現(xiàn)場總線在軟水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　多年來，PROFIBUS風(fēng)靡全球，成功地應(yīng)用于制造業(yè)、樓宇、過程控制和電站自動(dòng)化，PROFIBUS產(chǎn)品在世界市場上被普遍接受，市場占有率超過40%，年增長率20%～30%，目前支持PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品超過1500多種，分別來自國際上250多個(gè)生產(chǎn)廠家。在世界范圍內(nèi)已安裝運(yùn)行的PROFIBUS設(shè)備已超過200萬臺(tái)。PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，總線存取協(xié)議是通過OSI參考模型第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）來實(shí)現(xiàn)的，它包括了保證數(shù)據(jù)可靠性技術(shù)及傳輸協(xié)議和報(bào)文處理。由PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA組成了PROFIBUS系列。

　　PROFIBUS-FMS主要用于工廠、樓宇自動(dòng)化的單元級，實(shí)現(xiàn)對變量的訪問、程序調(diào)用、運(yùn)行控制及事件管理等；PROFIBUS-DP主要用于現(xiàn)場級的高速數(shù)據(jù)傳輸、解決自動(dòng)控制系統(tǒng)（如PLC、PC等）通過高速串行總線與分散的現(xiàn)場設(shè)備(I/O、驅(qū)動(dòng)器、閥門等)之間的通信任務(wù)。PROFIBUS-PA是PROFIBUS-DP在保持其通訊協(xié)議的條件下，增加了對現(xiàn)場儀表而言優(yōu)選的傳輸技術(shù)，是PROFIBUS-DP向現(xiàn)場的延伸。

　　在許多企業(yè)，軟水處理系統(tǒng)是鍋爐運(yùn)行不可缺少的重要組成部分，水質(zhì)處理的好壞直接影響的鍋爐的壽命和安全。充分利用先進(jìn)成熟的PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟水處理系統(tǒng)的自動(dòng)控制，是生產(chǎn)和信息化管理的必然途徑。

　　1 系統(tǒng)控制功能

　　1.1 軟水處理系統(tǒng)工藝流程

　　軟水處理系統(tǒng)是基于鈉離子交換原理進(jìn)行工作的，自來水（要求進(jìn)水壓力在0.2～0.3 MPa）經(jīng)軟水處理器處理后進(jìn)入軟水箱，經(jīng)恒壓供水系統(tǒng)送往冷卻循環(huán)水池、冷凍水池和鍋爐房等。在設(shè)定好產(chǎn)水量后，打開進(jìn)水開關(guān)，軟水處理器按4個(gè)過程循環(huán)工作，如下圖所示：

圖1 軟水處理系統(tǒng)工作過程框圖

　　這4個(gè)過程的完成是通過對多路閥工作位置的切換來實(shí)現(xiàn)的：軟水處理器工作至設(shè)定產(chǎn)水量后進(jìn)入反洗過程，反洗T1時(shí)間后進(jìn)入再生過程；在軟水處理器再生過程中，軟水處理器通過虹吸方式從鹽液箱吸入飽和鹽溶液進(jìn)行罐內(nèi)樹脂的再生，經(jīng)過T2時(shí)間再生完成后，進(jìn)入快速?zèng)_洗（正洗）過程，經(jīng)過T3時(shí)間將罐內(nèi)的沉淀物清除干凈后，進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。

　　1.2 控制功能

　　為了能夠監(jiān)測設(shè)備的工作狀態(tài)和軟水水質(zhì)的變化情況，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和軟水的保質(zhì)供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)該設(shè)備的集中監(jiān)控，提出如下控制功能：

　　采用可靠性高的SIEMENS  S7-300PLC進(jìn)行控制。
　　設(shè)置觸摸屏作為現(xiàn)場操作面板，實(shí)現(xiàn)本地顯示和操作。
　　設(shè)置電動(dòng)閥和液位計(jì)進(jìn)行鹽液箱的液位檢測和控制，以保證鹽液濃度的穩(wěn)定。
　　實(shí)現(xiàn)軟水器出水流量和硬度的在線檢測。
　　實(shí)現(xiàn)水質(zhì)異常的緊急處理。
　　設(shè)置多路閥的運(yùn)行反饋和出水電磁閥的動(dòng)作反饋，實(shí)現(xiàn)工作過程可視化。
　　增設(shè)變頻管道泵和壓力變送器，實(shí)現(xiàn)進(jìn)水壓力的控制。
　　實(shí)現(xiàn)軟水水箱液位與軟水處理器的聯(lián)鎖控制功能，在水箱滿液位附近時(shí)停止或啟動(dòng)軟水處理器的工作，以保證軟水的穩(wěn)定供給。
　　實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

　　2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

圖2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

　　2.1 PLC系統(tǒng)

　　PLC系統(tǒng)的輸入信號包括變頻器故障信號、多路閥位置反饋信號、出水閥開關(guān)反饋信號、補(bǔ)水閥開關(guān)反饋信號、空氣開關(guān)的開關(guān)信號、鹽液箱液位、出水流量、進(jìn)水壓力等，輸出包括控制變頻器的啟停和工作頻率、多路閥的通斷、出水閥和補(bǔ)水閥的開關(guān)。

　　本系統(tǒng)的可編程序控制器（PLC）選用SIEMENS S7-315PLC，該系列PLC自帶2個(gè)DP接口，功能強(qiáng)，擴(kuò)展方便，性價(jià)比好，完全滿足系統(tǒng)控制要求。該P(yáng)LC作為PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)主站，處理系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)和工藝動(dòng)作流程，如接收網(wǎng)絡(luò)將控制命令控制設(shè)備；將DP從站的信息采集回來進(jìn)行處理。

　　2.2 彩色觸摸屏TP170B

　　為滿足方便現(xiàn)場操作員實(shí)時(shí)、靈活、準(zhǔn)確、安全地控制，系統(tǒng)在控制柜上設(shè)置了1臺(tái)西門子TP170B觸摸屏作為現(xiàn)場操作面板，通過DP接口和S7-315相連。不同級別的操作員被授予不同的操作密碼，根據(jù)各自的權(quán)益進(jìn)行水處理器的啟停、時(shí)間和流量參數(shù)的設(shè)定。該觸摸屏使用方便、靈活實(shí)現(xiàn)控制命令的輸入及狀態(tài)的監(jiān)視，且在安裝時(shí)不占用空間，其堅(jiān)固的防護(hù)結(jié)構(gòu)和專業(yè)設(shè)計(jì)能經(jīng)受現(xiàn)場惡劣環(huán)境的考驗(yàn)。

　　2.3 變頻器

　　變頻器采用DANFOSS2800系列，通過DP接口和PLC相連，實(shí)現(xiàn)進(jìn)水的恒壓供給，同時(shí)將運(yùn)行和故障信號通過DP總線傳送給PLC處理。

　　2.4 DP/PA Coupler及PA從站

　　DP/PA Coupler既是S7-315PLC的從站，又是下位PA儀表的主站，所有PA從站（進(jìn)水壓力、出水流量、出水硬度、液位）信號均通過PA接口經(jīng)過DP/PA Coupler轉(zhuǎn)發(fā)給PLC處理。

　　2.5 操作員站

　　系統(tǒng)在能源管理中心室設(shè)置一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為操作員站，用于系統(tǒng)管理和遠(yuǎn)程監(jiān)控，不同級別的操作員被授予不同的操作密碼，根據(jù)各自的權(quán)益對系統(tǒng)進(jìn)行有效的監(jiān)控和管理。操作員站與S7-315PLC主站是通過廠區(qū)骨干網(wǎng)（工業(yè)以態(tài)網(wǎng)）傳輸數(shù)據(jù)。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 上位監(jiān)控軟件

　　上位機(jī)監(jiān)控軟件采用當(dāng)今世界通行的工控組態(tài)軟件Intellution IFIX 2.6組態(tài)而成，該軟件功能強(qiáng)大，基于Microsoft Windows 界面，具有VBA腳本編輯功能，程序員可利用軟件自帶的專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也可利用VBA腳本編輯功能靈活編程。該軟件分為HMI和SCADA兩部分，HMI具有豐富的圖形庫和繪圖工具，程序員可在此基礎(chǔ)上做出豐滿、動(dòng)感、色彩斑斕的圖形和操作界面；SCADA具有強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)功能，可同時(shí)配置八個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序可同時(shí)配置任意多同系列的硬件設(shè)備。SCADA所具有強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)功能可滿足現(xiàn)場任何驅(qū)動(dòng)需要。

　　監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)了管理員登錄功能、授權(quán)密碼管理功能、軟水處理系統(tǒng)監(jiān)控界面、實(shí)時(shí)報(bào)警功能和系統(tǒng)管理功能。

　　3.2 現(xiàn)場操作面板

　　現(xiàn)場操作面板監(jiān)控軟件采用SIEMENS HMI 組態(tài)軟件ProTool V5.2中文組態(tài)版設(shè)計(jì)而成。操作員面板是通過自身所帶的MPI/DP接口與PLC交換數(shù)據(jù)。監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)了“口令管理”、“系統(tǒng)監(jiān)控”、“單機(jī)監(jiān)控”、“系統(tǒng)設(shè)定”等畫面，另外還設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)故障報(bào)警等功能。在這里，反洗、再生、正洗時(shí)間設(shè)定和產(chǎn)水量、進(jìn)水壓力、PID參數(shù)設(shè)定全部得到實(shí)現(xiàn)，強(qiáng)制再生只需在輕輕一按即可自動(dòng)判斷實(shí)現(xiàn)再生過程。

　　3.3 PLC程序

　　如圖2所示，軟水處理系統(tǒng)的設(shè)備控制都是通過PLC完成，PLC軟件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場操作員面板和上位機(jī)各種控制命令的響應(yīng)和處理，進(jìn)行變頻泵、多路閥、出水電磁閥、補(bǔ)水電磁閥的控制；同時(shí)采集它們的反饋信號，經(jīng)PLC判斷和處理，將各閥的工作狀態(tài)、軟水處理器運(yùn)行的各個(gè)階段、出水流量（已處理流量）、鹽水箱液位和進(jìn)水壓力在現(xiàn)場操作面板和上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)處理過程中故障的自動(dòng)檢測與報(bào)警，使運(yùn)行和操作人員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理問題，排放不合格水，減少鹽和水的浪費(fèi)。系統(tǒng)還能夠自動(dòng)儲(chǔ)存停電前的產(chǎn)水量的設(shè)定值和剩余水量，能在來電后自動(dòng)投入運(yùn)行；在進(jìn)水壓力過低（或停水）時(shí)暫停工作，并記憶工作位置和處理流量，在進(jìn)水壓力正常后自動(dòng)繼續(xù)運(yùn)行；可根據(jù)運(yùn)行情況選擇單罐運(yùn)行或組合并聯(lián)運(yùn)行，并可實(shí)現(xiàn)各罐獨(dú)立操作，互不影響。

　　系統(tǒng)根據(jù)工藝需要設(shè)計(jì)了手動(dòng)、自動(dòng)和強(qiáng)制再生3種控制方式，操作員可根據(jù)現(xiàn)場情況靈活采用。

　　(1) 手動(dòng)控制

　　系統(tǒng)在手動(dòng)控制方式下，操作員可在現(xiàn)場或中控室方便、靈活地控制每個(gè)閥門的開關(guān)，使多路閥運(yùn)行到工作、反洗、再生和正洗的任何一個(gè)位置，同時(shí)可實(shí)時(shí)監(jiān)視返回的狀態(tài)。

　　(2) 自動(dòng)控制

　　系統(tǒng)在自動(dòng)控制方式下，根據(jù)模式設(shè)定（時(shí)間控制模式、流量控制模式）自動(dòng)判斷進(jìn)行系統(tǒng)的控制。在流量控制模式下，在操作員設(shè)定了產(chǎn)水量后，按運(yùn)行按扭，PLC將根據(jù)設(shè)定的程序，向多路閥和各電磁閥發(fā)布指令，自動(dòng)完成各個(gè)閥門的開關(guān)，從而按圖1的流程實(shí)現(xiàn)運(yùn)行、反洗、再生、正洗等各個(gè)工作過程。這種模式下，系統(tǒng)采用渦輪流量計(jì)進(jìn)行產(chǎn)水量的計(jì)量和處理流程的控制。

　　為了進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，根據(jù)在水壓基本恒定的情況下，時(shí)間與流量成線性關(guān)系，系統(tǒng)增設(shè)了時(shí)間控制模式，在流量計(jì)出現(xiàn)問題時(shí)采用，在該模式下，控制流程同流量控制模式，只需將流量信號用時(shí)間信號替代即可，這里不再贅述。
  
　　(3) 強(qiáng)制再生

　　在軟水處理器運(yùn)行過程中，在發(fā)現(xiàn)出水水質(zhì)不合格而需要罐內(nèi)樹脂重新再生時(shí)，可使用強(qiáng)制再生程序。在這種方式下，按下強(qiáng)制再生按扭后，系統(tǒng)將由工作自動(dòng)轉(zhuǎn)為反洗，經(jīng)過T1時(shí)間后轉(zhuǎn)入再生，再生T2時(shí)間后轉(zhuǎn)入正洗，正洗T3時(shí)間后回到工作位置，完成強(qiáng)制再生過程。

　　4 結(jié)論
　
　　系統(tǒng)投運(yùn)以來，運(yùn)行結(jié)果表明：該系統(tǒng)可靠性高、運(yùn)行穩(wěn)定，人機(jī)界面好，操作和維修簡單，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期要求，保障了軟水的穩(wěn)質(zhì)和穩(wěn)定供給。系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)，提高了工作效率，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，有利于設(shè)備的運(yùn)行和管理。