西门子SIMATICNET系列产品在生物制药行业的应用

自从现场总线技术在20世纪80年代末问世以来，已经有了不同实体所倡导的标准，如LONWOKS、PROFIBUS、CAN、HART等。其中，PROFIBUS由德国西门子提出并大力提倡，已成为德国国家标准DIN19245和欧洲标准EU50170。中国也成立了现场总线专业委员会。以西门子PLC为例，以生物制药工程为背景，阐述了现场总线技术在生物制药行业实际应用中解决的一些问题。

一、现场总线技术

现场总线于20世纪80年代末和90年代初在国际上形成。用于实现生产现场微机测控设备之间的双向串行多节点数字通信，又称开放式、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，20世纪50年代以前的气动信号控制系统PCS一般称为第一代，4 ~ 20mA电模拟信号控制系统称为第二代，数字计算机集控系统称为第三代，70年代中期以来的集散控制系统DCS称为第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面突破了集散控制系统使用专用通信网络的局限性，采用了基于开放和标准化的解决方案，克服了封闭系统带来的缺陷；另一方面，集散控制系统的集中和分散相结合的分布式系统结构成为一种新的全分布式结构，控制功能已经完全分散到现场。随着现场总线技术的出现，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和通信。实现了生产过程中现场控制设备与更高信息管理层之间的互联互通。此外，FCS还可以通过网关与企业的上级管理网络连接，让管理者掌握第一手信息，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.现场总线的分类

目前，世界上有许多流行的现场总线和总线标准，其中PROFIBUS现场总线是一种欧洲标准，其产品已被世界市场广泛接受。中国也成立了现场总线专业委员会，是世界上最成功的现场总线之一。

在兽医研究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质安全过程自动化，所以主要采用PROFIBUS-DP。

2.西门子S7-300系列PLC的PROFIBUS相关产品。

西门子PLC为PROFIBUS通信提供多种CP通信功能模块。根据兽医研究所口蹄疫疫苗项目的具体情况，按区域和功能选择了7台CPU 315-ZDP的PLC-300，涉及的通信处理器为构成现场级PROFIBUS的DP从站ET200M。CP342-5用于PLC与人机界面的通讯；CP-5613用于PROFIBUS-PA至PG/PC系统接口。现在分为以下几个部分：

1)DP从站ET-200M

由于可以作为CPU的远程分布式I/O，与CPU的通信距离长达1.2KM，可以根据现场实际情况在控制设备附近设置从站，然后通过总线与中央CPU进行通信。这样做最大的好处是大大减少了现场信号到中央控制柜的距离，降低了I/O布线的成本，提高了施工效率。同时，由于PROFIBUS-DP的总线周期时间小于10ms，其实时控制永远不会减少。兽医研究所疫苗工程PLC控制系统中，冷站和电站位于生产厂最北端，主要工艺设备集中在北端冷站房。然而，相当一部分现场信号是在生产厂南端的车间，如过程温度和压力信号，以及地下技术夹层，如冷站和四个冷却水泵。为了解决这个矛盾，为了在北端的冷站机房设置PLC的CPU中央控制柜，并将其DP站ET200M设置在生产厂南端的地下技术夹层内，所有相关的现场信号都发送到DP站进行处理，DP站通过总线连接与冷站的中央控制柜进行通信。两者通讯距离约120m，处理的场信号约50点。ET200M远程分布式I/O很好地解决了这个问题，大大降低了工程建设成本。

2)CP342-5通信处理器

CP342-5是连接西门子S7-300和PROFIBUS-DP总线系统的通信处理器。可作为DP主从站，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。在疫苗工程的可编程控制器控制系统中，主要服务于S7-300与人机界面系统之间的通信网络。

3)CP-5613通信处理器

CP5613用于将SIMATICPG/PC和AT兼容PC连接到带PCI插槽的WINDOWSNT4.0(WINDOWS200)下的PROFIBUS。由于CP5613作为PROFIBUS-DP主站运行，将过程图像存储在DPRAM(CP上的存储区)中，硬件自主处理高性能数据传输，因此可以降低主机的CPU负载，提高主机对其他计算机或网络处理器的性能。在兽医研究所口蹄疫疫苗项目的可编程控制器控制系统中，它作为人机界面/监控系统上位机与s 7300可编程控制器系统之间的通信处理器。

二、现场总线技术和工业以太网在生物制药行业的应用

1.系统概况

本项目自动化网络倡导西门子SIMATICNET系列产品。整个网络由工业以太网(区域和单元组网国际标准)和PROFIBUS现场总线(现场区域和单元组网国际标准)组成，可以完成工厂通信、数据通信、过程/现场自动化通信等不同层次、不同性能的复杂组网任务。

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SIMATICWINCC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：

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。

SIMATICNET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（IntegratedServiceDigitalNetwork）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。

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