由于PROFIBUS－DP的總線循環(huán)時間不到10ms，它的控制實時性決不會因此而降低，在獸研所疫苗工程PLC控制系統(tǒng)中，冷站與動力站位于生產(chǎn)廠房的最北端，主要工藝設備集中于北端的冷站機房內(nèi)，但還有相當一部分現(xiàn)場信號是在生產(chǎn)廠房的南端車間，如工藝溫度、壓力信號，和地下技術夾層，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內(nèi)，又在生產(chǎn)廠房南端的地下技術夾層設置其DP站ET200M，將所有有關的現(xiàn)場信號先送到DP站處理，DP站通過總線連接與冷站內(nèi)的中央控制柜實現(xiàn)通訊。其間的通信距離約為120m，處理的現(xiàn)場信號在50點左右，用ET200M遠程分布式I/O，很好的解決了這一問題，大大降低了工程施工成本。
2）CP342-5通訊處理器
CP342-5是連接西門子S7-300到PROFIBUS－DP總線系統(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。
3）CP-5613通訊處理器
CP5613用于在具有PCI槽內(nèi)的WINDOWS NT4.0（WINDOWS200）下，將SIMATIC PG/PC和AT兼容PC連接到PROFIBUS。由于CP5613是作為PROFIBUS－DP主站運行的，它將過程圖象存儲在DP RAM內(nèi)（CP上的存儲區(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)主機與S7300PLC 系統(tǒng)之間的通訊處理器。
二、現(xiàn)場總線技術和工業(yè)以太網(wǎng)在生物制藥行業(yè)中的應用
1、系統(tǒng)綜述
本項目自動化網(wǎng)絡主張采用西門子SIMATIC NET系列產(chǎn)品。整個網(wǎng)絡以工業(yè)以太網(wǎng)（用于區(qū)域和單元聯(lián)網(wǎng)的國際標準）和PROFIBUS現(xiàn)場總線（用于現(xiàn)場區(qū)域和單元網(wǎng)絡的國際標準）為重要組成部分，可完成工廠通訊，數(shù)據(jù)通訊和過程/現(xiàn)場自動化通訊等不同層次，不同性能的復雜聯(lián)網(wǎng)任務。
網(wǎng)絡系統(tǒng)共分為3層結構，分別為：現(xiàn)場控制層、過程監(jiān)控層、生產(chǎn)管理和市場經(jīng)營管理層。
1）現(xiàn)場控制層
PROFIBUS是一種用于過程自動化的現(xiàn)場總線技術，其靈活的網(wǎng)絡配置和對分布式I/O設備的總線連接方式使得控制系統(tǒng)在布線方面的工程成本大幅度降低，工程實施大大簡化，系統(tǒng)可靠性和系統(tǒng)功能大大提高。
PROFIBUS的通訊協(xié)議完全滿足規(guī)范化和標準化的要求，它的開放性允許來自不同制造商的標準化部件實現(xiàn)兼容和集成。
我所的現(xiàn)場I/O控制采用PROFIBUS-DP總線進行I/O分布式配置，共分8個PLC單元。PLC-1～PLC-3為52號建筑新風機組和空調(diào)機組的控制單元。PLC-4擔負著52號建筑空調(diào)冷站工藝冷站和動力站的監(jiān)控任務。PLC-5為52號建筑的照明和變配電系統(tǒng)的控制單元。PLC-6將對53號建筑的空調(diào)機組和冷站進行監(jiān)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(jiān)控單元，主要完成對我所空壓站、純水處理站、工業(yè)蒸汽、水塔等動力設施的監(jiān)視或控制。
對懸浮培養(yǎng)、滅活、乳化、分裝等工藝過程的監(jiān)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總線上（此時要求這些工藝處理控制設備接口滿足PROFIBUS通訊協(xié)議），或集成于工業(yè)以太網(wǎng)上（此時要求這些工藝處理控制設備接口滿足TCP/IP通訊協(xié)議）。
2）過程監(jiān)控層
上述8個控制單元全部掛接于PROFIBUS總線上，以完成與上位操作站或彼此之間的通訊處理，從而形成整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的過程監(jiān)控層。
根據(jù)8個控制單元的不同功能，在PROFIBUS總線上設置了4個獨立操作站和1個WINCC服務器。4個獨立操作站分別為：HVAC系統(tǒng)操作站、照明/變配電系統(tǒng)操作站、工藝設備控制操作站和能源監(jiān)控操作站。HVAC系統(tǒng)操作站針對PLC-1～PLC-4，PLC6這5個控制單元，照明/變配電系統(tǒng)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(jiān)視系統(tǒng)操作站針對PLC-8控制單元。這些操作站將安裝SIMATIC WINCC視窗控制中心以生成用戶所需的多種SCADA功能—工藝過程圖形、報警信息處理、數(shù)據(jù)收發(fā)、記錄和曲線、圖表顯示、數(shù)據(jù)存儲和報表生成、打印輸出等。
所有8個控制單元的數(shù)據(jù)信息將通過WINCC服務器傳輸至工業(yè)以太網(wǎng)的相關數(shù)據(jù)服務器中，以供系統(tǒng)的全集成使用。
考慮到我所未來的規(guī)劃項目的升級，在PROFIBUS總線層上預留了以下系統(tǒng)的網(wǎng)絡接口：
新建變配電站網(wǎng)絡接口
生物安全四級（BL4）實驗室網(wǎng)絡接口
鍋爐房監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡接口
現(xiàn)有GMP車間改造網(wǎng)絡接口
3）生產(chǎn)與市場管理層
我所的生產(chǎn)調(diào)度、計劃、庫存、人事、財務、銷售以及市場決策等構成工廠信息的管理層，并在這些部門間實現(xiàn)辦公自動化。
SIMATIC NET是一種IT網(wǎng)絡。由于其數(shù)據(jù)通訊采用了TCP/IP協(xié)議，因此整個工業(yè)控制系統(tǒng)的各主要部分可經(jīng)過工業(yè)以太網(wǎng)集成到辦公自動化環(huán)境中，實現(xiàn)了辦公自動化與工業(yè)環(huán)境下自動化系統(tǒng)的無縫集成。
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(jiān)控系統(tǒng)工作站、消防系統(tǒng)工作站、門禁系統(tǒng)工作站、設備現(xiàn)場監(jiān)控工作站與上述的工藝過程監(jiān)控系統(tǒng)服務器一起進行系統(tǒng)全集成。為此，在工業(yè)以太網(wǎng)上將設置數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡管理服務器。
無論是現(xiàn)在還是將來，電子郵件和瀏覽器將作為廣泛實施的通訊工具被應用在辦公環(huán)境中。按照本設計的網(wǎng)絡結構，我所的辦公自動化水平不僅局限于電子郵件和瀏覽器的使用，同時經(jīng)過ISDN（Integrated Service Digital Network）以及Internet 上的電話連接可實現(xiàn)與WAN（廣域網(wǎng)）的連接功能，使異地辦公、異地管理成為可能，這將為我所在未來的市場競爭中提供快速準確的全球性信息服務。
2、網(wǎng)絡系統(tǒng)設置及設備選型
1）主控室工作站
主控室網(wǎng)絡設備包括消防系統(tǒng)工作站，門禁系統(tǒng)工作站，設備現(xiàn)場監(jiān)控操作站，及其過程監(jiān)控層使用的HVAC系統(tǒng)操作站、照明/配電系統(tǒng)操作站及能源監(jiān)視操作站。該工作站設置在52#建筑的軸向（B-C）-橫向（2，3）上技術夾層辦公室內(nèi)，進行集中布置。
上述工作站的計算機配置為：奔騰Ⅲ-500MHZ以上CPU，64MB以上內(nèi)存，4.3Gb以上硬盤，1.44MB軟驅，17寸或21寸彩顯，配鼠標器鍵盤等附件。
在過程監(jiān)控層PROFIBUS總線上和工業(yè)以太網(wǎng)上各設網(wǎng)絡打印機一臺。采用激光打印機。總線打印機完成過程報警記錄、過程數(shù)據(jù)記錄、圖表生成等功能。網(wǎng)絡打印機完成各網(wǎng)絡設備所輸出的工藝信息、監(jiān)控信息、管理圖表等。
設置UPS電源1臺，容量6KVA，停電應急時間不少于180分鐘。
2）大屏監(jiān)視室
大屏監(jiān)視室設置于52#建筑的J06房間。通過大屏監(jiān)視器，可清楚看到各主要網(wǎng)絡工作站所監(jiān)控的內(nèi)容，如消防系統(tǒng)的運行狀態(tài)，門禁系統(tǒng)的設置狀況，現(xiàn)場工藝設備和HVAC系統(tǒng)設備的運行狀況，照明設備的開啟與否以及重要的現(xiàn)場信息等。
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(jiān)控站和現(xiàn)場設備運轉狀況監(jiān)視器。工藝設備監(jiān)控站監(jiān)控PLC-7的控制內(nèi)容，現(xiàn)場設備運轉狀況監(jiān)視器將通過多種畫面組合顯示現(xiàn)場設備的實時運行狀況。
4）生產(chǎn)與市場管理——所長辦公室監(jiān)視器的設置
為使我所的領導們能夠及時觀察工藝流程的視頻畫面或調(diào)看相關生產(chǎn)數(shù)據(jù)和管理信息，將通過網(wǎng)絡在所長辦公室設置監(jiān)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(shù)，生產(chǎn)進度安排等其它相關的管理信息及時打印輸出和進行歷史記錄。同時所長可根據(jù)市場經(jīng)營和需求情況及時對網(wǎng)絡上各工作站發(fā)出相應的管理指令。
5）系統(tǒng)的維護與管理——系統(tǒng)管理工程師監(jiān)視器的設置
系統(tǒng)管理工程師必須時刻掌握各網(wǎng)絡設備的運轉狀況并根據(jù)網(wǎng)絡設備的維護管理辦法進行定期檢查和保養(yǎng)。因此，將通過網(wǎng)絡在辦公室設置監(jiān)視器一臺，以供系統(tǒng)管理工程師隨時查詢各網(wǎng)絡設備的運轉狀況，同時通過監(jiān)視器計算機可及時對各網(wǎng)絡工作站發(fā)布系統(tǒng)維護的相關通知或管理信息。
3、網(wǎng)絡結構與通訊
網(wǎng)絡系統(tǒng)采用開放式總線拓撲結構。三層總線構成了獸醫(yī)所的FMCS系統(tǒng)。
現(xiàn)場控制層和過程監(jiān)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(xiàn)場總線標準。
工廠管理層采用工業(yè)以太網(wǎng)組成，通訊協(xié)議為TCP/IP，這樣便于系統(tǒng)集成和擴展。
網(wǎng)絡通訊設備的訂購和線路敷設由自控承包商和我所共同完成。所選設備與線路材料應滿足系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)交換所必須的速率及可靠性，符合國家標準規(guī)定，并為將來系統(tǒng)的擴展留有余量。
三、結束語
在生物制藥行業(yè)采用了現(xiàn)場總線后可實現(xiàn)真正的分層、分布式結構，這種結構極大的提高了整個系統(tǒng)的可靠性，靈活性和可擴展性，符合生物制藥自動化的發(fā)展趨勢。
現(xiàn)場總線技術在生物制藥行業(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(nèi)外現(xiàn)場總線廠家和設計研究部門的共同努力下 ,基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)必將分系統(tǒng)、分階段地逐步取代現(xiàn)有的分散式控制系統(tǒng) ,在未來定將成為我國生物制藥行業(yè)自動化的主導設備。上述系統(tǒng)設計的站點多，PROFIBUS總線長，用于生物制藥企業(yè)（實現(xiàn)模擬量的監(jiān)控，比其他行業(yè)都要復雜些），實現(xiàn)實時監(jiān)控在國內(nèi)并不多見。本文的主要貢獻在于建設基于PROFIBUS總線的控制網(wǎng)絡，并與IT網(wǎng)絡實現(xiàn)資源共享，無縫鏈接。經(jīng)過近兩年的使用，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。
參考文獻：
《現(xiàn)場總線技術及其應用》 清華大學出版社出版
《智能建筑》 清華大學出版社出版
《SIMATIC NET工業(yè)通訊網(wǎng)絡》 SIEMENS技術資料
《SIMATIC NET現(xiàn)場總線》 SIEMENS技術資料
《SIMATIC S7-300》 SIEMENS技術資料
《Cisco 產(chǎn)品介紹》 Cisco技術資料
