現(xiàn)場(chǎng)總線 工業(yè)以太網(wǎng) 醫(yī)療 - 基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的工業(yè)以太網(wǎng)在生物制藥行業(yè)中的應(yīng)用

時(shí)間：2012-04-05 17:49:33    第一對(duì)焦：WINCC

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)自80年代末問(wèn)世，就出現(xiàn)了以不同實(shí)體倡導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)，典型代表有：基金會(huì)LONWOKS 、PROFIBUS 、CAN、HART等。其中PROFIBUS是由德國(guó)西門(mén)子公司提出并極力倡導(dǎo)，已經(jīng)先后成為德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EU50170。在中國(guó)也組建了PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線專業(yè)委員會(huì)。本文以西門(mén)子的PLC為例,以生物制藥工程為背景，闡述了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在生物制藥行業(yè)實(shí)際應(yīng)用中所解決的一些問(wèn)題。

　　一、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

　　現(xiàn)場(chǎng)總線是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(dòng)信號(hào)控制系統(tǒng)PCS稱作第一代，把4～20mA等電動(dòng)模擬信號(hào)控制系統(tǒng)稱為第二代，把數(shù)字計(jì)算機(jī)集中式控制系統(tǒng)稱為第三代，而把70年代中期以來(lái)的集散式分布控制系統(tǒng)DCS稱作第四代?，F(xiàn)場(chǎng)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(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)。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(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PROFIBUS的分類

　　目前世界流行的現(xiàn)場(chǎng)總線及總線標(biāo)準(zhǔn)有很多種，其中PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線是歐洲標(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)總線專業(yè)委員會(huì)，它是目前世界上最成功的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

　　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PROFIBUS DP slave 拼成主從式的I/O分布式PLC現(xiàn)場(chǎng)總線系統(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布線的成本，提高了工程施工效率，同時(shí)由于PROFIBUS－DP的總線循環(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(yùn)行的，它將過(guò)程圖象存儲(chǔ)在DP RAM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SIMATIC NET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（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(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。