軟水處理系統(tǒng)的硬件組成、特點及PROFIBUS-DP總線在其的應用研究

多年來，PROFIBUS風靡全球，成功地應用于制造業(yè)、樓宇、過程控制和電站自動化，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標準的產(chǎn)品超過1500多種，分別來自國際上250多個生產(chǎn)廠家。在世界范圍內已安裝運行的PROFIBUS設備已超過200萬臺。PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準，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）來實現(xiàn)的，它包括了保證數(shù)據(jù)可靠性技術及傳輸協(xié)議和報文處理。由PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA組成了PROFIBUS系列。

PROFIBUS-FMS主要用于工廠、樓宇自動化的單元級，實現(xiàn)對變量的訪問、程序調用、運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)場設備（I/O、驅動器、閥門等）之間的通信任務。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，是PROFIBUS-DP向現(xiàn)場的延伸。

在許多企業(yè)，軟水處理系統(tǒng)是鍋爐運行不可缺少的重要組成部分，水質處理的好壞直接影響的鍋爐的壽命和安全。充分利用先進成熟的PROFIBUS現(xiàn)場總線技術實現(xiàn)軟水處理系統(tǒng)的自動控制，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行工作的，自來水（要求進水壓力在0.2～0.3 MPa）經(jīng)軟水處理器處理后進入軟水箱，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。在設定好產(chǎn)水量后，打開進水開關，軟水處理器按4個過程循環(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個過程的完成是通過對多路閥工作位置的切換來實現(xiàn)的：軟水處理器工作至設定產(chǎn)水量后進入反洗過程，反洗T1時間后進入再生過程；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行罐內樹脂的再生，經(jīng)過T2時間再生完成后，進入快速沖洗（正洗）過程，經(jīng)過T3時間將罐內的沉淀物清除干凈后，進入下一個工作循環(huán)。

1.2 控制功能

為了能夠監(jiān)測設備的工作狀態(tài)和軟水水質的變化情況，保證設備的穩(wěn)定運行和軟水的保質供應，實現(xiàn)該設備的集中監(jiān)控，提出如下控制功能：

采用可靠性高的SIEMENS S7-300PLC進行控制。

設置觸摸屏作為現(xiàn)場操作面板，實現(xiàn)本地顯示和操作。

設置電動閥和液位計進行鹽液箱的液位檢測和控制，以保證鹽液濃度的穩(wěn)定。

實現(xiàn)軟水器出水流量和硬度的在線檢測。

實現(xiàn)水質異常的緊急處理。

設置多路閥的運行反饋和出水電磁閥的動作反饋，實現(xiàn)工作過程可視化。

增設變頻管道泵和壓力變送器，實現(xiàn)進水壓力的控制。

實現(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停止或啟動軟水處理器的工作，以保證軟水的穩(wěn)定供給。

實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。

2、 系統(tǒng)硬件構成

圖2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖

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、出水閥開關反饋信號、補水閥開關反饋信號、空氣開關的開關信號、鹽液箱液位、出水流量、進水壓力等，輸出包括控制變頻器的啟停和工作頻率、多路閥的通斷、出水閥和補水閥的開關。

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DP接口，功能強，擴展方便，性價比好，完全滿足系統(tǒng)控制要求。該PLC作為PROFIBUS-DP網(wǎng)絡主站，處理系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)和工藝動作流程，如接收網(wǎng)絡將控制命令控制設備；將DP從站的信息采集回來進行處理。

2.2 彩色觸摸屏TP170B

為滿足方便現(xiàn)場操作員實時、靈活、準確、安全地控制，系統(tǒng)在控制柜上設置了1臺西門子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)各自的權益進行水處理器的啟停、時間和流量參數(shù)的設定。該觸摸屏使用方便、靈活實現(xiàn)控制命令的輸入及狀態(tài)的監(jiān)視，且在安裝時不占用空間，其堅固的防護結構和專業(yè)設計能經(jīng)受現(xiàn)場惡劣環(huán)境的考驗。

2.3 變頻器

變頻器采用DANFOSS2800系列，通過DP接口和PLC相連，實現(xiàn)進水的恒壓供給，同時將運行和故障信號通過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轉發(fā)給PLC處理。

2.5 操作員站

系統(tǒng)在能源管理中心室設置一臺計算機作為操作員站，用于系統(tǒng)管理和遠程監(jiān)控，不同級別的操作員被授予不同的操作密碼，根據(jù)各自的權益對系統(tǒng)進行有效的監(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)軟件設計

3.1 上位監(jiān)控軟件

上位機監(jiān)控軟件采用當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)設計，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，程序員可在此基礎上做出豐滿、動感、色彩斑斕的圖形和操作界面；SCADA具有強大的驅動功能，可同時配置八個驅動程序，每個驅動程序可同時配置任意多同系列的硬件設備。SCADA所具有強大的驅動功能可滿足現(xiàn)場任何驅動需要。

監(jiān)控軟件設計了管理員登錄功能、授權密碼管理功能、軟水處理系統(tǒng)監(jiān)控界面、實時報警功能和系統(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)版設計而成。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)控軟件設計了“口令管理”、“系統(tǒng)監(jiān)控”、“單機監(jiān)控”、“系統(tǒng)設定”等畫面，另外還設計實時故障報警等功能。在這里，反洗、再生、正洗時間設定和產(chǎn)水量、進水壓力、PID參數(shù)設定全部得到實現(xiàn)，強制再生只需在輕輕一按即可自動判斷實現(xiàn)再生過程。

3.3 PLC程序

如圖2所示，軟水處理系統(tǒng)的設備控制都是通過PLC完成，PLC軟件實現(xiàn)現(xiàn)場操作員面板和上位機各種控制命令的響應和處理，進行變頻泵、多路閥、出水電磁閥、補水電磁閥的控制；同時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)、軟水處理器運行的各個階段、出水流量（已處理流量）、鹽水箱液位和進水壓力在現(xiàn)場操作面板和上位機上實時顯示，實現(xiàn)處理過程中故障的自動檢測與報警，使運行和操作人員能及時發(fā)現(xiàn)和處理問題，排放不合格水，減少鹽和水的浪費。系統(tǒng)還能夠自動儲存停電前的產(chǎn)水量的設定值和剩余水量，能在來電后自動投入運行；在進水壓力過低（或停水）時暫停工作，并記憶工作位置和處理流量，在進水壓力正常后自動繼續(xù)運行；可根據(jù)運行情況選擇單罐運行或組合并聯(lián)運行，并可實現(xiàn)各罐獨立操作，互不影響。

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

（1） 手動控制

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

（2） 自動控制

系統(tǒng)在自動控制方式下，根據(jù)模式設定（時間控制模式、流量控制模式）自動判斷進行系統(tǒng)的控制。在流量控制模式下，在操作員設定了產(chǎn)水量后，按運行按扭，PLC將根據(jù)設定的程序，向多路閥和各電磁閥發(fā)布指令，自動完成各個閥門的開關，從而按圖1的流程實現(xiàn)運行、反洗、再生、正洗等各個工作過程。這種模式下，系統(tǒng)采用渦輪流量計進行產(chǎn)水量的計量和處理流程的控制。

為了進一步增強系統(tǒng)的可靠性，根據(jù)在水壓基本恒定的情況下，時間與流量成線性關系，系統(tǒng)增設了時間控制模式，在流量計出現(xiàn)問題時采用，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間信號替代即可，這里不再贅述。

（3） 強制再生

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

4、 結論

系統(tǒng)投運以來，運行結果表明：該系統(tǒng)可靠性高、運行穩(wěn)定，人機界面好，操作和維修簡單，各項性能指標均達到了預期要求，保障了軟水的穩(wěn)質和穩(wěn)定供給。系統(tǒng)遠程監(jiān)控的實現(xiàn)，提高了工作效率，降低了人工勞動強度，有利于設備的運行和管理。

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