現場總線技術自80年代末問世，就出現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並極力倡導，已經先後成為德國國家標準DIN19245和歐洲標準EU50170。在中國也組建了PROFIBUS現場總線專業委員會。本文以西門子的PLC為例,以生物製藥工程為背景
，闡述了現場總線技術在生物製藥行業實際應用中所解決的一些問題。

　　一、現場總線技術

　　現場總線是80年代末
、90年代初國際上形成的

，用於生產現場
、在微機化測量控製設備之間的實現雙向串行多節點數字通信的係統，也被稱為開放式

、數字化
、多點通信的底層控製網絡。

　　現場總線係統FCS稱為第五代控製係統，人們一般把50年代前的氣動信號控製係統PCS稱作第一代
，把4～20mA等電動模擬信號控製係統稱為第二代，把數字計算機集中式控製係統稱為第三代，而把70年代中期以來的集散式分布控製係統DCS稱作第四代。現場總線控製係統FCS作為新一代控製係統，一方麵
，突破了DCS係統采用通信專用網絡的局限，采用了基於公開化、標準化的解決方案，克服了封閉係統所造成的缺陷
；另一方麵把DCS的(de)集(ji)中(zhong)與(yu)分(fen)散(san)相(xiang)結(jie)合(he)的(de)集(ji)散(san)係(xi)統(tong)結(jie)構(gou)，變(bian)成(cheng)了(le)新(xin)型(xing)全(quan)分(fen)布(bu)式(shi)結(jie)構(gou)，把(ba)控(kong)製(zhi)功(gong)能(neng)徹(che)底(di)下(xia)放(fang)到(dao)現(xian)場(chang)。現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)技(ji)術(shu)的(de)出(chu)現(xian)


，實(shi)現(xian)了(le)工(gong)程(cheng)自(zi)動(dong)化(hua)
，製(zhi)造(zao)自(zi)動(dong)化(hua)
，信(xin)息(xi)采(cai)集(ji)自(zi)動(dong)化(hua)等(deng)領(ling)域(yu)的(de)現(xian)場(chang)智(zhi)能(neng)設(she)備(bei)之(zhi)間(jian)的(de)互(hu)聯(lian)通(tong)信(xin)，實(shi)現(xian)了(le)生(sheng)產(chan)過(guo)程(cheng)現(xian)場(chang)控(kong)製(zhi)設(she)備(bei)與(yu)更(geng)高(gao)信(xin)息(xi)管(guan)理(li)層(ceng)互(hu)聯(lian)通(tong)信(xin)，此(ci)外(wai)，FCShaikeyitongguowangguanyuqiyedeshangjiguanliwangluoxianglian

，yibianguanlizhezhangwodiyishouziliao，weijuecetigongyiju。weichedidapozidonghuaxitongdexinxigudaochuangzaoletiaojian。

　　1. 現場總線PROFIBUS的分類

　　目前世界流行的現場總線及總線標準有很多種，其中PROFIBUS現場總線是歐洲標準，其產品在世界市場上已被普遍接受
，在中國也組建了PROFIBUS現場總線專業委員會，它是目前世界上最成功的現場總線之一。

　　在獸研所疫苗工程的工廠自動化控製係統中，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係列PLC的 PROFIBUS有關產品。

　　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
，分區域
、分功能選用了7台PLC-300，CPU為315-ZDP，涉及到的通訊處理器為組成現場級PROFIBUS的DP從站ET200M；用於PLC之間通訊及人機接口的CP342-5; 用於PROFIBUS-PA到PG/PC係統接口的CP-5613。現將其分述如下：

　　1）DP從站ET-200M

　　ET-200M以PROFIBUS DP slave 拚成主從式的I/O分布式PLC現場總線係統。由於其可做為CPU的遠程分布式I/O，通過現場總線與CPU的通信距離長達1.2KM,因此可根據現場實際情況將具體為從站設置在控製設備附近，然後通過總線與中央CPU相連通信。這樣做的最大好處就是大大減少了現場信號傳至中央控製櫃的距離，降低了I/O布線的成本，提高了工程施工效率，同時由於PROFIBUS－DP的總線循環時間不到10ms
，它的控製實時性決不會因此而降低
，在獸研所疫苗工程PLC控kong製zhi係xi統tong中zhong，冷leng站zhan與yu動dong力li站zhan位wei於yu生sheng產chan廠chang房fang的de最zui北bei端duan，主zhu要yao工gong藝yi設she備bei集ji中zhong於yu北bei端duan的de冷leng站zhan機ji房fang內nei

，但dan還hai有you相xiang當dang一yi部bu分fen現xian場chang信xin號hao是shi在zai生sheng產chan廠chang房fang的de南nan端duan車che間jian
，如ru工gong藝yi溫wen度du
、壓力信號，和地下技術夾層，如冷站和4台冷卻水泵。為了解決這一矛盾，為將PLC的CPU中央控製櫃設置在北端的冷站機房內
，又在生產廠房南端的地下技術夾層設置其DP站ET200M，將所有有關的現場信號先送到DP站處理
，DP站通過總線連接與冷站內的中央控製櫃實現通訊。其間的通信距離約為120m

，處理的現場信號在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總線係統的通訊處理器，他可作為DP主站式從站為係統提供PROFIBUS－DP、S7通訊
、S5單元通訊，編程器和HMI係統通訊等功能，在疫苗工程的PLC控製係統中
，它主要為S7-300與HMI係統的通訊組網服務。

　　3）CP-5613通訊處理器

　　CP5613用於在具有PCI槽內的WINDOWS NT4.0（WINDOWS200）下，將SIMATIC PG/PC和AT兼容PC連接到PROFIBUS。由於CP5613是作為PROFIBUS－DP主站運行的，它將過程圖象存儲在DP RAM內（CP上的存儲區），且硬件自律地處理高性能的數據傳輸，因此其可減輕計算機主機的CPU負荷，提高計算機主機用於其他計算機或網絡處理器的性能，在獸研所口蹄疫疫苗工程的PLC控製係統中
，將其作為HMI/SCADA係統主機與S7300PLC 係統之間的通訊處理器。

　　二、現場總線技術和工業以太網在生物製藥行業中的應用

　　1、係統綜述

　　本項目自動化網絡主張采用西門子SIMATIC NET係列產品。整個網絡以工業以太網（用於區域和單元聯網的國際標準）和PROFIBUS現場總線（用於現場區域和單元網絡的國際標準）為重要組成部分
，可完成工廠通訊，數據通訊和過程/現場自動化通訊等不同層次
，不同性能的複雜聯網任務。

　　網絡係統共分為3層結構，分別為：現場控製層、過程監控層、生產管理和市場經營管理層。

　　1）現場控製層

　　PROFIBUS是一種用於過程自動化的現場總線技術，其靈活的網絡配置和對分布式I/O設備的總線連接方式使得控製係統在布線方麵的工程成本大幅度降低
，工程實施大大簡化，係統可靠性和係統功能大大提高。

　　PROFIBUS的通訊協議完全滿足規範化和標準化的要求，它的開放性允許來自不同製造商的標準化部件實現兼容和集成。

　　我所的現場I/O控製采用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號建築新風機組和空調機組的控製單元。PLC-4擔負著52號建築空調冷站工藝冷站和動力站的監控任務。PLC-5為52號建築的照明和變配電係統的控製單元。PLC-6將對53號建築的空調機組和冷站進行監控。PLC-7為52號建築的工藝設備控製單元
，主要控製設備有：轉瓶機、滅菌櫃，幹燥箱等。PLC-8為能源監控單元，主要完成對我所空壓站
、純水處理站、工業蒸汽、水塔等動力設施的監視或控製。

　　對懸浮培養、滅活、乳化、分裝等工藝過程的監視或控製
，將視我所配置的工藝處理控製設備通訊接口狀況，或集成於PLC-7的PROFIBUS-DP總線上（此時要求這些工藝處理控製設備接口滿足PROFIBUS通訊協議），或集成於工業以太網上（此時要求這些工藝處理控製設備接口滿足TCP/IP通訊協議）。

　　2）過程監控層

　　上述8個控製單元全部掛接於PROFIBUS總線上，以完成與上位操作站或彼此之間的通訊處理
，從而形成整個網絡係統的過程監控層。

　　根據8個控製單元的不同功能，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係統操作站、照明/變配電係統操作站、工藝設備控製操作站和能源監控操作站。HVAC係統操作站針對PLC-1～PLC-4
，PLC6這5個控製單元，照明/變配電係統操作站針對PLC-5控製單元
，工藝設備控製操作站針對PLC-7控製單元，能源監視係統操作站針對PLC-8控製單元。這些操作站將安裝SIMATIC WINCC視窗控製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、數據收發
、記錄和曲線、圖表顯示
、數據存儲和報表生成、打印輸出等。

　　所有8個控製單元的數據信息將通過WINCC服務器傳輸至工業以太網的相關數據服務器中，以供係統的全集成使用。

　　考慮到我所未來的規劃項目的升級
，在PROFIBUS總線層上預留了以下係統的網絡接口：

　　新建變配電站網絡接口

　　生物安全四級（BL4）實驗室網絡接口

　　鍋爐房監控係統網絡接口

　　現有GMP車間改造網絡接口

　　3）生產與市場管理層

　　我所的生產調度、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，並在這些部門間實現辦公自動化。

　　SIMATIC NET是一種IT網絡。由於其數據通訊采用了TCP/IP協(xie)議(yi)
，因(yin)此(ci)整(zheng)個(ge)工(gong)業(ye)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)各(ge)主(zhu)要(yao)部(bu)分(fen)可(ke)經(jing)過(guo)工(gong)業(ye)以(yi)太(tai)網(wang)集(ji)成(cheng)到(dao)辦(ban)公(gong)自(zi)動(dong)化(hua)環(huan)境(jing)中(zhong)，實(shi)現(xian)了(le)辦(ban)公(gong)自(zi)動(dong)化(hua)與(yu)工(gong)業(ye)環(huan)境(jing)下(xia)自(zi)動(dong)化(hua)係(xi)統(tong)的(de)無(wu)縫(feng)集(ji)成(cheng)。

　　工業以太網（亦即Intranet）以TCP/IP通訊協議為基礎，將該項目中的所有監控係統工作站、消防係統工作站、門禁係統工作站、設備現場監控工作站與上述的工藝過程監控係統服務器一起進行係統全集成。為此，在工業以太網上將設置數據庫和網絡管理服務器。

　　無wu論lun是shi現xian在zai還hai是shi將jiang來lai，電dian子zi郵you件jian和he瀏liu覽lan器qi將jiang作zuo為wei廣guang泛fan實shi施shi的de通tong訊xun工gong具ju被bei應ying用yong在zai辦ban公gong環huan境jing中zhong。按an照zhao本ben設she計ji的de網wang絡luo結jie構gou，我wo所suo的de辦ban公gong自zi動dong化hua水shui平ping不bu僅jin局ju限xian於yu電dian子zi郵you件jian和he瀏liu覽lan器qi的de使shi用yong

，同tong時shi經jing過guoISDN（Integrated Service Digital Network）以及Internet 上的電話連接可實現與WAN（廣域網）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
、網絡係統設置及設備選型

　　1）主控室工作站

　　主控室網絡設備包括消防係統工作站
，門禁係統工作站

，設備現場監控操作站
，及其過程監控層使用的HVAC係統操作站、照明/配電係統操作站及能源監視操作站。該工作站設置在52#建築的軸向（B-C）-橫向（2，3）上技術夾層辦公室內，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。

　　在過程監控層PROFIBUS總線上和工業以太網上各設網絡打印機一台。采用激光打印機。總線打印機完成過程報警記錄、過程數據記錄
、圖表生成等功能。網絡打印機完成各網絡設備所輸出的工藝信息
、監控信息、管理圖表等。

　　設置UPS電源1台，容量6KVA
，停電應急時間不少於180分鍾。

　　2）大屏監視室

　　大屏監視室設置於52#建築的J06房間。通過大屏監視器
，可清楚看到各主要網絡工作站所監控的內容
，如消防係統的運行狀態，門禁係統的設置狀況，現場工藝設備和HVAC係統設備的運行狀況
，照明設備的開啟與否以及重要的現場信息等。

　　3）分控室

　　分控室設於52#建築的J05房間。分控室設置工藝設備監控站和現場設備運轉狀況監視器。工藝設備監控站監控PLC-7的控製內容，現場設備運轉狀況監視器將通過多種畫麵組合顯示現場設備的實時運行狀況。

　　4）生產與市場管理——所長辦公室監視器的設置

　　weishiwosuodelingdaomennenggoujishiguanchagongyiliuchengdeshipinhuamianhuotiaokanxiangguanshengchanshujuheguanlixinxi，jiangtongguowangluozaisuochangbangongshishezhijianshiqiyitai，bingpeiyouxiangyingdezhujihejiguangdayinji，jiangzhongyaodeshengchangongyicanshu，shengchanjinduanpaidengqitaxiangguandeguanlixinxijishidayinshuchuhejinxinglishijilu。tongshisuochangkegenjushichangjingyinghexuqiuqingkuangjishiduiwangluoshanggegongzuozhanfachuxiangyingdeguanlizhiling。

　　5）係統的維護與管理——係統管理工程師監視器的設置

　　係(xi)統(tong)管(guan)理(li)工(gong)程(cheng)師(shi)必(bi)須(xu)時(shi)刻(ke)掌(zhang)握(wo)各(ge)網(wang)絡(luo)設(she)備(bei)的(de)運(yun)轉(zhuan)狀(zhuang)況(kuang)並(bing)根(gen)據(ju)網(wang)絡(luo)設(she)備(bei)的(de)維(wei)護(hu)管(guan)理(li)辦(ban)法(fa)進(jin)行(xing)定(ding)期(qi)檢(jian)查(zha)和(he)保(bao)養(yang)。因(yin)此(ci)，將(jiang)通(tong)過(guo)網(wang)絡(luo)在(zai)辦(ban)公(gong)室(shi)設(she)置(zhi)監(jian)視(shi)器(qi)一(yi)台(tai)，以(yi)供(gong)係(xi)統(tong)管(guan)理(li)工(gong)程(cheng)師(shi)隨(sui)時(shi)查(zha)詢(xun)各(ge)網(wang)絡(luo)設(she)備(bei)的(de)運(yun)轉(zhuan)狀(zhuang)況(kuang)，同(tong)時(shi)通(tong)過(guo)監(jian)視(shi)器(qi)計(ji)算(suan)機(ji)可(ke)及(ji)時(shi)對(dui)各(ge)網(wang)絡(luo)工(gong)作(zuo)站(zhan)發(fa)布(bu)係(xi)統(tong)維(wei)護(hu)的(de)相(xiang)關(guan)通(tong)知(zhi)或(huo)管(guan)理(li)信(xin)息(xi)。

　　3、網絡結構與通訊

　　網絡係統采用開放式總線拓撲結構。三層總線構成了獸醫所的FMCS係統。

　　現場控製層和過程監控層采用PROFIBUS通訊協議，它是作為德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現場總線標準。

　　工廠管理層采用工業以太網組成
，通訊協議為TCP/IP，這樣便於係統集成和擴展。

　　網(wang)絡(luo)通(tong)訊(xun)設(she)備(bei)的(de)訂(ding)購(gou)和(he)線(xian)路(lu)敷(fu)設(she)由(you)自(zi)控(kong)承(cheng)包(bao)商(shang)和(he)我(wo)所(suo)共(gong)同(tong)完(wan)成(cheng)。所(suo)選(xuan)設(she)備(bei)與(yu)線(xian)路(lu)材(cai)料(liao)應(ying)滿(man)足(zu)係(xi)統(tong)控(kong)製(zhi)數(shu)據(ju)交(jiao)換(huan)所(suo)必(bi)須(xu)的(de)速(su)率(lv)及(ji)可(ke)靠(kao)性(xing)，符(fu)合(he)國(guo)家(jia)標(biao)準(zhun)規(gui)定(ding)，並(bing)為(wei)將(jiang)來(lai)係(xi)統(tong)的(de)擴(kuo)展(zhan)留(liu)有(you)餘(yu)量(liang)。

　　三、結束語

　　在生物製藥行業采用了現場總線後可實現真正的分層、分布式結構，這種結構極大的提高了整個係統的可靠性
，靈活性和可擴展性，符合生物製藥自動化的發展趨勢。

　　現場總線技術在生物製藥行業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
、經濟性等諸多方麵獲得最大的效益。在國內外現場總線廠家和設計研究部門的共同努力下 ,基於現場總線的控製係統必將分係統
、分階段地逐步取代現有的分散式控製係統 ,在未來定將成為我國生物製藥行業自動化的主導設備。上述係統設計的站點多
，PROFIBUS總線長，用於生物製藥企業（實現模擬量的監控，比其他行業都要複雜些）
，實現實時監控在國內並不多見。本文的主要貢獻在於建設基於PROFIBUS總線的控製網絡，並與IT網絡實現資源共享，無縫鏈接。經過近兩年的使用，效果良好，達到了設計要求，大大提高了該企業的信息化水平和管理水平。

　　參考文獻：

　　《現場總線技術及其應用》 清華大學出版社出版

　　《智能建築》 清華大學出版社出版

　　《SIMATIC NET工業通訊網絡》 SIEMENS技術資料

　　《SIMATIC NET現場總線》 SIEMENS技術資料

　　《SIMATIC S7-300》 SIEMENS技術資料

　　《Cisco 產品介紹》 Cisco技術資料