7.       應用體會和結論

1)      西門子本安防爆分布式I/O方案的技術優勢

傳統的現場設備和HART現場設備或智能化現場過程設備更適宜通過使用ET200系列分布式I/O 連接到PROFIBUS。這些本安傳感器/ 執行器還可用于Ex.Zone 2、1或0區。這使得分布式過程I/O成為現在的主流產品。

本文認為：由于本安防爆分布式I/O方案能夠兼顧兼顧FISCO現場總線方式和點對點方式兩類應用方案的優點，能照顧和符合目前大部分用戶的使用、維護水平和要求，工程投資節約也非常明顯，因此將得到廣泛應用。采用本安防爆分布式I/O方案的優勢主要體現在以下方面：

l       與傳統安全柵方案相比

  由于減少了電纜和控制系統I/O卡的使用量，從而可節省系統的硬件成本；

 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，而且結構簡單緊湊，占用控制柜空間小，能使用相應的體積更小的控制柜，緊湊的結構導致成本大幅度地降低。

由于本安分布式I/O可以直接安裝應用在危險Ex.Zone 2、1區，減少了電纜鋪設和接線的工作量，從而可降低工程的施工費用。

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。

從控制室到現場本安分布式I/O之間只有一條總線，一目了然且不容易發生故障并簡化維護。

   本安分布式I/O簡單的結構意味著快速的安裝，少量的接線，更少的故障點。

   不依賴于有源的背板總線“熱插技”技術使得ET200iSP的維護工作大大降低。不需要將整個系統停機或斷電就可以在幾秒鐘內更換一個模塊。相互獨立的接線端子底板和電子模板結構避免了重復接線的工作。

l       與現場總線方案相比

  可將傳統模擬量信號掛接到現場總線上，這些模擬量信號如4~20mA信號(AI/AO)、熱電偶和熱電阻信號、NAMUR開關和干接點信號(DI)、NAMUR或干接點頻率量信號(PI)、電磁閥驅動, 信號及報警輸出信號(DO)等，并不會很快被現場總線完全取代；

 與現場總線方案相同也可在一根總線上傳遞多點位的測量和控制信息；

更適應員工素質的逐步提高，既可使用傳統的儀表檢測工具對現場儀表進行維護和檢修，又可使用PC機等智能工具學習現場總線儀表的維護和檢修方法，為今后使用現場總線儀表做準備。

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發展水平的一種本安防爆系統解決方案，其綜合了傳統點對點本安防爆和本安現場總線這兩種方式的優點，既有技術先進性，又照顧了傳統儀表的使用方式，因此本安防爆分布式I/O方案具有非常強的技術、經濟優越性，具有非常最大的應用發展空間。

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技術發展很快，但是什么樣的防爆場合適用分布式I/O方案仍然是人們經常關心的話題。實踐表明，在以下幾種防爆場合，用戶應考慮采用分布式I/O方案。

  當同時建設幾個比較分散的生產裝置時，用戶既不愿為每個裝置都建設獨立的主控室，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系列遠程 I/O便可一舉兩得。

 當主要裝置進行建設時，常有某些輔助裝置不能同步建設，或者主裝置的某一部分不能同步進行，甚至不能確定這些部分何時才能建設，如果預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，則可設計采用分布式I/O方案，待進行后期建設時加入主系統即可。

  防爆生產裝置在原有控制系統基礎上改擴建，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調試時對原系統控制程序的干擾和誤修改，便于獨立調試。

或是當生產裝置改擴建時，用戶希望避免在已經擁擠的主控室擴充新的 DCS 機柜和安全柵機柜。此時，只要原有的DCS系統具有總線通信能力，便可采用分布式I/O方案。

當一個裝置的檢測點較多，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合I/O卡和安全柵功能為一體的防爆分布式I/O方案。

 當控制系統采用現場總線方案，某一個防爆生產裝置的有些現場儀表沒有本安現場總線型品種，或者不值得采用現場總線型儀表。這時可采用能掛接到現場總線上去的防爆分布式I/O。

西門子SIMATIC PCS7系統中應用于本安防爆場合的分布式I/O品種已經非常豐富，應用實例也非常多。用戶應結合自己的現場情況和控制應用需要，合理選用分布式I/O，設計出既安全可靠，又節省投資的應用方案。
附：西門子本安防爆分布式I/O ET200iSP在無菌制藥生產中的應用
  華北制藥股份有限公司是目前世界上最大的抗生素生產制造基地。其某一無菌抗生素提煉精制包裝車間，生產現場既是防爆區又是醫藥生產潔凈區，因此根據生產工藝和生產線設備分布特點，設計使用了以防爆式遠程I/O ET200iSP構成控制系統，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GMP要求，具有現場布線簡潔，方便清潔無死角，防爆等級高，控制元件可以實現本安帶電檢修等特點，非常適合在無菌制藥生產過程推廣。

項目介紹

本項目包括有四臺過濾、洗滌、干燥三合一大型機組，由每兩臺機組組成一條生產線。生產線具體組成見圖1所示。生產線的設備組成按生產流程順序依次是：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。

生產線的生產工藝簡介如下：

1)    先密閉整個機組系統，充入惰性氣體保護，通過進料自動閥門加入抗生素待處理結晶液，達到一定體積量后關閉進料閥。

2)    通入惰性氣體加壓，通過底部的大型金屬過濾板實現抗生素結晶液的固液分離。

3)    抗生素結晶液固液分離后進行噴淋洗滌。

4)    洗滌結束后通過液壓裝置下降攪拌裝置進行攪拌，并同時利用攪拌內部的加熱管路系統加熱物料層，并嚴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行系統抽真空操作，使溶媒快速蒸發。

5)    物料層干燥合格后（可以取樣檢測），停止真空，進入自動排料程序。

6)    自動排料程序：在排料口通入惰性氣體，同時在料倉側抽真空，然后控制攪拌轉速和攪拌葉下降速度進行刮料、送料動作，使粉狀物料快速通過排料閥進入料倉，當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)    物料進入料倉后進行料位檢測，并分批下裝至計量倉，通過稱量控制閥門進行分裝。至此完成抗生素的無菌過濾，洗滌，干燥，分裝過程。

生產系統控制特點分析

三合一生產系統工序流程長，監控點數多，動作復雜，既有大量開關量聯鎖、順序控制，又有大量模擬量回路調節；同時生產全過程既是潔凈生產環境，又是易燃易爆危險環境，既有很高的安全性要求，又有非常高的控制精度要求。控制系統可以實現完全的自動化操作控制，系統組成復雜，控制系統涉及的功能多樣，可以完成的功能有：運動控制，液壓系統，惰性氣體保護，機械傳動，變頻調速，自動閥門控制，正負壓控制，還有易燃易爆危險區內的信息顯示與操作，信號包括流量、溫度、壓力、轉速、扭矩、料位、動態重量等模擬量的實時狀態監測控制，以及機械位置、壓力開關、流量開關、料位、安全保護等開關量。

此生產線的生產現場特殊，要求很高：

1)      醫藥潔凈區，（萬級區~百級區），制藥管理規范GMP要求現場越簡潔越好，便于清潔，免除清潔死角

2)      是防爆區，為Zone1區，含有多種有機溶媒。

3)      全自動化生產線分布很長，很散，跨越幾個隔離間， GMP要求現場管線越少越好

4)      機組本身控制點分布特點是：分布區域大，但每個區域內信號點集中，適合I/O分布式信號處理。

5)      生產操作復雜，需要人工干預生產階段的結束和開始，操作信息非常多，同時機械安全操作要求必須在現場操作設備，不得遠程控制，因此現場必須設置大信息量的防爆、潔凈操作界面。

這些控制特點和要求，因此非常適合采用西門子防爆遠程I/O方案解決以上問題。因此，按照生產線功能流程和儀表信號的位置分布可以將系統劃分為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

3)      信息顯示與操作單元

4)      料倉區

5)      振蕩篩部分

6)      自動稱量、分裝單元

7)      控制室控制柜

控制系統構成：

控制系統采用西門子SIMATIC S7300 PLC作為主控器，采用PROFIBUS-DP作為控制、通訊網絡，現場按照控制點的區域位置分布設置西門子防爆式遠程I/O模塊 ET200iSP，現場采用防爆操作屏BARTEC VGA作為人機操作界面，并在控制室開發具有集中管理功能的WINCC工作站作為遠端管理站。

控制系統的特點：

1)      安全保護功能。惰性氣體保護裝置，各種安全聯鎖，狀態位置監測聯鎖，流程條件的連鎖，順序控制等。

2)      系統測控部分為本安系統。分布在.現場的機械開關，接近開關，溫度、壓力變送器，這些自控設備全部為本安防爆型，信號通過現場本安防爆遠程I/O模塊 ET200iSP進行匯總處理，弱電控制部分均為本質安全回路，安全等級達到Ex ia IIC T6。所以可以在生產現場進行帶電信號檢修，大大方便了設備的維護，減少設備故障檢修時間。

3)      現場I/O模塊設置在RITTAL增安型儀表箱中，布線簡潔，與傳統點對點防爆控制系統現場布線方式相比，省卻了大量電纜保護管，有效保證了現場環境的簡潔易于清潔，減少死角，充分符合制藥GMP規范。

4)      信號采集采用1.5M的通訊速率，速度極快。控制系統包括大量開關量、模擬量的邏輯聯鎖、順序控制、混合控制，實時安全。

5)      實現在防爆現場的復雜操作控制。利用全集成自動化的優勢，采用智能防爆型BARTEC操作顯示屏，實現了機組的復雜操作和各種狀態信息顯示，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，省卻復雜的現場布線和龐大的隔爆操作盤。

6)      模擬量的回路自控。可以進行溫度的調節、物位的調節、倉體壓力的調節、攪拌轉速的調節、扭矩的調節、精確分裝重量的調節、攪拌升降位置設定，SIMATIC控制系統可以達到很高的控制精度。

7)      系統采用防爆遠程I/O單元式結構，因此實現了單元分步驟調試，調試任務清晰，加快了系統投運速度。

在無菌抗生素生產線控制系統中，本安防爆遠程I/O模塊 ET200iSP的使用，完全適合了無菌制藥環境要求，安全防爆，布線簡潔，易于清潔，完美實現了各項功能。控制系統通過PROFIBUS-DP現場總線將模擬、數字控制，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一在一起，減少了故障點，提高了系統整體性能，為用戶創造了價值。