一、案例背景與核心需求

某大型生物制藥企業(yè)位于長三角醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)園，主要生產(chǎn)重組蛋白類藥物和生物疫苗，其核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)依賴 30 臺 500L 不銹鋼生物發(fā)酵罐。生物發(fā)酵過程中，罐內(nèi)無菌壓力環(huán)境的穩(wěn)定性直接決定藥品質(zhì)量，需嚴(yán)格維持在 0.03 - 0.05MPa 的恒定范圍。壓力過低會導(dǎo)致外界空氣滲入，引發(fā)雜菌污染，造成整批物料報(bào)廢；壓力過高則可能損壞發(fā)酵罐密封結(jié)構(gòu)，同樣破壞無菌環(huán)境。采用塔訊品牌的TX 131-RE-DNM/PNS型號協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)需承擔(dān) DeviceNet 協(xié)議主站和 ProfiNet 協(xié)議從站的雙重角色，搭建 PLC 與傳感器之間的通信橋梁，實(shí)現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸與設(shè)備聯(lián)動控制，同時(shí)滿足制藥行業(yè) GMP 認(rèn)證對生產(chǎn)過程可追溯、數(shù)據(jù)可留存的嚴(yán)格要求。本案例詳細(xì)記錄該方案的實(shí)施全過程及應(yīng)用成效，涉及設(shè)備均明確標(biāo)注品牌與型號。

二、核心設(shè)備清單

1.主控制器：西門子 S7 - 1200 PLC，型號 CPU 1214C DC/DC/DC（品牌：西門子，型號：6ES7214 - 1AG40 - 0XB0），具備 14 點(diǎn)數(shù)字量輸入、10 點(diǎn)數(shù)字量輸出，支持 ProfiNet 通信，適配工業(yè)級惡劣環(huán)境，作為整個控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理與邏輯控制。

2.壓力傳感器：霍尼韋爾 TC-ODN 壓力傳感器，測量量程 0 - 0.1MPa，精度 ±0.05% FS，具備耐蒸汽滅菌特性，防護(hù)等級 IP67，適配發(fā)酵罐高溫滅菌工況，負(fù)責(zé)采集罐內(nèi)氣相與液相壓力數(shù)據(jù)。

0.協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)：塔訊TX 131-RE-DNM/PNS工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)，支持 DeviceNet 主站與 ProfiNet 從站雙模式切換，DeviceNet 側(cè)最多可接入 32 個從站設(shè)備，ProfiNet 側(cè)支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，工作溫度范圍 - 45℃~+85℃，滿足車間復(fù)雜溫濕度環(huán)境。

0.組態(tài)軟件：西門子 TIA Portal V17，用于 PLC 程序編寫、網(wǎng)關(guān)組態(tài)配置及設(shè)備集中管理。

0.輔助設(shè)備：西門子 KTP700 Basic 觸摸屏，用于壓力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示與參數(shù)設(shè)定；DeviceNet 屏蔽電纜抗電磁干擾，保障傳感器數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸；ProfiNet 工業(yè)以太網(wǎng)電纜。

三、詳細(xì)實(shí)施方案

（一）硬件部署與接線

1.網(wǎng)關(guān)安裝位置：在每個發(fā)酵罐的獨(dú)立控制柜內(nèi)安裝 1 臺塔訊TX131-RE-DNM/PNS工業(yè)級協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，控制柜防護(hù)等級 IP54，避免網(wǎng)關(guān)受車間蒸汽與粉塵影響。網(wǎng)關(guān)采用導(dǎo)軌式安裝，固定在控制柜內(nèi)部的 35mm 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌上，便于后期維護(hù)。

2.DeviceNet 側(cè)接線（網(wǎng)關(guān)作為主站）：每臺網(wǎng)關(guān)接入 2 臺霍尼韋爾 TC - ODN 壓力傳感器，分別監(jiān)測發(fā)酵罐內(nèi)氣相壓力和液相壓力。采用 Belden 3070A 屏蔽電纜，將傳感器的 DeviceNet 接口與網(wǎng)關(guān)的 DeviceNet 主站接口（端子編號 DN+、DN -、GND）對應(yīng)連接。在 DeviceNet 總線的兩端加裝 120Ω 終端電阻（集成于網(wǎng)關(guān)與最后一臺傳感器內(nèi)），抑制信號反射，提升通信穩(wěn)定性。傳感器供電由網(wǎng)關(guān)自帶的 24V DC 電源模塊提供，確保供電一致性。

0.ProfiNet 側(cè)接線（網(wǎng)關(guān)作為從站）：通過西門子 6XV1840 - 2AH10 工業(yè)以太網(wǎng)電纜，將網(wǎng)關(guān)的 ProfiNet 接口（RJ45 端口）接入車間 ProfiNet 交換機(jī)，再由交換機(jī)連接至西門子 S7 - 1200 PLC 的 ProfiNet 接口。為實(shí)現(xiàn)集中管理，為每臺網(wǎng)關(guān)分配獨(dú)立的 IP 地址（如 192.168.0.101~192.168.0.130），與 PLC 的 IP 地址（192.168.0.1）在同一網(wǎng)段。

0.其他接線：將西門子 KTP700 觸摸屏通過 ProfiNet 電纜接入交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)與 PLC 的數(shù)據(jù)交互；PLC 輸出端連接發(fā)酵罐的泄壓閥、補(bǔ)壓泵等執(zhí)行器，用于壓力異常時(shí)的聯(lián)動控制。

（二）軟件組態(tài)與參數(shù)配置

1.網(wǎng)關(guān) GSD 文件導(dǎo)入：打開西門子 TIA Portal V17 軟件，新建項(xiàng)目并添加西門子 S7 - 1200 CPU 1214C 控制器。下載塔訊TX 131-RE-DNM/PNS工業(yè)級協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的 GSD 文件并導(dǎo)入軟件，在 ProfiNet 設(shè)備列表中找到該網(wǎng)關(guān)型號，將其添加為 ProfiNet 從站，并分配預(yù)設(shè)的 IP 地址。

0.DeviceNet 主站配置：通過網(wǎng)關(guān)自帶的配置軟件 “TowerComm Config Tool”，設(shè)置網(wǎng)關(guān)的 DeviceNet 主站參數(shù)。波特率設(shè)為 500kbps，匹配霍尼韋爾 TC - ODN 傳感器的通信速率；為每臺傳感器分配唯一的節(jié)點(diǎn)地址（1~64），并映射傳感器的壓力數(shù)據(jù)寄存器至網(wǎng)關(guān)的 ProfiNet 數(shù)據(jù)區(qū)，確保 PLC 可直接讀取。

0.PLC 程序編寫：在 TIA Portal 中編寫控制邏輯，首先編寫數(shù)據(jù)采集程序，通過 ProfiNet 讀取網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)膲毫?shù)據(jù)，并存儲至 PLC 的數(shù)據(jù)塊中；其次編寫壓力閉環(huán)控制程序，當(dāng)氣相壓力低于 0.03MPa 時(shí)，觸發(fā)補(bǔ)壓泵啟動，高于 0.05MPa 時(shí)，開啟泄壓閥；最后編寫故障聯(lián)鎖程序，若壓力數(shù)據(jù)異常或通信中斷，立即觸發(fā)聲光報(bào)警并記錄故障時(shí)間與數(shù)據(jù)。

0.觸摸屏組態(tài)：在觸摸屏軟件中設(shè)計(jì)監(jiān)控畫面，包含實(shí)時(shí)壓力顯示、歷史趨勢曲線、參數(shù)設(shè)定窗口及故障報(bào)警彈窗，方便操作員直觀掌握發(fā)酵罐運(yùn)行狀態(tài)。

（三）分階段調(diào)試

1.硬件調(diào)試：接通電源后，檢查各設(shè)備指示燈狀態(tài)，西門子 PLC 運(yùn)行燈（RUN）綠燈常亮，塔訊網(wǎng)關(guān)的 DeviceNet 和 ProfiNet 指示燈均為綠色，霍尼韋爾傳感器電源燈正常亮起，無故障報(bào)警。使用萬用表檢測接線端子電壓，確保供電穩(wěn)定。

0.通信調(diào)試：在 TIA Portal 中監(jiān)控 PLC 與網(wǎng)關(guān)的通信狀態(tài)，ProfiNet 通信狀態(tài)顯示 “已連接”；通過網(wǎng)關(guān)配置工具查看 DeviceNet 主站與傳感器的通信狀態(tài)，確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸正常，無丟包現(xiàn)象。

0.聯(lián)動調(diào)試：模擬發(fā)酵罐壓力變化，人為調(diào)整傳感器測試值，PLC 可快速響應(yīng)并觸發(fā)執(zhí)行器動作，觸摸屏同步顯示壓力變化與設(shè)備狀態(tài)，故障報(bào)警功能正常，數(shù)據(jù)刷新周期穩(wěn)定在 10ms 內(nèi)。

四、應(yīng)用成效與總結(jié)

該方案實(shí)施后，企業(yè)生物發(fā)酵罐的無菌壓力監(jiān)控實(shí)現(xiàn)全自動化、高精度運(yùn)行，取得顯著成效。在運(yùn)行穩(wěn)定性方面，塔訊TX 131-RE-DNM/PNS協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的雙協(xié)議轉(zhuǎn)換能力表現(xiàn)優(yōu)異，壓力數(shù)據(jù)傳輸丟包率為 0，數(shù)據(jù)刷新周期穩(wěn)定在 10ms 內(nèi)，霍尼韋爾 TC - ODN 傳感器的測量精度得到充分發(fā)揮，壓力監(jiān)測誤差控制在 ±0.001MPa 內(nèi)，發(fā)酵罐無菌環(huán)境達(dá)標(biāo)率從原來的 75% 提升至 100%。

在生產(chǎn)效益方面，徹底杜絕了因壓力異常導(dǎo)致的雜菌污染問題，發(fā)酵罐批次合格率提升 25%，年減少藥品報(bào)廢損失超 150 萬元。同時(shí)，相比傳統(tǒng)人工巡檢，該系統(tǒng)無需專人值守，維護(hù)成本降低 60%，且所有壓力數(shù)據(jù)自動存儲至 PLC，滿足 GMP 認(rèn)證對生產(chǎn)過程可追溯的要求。

在設(shè)備適配性方面，塔訊網(wǎng)關(guān)的工業(yè)級設(shè)計(jì)完美適配車間高溫、高濕及蒸汽滅菌的復(fù)雜工況，連續(xù)運(yùn)行無故障時(shí)間超 360 天；西門子 S7-1200 PLC 的強(qiáng)大邏輯處理能力與霍尼韋爾傳感器的高精度特性相得益彰，三者形成穩(wěn)定可靠的控制閉環(huán)。

本案例通過塔訊TX131-RE-DNM/PNS協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)成功解決了西門子 PLC 與霍尼韋爾傳感器的協(xié)議兼容問題，為制藥行業(yè)生物發(fā)酵環(huán)節(jié)的壓力監(jiān)控提供了可復(fù)制的完整方案，兼具技術(shù)先進(jìn)性與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

審核編輯 黃宇