摘 要：本文論述了基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)情況。 關(guān)鍵詞：PROFIBUS;反滲透處理; 冗余 1 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線介紹 　　現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)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(chǎng)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。由分散和外圍設(shè)備PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、報(bào)文規(guī)范PROFIBUS-FMS（Fieldbus message Periphery）、過程自動(dòng)化PROFIBUS-PA（Process Automation）組成了PROFIBUS系列。 　　其中，PROFIBUS-DP用于設(shè)備級(jí)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(chǎng)設(shè)備（如I/O，驅(qū)動(dòng)器，閥門等）進(jìn)行通信。PROFIBUS-DP具有快速、即插即用、高效低成本等優(yōu)點(diǎn)。在用于現(xiàn)場(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳送時(shí)，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(bào)警處理。 　　根據(jù)國(guó)際標(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(dòng)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(dòng)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(duì)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(shí)使用3套裝置，設(shè)計(jì)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(xiàng)目為西北最大的反滲透水處理系統(tǒng)。 　　整個(gè)裝置可分為兩個(gè)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(tái)變頻器來控制3臺(tái)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(duì)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(dòng)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(cè)。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。 [align=center] 圖1反滲透水處理工藝流程圖[/align] 　　反滲透部分，同樣通過一臺(tái)變頻器控制3臺(tái)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) [align=center] 圖2 反滲透水處理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　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(chǎng)總線PROFIBUS，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)工作現(xiàn)場(chǎng)，控制柜以及主控臺(tái)之間的復(fù)雜控制。 　　整個(gè)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(shí)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(shí)時(shí)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(gè)從站包括2個(gè)IM153-2接口模塊和若干個(gè)I/O模塊。ET200M通過PROFIBUS專用電纜和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(duì)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(shí)，A（MASTER PROFIBUS）系統(tǒng)為主，B（RESERVE PROFIBUS）系統(tǒng)為備用，當(dāng)主系統(tǒng)A中的任何一個(gè)組件出錯(cuò)，控制任務(wù)會(huì)自動(dòng)切換到備用系統(tǒng)B當(dāng)中執(zhí)行，這時(shí)，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(cuò)，操作人員也可以通過設(shè)定控制字，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)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(duì)話框中完成主系統(tǒng)與從站通訊鏈路（MASTER PROFIBUS）、備用系統(tǒng)與從站通訊鏈路（RESERVE PROFIBUS）、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。 　　表1 PROFIBUS硬件組態(tài)表 　　表2 以太網(wǎng)硬件組態(tài)表 5 軟件編程 　　該反滲透系統(tǒng)同時(shí)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(shí)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(jiǎn)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(cè)的程序結(jié)構(gòu)都是相同的。我們只對(duì)一套中的每個(gè)過程編寫FB塊，其他的兩套利用同一個(gè)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(shí)運(yùn)行只能存在一個(gè)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(duì)每個(gè)反洗設(shè)定不同的N值，一般普通反洗N值最小，在此我們假設(shè)N值大的優(yōu)先級(jí)高，如果同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)反洗程序被觸發(fā)，那么在程序編寫中應(yīng)使優(yōu)先級(jí)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(shí)有兩套要進(jìn)行低壓沖洗時(shí)，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(gè)難點(diǎn)，因?yàn)楣に囈笸ㄟ^一臺(tái)變頻器來控制三臺(tái)電機(jī)（兩用一備）。在程序中設(shè)計(jì)為三臺(tái)電機(jī)循環(huán)啟動(dòng)，使得每臺(tái)電機(jī)在不同的時(shí)間都有成為備用機(jī)的可能。水泵的啟動(dòng)與停止根據(jù)水箱水的多少來控制，當(dāng)水多且有兩臺(tái)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，應(yīng)先停工頻運(yùn)行的電機(jī)。當(dāng)水箱水少時(shí)，應(yīng)需要進(jìn)行復(fù)雜的轉(zhuǎn)換，圖4為在水箱水少時(shí)變頻器的切換流程圖。 [align=center] 圖3 超濾系統(tǒng)控制邏輯圖[/align] [align=center] 圖4 水箱水少變頻器切換邏輯圖[/align] 　　程序利用STEP7中的PID模塊對(duì)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(shí)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(duì)其中的OB35、OB100（啟動(dòng)調(diào)用程序塊）、OB86（主從站通訊出錯(cuò)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(hào)，而在冗余程序中只能用IEC定時(shí)器來產(chǎn)生脈沖信號(hào)，IEC定時(shí)器都有一個(gè)背景數(shù)據(jù)塊，這樣程序中將會(huì)出現(xiàn)大數(shù)量的數(shù)據(jù)塊。對(duì)于CPU414-2DP最多只能有512個(gè)數(shù)據(jù)塊，為此我們把大部分的定時(shí)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(jiǎn)化。 6 結(jié)束語 　　本系統(tǒng)通過使用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線，減少了大量布線。現(xiàn)場(chǎng)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(huì)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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。 參考文獻(xiàn): 　　[1]張葆宗 反滲透水處理應(yīng)用技術(shù) 中國(guó)電力出版社，2004 　　[2]反滲透和納濾膜產(chǎn)品手冊(cè) 美國(guó)海德能公司 2004版 　　[3] PLC-based control systems for industrial production of fuel alcohol,IEEE,Dec 2004.