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(zhuān)業(yè),長(cháng)期從事醫藥行業(yè)基礎自動(dòng)化、控制系統、先進(jìn)控制系統應用、工廠(chǎng)綜合自動(dòng)化集成、BATCH柔性化生產(chǎn)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(xué)會(huì )生產(chǎn)執行系統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。主持倍達有限公司ERP 應用開(kāi)發(fā)、MES系統的應用與開(kāi)發(fā)等河北省重點(diǎn)信息化建設項目。先后獲得省部級科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二、三等獎多項，市集團級科學(xué)技術(shù)進(jìn)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(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)體系結構、傳輸技術(shù)、拓撲結構和通信技術(shù)，以及基于Profibus的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在制藥生產(chǎn)過(guò)程中的應用體會(huì )。

關(guān)鍵詞：Profibus；現場(chǎng)總線(xiàn)；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(chǎng)總線(xiàn)是安裝在生產(chǎn)過(guò)程區域的現場(chǎng)設備/儀表與控制室內的自動(dòng)控制裝置/系統之間的一種串行、數字式、多點(diǎn)、雙向通信的數據總線(xiàn)。其中，“生產(chǎn)過(guò)程”包括斷續生產(chǎn)過(guò)程和連續生產(chǎn)過(guò)程兩類(lèi)?；蛘?，現場(chǎng)總線(xiàn)是以單個(gè)分散的數字化、智能化的測量和控制設備作為網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，用數據總線(xiàn)相連接，實(shí)現相互交換信息，共同完成自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò )系統與控制系統。

    現場(chǎng)總線(xiàn)是充分發(fā)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(wù)于設備的監控、診測、控制；它提供現場(chǎng)智能設備多站點(diǎn)通信能力，從而獲得互操作性；過(guò)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(chǎng)總線(xiàn)家族的一個(gè)成員，Profibus 主要應用于過(guò)程自動(dòng)化。

2 PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)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家研究機構聯(lián)合開(kāi)發(fā)；

    89年批準為德國工業(yè)標準 DIN 19245；

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

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

    99年P(guān)ROFIBUS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(yè)標準JB/T 10308.3-2001；

    2003年P(guān)ROFInet成為國際標準 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)體系結構（如圖2所示）

                            圖2   PROFIBUS的技術(shù)體系結構

2.4 PROFIBUS傳輸技術(shù)（物理層）

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

                                              表1
 

    傳輸特點(diǎn)（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(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1000m，有中繼器距離可延長(cháng)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(guò)總線(xiàn)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(cháng)到10公里；最多126個(gè)站, 每段10-32個(gè)設備（依賴(lài)于 EX-類(lèi)型和供電消耗）。

2.5 拓樸（PROFIBUS 支持總線(xiàn)型，樹(shù)型和星型拓撲）

    在總線(xiàn)段的開(kāi)頭和結尾必須有終端器,每段可以由最多32個(gè)站組成, 中繼器沒(méi)有站地址，但它們被計算在每段的站數中

    下面是總線(xiàn)型拓撲（如圖3所示）。
 

                                   圖3   總線(xiàn)型拓撲結構圖

2.6 PROFIBUS通信技術(shù)（數據鏈路層，如圖4所示）

圖4   PROFIBUS數據鏈路層

    數據協(xié)議結構（如圖5所示）。

圖5   數據協(xié)議結構圖

    不同的網(wǎng)絡(luò )參與者之間的數據協(xié)議和數據交換（如圖6所示）。
 

                       圖6   不同的網(wǎng)絡(luò )參與者之間的數據協(xié)議和數據交換

    用于1類(lèi)主站的總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)控制-主從方法（如圖7所示）。
 

                         圖7   1類(lèi)主站的總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)控制-主從方法示意圖

    用于2類(lèi)主站的混合總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)控制（如圖8所示）。
 

                           圖8   PLC/工程、工具與現場(chǎng)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(lèi)半合成抗生素及其系列中間體的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和研制開(kāi)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(guò)程復雜，生產(chǎn)工藝較長(cháng)，在生產(chǎn)過(guò)程中由于控制點(diǎn)較多，每步操作都需要有人來(lái)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)強度顯著(zhù)提高，除體力勞動(dòng)外，由于操作批數增多，需控制的工藝參數也顯著(zhù)上升，所以生產(chǎn)人員會(huì )相應增多，同時(shí)誤操作機率也會(huì )增加。這與向現代化邁進(jìn)的目標格格不入。該項目投運后會(huì )使這一矛盾大大緩解。同時(shí)該項目的投運將會(huì )改變職工工作方式，改善工作環(huán)境，保護職工身心健康，提高職工收入水平，具有廣泛的社會(huì )效益。

3.2 系統組成

    該項目選用西門(mén)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(guò)光纜形成環(huán)型以太網(wǎng)，控制規模大約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 系統功能描述

    西門(mén)子PLC強大的網(wǎng)絡(luò )功能，可實(shí)現多臺PLC之間或多臺PLC與一臺計算機之間的通訊聯(lián)網(wǎng)要求，通過(guò)通訊模塊，上位機以及相應的軟件來(lái)實(shí)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(dòng)化網(wǎng)絡(luò )。同時(shí)融合現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)：現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的應用增強了不同廠(chǎng)家的多個(gè)設備之間的互操作性；由于現場(chǎng)總線(xiàn)設備的智能化、數字化，使控制更快、更準確；采用現場(chǎng)總線(xiàn)連接多個(gè)設備，大大減少了電纜、接線(xiàn)端子、電纜橋架的用量。從而減少了設計、施工的工作量；現場(chǎng)總線(xiàn)設備本身具有自診斷能力，并通過(guò)數字通訊將有關(guān)診斷維護信息傳送到控制室，設備維護人員可以查詢(xún)整個(gè)生產(chǎn)設備的運行、維護、診斷信息，以便快速查找和消除故障。通過(guò)基于運行在MS WIN2000平臺下的SIEMENS PCS7與WINCC工業(yè)軟件技術(shù)，把常規報警系統的應用延伸到過(guò)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(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 )結構

    （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(guò)程值與消息的匯報，同時(shí)也可以從多個(gè)站點(diǎn)采集數據，即從管理級通過(guò)以太網(wǎng)可以訪(fǎng)問(wèn)單元級的任意其他站點(diǎn)，考慮到以后擴展的需要，網(wǎng)絡(luò )協(xié)議選用TCP/IP;網(wǎng)絡(luò )類(lèi)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、操作和監控設備（即本項目中的OS站和OP設備）實(shí)現互連；根據工業(yè)應用環(huán)境和通訊性能的要求，選用了工業(yè)以太網(wǎng)。

    （3）現場(chǎng)級

    現場(chǎng)級是PLC和現場(chǎng)設備之間的連接鏈路，在現場(chǎng)級使用的設備提供過(guò)程值和消息等，并且也向設備轉發(fā)命令。根據現場(chǎng)級通訊傳輸快、數據量較單元級小的特點(diǎn)以及現場(chǎng)設備的網(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-執行器級

    在傳感器-執行器級，主站與連接到其子網(wǎng)的傳感器-執行器進(jìn)行連接，該級別通訊的特點(diǎn)是數據量較現場(chǎng)級小，但要求響應較快，又根據現場(chǎng)防爆的要求，適用總線(xiàn)的儀表，采用PROFIBUS-PA進(jìn)行連接。

3.4 實(shí)施效果：

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

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

    （2）PLC能夠使新操作工應付復雜生產(chǎn)系統的需求，只需要少數的技術(shù)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(shí)間集中精力在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的知識和核心附加值技術(shù)。保持公司在市場(chǎng)上的競爭活力。

    （3）在PLC自動(dòng)化系統的設計過(guò)程當中，把關(guān)鍵的工藝配方、過(guò)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(chǎn)過(guò)程的程序與技巧。這些技巧即使被泄漏也不具有經(jīng)濟價(jià)值，從而保證了生產(chǎn)工藝的機密性，降低了勞動(dòng)力跳槽為公司帶來(lái)的風(fēng)險。

    （4）項目投運后產(chǎn)品收率比項目投運前提高了1.3%。平均每月產(chǎn)生經(jīng)濟效益：1.3%*20t/41%*1000*800/10000=50.7萬(wàn)元。

    （5）低批號率的降低：以每月減少6批低批號，每批1萬(wàn)元計算，每年凈增利潤6*1*12=72萬(wàn)元。

    （6）生產(chǎn)率的提高：年初月產(chǎn)量為10噸，現在月產(chǎn)量為20噸。月產(chǎn)值凈增：（20-10）*1000*800/10000=800萬(wàn)元(以月產(chǎn)量20噸計、每公斤產(chǎn)品 800元計)。

3.5    應用體會(huì )

（1）增強了現場(chǎng)級信息集成能力

    Profibus 可從現場(chǎng)設備獲取大量豐富信息，能夠更好地滿(mǎn)足工廠(chǎng)自動(dòng)化和CIMS 系統的信息集成要求。Profibus 是數字化通信網(wǎng)絡(luò )，它不但取代4~20mA 信號，還可實(shí)現設備狀態(tài)、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(kāi)放性、互操作性、互換性、可集成性

    不同廠(chǎng)家產(chǎn)品的只有使用同一總線(xiàn)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(xiàn)產(chǎn)品的制造廠(chǎng)商將自己專(zhuān)長(cháng)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中，使市場(chǎng)上了出現許多面向行業(yè)特點(diǎn)的監控系統， 增強了系統的開(kāi)放性。

（3）系統可靠性高，可維護性好，利于資產(chǎn)優(yōu)化

    基于Profibus 的自動(dòng)化監控及信息集成系統采用總線(xiàn)連接方式替代I/O 連線(xiàn)，對大規模I/O 系統來(lái)說(shuō)，減少了由接線(xiàn)點(diǎn)造成的不可靠因素。同時(shí)，系統具有現場(chǎng)級設備的在線(xiàn)故障診斷、報警、記錄功能，可完成現場(chǎng)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(yōu)化資產(chǎn)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(lái)說(shuō)，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(xiàn)組態(tài)功能，也使運行、維護等成本大大降低。

參考文獻

[1] PROFIBUS 技術(shù)簡(jiǎn)介. 中國機電一體化技術(shù)應用協(xié)會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)專(zhuān)業(yè)委員會(huì )（CPO）.

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