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孫旨義 （ 1965-）

    男，河北正定縣人，高級工程師，1986年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)精密儀器專業(yè),長期從事醫(yī)藥行業(yè)基礎(chǔ)自動(dòng)化、控制系統(tǒng)、先進(jìn)控制系統(tǒng)應(yīng)用、工廠綜合自動(dòng)化集成、BATCH柔性化生產(chǎn)管理系統(tǒng)應(yīng)用等工作，現(xiàn)為華北制藥集團(tuán)倍達(dá)有限公司計(jì)控室主任。中國儀器儀表學(xué)會(huì)生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES分會(huì)(常務(wù))理事,《自動(dòng)化博覽》雜志社編輯委員會(huì)編委。主持倍達(dá)有限公司ERP 應(yīng)用開發(fā)、MES系統(tǒng)的應(yīng)用與開發(fā)等河北省重點(diǎn)信息化建設(shè)項(xiàng)目。先后獲得省部級科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二、三等獎(jiǎng)多項(xiàng)，市集團(tuán)級科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一、二、三等獎(jiǎng)18項(xiàng)之多，并獲得省新世紀(jì)“三三三人才工程”人選。




摘要：本文詳細(xì)介紹了Profibus的現(xiàn)場總線技術(shù)體系結(jié)構(gòu)、傳輸技術(shù)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信技術(shù)，以及基于Profibus的現(xiàn)場總線技術(shù)在制藥生產(chǎn)過程中的應(yīng)用體會(huì)。

關(guān)鍵詞：Profibus；現(xiàn)場總線；制藥

Abstract: This paper introduces the architecture、transmission technology、topology and communication technology; The  application experience of PROFIBUS-Fieldbus Technology  in the Pharmaceutical Production Processes.

Key words: Profibus; Fieldbus; Pharmacy

1 概述

    現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)、雙向通信的數(shù)據(jù)總線。其中，“生產(chǎn)過程”包括斷續(xù)生產(chǎn)過程和連續(xù)生產(chǎn)過程兩類。或者，現(xiàn)場總線是以單個(gè)分散的數(shù)字化、智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用數(shù)據(jù)總線相連接，實(shí)現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。

    現(xiàn)場總線是充分發(fā)揮智能設(shè)備功能的基礎(chǔ)，是信息集成的通道，它允許高流量的信息傳送，服務(wù)于設(shè)備的監(jiān)控、診測、控制；它提供現(xiàn)場智能設(shè)備多站點(diǎn)通信能力，從而獲得互操作性；過程變量顯示直接帶有工程單位，同時(shí)附帶狀態(tài)信息，允許設(shè)備支持多參量功能，允許將控制功能分布到各智能設(shè)備上。做為現(xiàn)場總線家族的一個(gè)成員，Profibus 主要應(yīng)用于過程自動(dòng)化。

2 PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)

2.1 PROFIBUS技術(shù)的主要發(fā)展歷程 

    87年由Siemens公司等13家企業(yè)和5家研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)；

    89年批準(zhǔn)為德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DIN 19245；

    96年批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50170 V.2 (PROFIBUS-FMS/-DP)；

    98年P(guān)ROFIBUS-PA批準(zhǔn)納入EN 50170 V.2；

    99年P(guān)ROFIBUS成為國際標(biāo)準(zhǔn) IEC 61158 的組成部分(Type 3)；

    2001年批準(zhǔn)成為中國的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10308.3-2001；

    2003年P(guān)ROFInet成為國際標(biāo)準(zhǔn) IEC 61158 的組成部分(Type 10)。

2.2 PROFIBUS協(xié)議模型與ISO/OSI協(xié)議模型的關(guān)系（如圖1所示）

                          圖1   PROFIBUS協(xié)議模型與ISO/OSI協(xié)議模型的關(guān)系

2.3 PROFIBUS的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)（如圖2所示）

                            圖2   PROFIBUS的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

2.4 PROFIBUS傳輸技術(shù)（物理層）

    傳輸技術(shù)描述設(shè)備接口的物理的、電的和光的特性見表1。

                                              表1

    傳輸特點(diǎn)（1）：

    RS 485，高速（H2）：依據(jù) RS 485，異步NRZ傳輸，波特率從9.6KBit/s到12MBit/s可選，雙絞屏蔽電纜，每段32個(gè)站，最多允許126個(gè)站，距離：12MBit/s為100m；1.5MBit/s為400m；≤187.5 KBit/s可達(dá)1000m，有中繼器距離可延長到10公里。9針，D型插頭。

    傳輸特點(diǎn)（2）：

    MBP，低速（H1）；同步Manchester編碼，31.25kBit/s，本質(zhì)安全（可選）和通過總線供電（可選），屏蔽或非屏蔽的雙絞電纜，每段距離達(dá)1900米，用中繼器可延長到10公里；最多126個(gè)站, 每段10-32個(gè)設(shè)備（依賴于 EX-類型和供電消耗）。

2.5 拓樸（PROFIBUS 支持總線型，樹型和星型拓?fù)洌?/FONT>

    在總線段的開頭和結(jié)尾必須有終端器,每段可以由最多32個(gè)站組成, 中繼器沒有站地址，但它們被計(jì)算在每段的站數(shù)中

    下面是總線型拓?fù)洌ㄈ鐖D3所示）。

                                   圖3   總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.6 PROFIBUS通信技術(shù)（數(shù)據(jù)鏈路層，如圖4所示）

圖4   PROFIBUS數(shù)據(jù)鏈路層

    數(shù)據(jù)協(xié)議結(jié)構(gòu)（如圖5所示）。

圖5   數(shù)據(jù)協(xié)議結(jié)構(gòu)圖

    不同的網(wǎng)絡(luò)參與者之間的數(shù)據(jù)協(xié)議和數(shù)據(jù)交換（如圖6所示）。

                       圖6   不同的網(wǎng)絡(luò)參與者之間的數(shù)據(jù)協(xié)議和數(shù)據(jù)交換

    用于1類主站的總線訪問控制-主從方法（如圖7所示）。

                         圖7   1類主站的總線訪問控制-主從方法示意圖

    用于2類主站的混合總線訪問控制（如圖8所示）。

                           圖8   PLC/工程、工具與現(xiàn)場區(qū)域之間的主/從方法

3 工程應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目背景

    華北制藥集團(tuán)倍達(dá)有限公司主要致力于頭孢類半合成抗生素及其系列中間體的生產(chǎn)經(jīng)營和研制開發(fā)工作，是目前中國最大的半合成抗生素生產(chǎn)企業(yè)之一。 

    半合抗生產(chǎn)過程復(fù)雜，生產(chǎn)工藝較長，在生產(chǎn)過程中由于控制點(diǎn)較多，每步操作都需要有人來控制，雖然員工的生產(chǎn)技能不斷提高，但生產(chǎn)量逐月上升，致使員工勞動(dòng)強(qiáng)度顯著提高，除體力勞動(dòng)外，由于操作批數(shù)增多，需控制的工藝參數(shù)也顯著上升，所以生產(chǎn)人員會(huì)相應(yīng)增多，同時(shí)誤操作機(jī)率也會(huì)增加。這與向現(xiàn)代化邁進(jìn)的目標(biāo)格格不入。該項(xiàng)目投運(yùn)后會(huì)使這一矛盾大大緩解。同時(shí)該項(xiàng)目的投運(yùn)將會(huì)改變職工工作方式，改善工作環(huán)境，保護(hù)職工身心健康，提高職工收入水平，具有廣泛的社會(huì)效益。

3.2 系統(tǒng)組成

    該項(xiàng)目選用西門子公司SIMATIC PCS7 6.0作為軟件平臺(tái)，硬件由S7-400系列控制器組成，通過光纜形成環(huán)型以太網(wǎng)，控制規(guī)模大約1500個(gè)I/O控制點(diǎn)。

    軟件組成：

    PCS7 Engineering V6.0 

    OS Software V6.0 

    SFC Visualization V6.0。

    硬件組成：

    CPU：AS416-2 、AS416-3、 AS417-2

    ET 200M 153-2 High Feature; PS/IM; 19 DIN rail 

    SITOP-E24/1024VDC, 10A

    OSM TP62

    DI-16 ，16DI, 24VDC

    DO-16，16DO, 24VDC/0.5A

    AI-8，4~20mA

    RTD-8 

    AO-4  4AO，4～20mA

    SIMATIC  TP270 10“TOUCH PANEL10.4”STN COLOR DISPLAY2 MB CONFIGURING MEMOR

    DELL 操作站。

3.3 系統(tǒng)功能描述

    西門子PLC強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)PLC之間或多臺(tái)PLC與一臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的通訊聯(lián)網(wǎng)要求，通過通訊模塊，上位機(jī)以及相應(yīng)的軟件來實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。從而組成多級分布式控制系統(tǒng)，構(gòu)成自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)融合現(xiàn)場總線技術(shù)：現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用增強(qiáng)了不同廠家的多個(gè)設(shè)備之間的互操作性；由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，使控制更快、更準(zhǔn)確；采用現(xiàn)場總線連接多個(gè)設(shè)備，大大減少了電纜、接線端子、電纜橋架的用量。從而減少了設(shè)計(jì)、施工的工作量；現(xiàn)場總線設(shè)備本身具有自診斷能力，并通過數(shù)字通訊將有關(guān)診斷維護(hù)信息傳送到控制室，設(shè)備維護(hù)人員可以查詢整個(gè)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行、維護(hù)、診斷信息，以便快速查找和消除故障。通過基于運(yùn)行在MS WIN2000平臺(tái)下的SIEMENS PCS7與WINCC工業(yè)軟件技術(shù)，把常規(guī)報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用延伸到過程順序控制中，增加了其分析功能使操作人員收到的報(bào)警信息更為有效。不需要再對報(bào)警信息進(jìn)行人工篩選與處理；各級網(wǎng)絡(luò)功能及任務(wù)分述如下（如圖9所示）：


                                     圖9   網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

    （1）管理級

    在管理級，處理影響整個(gè)操作的任務(wù)，它包括歸檔、處理、求值和過程值與消息的匯報(bào)，同時(shí)也可以從多個(gè)站點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，即從管理級通過以太網(wǎng)可以訪問單元級的任意其他站點(diǎn)，考慮到以后擴(kuò)展的需要，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議選用TCP/IP;網(wǎng)絡(luò)類型采用以太網(wǎng)。

    （2）單元級

    在單元級，處理自動(dòng)化任務(wù)。在該級別，PLC、操作和監(jiān)控設(shè)備（即本項(xiàng)目中的OS站和OP設(shè)備）實(shí)現(xiàn)互連；根據(jù)工業(yè)應(yīng)用環(huán)境和通訊性能的要求，選用了工業(yè)以太網(wǎng)。

    （3）現(xiàn)場級

    現(xiàn)場級是PLC和現(xiàn)場設(shè)備之間的連接鏈路，在現(xiàn)場級使用的設(shè)備提供過程值和消息等，并且也向設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)命令。根據(jù)現(xiàn)場級通訊傳輸快、數(shù)據(jù)量較單元級小的特點(diǎn)以及現(xiàn)場設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)匹配要求，選用了PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，采用DP協(xié)議。

    （4）傳感器-執(zhí)行器級

    在傳感器-執(zhí)行器級，主站與連接到其子網(wǎng)的傳感器-執(zhí)行器進(jìn)行連接，該級別通訊的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量較現(xiàn)場級小，但要求響應(yīng)較快，又根據(jù)現(xiàn)場防爆的要求，適用總線的儀表，采用PROFIBUS-PA進(jìn)行連接。

3.4 實(shí)施效果：

    該項(xiàng)目自2005年10月份投入使用以后，提高了整個(gè)生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平，增加了生產(chǎn)中的靈活性，提高了設(shè)備之間的通訊能力，產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，如下所述：

    （1）保持勞動(dòng)力成本的競爭力：PLC控制系統(tǒng)通過執(zhí)行程序性動(dòng)作而減少了對勞動(dòng)力的需求。尤其在新工廠、新車間，將減少有技術(shù)、有經(jīng)驗(yàn)的工人的數(shù)目，減少了起動(dòng)成本和時(shí)間。通過軟件的改進(jìn)與完善，將會(huì)補(bǔ)償舊設(shè)備對生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量帶來的諸多不利影響，減少技術(shù)工人成本的增加。

    （2）PLC能夠使新操作工應(yīng)付復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)的需求，只需要少數(shù)的技術(shù)熟練的編程人員就可以應(yīng)付自如。PLC可以處理非常復(fù)雜的控制，從而使工藝人員騰出時(shí)間集中精力在專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)和核心附加值技術(shù)。保持公司在市場上的競爭活力。

    （3）在PLC自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，把關(guān)鍵的工藝配方、過程參數(shù)隱藏在系統(tǒng)設(shè)置中，只為主管工藝工程師所知，對于其他人員，只了解某一特定生產(chǎn)過程的程序與技巧。這些技巧即使被泄漏也不具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，從而保證了生產(chǎn)工藝的機(jī)密性，降低了勞動(dòng)力跳槽為公司帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

    （4）項(xiàng)目投運(yùn)后產(chǎn)品收率比項(xiàng)目投運(yùn)前提高了1.3%。平均每月產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益：1.3%*20t/41%*1000*800/10000=50.7萬元。

    （5）低批號(hào)率的降低：以每月減少6批低批號(hào)，每批1萬元計(jì)算，每年凈增利潤6*1*12=72萬元。

    （6）生產(chǎn)率的提高：年初月產(chǎn)量為10噸，現(xiàn)在月產(chǎn)量為20噸。月產(chǎn)值凈增：（20-10）*1000*800/10000=800萬元(以月產(chǎn)量20噸計(jì)、每公斤產(chǎn)品 800元計(jì))。

3.5    應(yīng)用體會(huì)

（1）增強(qiáng)了現(xiàn)場級信息集成能力

    Profibus 可從現(xiàn)場設(shè)備獲取大量豐富信息，能夠更好地滿足工廠自動(dòng)化和CIMS 系統(tǒng)的信息集成要求。Profibus 是數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，它不但取代4~20mA 信號(hào)，還可實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳遞。系統(tǒng)除完成遠(yuǎn)程控制外，還可以完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。

（2）開放性、互操作性、互換性、可集成性

    不同廠家產(chǎn)品的只有使用同一總線標(biāo)準(zhǔn)，才具有互操作性和互換性，從而使系統(tǒng)具有了很好的可集成性。另外很多總線產(chǎn)品的制造廠商將自己專長的控制技術(shù)，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中，使市場上了出現(xiàn)許多面向行業(yè)特點(diǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)， 增強(qiáng)了系統(tǒng)的開放性。

（3）系統(tǒng)可靠性高，可維護(hù)性好，利于資產(chǎn)優(yōu)化

    基于Profibus 的自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)采用總線連接方式替代I/O 連線，對大規(guī)模I/O 系統(tǒng)來說，減少了由接線點(diǎn)造成的不可靠因素。同時(shí)，系統(tǒng)具有現(xiàn)場級設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能，可完成現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化工作，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性并優(yōu)化資產(chǎn)管理。

（4）降低系統(tǒng)及工程成本

    對大范圍、大規(guī)模I/O 的DCS 系統(tǒng)來說，節(jié)省了大量的電纜、I/O 模塊及電纜敷設(shè)費(fèi)用，降低了系統(tǒng)及工程成本，在線組態(tài)功能，也使運(yùn)行、維護(hù)等成本大大降低。

參考文獻(xiàn)

[1] PROFIBUS 技術(shù)簡介. 中國機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用協(xié)會(huì)現(xiàn)場總線專業(yè)委員會(huì)（CPO）.

[2] 李琦. Profibus 在三煉鋼3＃CCM 儀表控制系統(tǒng)中的使用.