长沙西门子PLC总代理商

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    本安防爆分布式I/O方案应用实例

详见文后附录：西门子本安防爆分布式I/O ET200iSP在无菌制药生产中的应用

7.       应用体会和结论

1)      西门子本安防爆分布式I/O方案的技术优势

传统的现场设备和HART现场设备或智能化现场过程设备更适宜通过使用ET200系列分布式I/O 连接到PROFIBUS。这些本安传感器/ 执行器还可用于Ex.Zone 2、1或0区。这使得分布式过程I/O成为现在的主流产品。

本文认为：由于本安防爆分布式I/O方案能够兼顾兼顾FISCO现场总线方式和点对点方式两类应用方案的优点，能照顾和符合目前大部分用户的使用、维护水平和要求，工程投资节约也非常明显，因此将得到广泛应用。采用本安防爆分布式I/O方案的优势主要体现在以下方面：

l       与传统安全栅方案相比

由于减少了电缆和控制系统I/O卡的使用量，从而可节省系统的硬件成本；

本安分布式I/O集成本安电路比原来I/O卡+安全栅的成本低，而且结构简单紧凑，占用控制柜空间小，能使用相应的体积更小的控制柜，紧凑的结构导致成本大幅度地降低。

由于本安分布式I/O可以直接安装应用在危险Ex.Zone 2、1区，减少了电缆铺设和接线的工作量，从而可降低工程的施工费用。

集成的总线链接器代替过去密集、冗长的电缆，能够明显加快安装调试过程。

由于分布式I/O模块智能化程度大大提高，更方便用户的使用和维护。

从控制室到现场本安分布式I/O之间只有一条总线，一目了然且不容易发生故障并简化维护。

本安分布式I/O简单的结构意味着快速的安装，少量的接线，更少的故障点。

 不依赖于有源的背板总线“热插技”技术使得ET200iSP的维护工作大大降低。不需要将整个系统停机或断电就可以在几秒钟内更换一个模块。相互独立的接线端子底板和电子模板结构避免了重复接线的工作。

l       与现场总线方案相比

可将传统模拟量信号挂接到现场总线上，这些模拟量信号如4~20mA信号(AI/AO)、热电偶和热电阻信号、NAMUR开关和干接点信号(DI)、NAMUR或干接点频率量信号(PI)、电磁阀驱动信号及报警输出信号(DO)等，并不会很快被现场总线完全取代；

与现场总线方案相同也可在一根总线上传递多点位的测量和控制信息；

更适应员工素质的逐步提高，既可使用传统的仪表检测工具对现场仪表进行维护和检修，又可使用PC机等智能工具学习现场总线仪表的维护和检修方法，为今后使用现场总线仪表做准备。

可见，利用西门子本安防爆分布式I/O方案是比较适合我国目前仪表控制系统发展水平的一种本安防爆系统解决方案，其综合了传统点对点本安防爆和本安现场总线这两种方式的优点，既有技术先进性，又照顾了传统仪表的使用方式，因此本安防爆分布式I/O方案具有非常强的技术、经济优越性，具有非常大的应用发展空间。

2）西门子本安防爆分布式I/O的适用场合

虽然具有本安防爆功能的分布式I/O技术发展很快，但是什么样的防爆场合适用分布式I/O方案仍然是人们经常关心的话题。实践表明，在以下几种防爆场合，用户应考虑采用分布式I/O方案。

当同时建设几个比较分散的生产装置时，用户既不愿为每个装置都建设独立的主控室，又不愿将太多的钱花在电缆和桥架上。如果这些装置本来就准备采用本安防爆，选用带有本安防爆功能的西门子SIMATIC ET200iSP、ET200M系列远程 I/O便可一举两得。

当主要装置进行建设时，常有某些辅助装置不能同步建设，或者主装置的某一部分不能同步进行，甚至不能确定这些部分何时才能建设，如果预留这部分的主控室空间或DCS容量，单次投资又太大。此时，若这些辅助装置和不确定的部分需要本安防爆，则可设计采用分布式I/O方案，待进行后期建设时加入主系统即可。

 防爆生产装置在原有控制系统基础上改扩建，尤其工期较紧时。推荐采用防爆分布式I/O方案，这样可以减少新增点调试时对原系统控制程序的干扰和误修改，便于独立调试。

或是当生产装置改扩建时，用户希望避免在已经拥挤的主控室扩充新的 DCS 机柜和安全栅机柜。此时，只要原有的DCS系统具有总线通信能力，便可采用分布式I/O方案。

 当一个装置的检测点较多，同时购置大量I/O卡和安全栅成本很高。此时，较合理的方案就是采用结合I/O卡和安全栅功能为一体的防爆分布式I/O方案。

 当控制系统采用现场总线方案，某一个防爆生产装置的有些现场仪表没有本安现场总线型品种，或者不值得采用现场总线型仪表。这时可采用能挂接到现场总线上去的防爆分布式I/O。

西门子SIMATIC PCS7系统中应用于本安防爆场合的分布式I/O品种已经非常丰富，应用实例也非常多。用户应结合自己的现场情况和控制应用需要，合理选用分布式I/O，设计出既安全可靠，又节省投资的应用方案。

附：西门子本安防爆分布式I/O ET200iSP在无菌制药生产中的应用

华北制药股份有限公司是目前世界上大的抗生素生产制造基地。其某一无菌抗生素提炼精制包装车间，生产现场既是防爆区又是医药生产洁净区，因此根据生产工艺和生产线设备分布特点，设计使用了以防爆式远程I/O ET200iSP构成控制系统，完成了无菌抗生素晶体的从过滤、洗涤、干燥到分装包装全流程的自动化控制。完全符合制药生产GMP要求，具有现场布线简洁，方便清洁无死角，防爆等级高，控制元件可以实现本安带电检修等特点，非常适合在无菌制药生产过程推广。

项目介绍

本项目包括有四台过滤、洗涤、干燥三合一大型机组，由每两台机组组成一条生产线。生产线具体组成见图1所示。生产线的设备组成按生产流程顺序依次是：罐式三合一干燥器，全排料管道，排料料仓，振荡筛，称量分装装置等组成。

生产线的生产工艺简介如下：

1)    先密闭整个机组系统，充入惰性气体保护，通过进料自动阀门加入抗生素待处理结晶液，达到一定体积量后关闭进料阀。

2)    通入惰性气体加压，通过底部的大型金属过滤板实现抗生素结晶液的固液分离。

3)    抗生素结晶液固液分离后进行喷淋洗涤。

4)    洗涤结束后通过液压装置下降搅拌装置进行搅拌，并同时利用搅拌内部的加热管路系统加热物料层，并严格控制干燥过程温度，否则会使抗生素的降解失效。在加热干燥的同时进行系统抽真空操作，使溶媒快速蒸发。

5)    物料层干燥合格后（可以取样检测），停止真空，进入自动排料程序。

6)    自动排料程序：在排料口通入惰性气体，同时在料仓侧抽真空，然后控制搅拌转速和搅拌叶下降速度进行刮料、送料动作，使粉状物料快速通过排料阀进入料仓，当搅拌刮至接近金属过滤板层时停止搅拌下降，然后喷吹惰性气体，将底层物料全部吹至料仓。

7)    物料进入料仓后进行料位检测，并分批下装至计量仓，通过称量控制阀门进行分装。至此完成抗生素的无菌过滤，洗涤，干燥，分装过程。

生产系统控制特点分析

三合一生产系统工序流程长，监控点数多，动作复杂，既有大量开关量联锁、顺序控制，又有大量模拟量回路调节；同时生产全过程既是洁净生产环境，又是易燃易爆危险环境，既有很高的安全性要求，又有非常高的控制精度要求。控制系统可以实现完全的自动化操作控制，系统组成复杂，控制系统涉及的功能多样，可以完成的功能有：运动控制，液压系统，惰性气体保护，机械传动，变频调速，自动阀门控制，正负压控制，还有易燃易爆危险区内的信息显示与操作，信号包括流量、温度、压力、转速、扭矩、料位、动态重量等模拟量的实时状态监测控制，以及机械位置、压力开关、流量开关、料位、安全保护等开关量。

此生产线的生产现场特殊，要求很高：

1)      医药洁净区，（万级区~百级区），制药管理规范GMP要求现场越简洁越好，便于清洁，免除清洁死角

2)      是防爆区，为Zone1区，含有多种有机溶媒。

3)      全自动化生产线分布很长，很散，跨越几个隔离间， GMP要求现场管线越少越好

4)      机组本身控制点分布特点是：分布区域大，但每个区域内信号点集中，适合I/O分布式信号处理。

5)      生产操作复杂，需要人工干预生产阶段的结束和开始，操作信息非常多，同时机械安全操作要求必须在现场操作设备，不得远程控制，因此现场必须设置大信息量的防爆、洁净操作界面。

这些控制特点和要求，因此非常适合采用西门子防爆远程I/O方案解决以上问题。因此，按照生产线功能流程和仪表信号的位置分布可以将系统划分为6个功能部分，分别见图1中所示各位置功能单元：

1)      三合一罐体上部

2)      三合一罐体下部底盘开合操作区

3)      信息显示与操作单元

4)      料仓区

5)      振荡筛部分

6)      自动称量、分装单元

7)      控制室控制柜

控制系统构成：

控制系统采用西门子SIMATIC S7300 PLC作为主控器，采用PROFIBUS-DP作为控制、通讯网络，现场按照控制点的区域位置分布设置西门子防爆式远程I/O模块 ET200iSP，现场采用防爆操作屏BARTEC VGA作为人机操作界面，并在控制室开发具有集中管理功能的WINCC工作站作为远端管理站。

控制系统的特点：

1)      安全保护功能。惰性气体保护装置，各种安全联锁，状态位置监测联锁，流程条件的连锁，顺序控制等。

2)      系统测控部分为本安系统。分布在.现场的机械开关，接近开关，温度、压力变送器，这些自控设备全部为本安防爆型，信号通过现场本安防爆远程I/O模块 ET200iSP进行汇总处理，弱电控制部分均为本质安全回路，安全等级达到Ex ia IIC T6。所以可以在生产现场进行带电信号检修，大大方便了设备的维护，减少设备故障检修时间。

3)      现场I/O模块设置在RITTAL增安型仪表箱中，布线简洁，与传统点对点防爆控制系统现场布线方式相比，省却了大量电缆保护管，有效保证了现场环境的简洁易于清洁，减少死角，充分符合制药GMP规范。

4)      信号采集采用1.5M的通讯速率，速度极快。控制系统包括大量开关量、模拟量的逻辑联锁、顺序控制、混合控制，实时安全。

5)      实现在防爆现场的复杂操作控制。利用全集成自动化的优势，采用智能防爆型BARTEC操作显示屏，实现了机组的复杂操作和各种状态信息显示，而且只需一根电源线和两芯屏蔽双绞通讯总线即可完成连接，省却复杂的现场布线和庞大的隔爆操作盘。

6)      模拟量的回路自控。可以进行温度的调节、物位的调节、仓体压力的调节、搅拌转速的调节、扭矩的调节、jingque分装重量的调节、搅拌升降位置设定，SIMATIC控制系统可以达到很高的控制精度。

7)      系统采用防爆远程I/O单元式结构，因此实现了单元分步骤调试，调试任务清晰，加快了系统投运速度。

在无菌抗生素生产线控制系统中，本安防爆远程I/O模块 ET200iSP的使用，完全适合了无菌制药环境要求，安全防爆，布线简洁，易于清洁，完美实现了各项功能。控制系统通过PROFIBUS-DP现场总线将模拟、数字控制，传动控制，安全防爆操作显示，过程信息管理等诸多功能很方便的统一在一起，减少了故障点，提高了系统整体性能，为用户创造了价值。

一、项目简介

北京奔驰-戴姆勒 克莱斯勒汽车有限公司（简称BBDC）位于北京经济技术开发区，于2005年8月8日正式成立。其前身北京吉普汽车有限公司创立于1983年5月5日，是中国汽车行业家中外整车合资企业。BBDC是一家具有世界汽车制造业技术与制造水平，融汽车研发、制造、销售和售后服务为一体的现代化企业，其生产厂房占地3200亩。期建设工程30万平方米，具备年产10万辆汽车的生产能力，终将达到年产30万辆汽车的目标。BBDC生产梅赛德斯-奔驰、克莱斯勒、Jeep、三菱等众多的轿车和越野车，并为中国军队定点生产，拥有完全自主知识产权的第二代军用轻型越野车。

BBDC生产线自动控制系统是国内首家使用Integra标准的项目，该标准的实施极大的提高了工作的效率和优化了工作流程。它共分为5个子系统，按照工业流程分为：调整打磨系统、漆前缓存系统、漆后缓存系统、总装系统和门线系统。其中调整打磨系统是将冲压焊装系统生产的车身进行打磨，保证车面的光滑，为喷漆车间的喷漆做好准备。为了协调不同生产线的更好的生产，提高生产效率，在进入喷漆车间前，必须对不同车型的车身进行统一的管理，漆前缓存就是对车身进行有效的存储、运送的控制系统，如图1所示。为了实现同样的目的，在车身从喷漆车间出来后，也需要漆后缓存系统对车身的协调管理。然后车身就被送往总装系统，进行车内饰、底盘以及发动机的安装，如图2所示。同时车身的车门被摘取进行门内饰的安装，在车身到达门线系统时，车门又被重新安装。后你将看到如图3所示的漂亮的汽车下线。

图1    漆前缓存生产线

图2    总装生产线

图3    组装完成的克莱斯勒300C

二、系统工艺介绍

调整打磨系统中，冲压焊装后的车身由EMS（自行电动小车输送系统）上的电动小车运送至上件滑撬升降机，通过升降机送到板式链，再由调整线板式输送机驱动板式链将车身送到下件滑撬升降机上，然后送到漆前缓存系统；由漆前缓存系统中的动力滚床进行运送，举升动力滚床进行提升，拐弯处由90度偏心旋转滚床进行车身转向，再由链式移行机将车身放在不同的存储线上，有序的进入喷漆车间；从喷漆车间出来后再有90度偏心旋转滚床转弯，由动力滚床进行运送，举升动力滚床将车身下降至合适的高度，再由链式移行机将车身放在不同的存储线上，合理有序的送入到总装系统；进入总装系统后首先由下件滑撬升降机将车身送到内饰工艺链上，进行车内饰的安装，完成后转入快链运送，然后送到底盘工艺链上安装底盘，这段工艺完成后再转入快链运送，来到总装系统中的重要工艺线——发动机的安装。这些工作进行的同时，门线系统也在对车门进行门内饰的安装，等到车身安装好发动机后进行车门的安装，后进入总装的后一个工序进行加注润滑油以及添加燃料。

整个流程的自动控制系统采用分布式的控制方式,主要通过中控室里由WinCC组态的监控计算机向PLC CPU416F-2DP发出控制命令，需要变频控制的电机经由从站ET200S使用ET200FC控制变频器MASTERDRIVE来控制，不需要变频的电机通过ET200S马达启动器来控制，滑撬系统还使用了MOBY E进行车身的识别。比较集中的传感器/执行器设备通过ET200eco控制。手动控制主要通过本地的人机界面PP17和TP170B发出本地控制命令。

三、控制系统的构成

由于该项目遵从Integra标准，因此方案是严格按照这个标准执行。Integra标准是从国外引入的比较先进的，针对汽车行业开发的标准，它已经被成功应用于德国梅赛德斯奔驰项目，得到了很高的评价。BBDC项目将Integra标准引进中国，并发布了IntegraBBDC标准，它对控制结构、硬件画图、软件开发、Safety技术、现场总线、系统接口、人机界面、软件库和培训流程进行了详细的阐述，Integra标准的引入将大大推动中国汽车制造业的发展。

图4    漆前缓存线电气系统配置图

由于各系统硬件配置大致相同，只是数量上的不同，我们就以图4所示的漆前缓存电气系统配置图分析硬件选择方案，从硬件配置图可以看出，监控级利用工业以太网将控制层PLC获得的数据传送到上位监控计算机，这是由于厂房面积大，各个控制系统分布广泛决定的，另外由于整个系统传输的数据量大（有一万多个点），这就决定了工业以太网是佳选择。而且为了保证生产的可靠性，系统中的PLC选用的是CPU416F-2DP，同时采用了部分safety模块，这样就提高了系统的可靠性。现场选择一个触摸屏是为了可以在现场的控制柜上实时的查看各个点的状态和CPU的信息，还可以诊断Profibus总线的通讯状态，这是为了方便现场人员调试，也给后期维护带来便利。CPU下面接了一个中继器，主要是起到诊断网络和信号放大的作用，可以实时的监控通讯状态，如有问题可以及时的发现处理。另外由于每个子系统既独立控制，又相互联系。所有选用DP-Coupler来进行不同CPU之间的数据交换。对有本地启停设备的地方选择PP17面板，这种方案比使用触摸屏控制更加可靠，而且也更容易适应现场恶劣的环境。对于是否选择变频器MASTERDRIVE，主要是根据工艺的要求选择的电机，如果电机是非变频的可以选择马达启动器来启动电机。而对于现场一些特殊点的不能通过控制柜中的模板采集的，可选择ET200eco来进行现场采集而无需放在控制柜里，滑撬系统使用MOBY E进行车身的识别。图5即为总装系统的主监控画面，从图中各工位的颜色可以清楚的看出各个工位以及整个系统的工作情况

图5    总装系统主监控画面

对采集数据和监控生产的上位机，采用了服务器－客户机的模式，如图6所示，共有2台服务器和5台客户机，2台服务器互为冗余，选用的HP ProLiant DL服务器，安装了bbbbbbs2003 server standard版操作系统，WinCC安装的是6.0 SP4版本。5台客户机选用的是工业控制计算机，安装了bbbbbbs2000英文版操作系统，WinCC版本和服务器一样。选择这种方案主要是基于三方面的考虑。①可靠性高：互为冗余的服务器进行数据的定时同步，保证了数据的一致性和可靠性；②开发周期短：这种模式只需开发一个服务器的程序即可，两台服务器互为备份程序完全一样，而客户端的PC无需编写程序，只需通过工业以太网来访问服务器的程序即可，开发难度小而且周期短；③成本低：由于本项目通讯点多，采用其它方式购买授权的费用相对较高，这种模式客户机端只需128点的授权费用，这样总体费用大大降低。

图6   上位监控系统配置图

四、控制系统完成的功能

虽然本项目庞大，通讯点很多，但是各个子系统设备很大部分是相同，也具有一样的控制要求，因此我们将整个项目按照设备划分成的不同的功能组，这样可以增大一次开发的利用率，避免了重复开发，节省时间和成本。

1．升降机的控制

  图7   升降机控制系统 

如图7所示，升降机在高位时，电动锁紧器锁紧到位，升降机上滚床无撬体，上层滚床有撬体等待，撬体经确认与EMS上的电动小车所带车体相一致，上层滚床高速把撬体送到升降机的滚床上，经变速开关变为低速，行走至占位开关停止。电动定位器关闭到位，电动锁紧器松开到位，收到EMS空中自行电动小车允许接车信号，升降机低速升到接车位，待收到EMS空中自行电动小车允许升降机下降信号后，升降机高速下降至变速开关变为低速，低速下降到到位开关停止。电动定位器打开到位，待条件允许，升降机上滚床高速把撬体送到板式链的滚床。升降机高速上升至变速开关变为低速，低速上升到到位开关停止，执行完一次循环。

2．举升台的控制

举升台在高位，下层滚床无撬体占位，上滚床高速把撬体送到下层滚床，经变速开关变为低速，行走至占位开关停止；举升台在高位，下层滚床占位停止，电动定位器关闭到位，车体检测开关检测撬体上无车体，发出允许涂装送车信号，当车体检测开关检测撬体上有车体，收到涂装送车完毕信号，前面允许送车，即举升台在低位，停止器再关闭到位，举升台在下降到位。撬体被链式移行机送到停止器，占位开关同时占位，举升台把撬体举升高位，同时举升台举升到高位，下层滚床等待接撬体，执行完一次循环。

3．总装门线升降机、停止器、推车机的控制

图8    升降机、停止器和推车机的控制
 

如图8所示，停止器ST01占位，停止器ST02没占位，1#升降机在高位，停止器ST02占位与ST01占位之间没有移动的吊具，停止器ST01打开到位，推车机T01由慢-快-慢把吊具推至ST02占位，停止器ST02占位延时1秒，推车机T01由慢-快-慢退回到位，1#升降机由慢-快-慢下降到位，等装完车门，经工位工人确认后，1#升降机由慢-快-慢上升到位，停止器ST02前面允许进车，停止器ST01与ST02同时打开到位，推车机T01由慢-快-慢把吊具从ST02推出，把吊具从ST01推至ST02占位，停止器ST02占位延时1秒，推车机T01由慢-快-慢退回到位，1#升降机下降，执行完一次循环。应注意的是：升降机不在上升到位，停止器ST01/ST02必须在关闭到位，推车机必须在后退到位，否则立即停线。

升降机的自动控制是项目中的难点，主要是因为升降机的自动控制如果故障就有可能将设备以及车体损坏，对一次调试成功的要求很高。升降机虽然有硬件保护措施，需要特定条件，比如升降机只有在失电后，抱闸将会抱死，因此对于升降机控制程序的编写需要反复修改，模拟试验，才能保证调试中的万无一失，不会出安全事故。

五、总结与评价

该项目于2006年4月份进厂调试，7月份调试结束。通过对厂方操作员工进行相应的培训，熟练掌握了操作技能后，他们给出了很好的评价：

1．该项目提高了生产效率和管理质量，显著提高了工艺水平，改善了生产环境，减轻了劳动强度，增加了企业的效益。

2．提高了生产的安全性，减少了事故的发生，由于该项目方案中对生产安全相当重视，设有很多急停按钮，在编写程序中，对重要设备有多重保护，从而保证了设备、人身的安全。

3．加大了设备可靠性，safety模块的使用对设备的输入输出点都是双重对比的，保证每个点的信号都是真实可靠，设备的故障率降低了，生产的安全性就提高了。

六、应用体会

1．Integra标准的应用极大的提高了效率，它规定了从画图、硬件、软件和培训。这就保证了工程进度不会因为人员的调整而影响，而且这种标准也比较适用大的项目，这样可以将项目细化，大家分工合作，因为所有的工作都是遵从标准，内容格式以及应用符号都是通用的，BBDC能在很短的时间完成开发调试，很大的部分归功于IntegraBBDC标准的应用。

2．自动化编程，由于该项目信号点多，WinCC程序的开发工作量大，而且有很多还是重复的工作，这种情况下，使用Excel表格将一些变量信息以及对象的属性编辑，通过WinCC中的VBA功能编程实现编辑大量的画面和对象，大大的提高了工作效率，而且将一些重要信息备份，也便于后期的维护。

3．Safety技术的应用，极大的提高了整个系统的可靠性，Safety模块保证了输入输出信号的可靠性，设备的安全性提高了，控制系统性能相应的改善了。