1 PROFIBUS現場總線介紹

　　現場總線是應用于工業現場、連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通訊網絡。其中PROFIBUS現場總線標準是開放的、不依賴生產廠家通信系統標準。所以，在各種工業控制中得到了廣泛的應用。

　　PROFIBUS是德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現場總線標準。由分散和外圍設備PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、報文規范PROFIBUS-FMS（Fieldbus message Periphery）、過程自動化PROFIBUS-PA（Process Automation）組成了PROFIBUS系列。

　　其中，PROFIBUS-DP用于設備級的高速數據傳送，中央控制器（如PLC，PC），通過高速串行線同分散的現場設備（如I/O，驅動器，閥門等）進行通信。PROFIBUS-DP具有快速、即插即用、高效低成本等優點。在用于現場層的高速數據傳送時，主站周期地讀取從設備的輸入信息并周期地向從站設備發送輸出信息。除周期性數據傳輸外，PROFIBUS-DP還提供了智能化設備所需要的非周期性通訊以進行組態、診斷和報警處理。

　　根據國際標準化組織ISO7498標準，PROFIBUS的協議結構以開放系統互聯網絡OSI為參考模型，采用了該模型的物理層、數據鏈路層，隱去了第3～7層，而增加了直接數據連接擬合，作為用戶接口。用戶接口規定了用戶及系統以及不同設備可調用的應用功能。

2 反滲透水處理系統的組成

　　反滲透是采用膜分離的水處理技術，利用壓力差為動力，使溶液中的溶劑通過反滲透分離出來。隨著膜科學研究和制造工藝的進步，新膜品種的出現，以及該法具有節能、無環境污染、易于自動控制、占地面積小、運行費用經濟、運行維護和設備維修工作量極少等突出的優點，反滲透法處理技術得到了迅速的發展。然而反滲透裝置的膜組件是一種精細元件，極易受機械損傷、污染和堵塞，對進水水質要求較高，因此用戶必須根據水源的水質特點進行合理的預處理。圖1為反滲透工藝流程圖。本系統的反滲透預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，設計產水能力為360t/h，3套設備也可以單獨操作運行。目前此項目為西北最大的反滲透水處理系統。

　　整個裝置可分為兩個部分：預處理部分和反滲透部分。

　　預處理的好壞直接影響反滲透運行的成效，因此需通過多介質過濾才能進入反滲透裝置，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行一次過濾，原水在進入超濾之前應滿足水溫要求，利用換熱器對水加熱，通過加熱器的出口溫度，調節蒸汽的氣量，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。

　　圖1反滲透水處理工藝流程圖

　　反滲透部分，同樣通過一臺變頻器控制3臺超濾水泵采水，為防止預處理漏過的雜質進入高壓泵和反滲透膜元件而造成機械損壞。進而采用保安過濾器再進行深層過濾。高壓泵為進入反滲透膜元件的原水提供足夠的壓力，以克服滲透壓和運行阻力，滿足裝置達到額定的流量。反滲透過程包括正常運行，低壓沖洗，高壓沖洗和排放。

3 反滲透水處理系統的網絡結構

　　圖2是反滲透系統的網絡結構。由于系統比較復雜，涉及的操作點、控制點

　　圖2 反滲透水處理系統網絡結構圖

　　比較多，如果選用傳統的控制方式電纜數量將非常的多，很不經濟，而且維護和調試的難度都很大。因此我們采用分散控制、集中監控的PLC分布式控制系統 ，選用了現場總線PROFIBUS，通過網絡實現工作現場，控制柜以及主控臺之間的復雜控制。

　　整個系統設為上位機操作站，下位機控制主站及控制從站，上位機采用IBM西門子工控機和WINCC監控軟件實現工藝流程顯示。為了提高系統的可靠性，下位機主站采用雙冗余的西門子S7-400系統進行實時控制，選用功能強大的CPU414-2DP作為PROFIBUS-DP的網絡主站，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專用電纜和S7-400進行通訊，上位機與下位機通過以太網通訊，我們使用一對CP通訊卡（CP443-1），完成數據的采集和相互傳送。

　　通過圖2，我們可以看到，冗余系統由兩套PLC控制系統組成。正常工作時，A（MASTER PROFIBUS）系統為主，B（RESERVE PROFIBUS）系統為備用，當主系統A中的任何一個組件出錯，控制任務會自動切換到備用系統B當中執行，這時，B系統為主，A系統為備用，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。系統運行過程中，即使沒有任何組件出錯，操作人員也可以通過設定控制字，實現手動的主備系統切換。

4 硬件組態

　　控制系統的硬件組態采用SIEMENS公司的STEP7和安裝軟冗余軟件包完成。軟冗余硬件組態在HARDWARE對話框中完成主系統與從站通訊鏈路（MASTER PROFIBUS）、備用系統與從站通訊鏈路（RESERVE PROFIBUS）、主系統與備用系統的數據同步通訊鏈路（MPI或者PROFIBUS）。一般我們采用速度較快的PROFIBUS網絡方式進行數據同步。應注意硬件組態中的各站地址不能重復。表1為系統元件的PROFIBUS硬件組態表。表2為S7-400與上位機以太網通訊的硬件組態表。

　　表1 PROFIBUS硬件組態表

　　表2 以太網硬件組態表

5 軟件編程

　　該反滲透系統同時使用3套設備，使得程序復雜化，但3套設備原理相同，所以在編程時我們采用了模塊化編程，多重調用的方式，使得程序結構簡單，可讀性強。

　　圖3為單套超濾系統控制邏輯圖，每套中的運行子程序，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構都是相同的。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調用不同的背景數據塊，這樣大大減少了程序的編寫量。根據工藝要求，三套設備同時運行只能存在一個反洗程序在運行，這樣需在程序中通過中間變量來進行多套之間的互鎖，以滿足控制要求。利用每套運行的次數N來觸發反洗程序。對每個反洗設定不同的N值，一般普通反洗N值最小，在此我們假設N值大的優先級高，如果同時出現兩個或多個反洗程序被觸發，那么在程序編寫中應使優先級高的先反洗。

　　反滲透部分程序結構包括運行，高壓快洗，排放，低壓沖洗以及停止部分，應注意的是在反滲透部分只能允許一套設備在低壓沖洗應，當同時有兩套要進行低壓沖洗時，程序中應處理為等待。

　　原水泵和超濾水泵的控制是程序編寫的一個難點，因為工藝要求通過一臺變頻器來控制三臺電機（兩用一備）。在程序中設計為三臺電機循環啟動，使得每臺電機在不同的時間都有成為備用機的可能。水泵的啟動與停止根據水箱水的多少來控制，當水多且有兩臺電機在運行時，應先停工頻運行的電機。當水箱水少時，應需要進行復雜的轉換，圖4為在水箱水少時變頻器的切換流程圖。

　　圖3 超濾系統控制邏輯圖

　　圖4 水箱水少變頻器切換邏輯圖

　　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行控制，根據冗余要求PID控制應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（啟動調用程序塊）、OB86（主從站通訊出錯調用該塊）進行編程。

　　在本系統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定時器來產生脈沖信號，IEC定時器都有一個背景數據塊，這樣程序中將會出現大數量的數據塊。對于CPU414-2DP最多只能有512個數據塊，為此我們把大部分的定時器通過在 FB中的STAT中建立，這樣既滿足了數據塊的容量要求，也使程序簡化。

6 結束語

　　本系統通過使用PROFIBUS-DP現場總線，減少了大量布線。現場安裝、調試的工作量大為降低，縮短了開發周期，提高了效率。目前該系統已調試完畢，投入使用后將會達到預期的效果。由于PROFIBUS-DP數據傳輸速度快，系統實現簡單，可靠性高，必將在工業控制網絡中得到廣泛的應用。