SIEMENS WIN-AC 在合成制药生产中的应用

1 前言 华北制药某合成车间主要以青霉素为主要原料，合成生产氨苄西林、阿莫西林、哌啦西林等半合成抗菌素类药品。其控制系统系1992 年连同生产线全套引进意大利 CAMPOMARZIO IMPIANTI 公司的产品，计算机控制系统运行在DOS 环境下，CPU 为286 档次，通讯采用专用接口板。该系统当时自动化水平较高，为我国半合抗的生产上台阶作出一定贡献，经过近十年的运行，虽然系统运行基本正常，但存在以下问题： 1) 维护困难：系统使用的专用功能板，现在已很难买到备件，系统已运行近十年，一旦硬件发生故障，将威胁生产安全。 2) 控制精度低：受当时的硬件条件限制，计算机响应速度很慢，例如在计算机上手动关阀需要几分钟；对生产影响很大。 3) 人机界面差：受当时的软件发展水平限制，系统运行在DOS 环境下，且为全西文操作界面；操作不方便。 4) 扩展性差：系统扩容困难并难于进行控制优化。 综合以上因素，华北制药厂决定对合成自动控制系统进行技术改造，计划把原套控制系统分步骤转移到一套开放性的控制系统中来。 华北制药合成自动控制系统技术改造工程（一期）包括13 个模拟量的输入监控以及10 个气动阀的控制输出，涉及三个物料罐的全自动称重以及合成配料的全自动控制，还有五个合成罐的温度及搅伴转速的模拟量输入以及进料和出料的气动阀控制，而且要为二期改造预留规划。 2 解决方案和产品选择 新的自动控制系统应能满足合成工艺控制的严格要求，又得具有良好的扩展能力，为后续改造奠定一个坚实的平台。我们利用全集成自动化的思想采用了基于PC 的自动化解决方案。 自动化技术的不断发展和计算机技术的飞速进步，使自动化控制的概念也发生着巨大的变化。在传统的自动化解决方案中，自动化控制实际上是由各种独立的、分离的技术和不同厂家的产品来搭配起来的，为了把所有这些产品组合在一起，需要各种类型和不同厂商的接口软件和硬件来连接、配置和调试；而全集成自动化思想就是用一种系统或者一个自动化平台完成原来由多种系统搭配起来才能完成的所有功能。应用这种解决方案，可以大大简化系统结构，减少大量接口部件，还可以克服上位机和工业控制器之间、连续控制和逻辑控制之间、集中与分散之间的界限。 在当今控制领域，基于PC 的自动化是自动化领域的一个创新和变革，其中心内容是将所有功能集成于PC 这个统一开放的平台上。相对于传统的控制器，基于PC 的自动化 具有以下优点： 1) 使用PC 符合智能分布式这一自动化发展趋势。对逐步智能化、分布化的现场控制设备，系统需要一个可以处理大量实时、复杂的数据的中央处理器， PC 具有 极快的运算速度和几乎无限的存储能力，因此完全能够胜任； 2) PC 能够提供一个完全开放的多功能的集成平台，拥有大量的软、硬件可供选择，这就保证了功能的增强和价格的降低，而且有利于系统的升级和集成； 3) PC 是控制技术和商业IT 的完美结合，是高端管理系统的理想接口。基于PC 的自动化与标准办公系统可共享标准PC 技术、Windows NT 操作系统和TCP/IP 通 讯标准；PC 通过标准化的硬件和网络、控制系统和管理系统的合并，可以大降低控制设备零备件的维护费用。 当今世界上基于PC 的自动化解决方案的数量，正以每年20%的速度增长，这是因为越来越多的自动化任务已经加入到典型的PC 任务（如数据处理和人机界面）的范围内。 通过将所有的功能集成于PC 这个统一开放的平台上，可以减小安装空间和节省电缆，将复杂的通讯连接简单化。结合华北制药合成技改的实际情况，完全可以采用基于PC 的自动化解决方案。 作为在自动化领域处于世界领先地位，也是世界上最大的自动化产品供应商，西门子公司基于PC 的自动化的解决方案是SIMATIC WinAC（Windows Automation Center），SIMATIC WinAC 是一个全集成的解决方案，具有以下特点： 1) 支持对于控制系统和时间确定性有严格要求的自动化系统 2) 在一台PC 上实现完全的PLC 功能，100%兼容SIMATIC S7 系列PLC； 3) 是自动化系统软、硬件的集成平台，其控制功能可处理一个自动化项目中的所有任务； 4) 控制程序的编制可通过工程师们熟悉的STEP 7 来进行； 5) 人机界面可通过功能强大的WinCC 来制作； 6) I/O 接口可通过PROFIBUS-DP 和工业以太网，用来连接其它现场控制器和I/O，符合现代的自动化发展趋势——分布式智能控制； 此外，在备件上，西门子公司作为可靠的合作伙伴，在产品研发保持延续性上使用户在系统集成上减少风险。备件的供应在多年可保障，并且使用户享受全球化的服务网络，有强大的技术支持为后盾。 通过以上分析可以看出，采用SIEMENS SIMATIC WinAC 解决方案可以满足华北制药合成自动控制系统技术改造的要求，而且具有良好的扩展能力，为后续改造奠定一个坚实的基础平台。 SIMATIC WinAC 的产品包括WinAC Basis、WinAC RTX 和WinAC SLOT 三种主要产品，性能逐渐增强： A. WinAC Basis（基本型WinAC） WinAC Basis 适用于大量、快速的数据处理与控制任务相合，但对控制无精确时间要求的场合，它具有以下的特点： 1). 控制内核为软件PLC；基于标准的Windows NT 操作系统； 2). 处理能力取决于PC 的CPU 性能、内存容量及控制任务在NT 中的优先级； 3). 与I/O 的连接通过PROFIBUS DP 接口卡（12Mbits/sec）； 4). 程序与SIMATIC S7 系列完全兼容。 B. WinAC RTX（实时型WinAC） WinAC RTX 是面向具有高速和精确时间要求的控制任务的基于PC 的自动化解决方案。它具有以下特点： 1) 控制内核为软件PLC；并采用VenturCom 实时内核技术标准，作为Windows NT4.0 的实时扩展，使其满足控制任务对高速和精确的时间的要求； 2) 控制内核及PROFIBUS DP 通讯驱动程序运行在RTX 扩展内核上。由于RTX 扩展内核在Windows NT 操作系统管理之外，即使Windows NT 蓝屏死机，控制和通讯也不受影响； 3) 完全支持标准的Windows NT 下OPC、ActiveX 和DCOM 技术。控制和网络通讯内核与标准的Windows NT 任务的通讯由其内置的代理服务器完成； 4) 与I/O 的连接通过PROFIBUS DP 接口卡（12Mbits/sec）； 5) 程序与SIMATIC S7 完全兼容。已有的WinAC Basis 项目可转换为WinAC RTX。 C. WinAC SLOT（插槽型WinAC） WinAC SLOT 是硬件化的基于PC 的自动化解决方案。它是置于PC 的PCI 总线的插槽型PLC。WinAC SLOT 适用于工业PC 和普通商用PC，其模块插件连同电源扩展板只需要一个PCI 扩展插槽，极大地节省了安装空间。电源扩展板选件用于提供独立于PC 电源的供电，使WinAC SLOT 在PC 断电时也可以正常运行。WinAC SLOT 具有以下特点： 1) 控制内核为硬件PLC； 2) 控制任务独立于Windows NT； 3) 操作性能和指令集基于SIMATIC S7-400 如： WinAC SLOT 412 基于CPU 412-2 DP（128KB 程序、128KB 数据存贮空间）； 4) 插卡上集成了PROFIBUS DP、MPI 通讯接口； 5) 具有硬件PLC 的实时快速、坚固可靠的性能和开放式PC 平台的所有优点。 结合华北制药合成技改项目的实际情况，以上这三种产品，无论哪一种都可以实现自动控制的要求，但考虑到本自动控制系统是生产线上的指挥核心，在设计上应把安全、可靠、稳定性放在首要地位，并在此基础上，实现系统先进性、可扩展性、可维护性、可操作性、管控一体化和用户的特殊要求。因此，经过充分考虑，我们选用了WinAC SLOT 412。 3 系统构成 本自动控制系统的硬件包括1 个控制柜，1 台计算机。具体如下图： 图1 系统构成框图 在PC 上插一块PLC 卡（WinAC SLOT 412），全部控制程序（用STEP 7 组态）下装至PLC 卡，在PLC 中独立运行不占用PC 资源；人机界面程序（用WinCC 组态）则运行在计算机上，使用计算机的CPU 及内存，不占用PLC 的资源。PC 与PLC 卡之间采用SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE 的SLOT PLC 协议进行通讯。PLC 卡与现场分布式I/O（ET200M 节点）间采用PROFIBUS DP 现场总线进行通讯，这样就保证了系统的可扩展性，可挂接多个分布在不同现场的ET200M 模块。此外，为提高系统的安全性，采用了电源扩展板选件，用于对SLOT PLC 提供独立于PC 电源的供电，这样即使PC 出现故障或断电时，WinAC SLOT PLC 也可以正常运行其上的控制程序。 控制柜中配有SIEMENS SITOP 电源模块、ET200M 模块、2 块8 路AI 模块、1 块16路DO 模块。其中电源模块负责向其它模块提供电源，并向PC 机上的SLOT PLC 提供备用电源；AI 模块用来接收现场4~20mA 信号，并进行隔离和转换处理；DO 模块接受PLC的输出实现对现场气动阀的开/停；ET200M模块用来实现I/O 模块与PC机上的SLOT PLC之间的通讯。另外，控制柜上装有10 个手/自/停切换开关，在应急状况下可用手动方式直接对10 个气动阀进行控制。 PC 主机采用HP Vectra 机型，配置为PⅢ 733MHz，192M RAM。在PC 内PCI 插槽上插有1 块SLOT PLC（CPU412-2 DP），占用1 个PCI 插槽，1 个挡板位， PLC 卡后的PROFIBUS DP 口用通讯电缆连至控制柜的ET200M 模块的PROFIBUS DP 口上，以实现PLC 与控制柜内I/O 模块之间的通讯；在卡上还附有一块SLOT PLC 电源扩展板，只占用1 个挡板位。电源扩展板后面板的V24 口用一对电源线连至控制柜内的SIEMENS24VDC 电源，以实现SLOT PLC 的双电源方案。即当计算机正常工作时，SLOT PLC 由计算机供电；计算机掉电时，SLOT PLC 就自动切换为控制柜的SIEMENS 24VDC 电源供电，而SLOT PLC 卡中的控制程序在切换过程中一直正常运行。此外，在该电源扩展板后还有后备电池（3.6V），作用是在PLC 卡的两路电源都切断的情况下<