现场总线在软水处理系统中的应用

 
 
    多年来，PROFIBUS风靡全球，成功地应用于制造业、楼宇、过程控制和电站自动化，PROFIBUS产品在世界市场上被普遍接受，市场占有率超过40%，年增长率20%～30%，目前支持PROFIBUS标准的产品超过1500多种，分别来自国际上250多个生产厂家。在世界范围内已安装运行的PROFIBUS设备已超过200万台。PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，总线存取协议是通过OSI参考模型第二层（数据链路层）来实现的，它包括了保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理。由PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA组成了PROFIBUS系列。

    PROFIBUS-FMS主要用于工厂、楼宇自动化的单元级，实现对变量的访问、程序调用、运行控制及事件管理等；PROFIBUS-DP主要用于现场级的高速数据传输、解决自动控制系统（如PLC、PC等）通过高速串行总线与分散的现场设备（I/O、驱动器、阀门等）之间的通信任务。PROFIBUS-PA是PROFIBUS-DP在保持其通讯协议的条件下，增加了对现场仪表而言优选的传输技术，是PROFIBUS-DP向现场的延伸。

    在许多企业，软水处理系统是锅炉运行不可缺少的重要组成部分，水质处理的好坏直接影响的锅炉的寿命和安全。充分利用先进成熟的PROFIBUS现场总线技术实现软水处理系统的自动控制，是生产和信息化管理的必然途径。

    1 系统控制功能

    1.1 软水处理系统工艺流程

    软水处理系统是基于钠离子交换原理进行工作的，自来水（要求进水压力在0.2～0.3 MPa）经软水处理器处理后进入软水箱，经恒压供水系统送往冷却循环水池、冷冻水池和锅炉房等。在设定好产水量后，打开进水开关，软水处理器按4个过程循环工作，如下图所示：

     

     这4个过程的完成是通过对多路阀工作位置的切换来实现的：软水处理器工作至设定产水量后进入反洗过程，反洗T1时间后进入再生过程；在软水处理器再生过程中，软水处理器通过虹吸方式从盐液箱吸入饱和盐溶液进行罐内树脂的再生，经过T2时间再生完成后，进入快速冲洗（正洗）过程，经过T3时间将罐内的沉淀物清除干净后，进入下一个工作循环。

    1.2 控制功能

    为了能够监测设备的工作状态和软水水质的变化情况，保证设备的稳定运行和软水的保质供应，实现该设备的集中监控，提出如下控制功能：

    采用可靠性高的SIEMENS  S7-300PLC进行控制。 
    设置触摸屏作为现场操作面板，实现本地显示和操作。 
    设置电动阀和液位计进行盐液箱的液位检测和控制，以保证盐液浓度的稳定。 
    实现软水器出水流量和硬度的在线检测。 
    实现水质异常的紧急处理。 
    设置多路阀的运行反馈和出水电磁阀的动作反馈，实现工作过程可视化。 
    增设变频管道泵和压力变送器，实现进水压力的控制。 
    实现软水水箱液位与软水处理器的联锁控制功能，在水箱满液位附近时停止或启动软水处理器的工作，以保证软水的稳定供给。 
    实现远程监控功能。[page]

    2 系统硬件构成

    

    2.1 PLC系统

    PLC系统的输入信号包括变频器故障信号、多路阀位置反馈信号、出水阀开关反馈信号、补水阀开关反馈信号、空气开关的开关信号、盐液箱液位、出水流量、进水压力等，输出包括控制变频器的启停和工作频率、多路阀的通断、出水阀和补水阀的开关。

    本系统的可编程序控制器（PLC）选用SIEMENS S7-315PLC，该系列PLC自带2个DP接口，功能强，扩展方便，性价比好，完全满足系统控制要求。该PLC作为PROFIBUS-DP网络主站，处理系统各种数据和工艺动作流程，如接收网络将控制命令控制设备；将DP从站的信息采集回来进行处理。

    2.2 彩色触摸屏TP170B

    为满足方便现场操作员实时、灵活、准确、安全地控制，系统在控制柜上设置了1台西门子TP170B触摸屏作为现场操作面板，通过DP接口和S7-315相连。不同级别的操作员被授予不同的操作密码，根据各自的权益进行水处理器的启停、时间和流量参数的设定。该触摸屏使用方便、灵活实现控制命令的输入及状态的监视，且在安装时不占用空间，其坚固的防护结构和专业设计能经受现场恶劣环境的考验。

    2.3 变频器

    变频器采用DANFOSS2800系列，通过DP接口和PLC相连，实现进水的恒压供给，同时将运行和故障信号通过DP总线传送给PLC处理。

    2.4 DP/PA Coupler及PA从站

    DP/PA Coupler既是S7-315PLC的从站，又是下位PA仪表的主站，所有PA从站（进水压力、出水流量、出水硬度、液位）信号均通过PA接口经过DP/PA Coupler转发给PLC处理。

    2.5 操作员站

    系统在能源管理中心室设置一台计算机作为操作员站，用于系统管理和远程监控，不同级别的操作员被授予不同的操作密码，根据各自的权益对系统进行有效的监控和管理。操作员站与S7-315PLC主站是通过厂区骨干网（工业以态网）传输数据。

    3 系统软件设计

    3.1 上位监控软件

    上位机监控软件采用当今世界通行的工控组态软件Intellution IFIX 2.6组态而成，该软件功能强大，基于Microsoft Windows 界面，具有VBA脚本编辑功能，程序员可利用软件自带的专家系统设计，也可利用VBA脚本编辑功能灵活编程。该软件分为HMI和SCADA两部分，HMI具有丰富的图形库和绘图工具，程序员可在此基础上做出丰满、动感、色彩斑斓的图形和操作界面；SCADA具有强大的驱动功能，可同时配置八个驱动程序，每个驱动程序可同时配置任意多同系列的硬件设备。SCADA所具有强大的驱动功能可满足现场任何驱动需要。[page]

    监控软件设计了管理员登录功能、授权密码管理功能、软水处理系统监控界面、实时报警功能和系统管理功能。

    3.2 现场操作面板

    现场操作面板监控软件采用SIEMENS HMI 组态软件ProTool V5.2中文组态版设计而成。操作员面板是通过自身所带的MPI/DP接口与PLC交换数据。监控软件设计了“口令管理”、“系统监控”、“单机监控”、“系统设定”等画面，另外还设计实时故障报警等功能。在这里，反洗、再生、正洗时间设定和产水量、进水压力、PID参数设定全部得到实现，强制再生只需在轻轻一按即可自动判断实现再生过程。

    3.3 PLC程序

    如图2所示，软水处理系统的设备控制都是通过PLC完成，PLC软件实现现场操作员面板和上位机各种控制命令的响应和处理，进行变频泵、多路阀、出水电磁阀、补水电磁阀的控制；同时采集它们的反馈信号，经PLC判断和处理，将各阀的工作状态、软水处理器运行的各个阶段、出水流量（已处理流量）、盐水箱液位和进水压力在现场操作面板和上位机上实时显示，实现处理过程中故障的自动检测与报警，使运行和操作人员能及时发现和处理问题，排放不合格水，减少盐和水的浪费。系统还能够自动储存停电前的产水量的设定值和剩余水量，能在来电后自动投入运行；在进水压力过低（或停水）时暂停工作，并记忆工作位置和处理流量，在进水压力正常后自动继续运行；可根据运行情况选择单罐运行或组合并联运行，并可实现各罐独立操作，互不影响。

    系统根据工艺需要设计了手动、自动和强制再生3种控制方式，操作员可根据现场情况灵活采用。

    （1） 手动控制

    系统在手动控制方式下，操作员可在现场或中控室方便、灵活地控制每个阀门的开关，使多路阀运行到工作、反洗、再生和正洗的任何一个位置，同时可实时监视返回的状态。

    （2） 自动控制

    系统在自动控制方式下，根据模式设定（时间控制模式、流量控制模式）自动判断进行系统的控制。在流量控制模式下，在操作员设定了产水量后，按运行按扭，PLC将根据设定的程序，向多路阀和各电磁阀发布指令，自动完成各个阀门的开关，从而按图1的流程实现运行、反洗、再生、正洗等各个工作过程。这种模式下，系统采用涡轮流量计进行产水量的计量和处理流程的控制。

    为了进一步增强系统的可靠性，根据在水压基本恒定的情况下，时间与流量成线性关系，系统增设了时间控制模式，在流量计出现问题时采用，在该模式下，控制流程同流量控制模式，只需将流量信号用时间信号替代即可，这里不再赘述。

    （3） 强制再生

    在软水处理器运行过程中，在发现出水水质不合格而需要罐内树脂重新再生时，可使用强制再生程序。在这种方式下，按下强制再生按扭后，系统将由工作自动转为反洗，经过T1时间后转入再生，再生T2时间后转入正洗，正洗T3时间后回到工作位置，完成强制再生过程。

    4 结论

    系统投运以来，运行结果表明：该系统可靠性高、运行稳定，人机界面好，操作和维修简单，各项性能指标均达到了预期要求，保障了软水的稳质和稳定供给。系统远程监控的实现，提高了工作效率，降低了人工劳动强度，有利于设备的运行和管理。