現(xiàn)場總線在反滲透水處理中的應(yīng)用

　　摘要：本文論述了基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的反滲透水處理的PLC雙冗余控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件組態(tài)以及軟件實現(xiàn)情況。
　　　　
　　1、PROFIBUS現(xiàn)場總線介紹
　　
　　現(xiàn)場總線是應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場、連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)絡(luò)。其中PROFIBUS現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)是開放的、不依賴生產(chǎn)廠家通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。所以，在各種工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。
　　
　　PROFIBUS是德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。由分散和外圍設(shè)備PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery）、報文規(guī)范PROFIBUS-FMS（FieldbusmessagePeriphery）、過程自動化PROFIBUS-PA（ProcessAutomation）組成了PROFIBUS系列。
　　
　　其中，PROFIBUS-DP用于設(shè)備級的高速數(shù)據(jù)傳送，中央控制器（如PLC,PC）,通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設(shè)備（如I/O，驅(qū)動器，閥門等）進(jìn)行通信。PROFIBUS-DP具有快速、即插即用、低成本等優(yōu)點(diǎn)。在用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送時，主站周期地讀取從設(shè)備的輸入信息并周期地向從站設(shè)備發(fā)送輸出信息。除周期性數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供了智能化設(shè)備所需要的非周期性通訊以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報警處理。
　　
　　根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO7498標(biāo)準(zhǔn)，PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)OSI為參考模型,采用了該模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，隱去了第3～7層，而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合，作為用戶接口。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能。
　　
　　2、反滲透水處理系統(tǒng)的組成
　　
　　反滲透是采用膜分離的水處理技術(shù),利用壓力差為動力,使溶液中的溶劑通過反滲透分離出來。隨著膜科學(xué)研究和制造工藝的進(jìn)步,新膜品種的出現(xiàn),以及該法具有節(jié)能、無環(huán)境污染、易于自動控制、占地面積小、運(yùn)行費(fèi)用經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行維護(hù)和設(shè)備維修工作量極少等突出的優(yōu)點(diǎn),反滲透法處理技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。然而反滲透裝置的膜組件是一種精細(xì)元件,極易受機(jī)械損傷、污染和堵塞,對進(jìn)水水質(zhì)要求較高,因此用戶必須根據(jù)水源的水質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行合理的預(yù)處理。圖1為反滲透工藝流程圖。本系統(tǒng)的反滲透預(yù)除鹽技改工程即將投入使用。它采用海德能CPA系列低壓反滲透膜,同時使用3套裝置，設(shè)計產(chǎn)水能力為360t/h，3套設(shè)備也可以單獨(dú)操作運(yùn)行。目前此項目為西北zui大的反滲透水處理系統(tǒng)。
　　
　　整個裝置可分為兩個部分：預(yù)處理部分和反滲透部分。
　　
　　預(yù)處理的好壞直接影響反滲透運(yùn)行的成效，因此需通過多介質(zhì)過濾才能進(jìn)入反滲透裝置，首先通過一臺變頻器來控制3臺原水水泵（兩用一備）采水，原水通過疊片式過濾器即超濾裝置進(jìn)行一次過濾，原水在進(jìn)入超濾之前應(yīng)滿足水溫要求，利用換熱器對水加熱，通過加熱器的出口溫度，調(diào)節(jié)蒸汽的氣量，將出水溫度自動控制在25度左右。
　　
　　超濾裝置是一種中空纖維超濾膜組件，可有效地除去所有懸浮物和微生物，積累在膜上的污染物采用周期性的逆向清洗，一般有普通水反洗、加酸反洗、加堿反洗、殺菌反洗、加氣反洗、化學(xué)清洗以及完整性檢測。反洗過程包括前正沖、底頂反沖、浸泡漂洗、后正沖。超濾可將原水處理為飲用水。出水存放到超濾水箱。　　　　
　　反滲透部分，同樣通過一臺變頻器控制3臺超濾水泵采水，為防止預(yù)處理漏過的雜質(zhì)進(jìn)入高壓泵和反滲透膜元件而造成機(jī)械損壞。進(jìn)而采用保安過濾器再進(jìn)行深層過濾。高壓泵為進(jìn)入反滲透膜元件的原水提供足夠的壓力，以克服滲透壓和運(yùn)行阻力，滿足裝置達(dá)到額定的流量。反滲透過程包括正常運(yùn)行，低壓沖洗，高壓沖洗和排放。
　　
　　3、反滲透水處理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
　　
　　圖2是反滲透系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于系統(tǒng)比較復(fù)雜，涉及的操作點(diǎn)、控制點(diǎn)　　　　
　　比較多，如果選用傳統(tǒng)的控制方式電纜數(shù)量將非常的多，很不經(jīng)濟(jì)，而且維護(hù)和調(diào)試的難度都很大。因此我們采用分散控制、集中監(jiān)控的PLC分布式控制系統(tǒng)，選用了現(xiàn)場總線PROFIBUS，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)工作現(xiàn)場，控制柜以及主控臺之間的復(fù)雜控制。
　　
　　整個系統(tǒng)設(shè)為上位機(jī)操作站，下位機(jī)控制主站及控制從站，上位機(jī)采用IBM西門子工控機(jī)和WINCC監(jiān)控軟件實現(xiàn)工藝流程顯示。為了提高系統(tǒng)的可靠性，下位機(jī)主站采用雙冗余的西門子S7-400系統(tǒng)進(jìn)行實時控制，選用功能強(qiáng)大的CPU414-2DP作為PROFIBUS-DP的網(wǎng)絡(luò)主站，3套具有硬件冗余的ET200M作為從站，每個從站包括2個IM153-2接口模塊和若干個I/O模塊。ET200M通過PROFIBUS電纜和S7-400進(jìn)行通訊，上位機(jī)與下位機(jī)通過以太網(wǎng)通訊，我們使用一對CP通訊卡（CP443-1）,完成數(shù)據(jù)的采集和相互傳送。
　　
　　通過圖2，我們可以看到，冗余系統(tǒng)由兩套PLC控制系統(tǒng)組成。正常工作時，A（MASTERPROFIBUS）系統(tǒng)為主，B（RESERVEPROFIBUS）系統(tǒng)為備用，當(dāng)主系統(tǒng)A中的任何一個組件出錯，控制任務(wù)會自動切換到備用系統(tǒng)B當(dāng)中執(zhí)行，這時，B系統(tǒng)為主，A系統(tǒng)為備用，這種切換過程是包括電源、CPU、通訊電纜和IM153接口模塊的整體切換。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，即使沒有任何組件出錯，操作人員也可以通過設(shè)定控制字，實現(xiàn)手動的主備系統(tǒng)切換。
　　
　　4、硬件組態(tài)
　　
　　控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)采用SIEMENS公司的STEP7和安裝軟冗余軟件包完成。軟冗余硬件組態(tài)在HARDWARE對話框中完成主系統(tǒng)與從站通訊鏈路（MASTERPROFIBUS）、備用系統(tǒng)與從站通訊鏈路（RESERVEPROFIBUS）、主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步通訊鏈路（MPI或者PROFIBUS）。一般我們采用速度較快的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。應(yīng)注意硬件組態(tài)中的各站地址不能重復(fù)。表1為系統(tǒng)元件的PROFIBUS硬件組態(tài)表。表2為S7-400與上位機(jī)以太網(wǎng)通訊的硬件組態(tài)表。
　　　　　　
　　5、軟件編程
　　
　　該反滲透系統(tǒng)同時使用3套設(shè)備，使得程序復(fù)雜化，但3套設(shè)備原理相同，所以在編程時我們采用了模塊化編程，多重調(diào)用的方式，使得程序結(jié)構(gòu)簡單，可讀性強(qiáng)。
　　
　　圖3為單套超濾系統(tǒng)控制邏輯圖，每套中的運(yùn)行子程序，普通反洗，加氯反洗（CEB1），加酸反洗（CEB2），加堿反洗（CEB3），加氣反洗（AEB），完整性檢測的程序結(jié)構(gòu)都是相同的。我們只對一套中的每個過程編寫FB塊，其他的兩套利用同一個過程的FB調(diào)用不同的背景數(shù)據(jù)塊，這樣大大減少了程序的編寫量。根據(jù)工藝要求，三套設(shè)備同時運(yùn)行只能存在一個反洗程序在運(yùn)行，這樣需在程序中通過中間變量來進(jìn)行多套之間的互鎖，以滿足控制要求。利用每套運(yùn)行的次數(shù)N來觸發(fā)反洗程序。對每個反洗設(shè)定不同的N值，一般普通反洗N值zui小，在此我們假設(shè)N值大的優(yōu)先級高，如果同時出現(xiàn)兩個或多個反洗程序被觸發(fā)，那么在程序編寫中應(yīng)使優(yōu)先級高的先反洗。
　　
　　反滲透部分程序結(jié)構(gòu)包括運(yùn)行，高壓快洗，排放，低壓沖洗以及停止部分，應(yīng)注意的是在反滲透部分只能允許一套設(shè)備在低壓沖洗應(yīng)，當(dāng)同時有兩套要進(jìn)行低壓沖洗時，程序中應(yīng)處理為等待。
　　
　　原水泵和超濾水泵的控制是程序編寫的一個難點(diǎn)，因為工藝要求通過一臺變頻器來控制三臺電機(jī)（兩用一備）。在程序中設(shè)計為三臺電機(jī)循環(huán)啟動，使得每臺電機(jī)在不同的時間都有成為備用機(jī)的可能。水泵的啟動與停止根據(jù)水箱水的多少來控制，當(dāng)水多且有兩臺電機(jī)在運(yùn)行時，應(yīng)先停工頻運(yùn)行的電機(jī)。當(dāng)水箱水少時，應(yīng)需要進(jìn)行復(fù)雜的轉(zhuǎn)換，圖4為在水箱水少時變頻器的切換流程圖。
　　　　
　　程序利用STEP7中的PID模塊對于原水泵和超濾水泵的變頻器進(jìn)行控制，根據(jù)冗余要求PID控制應(yīng)放在定時中斷組織塊OB35中，一般情況下非冗余的程序放在主循環(huán)程序塊OB1中，把冗余的程序都放到了OB35中，并對其中的OB35、OB100（啟動調(diào)用程序塊）、OB86（主從站通訊出錯調(diào)用該塊）進(jìn)行編程。
　　
　　在本系統(tǒng)中所有泵的控制需要0.5-1S的脈沖信號，而在冗余程序中只能用IEC定時器來產(chǎn)生脈沖信號，IEC定時器都有一個背景數(shù)據(jù)塊，這樣程序中將會出現(xiàn)大數(shù)量的數(shù)據(jù)塊。對于CPU414-2DPzui多只能有512個數(shù)據(jù)塊，為此我們把大部分的定時器通過在FB中的STAT中建立，這樣既滿足了數(shù)據(jù)塊的容量要求，也使程序簡化。
　　
　　6、結(jié)束語
　　
　　本系統(tǒng)通過使用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線，減少了大量布線。現(xiàn)場安裝、調(diào)試的工作量大為降低，縮短了開發(fā)周期，提高了效率。目前該系統(tǒng)已調(diào)試完畢，投入使用后將會達(dá)到預(yù)期的效果。由于PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)傳輸速度快，系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，可靠性高，必將在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛的應(yīng)用。