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案例详细
标题基于Profibus的现场总线技术在制药生产过程中的应用
技术领域PLC&PAC
行业
简介本文详细介绍了Profibus的现场总线技术体系结构、传输技术、拓扑结构和通信技术，以及基于Profibus的现场总线技术在制药生产过程中的应用体会。
内容 孙旨义 （ 1965-）

    男，河北正定县人，高级工程师，1986年毕业于河北工业大学精密仪器专业,长期从事医药行业基础自动化、控制系统、先进控制系统应用、工厂综合自动化集成、BATCH柔性化生产管理系统应用等工作，现为华北制药集团倍达有限公司计控室主任。中国仪器仪表学会生产执行系统MES分会(常务)理事,《自动化博览》杂志社编辑委员会编委。主持倍达有限公司ERP 应用开发、MES系统的应用与开发等河北省重点信息化建设项目。先后获得省部级科学技术进步二、三等奖多项，市集团级科学技术进步一、二、三等奖18项之多，并获得省新世纪“三三三人才工程”人选。




摘要：本文详细介绍了Profibus的现场总线技术体系结构、传输技术、拓扑结构和通信技术，以及基于Profibus的现场总线技术在制药生产过程中的应用体会。

关键词：Profibus；现场总线；制药

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

    现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点、双向通信的数据总线。其中，“生产过程”包括断续生产过程和连续生产过程两类。或者，现场总线是以单个分散的数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用数据总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。

    现场总线是充分发挥智能设备功能的基础，是信息集成的通道，它允许高流量的信息传送，服务于设备的监控、诊测、控制；它提供现场智能设备多站点通信能力，从而获得互操作性；过程变量显示直接带有工程单位，同时附带状态信息，允许设备支持多参量功能，允许将控制功能分布到各智能设备上。做为现场总线家族的一个成员，Profibus 主要应用于过程自动化。

2 PROFIBUS现场总线技术

2.1 PROFIBUS技术的主要发展历程 

    87年由Siemens公司等13家企业和5家研究机构联合开发；

    89年批准为德国工业标准 DIN 19245；

    96年批准为欧洲标准EN 50170 V.2 (PROFIBUS-FMS/-DP)；

    98年PROFIBUS-PA批准纳入EN 50170 V.2；

    99年PROFIBUS成为国际标准 IEC 61158 的组成部分(Type 3)；

    2001年批准成为中国的行业标准JB/T 10308.3-2001；

    2003年PROFInet成为国际标准 IEC 61158 的组成部分(Type 10)。

2.2 PROFIBUS协议模型与ISO/OSI协议模型的关系（如图1所示）

                          图1   PROFIBUS协议模型与ISO/OSI协议模型的关系

2.3 PROFIBUS的技术体系结构（如图2所示）

                            图2   PROFIBUS的技术体系结构

2.4 PROFIBUS传输技术（物理层）

    传输技术描述设备接口的物理的、电的和光的特性见表1。

                                              表1

    传输特点（1）：

    RS 485，高速（H2）：依据 RS 485，异步NRZ传输，波特率从9.6KBit/s到12MBit/s可选，双绞屏蔽电缆，每段32个站，最多允许126个站，距离：12MBit/s为100m；1.5MBit/s为400m；≤187.5 KBit/s可达1000m，有中继器距离可延长到10公里。9针，D型插头。

    传输特点（2）：

    MBP，低速（H1）；同步Manchester编码，31.25kBit/s，本质安全（可选）和通过总线供电（可选），屏蔽或非屏蔽的双绞电缆，每段距离达1900米，用中继器可延长到10公里；最多126个站, 每段10-32个设备（依赖于 EX-类型和供电消耗）。

2.5 拓朴（PROFIBUS 支持总线型，树型和星型拓扑）

    在总线段的开头和结尾必须有终端器,每段可以由最多32个站组成, 中继器没有站地址，但它们被计算在每段的站数中

    下面是总线型拓扑（如图3所示）。

                                   图3   总线型拓扑结构图

2.6 PROFIBUS通信技术（数据链路层，如图4所示）

图4   PROFIBUS数据链路层

    数据协议结构（如图5所示）。

图5   数据协议结构图

    不同的网络参与者之间的数据协议和数据交换（如图6所示）。

                       图6   不同的网络参与者之间的数据协议和数据交换

    用于1类主站的总线访问控制-主从方法（如图7所示）。

                         图7   1类主站的总线访问控制-主从方法示意图

    用于2类主站的混合总线访问控制（如图8所示）。

                           图8   PLC/工程、工具与现场区域之间的主/从方法

3 工程应用

3.1 项目背景

    华北制药集团倍达有限公司主要致力于头孢类半合成抗生素及其系列中间体的生产经营和研制开发工作，是目前中国最大的半合成抗生素生产企业之一。 

    半合抗生产过程复杂，生产工艺较长，在生产过程中由于控制点较多，每步操作都需要有人来控制，虽然员工的生产技能不断提高，但生产量逐月上升，致使员工劳动强度显著提高，除体力劳动外，由于操作批数增多，需控制的工艺参数也显著上升，所以生产人员会相应增多，同时误操作机率也会增加。这与向现代化迈进的目标格格不入。该项目投运后会使这一矛盾大大缓解。同时该项目的投运将会改变职工工作方式，改善工作环境，保护职工身心健康，提高职工收入水平，具有广泛的社会效益。

3.2 系统组成

    该项目选用西门子公司SIMATIC PCS7 6.0作为软件平台，硬件由S7-400系列控制器组成，通过光缆形成环型以太网，控制规模大约1500个I/O控制点。

    软件组成：

    PCS7 Engineering V6.0 

    OS Software V6.0 

    SFC Visualization V6.0。

    硬件组成：

    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 系统功能描述

    西门子PLC强大的网络功能，可实现多台PLC之间或多台PLC与一台计算机之间的通讯联网要求，通过通讯模块，上位机以及相应的软件来实现对控制系统的远距离监控。从而组成多级分布式控制系统，构成自动化网络。同时融合现场总线技术：现场总线技术的应用增强了不同厂家的多个设备之间的互操作性；由于现场总线设备的智能化、数字化，使控制更快、更准确；采用现场总线连接多个设备，大大减少了电缆、接线端子、电缆桥架的用量。从而减少了设计、施工的工作量；现场总线设备本身具有自诊断能力，并通过数字通讯将有关诊断维护信息传送到控制室，设备维护人员可以查询整个生产设备的运行、维护、诊断信息，以便快速查找和消除故障。通过基于运行在MS WIN2000平台下的SIEMENS PCS7与WINCC工业软件技术，把常规报警系统的应用延伸到过程顺序控制中，增加了其分析功能使操作人员收到的报警信息更为有效。不需要再对报警信息进行人工筛选与处理；各级网络功能及任务分述如下（如图9所示）：


                                     图9   网络结构

    （1）管理级

    在管理级，处理影响整个操作的任务，它包括归档、处理、求值和过程值与消息的汇报，同时也可以从多个站点采集数据，即从管理级通过以太网可以访问单元级的任意其他站点，考虑到以后扩展的需要，网络协议选用TCP/IP;网络类型采用以太网。

    （2）单元级

    在单元级，处理自动化任务。在该级别，PLC、操作和监控设备（即本项目中的OS站和OP设备）实现互连；根据工业应用环境和通讯性能的要求，选用了工业以太网。

    （3）现场级

    现场级是PLC和现场设备之间的连接链路，在现场级使用的设备提供过程值和消息等，并且也向设备转发命令。根据现场级通讯传输快、数据量较单元级小的特点以及现场设备的网络匹配要求，选用了PROFIBUS网络，采用DP协议。

    （4）传感器-执行器级

    在传感器-执行器级，主站与连接到其子网的传感器-执行器进行连接，该级别通讯的特点是数据量较现场级小，但要求响应较快，又根据现场防爆的要求，适用总线的仪表，采用PROFIBUS-PA进行连接。

3.4 实施效果：

    该项目自2005年10月份投入使用以后，提高了整个生产线的自动化水平，增加了生产中的灵活性，提高了设备之间的通讯能力，产生了明显的经济效益和社会效益，如下所述：

    （1）保持劳动力成本的竞争力：PLC控制系统通过执行程序性动作而减少了对劳动力的需求。尤其在新工厂、新车间，将减少有技术、有经验的工人的数目，减少了起动成本和时间。通过软件的改进与完善，将会补偿旧设备对生产率和产品质量带来的诸多不利影响，减少技术工人成本的增加。

    （2）PLC能够使新操作工应付复杂生产系统的需求，只需要少数的技术熟练的编程人员就可以应付自如。PLC可以处理非常复杂的控制，从而使工艺人员腾出时间集中精力在专业领域的知识和核心附加值技术。保持公司在市场上的竞争活力。

    （3）在PLC自动化系统的设计过程当中，把关键的工艺配方、过程参数隐藏在系统设置中，只为主管工艺工程师所知，对于其他人员，只了解某一特定生产过程的程序与技巧。这些技巧即使被泄漏也不具有经济价值，从而保证了生产工艺的机密性，降低了劳动力跳槽为公司带来的风险。

    （4）项目投运后产品收率比项目投运前提高了1.3%。平均每月产生经济效益：1.3%*20t/41%*1000*800/10000=50.7万元。

    （5）低批号率的降低：以每月减少6批低批号，每批1万元计算，每年净增利润6*1*12=72万元。

    （6）生产率的提高：年初月产量为10吨，现在月产量为20吨。月产值净增：（20-10）*1000*800/10000=800万元(以月产量20吨计、每公斤产品 800元计)。

3.5    应用体会

（1）增强了现场级信息集成能力

    Profibus 可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好地满足工厂自动化和CIMS 系统的信息集成要求。Profibus 是数字化通信网络，它不但取代4~20mA 信号，还可实现设备状态、故障、参数信息传递。系统除完成远程控制外，还可以完成远程参数化工作。

（2）开放性、互操作性、互换性、可集成性

    不同厂家产品的只有使用同一总线标准，才具有互操作性和互换性，从而使系统具有了很好的可集成性。另外很多总线产品的制造厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中，使市场上了出现许多面向行业特点的监控系统， 增强了系统的开放性。

（3）系统可靠性高，可维护性好，利于资产优化

    基于Profibus 的自动化监控及信息集成系统采用总线连接方式替代I/O 连线，对大规模I/O 系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性并优化资产管理。

（4）降低系统及工程成本

    对大范围、大规模I/O 的DCS 系统来说，节省了大量的电缆、I/O 模块及电缆敷设费用，降低了系统及工程成本，在线组态功能，也使运行、维护等成本大大降低。

参考文献

[1] PROFIBUS 技术简介. 中国机电一体化技术应用协会现场总线专业委员会（CPO）.

[2] 李琦. Profibus 在三炼钢3＃CCM 仪表控制系统中的使用.