現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)在軟水處理控制中的應(yīng)用
多年來(lái)，PROFIBUS風(fēng)靡全球，成功地應(yīng)用于制造業(yè)、樓宇、過(guò)程控制和電站自動(dòng)化，PROFIBUS產(chǎn)品在世界市場(chǎng)上被普遍接受，市場(chǎng)占有率超過(guò)40%，年增長(zhǎng)率20%～30%，目前支持PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品超過(guò)1500多種，分別來(lái)自國(guó)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(guò)200萬(wàn)臺(tái)。PROFIBUS是一種國(guó)際化、開(kāi)放式、不依賴(lài)于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，總線(xiàn)存取協(xié)議是通過(guò)OSI參考模型第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）來(lái)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(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變量的訪(fǎng)問(wèn)、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(chǎng)級(jí)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(guò)高速串行總線(xiàn)與分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（I/O、驅(qū)動(dòng)器、閥門(mén)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表而言?xún)?yōu)選的傳輸技術(shù)，是PROFIBUS-DP向現(xiàn)場(chǎng)的延伸。
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(lái)水（要求進(jìn)水壓力在0.2～0.3MPa）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(kāi)進(jìn)水開(kāi)關(guān)，軟水處理器按4個(gè)過(guò)程循環(huán)工作，如下圖所示：
這4個(gè)過(guò)程的完成是通過(guò)對(duì)多路閥工作位置的切換來(lái)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(guò)程，反洗T1時(shí)間后進(jìn)入再生過(guò)程；在軟水處理器再生過(guò)程中，軟水處理器通過(guò)虹吸方式從鹽液箱吸入飽和鹽溶液進(jìn)行罐內(nèi)樹(shù)脂的再生，經(jīng)過(guò)T2時(shí)間再生完成后，進(jìn)入快速?zèng)_洗（正洗）過(guò)程，經(jīng)過(guò)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(cè)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SIEMENSS7-300PLC進(jìn)行控制。
設(shè)置觸摸屏作為現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(xiàn)檢測(cè)。
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(guò)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(mǎn)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
2.1PLC系統(tǒng)
PLC系統(tǒng)的輸入信號(hào)包括變頻器故障信號(hào)、多路閥位置反饋信號(hào)、出水閥開(kāi)關(guān)反饋信號(hào)、補(bǔ)水閥開(kāi)關(guān)反饋信號(hào)、空氣開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)信號(hào)、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(kāi)關(guān)。
本系統(tǒng)的可編程序控制器（PLC）選用SIEMENSS7-315PLC，該系列PLC自帶2個(gè)DP接口，功能強(qiáng)，擴(kuò)展方便，性?xún)r(jià)比好，完全滿(mǎn)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(lái)進(jìn)行處理。
2.2彩色觸摸屏TP170B
為滿(mǎn)足方便現(xiàn)場(chǎng)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(mén)子TP170B觸摸屏作為現(xiàn)場(chǎng)操作面板，通過(guò)DP接口和 S7-315相連。不同級(jí)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(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)能經(jīng)受現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的考驗(yàn)。
2.3變頻器
變頻器采用DANFOSS2800系列，通過(guò)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(hào)通過(guò)DP總線(xiàn)傳送給PLC處理。
2.4DP/PACoupler及PA從站
DP/PACoupler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(hào)均通過(guò)PA接口經(jīng)過(guò)DP/PACoupler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(jí)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(duì)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(guò)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IntellutionIFIX2.6組態(tài)而成，該軟件功能強(qiáng)大，基于 MicrosoftWindows界面，具有VBA腳本編輯功能，程序員可利用軟件自帶的專(zhuān)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(kù)和繪圖工具，程序員可在此基礎(chǔ)上做出豐滿(mǎn)、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(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)操作面板
現(xiàn)場(chǎng)操作面板監(jiān)控軟件采用SIEMENSHMI組態(tài)軟件ProToolV5.2中文組態(tài)版設(shè)計(jì)而成。操作員面板是通過(guò)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(huà)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(guò)程。
3.3PLC程序
如圖2所示，軟水處理系統(tǒng)的設(shè)備控制都是通過(guò)PLC完成，PLC軟件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)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(hào)，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(chǎng)操作面板和上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)處理過(guò)程中故障的自動(dòng)檢測(cè)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(wèn)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(lái)電后自動(dòng)投入運(yùn)行；在進(jìn)水壓力過(guò)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(chǎng)情況靈活采用。
?。?）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(chǎng)或中控室方便、靈活地控制每個(gè)閥門(mén)的開(kāi)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(mén)的開(kāi)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(guò)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(xiàn)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(wèn)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(hào)用時(shí)間信號(hào)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(guò)程中，在發(fā)現(xiàn)出水水質(zhì)不合格而需要罐內(nèi)樹(shù)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(guò)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(guò)程。
4.結(jié)論
系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái)，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(jiǎn)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。