基于PROFIBUS集成網(wǎng)絡(luò)的多變頻器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)反滲透鍋爐補(bǔ)給水處理裝置實(shí)際運(yùn)行的監(jiān)控需求，本文提出了一種基于PRFINET和PROFIBUS集成網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)，用于多變頻器控制。從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、硬件組態(tài)和變頻器參數(shù)設(shè)置等方面進(jìn)行了闡述，并在青海某化肥廠500m3/d脫鹽水處理技改項(xiàng)目中應(yīng)用。運(yùn)行結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有組態(tài)簡(jiǎn)單、設(shè)置方便、安裝維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在多變頻器控制領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/ article/203221.htm

關(guān)鍵詞：PROFINET；PROFIBUS；集成網(wǎng)絡(luò)；多變頻器；控制系統(tǒng)

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.1.006

鍋爐補(bǔ)給水水質(zhì)直接影響工廠安全生產(chǎn)。反滲透法作為商業(yè)化應(yīng)用的水處理技術(shù)，可保障鍋爐補(bǔ)給水安全[1]。在反滲透鍋爐補(bǔ)給水處理裝置運(yùn)行過(guò)程中，需及時(shí)調(diào)整運(yùn)行工況改變產(chǎn)水量以適應(yīng)鍋爐實(shí)際用水需求。產(chǎn)水量調(diào)整通過(guò)變頻技術(shù)改變泵的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。反滲透鍋爐補(bǔ)給水處理工藝過(guò)程涉及多臺(tái)變頻器。因此，迫切需要提高多變頻控制技術(shù)水平。本文基于PROFINET和PROFIBUS集成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一套多變頻器控制系統(tǒng)，由上位機(jī)、PLC控制器和現(xiàn)場(chǎng)變頻器組成。上位機(jī)采用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)監(jiān)控界面，完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理任務(wù)；PLC控制器和現(xiàn)場(chǎng)變頻器完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)控制功能。文中闡述了整個(gè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、變頻器設(shè)置和組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)。在青海某國(guó)際化肥有限公司500m3/d脫鹽水處理技改項(xiàng)目中成功應(yīng)用，運(yùn)行效果良好。

集成總線介紹

自動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線中，PROFIBUS是一種國(guó)際化、開(kāi)放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，被納入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC。主要用于工廠車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的數(shù)據(jù)通信與控制。實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)[2]。本文中，PROFIBUS用于PLC控制器和多個(gè)變頻器之間的通訊，為實(shí)現(xiàn)多變頻器智能化控制提供解決方案。

系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工藝控制需求

青海某國(guó)際化肥有限公司脫鹽水技改項(xiàng)目采用簡(jiǎn)化反滲透水處理工藝流程（如圖1所示）。由三套反滲透單元和一套濃水反滲透單元組成。

1～3#反滲透單元和濃水反滲透單元均包括加藥裝置、高壓泵和反滲透膜組件等，要求控制系統(tǒng)具備自動(dòng)運(yùn)行、連鎖保護(hù)、產(chǎn)水水質(zhì)監(jiān)測(cè)和水量自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，保障安全生產(chǎn)，滿足鍋爐用水水質(zhì)及水量需求。

多變頻器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

集成網(wǎng)絡(luò)多變頻器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。上層網(wǎng)絡(luò)為PROFINET，采用TCP/IP通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)上位監(jiān)控系統(tǒng)與PLC控制器的通訊。下層網(wǎng)絡(luò)為PROFIBUS，采用PROFIBUS-DP通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)PLC控制器與變頻器的通訊[4，5]。

工程師站和操作員站通過(guò)PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，完成實(shí)時(shí)控制任務(wù)。同時(shí)，可根據(jù)實(shí)際需求增設(shè)，互不影響。工程師站采用Step7 V5.5軟件，完成系統(tǒng)硬件配置組態(tài)、軟件編程和參數(shù)設(shè)置等。同時(shí)工程師站安裝WinCC7.0開(kāi)發(fā)版，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟件組態(tài)，即數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)管理、報(bào)警等工作。操作員站采用WinCC7.0運(yùn)行版，僅具備監(jiān)控功能，使操作員了解設(shè)備運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

集成網(wǎng)絡(luò)多變頻器控制系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)：控制室和變頻器間可采用多種傳輸介質(zhì)，如雙絞線、光纖、同軸電纜等，提高不同場(chǎng)合的適應(yīng)性；多臺(tái)變頻器只用一條物理介質(zhì)完成數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)接線；采用數(shù)字信號(hào)傳輸技術(shù)，避免信號(hào)衰減和干擾，提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院途?；由PROFIBUSDP組成的多變頻器控制系統(tǒng)是一種全開(kāi)放的系統(tǒng)，可兼容不同廠家的變頻器，提高了系統(tǒng)可擴(kuò)展性，可避免重復(fù)投資。

硬件配置

PLC控制器選用西門子S7-300系列CPU 315-2 PN/DP，系統(tǒng)預(yù)留20%備用點(diǎn)數(shù)。該CPU集成了PROFIBUS-DP總線接口和PROFINET以太網(wǎng)接口?？芍苯訏旖訋в蠵ROFIBUS-DP接口的變頻器；支持TCP/IP協(xié)議，可與上位機(jī)自由通信，使用方便靈活?，F(xiàn)場(chǎng)變頻器由4臺(tái)西門子加裝PROFIBUS-DP通訊板的MM440變頻器組成。

變頻器通訊設(shè)置

為實(shí)現(xiàn)DP通訊，需對(duì)MM440變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，常用參數(shù)設(shè)置如表1所示。為了保障總線運(yùn)行，P0700、P0918和P1000必須設(shè)置。在設(shè)置DP通訊地址時(shí)，可借助通訊模塊的七個(gè)DIP開(kāi)關(guān)或借助P0918來(lái)實(shí)現(xiàn)，且必須與硬件組態(tài)保持一致[7]。

軟件編程

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括主程序、模擬量數(shù)據(jù)采集與處理程序、水泵啟停控制、閥門控制、PID算法實(shí)現(xiàn)及故障報(bào)警。主程序負(fù)責(zé)各子程序的管理調(diào)用。

流量調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)中，4臺(tái)高壓泵控制方式相同。高壓泵電機(jī)轉(zhuǎn)速由變頻器控制，通過(guò)PID閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)變流量調(diào)節(jié)?？刂破鲗⒘髁吭O(shè)定值與現(xiàn)場(chǎng)反饋的實(shí)際流量值進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)，向變頻器輸出調(diào)節(jié)指令，變頻器接受控制器調(diào)節(jié)信號(hào)對(duì)高壓泵電機(jī)進(jìn)行速度控制。流量設(shè)定值由上級(jí)主PLC給定，不需監(jiān)測(cè)。流量設(shè)定值變化引起相關(guān)參數(shù)變化，包括變頻器頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速、流量值。圖5為反滲透鍋爐補(bǔ)給水PID變頻控制系統(tǒng)原理圖。

采用西門子集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Step7中提供的PID控制功能模塊FB41來(lái)實(shí)現(xiàn)。流動(dòng)液體波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致流量傳感器/變送器的測(cè)量信號(hào)變動(dòng)，為避免此波動(dòng)干擾，系統(tǒng)未采用微分環(huán)節(jié)，僅采用PI調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。

變頻器通訊程序

通訊程序可直接調(diào)用STEP7編程軟件的系統(tǒng)功能SFC14（DPRD_ DAT）和SFC15（DPWR_DAT）來(lái)實(shí)現(xiàn)[6]，程序段如下：

CALL \"DPRD_DAT\" //讀變頻器數(shù)據(jù)到PLC

LADDR：=W#16#150 //通訊地址

RET_VAL：=MW200 //錯(cuò)誤代碼

RECORD： =P#DB100.DBX0.0 BYTE 12

//傳送起始地址及長(zhǎng)度

CALL \"DPWR_DAT\" //PLC到變頻器

LADDR：=W#16#100 //通訊地址

RECORD：=P#DB100.DBX12.0 BYTE 12

//傳送起始地址及長(zhǎng)度

RET_VAL：=MW //錯(cuò)誤代碼

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

用WINCC自帶的VBS腳本編輯器，編寫程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄。裝置開(kāi)啟時(shí)，進(jìn)行變量記錄和歸檔，停止時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉變量記錄。結(jié)果存儲(chǔ)在EXCEL中，便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理。圖6為VBS腳本程序。

上位機(jī)組態(tài)

上位機(jī)組態(tài)采用西門子WinCCV7.0軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，WinCC與PLC主站采用SIMATIC S7 Protocol Suite.chn通訊驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要顯示工藝流程、過(guò)程參數(shù)、控制方式、運(yùn)行狀況、對(duì)象狀態(tài)，也能顯示成組參數(shù)。當(dāng)參數(shù)超限報(bào)警、控制對(duì)象故障或狀態(tài)變化時(shí)，以不同顏色進(jìn)行顯示。畫面具有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種形式，顏色隨參數(shù)或設(shè)備狀態(tài)變化而變化。圖7為工藝流程監(jiān)控畫面。

主要功能

結(jié)語(yǔ)

基于PROFIBUS和PROFINET集成網(wǎng)絡(luò)的多變頻器控制系統(tǒng)，使生產(chǎn)各環(huán)節(jié)能夠及時(shí)進(jìn)行信息交換，提高了信號(hào)采集的品質(zhì)和系統(tǒng)的控制質(zhì)量，為工廠的信息化提供了可靠的通訊平臺(tái)。同時(shí)，采用PROFIBUS-DP通訊，減少了電纜、橋架等硬件設(shè)備數(shù)量，大大節(jié)省了成本，安裝、維護(hù)工作量減少，具有較高的性價(jià)比，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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