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孫旨義 （ 1965-）

    男，河北正定縣人，高級工程師，1986年畢業于河北工業大學精密儀器專業,長期從事醫藥行業基礎自動化、控制系統、先進控制系統應用、工廠綜合自動化集成、BATCH柔性化生產管理系統應用等工作，現為華北制藥集團倍達有限公司計控室主任。中國儀器儀表學會生產執行系統MES分會(常務)理事,《自動化博覽》雜志社編輯委員會編委。主持倍達有限公司ERP 應用開發、MES系統的應用與開發等河北省重點信息化建設項目。先后獲得省部級科學技術進步二、三等獎多項，市集團級科學技術進步一、二、三等獎18項之多，并獲得省新世紀“三三三人才工程”人選。




摘要：本文詳細介紹了Profibus的現場總線技術體系結構、傳輸技術、拓撲結構和通信技術，以及基于Profibus的現場總線技術在制藥生產過程中的應用體會。

關鍵詞：Profibus；現場總線；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

    現場總線是安裝在生產過程區域的現場設備/儀表與控制室內的自動控制裝置/系統之間的一種串行、數字式、多點、雙向通信的數據總線。其中，“生產過程”包括斷續生產過程和連續生產過程兩類。或者，現場總線是以單個分散的數字化、智能化的測量和控制設備作為網絡節點，用數據總線相連接，實現相互交換信息，共同完成自動控制功能的網絡系統與控制系統。

    現場總線是充分發揮智能設備功能的基礎，是信息集成的通道，它允許高流量的信息傳送，服務于設備的監控、診測、控制；它提供現場智能設備多站點通信能力，從而獲得互操作性；過程變量顯示直接帶有工程單位，同時附帶狀態信息，允許設備支持多參量功能，允許將控制功能分布到各智能設備上。做為現場總線家族的一個成員，Profibus 主要應用于過程自動化。

2 PROFIBUS現場總線技術

2.1 PROFIBUS技術的主要發展歷程 

    87年由Siemens公司等13家企業和5家研究機構聯合開發；

    89年批準為德國工業標準 DIN 19245；

    96年批準為歐洲標準EN 50170 V.2 (PROFIBUS-FMS/-DP)；

    98年PROFIBUS-PA批準納入EN 50170 V.2；

    99年PROFIBUS成為國際標準 IEC 61158 的組成部分(Type 3)；

    2001年批準成為中國的行業標準JB/T 10308.3-2001；

    2003年PROFInet成為國際標準 IEC 61158 的組成部分(Type 10)。

2.2 PROFIBUS協議模型與ISO/OSI協議模型的關系（如圖1所示）

                          圖1   PROFIBUS協議模型與ISO/OSI協議模型的關系

2.3 PROFIBUS的技術體系結構（如圖2所示）

                            圖2   PROFIBUS的技術體系結構

2.4 PROFIBUS傳輸技術（物理層）

    傳輸技術描述設備接口的物理的、電的和光的特性見表1。

                                              表1
 

    傳輸特點（1）：

    RS 485，高速（H2）：依據 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個站，最多允許126個站，距離：12MBit/s為100m；1.5MBit/s為400m；≤187.5 KBit/s可達1000m，有中繼器距離可延長到10公里。9針，D型插頭。

    傳輸特點（2）：

    MBP，低速（H1）；同步Manchester編碼，31.25kBit/s，本質安全（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1900米，用中繼器可延長到10公里；最多126個站, 每段10-32個設備（依賴于 EX-類型和供電消耗）。

2.5 拓樸（PROFIBUS 支持總線型，樹型和星型拓撲）

    在總線段的開頭和結尾必須有終端器,每段可以由最多32個站組成, 中繼器沒有站地址，但它們被計算在每段的站數中

    下面是總線型拓撲（如圖3所示）。
 

                                   圖3   總線型拓撲結構圖

2.6 PROFIBUS通信技術（數據鏈路層，如圖4所示）

圖4   PROFIBUS數據鏈路層

    數據協議結構（如圖5所示）。

圖5   數據協議結構圖

    不同的網絡參與者之間的數據協議和數據交換（如圖6所示）。
 

                       圖6   不同的網絡參與者之間的數據協議和數據交換

    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、工具與現場區域之間的主/從方法

3 工程應用

3.1 項目背景

    華北制藥集團倍達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經營和研制開發工作，是目前中國最大的半合成抗生素生產企業之一。 

    半合抗生產過程復雜，生產工藝較長，在生產過程中由于控制點較多，每步操作都需要有人來控制，雖然員工的生產技能不斷提高，但生產量逐月上升，致使員工勞動強度顯著提高，除體力勞動外，由于操作批數增多，需控制的工藝參數也顯著上升，所以生產人員會相應增多，同時誤操作機率也會增加。這與向現代化邁進的目標格格不入。該項目投運后會使這一矛盾大大緩解。同時該項目的投運將會改變職工工作方式，改善工作環境，保護職工身心健康，提高職工收入水平，具有廣泛的社會效益。

3.2 系統組成

    該項目選用西門子公司SIMATIC PCS7 6.0作為軟件平臺，硬件由S7-400系列控制器組成，通過光纜形成環型以太網，控制規模大約1500個I/O控制點。

    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 系統功能描述

    西門子PLC強大的網絡功能，可實現多臺PLC之間或多臺PLC與一臺計算機之間的通訊聯網要求，通過通訊模塊，上位機以及相應的軟件來實現對控制系統的遠距離監控。從而組成多級分布式控制系統，構成自動化網絡。同時融合現場總線技術：現場總線技術的應用增強了不同廠家的多個設備之間的互操作性；由于現場總線設備的智能化、數字化，使控制更快、更準確；采用現場總線連接多個設備，大大減少了電纜、接線端子、電纜橋架的用量。從而減少了設計、施工的工作量；現場總線設備本身具有自診斷能力，并通過數字通訊將有關診斷維護信息傳送到控制室，設備維護人員可以查詢整個生產設備的運行、維護、診斷信息，以便快速查找和消除故障。通過基于運行在MS WIN2000平臺下的SIEMENS PCS7與WINCC工業軟件技術，把常規報警系統的應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警信息更為有效。不需要再對報警信息進行人工篩選與處理；各級網絡功能及任務分述如下（如圖9所示）：


                                     圖9   網絡結構

    （1）管理級

    在管理級，處理影響整個操作的任務，它包括歸檔、處理、求值和過程值與消息的匯報，同時也可以從多個站點采集數據，即從管理級通過以太網可以訪問單元級的任意其他站點，考慮到以后擴展的需要，網絡協議選用TCP/IP;網絡類型采用以太網。

    （2）單元級

    在單元級，處理自動化任務。在該級別，PLC、操作和監控設備（即本項目中的OS站和OP設備）實現互連；根據工業應用環境和通訊性能的要求，選用了工業以太網。

    （3）現場級

    現場級是PLC和現場設備之間的連接鏈路，在現場級使用的設備提供過程值和消息等，并且也向設備轉發命令。根據現場級通訊傳輸快、數據量較單元級小的特點以及現場設備的網絡匹配要求，選用了PROFIBUS網絡，采用DP協議。

    （4）傳感器-執行器級

    在傳感器-執行器級，主站與連接到其子網的傳感器-執行器進行連接，該級別通訊的特點是數據量較現場級小，但要求響應較快，又根據現場防爆的要求，適用總線的儀表，采用PROFIBUS-PA進行連接。

3.4 實施效果：

    該項目自2005年10月份投入使用以后，提高了整個生產線的自動化水平，增加了生產中的靈活性，提高了設備之間的通訊能力，產生了明顯的經濟效益和社會效益，如下所述：

    （1）保持勞動力成本的競爭力：PLC控制系統通過執行程序性動作而減少了對勞動力的需求。尤其在新工廠、新車間，將減少有技術、有經驗的工人的數目，減少了起動成本和時間。通過軟件的改進與完善，將會補償舊設備對生產率和產品質量帶來的諸多不利影響，減少技術工人成本的增加。

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

    （3）在PLC自動化系統的設計過程當中，把關鍵的工藝配方、過程參數隱藏在系統設置中，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過程的程序與技巧。這些技巧即使被泄漏也不具有經濟價值，從而保證了生產工藝的機密性，降低了勞動力跳槽為公司帶來的風險。

    （4）項目投運后產品收率比項目投運前提高了1.3%。平均每月產生經濟效益：1.3%*20t/41%*1000*800/10000=50.7萬元。

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

    （6）生產率的提高：年初月產量為10噸，現在月產量為20噸。月產值凈增：（20-10）*1000*800/10000=800萬元(以月產量20噸計、每公斤產品 800元計)。

3.5    應用體會

（1）增強了現場級信息集成能力

    Profibus 可從現場設備獲取大量豐富信息，能夠更好地滿足工廠自動化和CIMS 系統的信息集成要求。Profibus 是數字化通信網絡，它不但取代4~20mA 信號，還可實現設備狀態、故障、參數信息傳遞。系統除完成遠程控制外，還可以完成遠程參數化工作。

（2）開放性、互操作性、互換性、可集成性

    不同廠家產品的只有使用同一總線標準，才具有互操作性和互換性，從而使系統具有了很好的可集成性。另外很多總線產品的制造廠商將自己專長的控制技術，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統中，使市場上了出現許多面向行業特點的監控系統， 增強了系統的開放性。

（3）系統可靠性高，可維護性好，利于資產優化

    基于Profibus 的自動化監控及信息集成系統采用總線連接方式替代I/O 連線，對大規模I/O 系統來說，減少了由接線點造成的不可靠因素。同時，系統具有現場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現場設備的遠程參數設定、修改等參數化工作，也增強了系統的可維護性并優化資產管理。

（4）降低系統及工程成本

    對大范圍、大規模I/O 的DCS 系統來說，節省了大量的電纜、I/O 模塊及電纜敷設費用，降低了系統及工程成本，在線組態功能，也使運行、維護等成本大大降低。

參考文獻

[1] PROFIBUS 技術簡介. 中國機電一體化技術應用協會現場總線專業委員會（CPO）.

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