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7. 應(yīng)用體會和結(jié)論
1) 西門子本安防爆分布式I/O方案的技術(shù)優(yōu)勢
傳統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備和HART現(xiàn)場設(shè)備或智能化現(xiàn)場過程設(shè)備更適宜通過使用ET200系列分布式I/O 連接到PROFIBUS。這些本安傳感器/ 執(zhí)行器還可用于Ex.Zone 2、1或0區(qū)。這使得分布式過程I/O成為現(xiàn)在的主流產(chǎn)品。
本文認(rèn)為：由于本安防爆分布式I/O方案能夠兼顧兼顧FISCO現(xiàn)場總線方式和點(diǎn)對點(diǎn)方式兩類應(yīng)用方案的優(yōu)點(diǎn)，能照顧和符合目前大部分用戶的使用、維護(hù)水平和要求，工程投資節(jié)約也非常明顯，因此將得到廣泛應(yīng)用。采用本安防爆分布式I/O方案的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面：
l 與傳統(tǒng)安全柵方案相比
由于減少了電纜和控制系統(tǒng)I/O卡的使用量，從而可節(jié)省系統(tǒng)的硬件成本；
本安分布式I/O集成本安電路比原來I/O卡+安全柵的成本低，而且結(jié)構(gòu)簡單緊湊，占用控制柜空間小，能使用相應(yīng)的體積更小的控制柜，緊湊的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致成本大幅度地降低。
由于本安分布式I/O可以直接安裝應(yīng)用在危險(xiǎn)Ex.Zone 2、1區(qū)，減少了電纜鋪設(shè)和接線的工作量，從而可降低工程的施工費(fèi)用。
集成的總線鏈接器代替過去密集、冗長的電纜，能夠明顯加快安裝調(diào)試過程。
由于分布式I/O模塊智能化程度大大提高，更方便用戶的使用和維護(hù)。
從控制室到現(xiàn)場本安分布式I/O之間只有一條總線，一目了然且不容易發(fā)生故障并簡化維護(hù)。
本安分布式I/O簡單的結(jié)構(gòu)意味著快速的安裝，少量的接線，更少的故障點(diǎn)。
不依賴于有源的背板總線“熱插技”技術(shù)使得ET200iSP的維護(hù)工作大大降低。不需要將整個系統(tǒng)停機(jī)或斷電就可以在幾秒鐘內(nèi)更換一個模塊。相互獨(dú)立的接線端子底板和電子模板結(jié)構(gòu)避免了重復(fù)接線的工作。
l 與現(xiàn)場總線方案相比
可將傳統(tǒng)模擬量信號掛接到現(xiàn)場總線上，這些模擬量信號如4~20mA信號(AI/AO)、熱電偶和熱電阻信號、NAMUR開關(guān)和干接點(diǎn)信號(DI)、NAMUR或干接點(diǎn)頻率量信號(PI)、電磁閥驅(qū)動, 信號及報(bào)警輸出信號(DO)等，并不會很快被現(xiàn)場總線完全取代；
與現(xiàn)場總線方案相同也可在一根總線上傳遞多點(diǎn)位的測量和控制信息；
更適應(yīng)員工素質(zhì)的逐步提高，既可使用傳統(tǒng)的儀表檢測工具對現(xiàn)場儀表進(jìn)行維護(hù)和檢修，又可使用PC機(jī)等智能工具學(xué)習(xí)現(xiàn)場總線儀表的維護(hù)和檢修方法，為今后使用現(xiàn)場總線儀表做準(zhǔn)備。
可見，利用西門子本安防爆分布式I/O方案是比較適合我國目前儀表控制系統(tǒng)發(fā)展水平的一種本安防爆系統(tǒng)解決方案，其綜合了傳統(tǒng)點(diǎn)對點(diǎn)本安防爆和本安現(xiàn)場總線這兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，既有技術(shù)先進(jìn)性，又照顧了傳統(tǒng)儀表的使用方式，因此本安防爆分布式I/O方案具有非常強(qiáng)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性，具有非常最大的應(yīng)用發(fā)展空間。
2）西門子本安防爆分布式I/O的適用場合
雖然具有本安防爆功能的分布式I/O技術(shù)發(fā)展很快，但是什么樣的防爆場合適用分布式I/O方案仍然是人們經(jīng)常關(guān)心的話題。實(shí)踐表明，在以下幾種防爆場合，用戶應(yīng)考慮采用分布式I/O方案。
當(dāng)同時建設(shè)幾個比較分散的生產(chǎn)裝置時，用戶既不愿為每個裝置都建設(shè)獨(dú)立的主控室，又不愿將太多的錢花在電纜和橋架上。如果這些裝置本來就準(zhǔn)備采用本安防爆，選用帶有本安防爆功能的西門子SIMATIC ET200iSP、ET200M系列遠(yuǎn)程 I/O便可一舉兩得。
當(dāng)主要裝置進(jìn)行建設(shè)時，常有某些輔助裝置不能同步建設(shè)，或者主裝置的某一部分不能同步進(jìn)行，甚至不能確定這些部分何時才能建設(shè)，如果預(yù)留這部分的主控室空間或DCS容量，單次投資又太大。此時，若這些輔助裝置和不確定的部分需要本安防爆，則可設(shè)計(jì)采用分布式I/O方案，待進(jìn)行后期建設(shè)時加入主系統(tǒng)即可。
防爆生產(chǎn)裝置在原有控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上改擴(kuò)建，尤其工期較緊時。推薦采用防爆分布式I/O方案，這樣可以減少新增點(diǎn)調(diào)試時對原系統(tǒng)控制程序的干擾和誤修改，便于獨(dú)立調(diào)試。
或是當(dāng)生產(chǎn)裝置改擴(kuò)建時，用戶希望避免在已經(jīng)擁擠的主控室擴(kuò)充新的 DCS 機(jī)柜和安全柵機(jī)柜。此時，只要原有的DCS系統(tǒng)具有總線通信能力，便可采用分布式I/O方案。
當(dāng)一個裝置的檢測點(diǎn)較多，同時購置大量I/O卡和安全柵成本很高。此時，較合理的方案就是采用結(jié)合I/O卡和安全柵功能為一體的防爆分布式I/O方案。
當(dāng)控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線方案，某一個防爆生產(chǎn)裝置的有些現(xiàn)場儀表沒有本安現(xiàn)場總線型品種，或者不值得采用現(xiàn)場總線型儀表。這時可采用能掛接到現(xiàn)場總線上去的防爆分布式I/O。
西門子SIMATIC PCS7系統(tǒng)中應(yīng)用于本安防爆場合的分布式I/O品種已經(jīng)非常豐富，應(yīng)用實(shí)例也非常多。用戶應(yīng)結(jié)合自己的現(xiàn)場情況和控制應(yīng)用需要，合理選用分布式I/O，設(shè)計(jì)出既安全可靠，又節(jié)省投資的應(yīng)用方案。
附：西門子本安防爆分布式I/O ET200iSP在無菌制藥生產(chǎn)中的應(yīng)用
華北制藥股份有限公司是目前世界上最大的抗生素生產(chǎn)制造基地。其某一無菌抗生素提煉精制包裝車間，生產(chǎn)現(xiàn)場既是防爆區(qū)又是醫(yī)藥生產(chǎn)潔凈區(qū)，因此根據(jù)生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)線設(shè)備分布特點(diǎn)，設(shè)計(jì)使用了以防爆式遠(yuǎn)程I/O ET200iSP構(gòu)成控制系統(tǒng)，完成了無菌抗生素晶體的從過濾、洗滌、干燥到分裝包裝全流程的自動化控制。完全符合制藥生產(chǎn)GMP要求，具有現(xiàn)場布線簡潔，方便清潔無死角，防爆等級高，控制元件可以實(shí)現(xiàn)本安帶電檢修等特點(diǎn)，非常適合在無菌制藥生產(chǎn)過程推廣。
項(xiàng)目介紹
本項(xiàng)目包括有四臺過濾、洗滌、干燥三合一大型機(jī)組，由每兩臺機(jī)組組成一條生產(chǎn)線。生產(chǎn)線具體組成見圖1所示。生產(chǎn)線的設(shè)備組成按生產(chǎn)流程順序依次是：罐式三合一干燥器，全排料管道，排料料倉，振蕩篩，稱量分裝裝置等組成。
生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝簡介如下：
1) 先密閉整個機(jī)組系統(tǒng)，充入惰性氣體保護(hù)，通過進(jìn)料自動閥門加入抗生素待處理結(jié)晶液，達(dá)到一定體積量后關(guān)閉進(jìn)料閥。
2) 通入惰性氣體加壓，通過底部的大型金屬過濾板實(shí)現(xiàn)抗生素結(jié)晶液的固液分離。
3) 抗生素結(jié)晶液固液分離后進(jìn)行噴淋洗滌。
4) 洗滌結(jié)束后通過液壓裝置下降攪拌裝置進(jìn)行攪拌，并同時利用攪拌內(nèi)部的加熱管路系統(tǒng)加熱物料層，并嚴(yán)格控制干燥過程溫度，否則會使抗生素的降解失效。在加熱干燥的同時進(jìn)行系統(tǒng)抽真空操作，使溶媒快速蒸發(fā)。
5) 物料層干燥合格后（可以取樣檢測），停止真空，進(jìn)入自動排料程序。
6) 自動排料程序：在排料口通入惰性氣體，同時在料倉側(cè)抽真空，然后控制攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌葉下降速度進(jìn)行刮料、送料動作，使粉狀物料快速通過排料閥進(jìn)入料倉，當(dāng)攪拌刮至接近金屬過濾板層時停止攪拌下降，然后噴吹惰性氣體，將底層物料全部吹至料倉。
7) 物料進(jìn)入料倉后進(jìn)行料位檢測，并分批下裝至計(jì)量倉，通過稱量控制閥門進(jìn)行分裝。至此完成抗生素的無菌過濾，洗滌，干燥，分裝過程。
生產(chǎn)系統(tǒng)控制特點(diǎn)分析
三合一生產(chǎn)系統(tǒng)工序流程長，監(jiān)控點(diǎn)數(shù)多，動作復(fù)雜，既有大量開關(guān)量聯(lián)鎖、順序控制，又有大量模擬量回路調(diào)節(jié)；同時生產(chǎn)全過程既是潔凈生產(chǎn)環(huán)境，又是易燃易爆危險(xiǎn)環(huán)境，既有很高的安全性要求，又有非常高的控制精度要求。控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)完全的自動化操作控制，系統(tǒng)組成復(fù)雜，控制系統(tǒng)涉及的功能多樣，可以完成的功能有：運(yùn)動控制，液壓系統(tǒng)，惰性氣體保護(hù)，機(jī)械傳動，變頻調(diào)速，自動閥門控制，正負(fù)壓控制，還有易燃易爆危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的信息顯示與操作，信號包括流量、溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、扭矩、料位、動態(tài)重量等模擬量的實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測控制，以及機(jī)械位置、壓力開關(guān)、流量開關(guān)、料位、安全保護(hù)等開關(guān)量。
此生產(chǎn)線的生產(chǎn)現(xiàn)場特殊，要求很高：
1) 醫(yī)藥潔凈區(qū)，（萬級區(qū)~百級區(qū)），制藥管理規(guī)范GMP要求現(xiàn)場越簡潔越好，便于清潔，免除清潔死角
2) 是防爆區(qū)，為Zone1區(qū)，含有多種有機(jī)溶媒。
3) 全自動化生產(chǎn)線分布很長，很散，跨越幾個隔離間， GMP要求現(xiàn)場管線越少越好
4) 機(jī)組本身控制點(diǎn)分布特點(diǎn)是：分布區(qū)域大，但每個區(qū)域內(nèi)信號點(diǎn)集中，適合I/O分布式信號處理。
5) 生產(chǎn)操作復(fù)雜，需要人工干預(yù)生產(chǎn)階段的結(jié)束和開始，操作信息非常多，同時機(jī)械安全操作要求必須在現(xiàn)場操作設(shè)備，不得遠(yuǎn)程控制，因此現(xiàn)場必須設(shè)置大信息量的防爆、潔凈操作界面。
這些控制特點(diǎn)和要求，因此非常適合采用西門子防爆遠(yuǎn)程I/O方案解決以上問題。因此，按照生產(chǎn)線功能流程和儀表信號的位置分布可以將系統(tǒng)劃分為6個功能部分，分別見圖1中所示各位置功能單元：
1) 三合一罐體上部
2) 三合一罐體下部底盤開合操作區(qū)
3) 信息顯示與操作單元
4) 料倉區(qū)
5) 振蕩篩部分
6) 自動稱量、分裝單元
7) 控制室控制柜
控制系統(tǒng)構(gòu)成：
控制系統(tǒng)采用西門子SIMATIC S7300 PLC作為主控器，采用PROFIBUS-DP作為控制、通訊網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場按照控制點(diǎn)的區(qū)域位置分布設(shè)置西門子防爆式遠(yuǎn)程I/O模塊 ET200iSP，現(xiàn)場采用防爆操作屏BARTEC VGA作為人機(jī)操作界面，并在控制室開發(fā)具有集中管理功能的WINCC工作站作為遠(yuǎn)端管理站。
控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：
1) 安全保護(hù)功能。惰性氣體保護(hù)裝置，各種安全聯(lián)鎖，狀態(tài)位置監(jiān)測聯(lián)鎖，流程條件的連鎖，順序控制等。
2) 系統(tǒng)測控部分為本安系統(tǒng)。分布在.現(xiàn)場的機(jī)械開關(guān)，接近開關(guān)，溫度、壓力變送器，這些自控設(shè)備全部為本安防爆型，信號通過現(xiàn)場本安防爆遠(yuǎn)程I/O模塊 ET200iSP進(jìn)行匯總處理，弱電控制部分均為本質(zhì)安全回路，安全等級達(dá)到Ex ia IIC T6。所以可以在生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行帶電信號檢修，大大方便了設(shè)備的維護(hù)，減少設(shè)備故障檢修時間。
3) 現(xiàn)場I/O模塊設(shè)置在RITTAL增安型儀表箱中，布線簡潔，與傳統(tǒng)點(diǎn)對點(diǎn)防爆控制系統(tǒng)現(xiàn)場布線方式相比，省卻了大量電纜保護(hù)管，有效保證了現(xiàn)場環(huán)境的簡潔易于清潔，減少死角，充分符合制藥GMP規(guī)范。
4) 信號采集采用1.5M的通訊速率，速度極快。控制系統(tǒng)包括大量開關(guān)量、模擬量的邏輯聯(lián)鎖、順序控制、混合控制，實(shí)時安全。
5) 實(shí)現(xiàn)在防爆現(xiàn)場的復(fù)雜操作控制。利用全集成自動化的優(yōu)勢，采用智能防爆型BARTEC操作顯示屏，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的復(fù)雜操作和各種狀態(tài)信息顯示，而且只需一根電源線和兩芯屏蔽雙絞通訊總線即可完成連接，省卻復(fù)雜的現(xiàn)場布線和龐大的隔爆操作盤。
6) 模擬量的回路自控。可以進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)、物位的調(diào)節(jié)、倉體壓力的調(diào)節(jié)、攪拌轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、扭矩的調(diào)節(jié)、精確分裝重量的調(diào)節(jié)、攪拌升降位置設(shè)定，SIMATIC控制系統(tǒng)可以達(dá)到很高的控制精度。
7) 系統(tǒng)采用防爆遠(yuǎn)程I/O單元式結(jié)構(gòu)，因此實(shí)現(xiàn)了單元分步驟調(diào)試，調(diào)試任務(wù)清晰，加快了系統(tǒng)投運(yùn)速度。
在無菌抗生素生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中，本安防爆遠(yuǎn)程I/O模塊 ET200iSP的使用，完全適合了無菌制藥環(huán)境要求，安全防爆，布線簡潔，易于清潔，完美實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)功能。控制系統(tǒng)通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線將模擬、數(shù)字控制，傳動控制，安全防爆操作顯示，過程信息管理等諸多功能很方便的統(tǒng)一在一起，減少了故障點(diǎn)，提高了系統(tǒng)整體性能，為用戶創(chuàng)造了價(jià)值。
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