基于PROFIBUS總線實(shí)現(xiàn)水廠系統(tǒng)控制要求及控制設(shè)計(jì)方案

引言：

現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)因其巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，已在各個(gè)領(lǐng)域如機(jī)械、化工、汽車、電力、樓宇等得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)在自來(lái)水行業(yè)的應(yīng)用也越來(lái)越普遍，基于現(xiàn)場(chǎng)總線的水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)，它采用了計(jì)算機(jī)數(shù)字化通信技術(shù)，使水處理工藝過(guò)程參數(shù)及設(shè)備加入到信息網(wǎng)絡(luò)，成為企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的底層，這樣公司級(jí)信息溝通的覆蓋范圍便一直延伸到了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。在CIMS系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)總線是水廠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的通道，是支撐現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與水廠級(jí)信息的技術(shù)基礎(chǔ)。

1.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)簡(jiǎn)介

（1）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是近十幾年發(fā)展起來(lái)的，它被認(rèn)為是工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。它主要解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)信息量有限集成能力不強(qiáng)，開(kāi)放性差，可靠性不易保證，電纜敷設(shè)量大，更不能完全滿足CIMS系統(tǒng)對(duì)底層數(shù)據(jù)的要求等問(wèn)題。

（2）目前世界流行的現(xiàn)場(chǎng)總線及總線標(biāo)準(zhǔn)有很多種，其中PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線是歐洲標(biāo)準(zhǔn)，其產(chǎn)品在世界市場(chǎng)上已被普遍接受，在中國(guó)也組建了PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線專業(yè)委員會(huì)，它是目前世界上最成功的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，長(zhǎng)沙八水廠自控系統(tǒng)便是采用了該總線。

（3）現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS協(xié)議由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-PA三個(gè)兼容部分組成。采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，支持主從系統(tǒng)、純主系統(tǒng)、多主多從系統(tǒng)通信方式。主站對(duì)總線具有控制權(quán)，主站間通過(guò)傳遞令牌來(lái)傳遞對(duì)總線的控制權(quán)，取得控制權(quán)的主站可向從站發(fā)送、獲取信息。DP型用于高速數(shù)據(jù)傳輸，尤適用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/0的通信：FMS為現(xiàn)場(chǎng)信息規(guī)范，適用于廠站級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)；PA則是用于過(guò)程自動(dòng)化的總線類型。

（4）PROFIBUS FIELDBUS網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的幾種型式

A總線接口型：它采用分散式I/O作為總線接口與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接，適應(yīng)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備多又相對(duì)集中且不具備PROFIBUS接口的情況。

B單一總線型：當(dāng)所有的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都具有PROFIBUS接口時(shí)，用總線把它們連接起來(lái)實(shí)現(xiàn)完全的分布式結(jié)構(gòu)，當(dāng)然這時(shí)的設(shè)備成本會(huì)較高。

C混合型：它是A、B型的混合，是一種比較普遍的情況，它既可以通過(guò)分散式I/O把現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連到總線上，又可把帶總線接口的設(shè) 備連到總線上，是一種非常靈活的集成方案。

2.水廠自控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)型式

以PLC為一類主站，PC機(jī)監(jiān)控為二類主站連接至PROPmU5總線上，二類主站可完成遠(yuǎn)程編程、參數(shù)化及在線監(jiān)控功能等。

現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式配置，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是否具備PROFIBUS接口及系統(tǒng)本身的實(shí)際需要來(lái)確定，下圖為八水廠PROFIBUS控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

選擇該網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成形式，其理由如下：

1）八水廠處理生產(chǎn)工藝流程的各個(gè)環(huán)節(jié)，環(huán)節(jié)與環(huán)節(jié)之間、環(huán)節(jié)內(nèi)部需檢測(cè)的參數(shù)與各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)被控設(shè)備之間都相對(duì)比較分散，且項(xiàng)目（系統(tǒng)）對(duì)各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)集成有較高的要求，除要達(dá)到遠(yuǎn)程操作、診斷、監(jiān)控、參數(shù)化功能外，還必須為CM賜系統(tǒng)提供豐富的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及生產(chǎn)數(shù)據(jù)，為全公司的信息系統(tǒng)提供重要的底層數(shù)據(jù)。而恰到好處的解決這些問(wèn)題正是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)。

2）為確保實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目（系統(tǒng)）的成功實(shí)施，現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS的一些關(guān)鍵性技術(shù)能否在水行業(yè)得到正常應(yīng)用，主要是看它在本行業(yè)是否有應(yīng)用先例，經(jīng)過(guò)調(diào)研，確認(rèn)PROFIBUS不僅在制造、電力等方面，在水行業(yè)也已有成功的應(yīng)用，且有相當(dāng)?shù)臉I(yè)績(jī)。

3）根據(jù)水處理工藝流程，現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS將PLC分為四個(gè)工作站，一泵房站、二泵房站、加藥站、濾池站及中心控制室、廠長(zhǎng)室，并設(shè)置為主站，而加藥和濾池主站則配置為分別帶有8個(gè)和12個(gè)智能型VO從站的PLC。對(duì)四個(gè)PLC工作主站，考慮到系統(tǒng)功能的要求及用戶的需要，每站分別配置了一臺(tái)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)卡作監(jiān)控主站。

3.系統(tǒng)配置及設(shè)備選型

系統(tǒng)采用PROFmUS現(xiàn)場(chǎng)總線的典型應(yīng)用產(chǎn)品，SIEMENS公司產(chǎn)品。

1）主站選擇

a）選擇S7-300系列的CPU315——2DP為一類主站，它帶有一個(gè)DP和一個(gè)MPI接口，速率為9.6kbit/s12mbit/s，數(shù)據(jù)傳輸距離1200M，可連接I/0數(shù)目：DI/DO1024AI/AO128

b）選擇CP343-5通信處理器，將PLC連接到BROFIBUS上，數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6K，1.5MBT/S。

c）選擇PC機(jī)加BROFIBUS網(wǎng)卡作過(guò)程監(jiān)控的二類主站。

2）從站選擇

選擇S7-200系列的CPU215-2DP為智能型I/O從站，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為12M，本身帶有14DI/10DO，亦可擴(kuò)展到62DV58DO或12AV4AO。

4.系統(tǒng)控制要求及控制方案的實(shí)現(xiàn)

1）為使水處理工藝各個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在調(diào)度控制中心被實(shí)時(shí)監(jiān)視控制，廠調(diào)度室和廠長(zhǎng)室都配有一臺(tái)惠普電腦連接至BROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線上，通過(guò)WIHNCC組態(tài)圖形軟件既能監(jiān)視各站點(diǎn)生產(chǎn)狀況，又能控制操作現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的各種狀態(tài)，達(dá)到非常理想的集中控制功能。

2）為了維護(hù)方便、操作靈活對(duì)各個(gè)PLC站點(diǎn)的設(shè)備均設(shè)置有手動(dòng)、鍵控和全自動(dòng)控制方式。一泵房PLC通過(guò)PROFIBUS接受二泵房PIE采集的清水池水位，出廠水流量等數(shù)據(jù)，對(duì)一泵房機(jī)組進(jìn)行全自動(dòng)閉環(huán)控制，二泵房則通過(guò)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)調(diào)度室確定的指令及流量、壓力、設(shè)備狀況進(jìn)行自動(dòng)控制。

3）濾池控制PIE站點(diǎn)，在控制室柜中裝有西門子CPU315PLC，在每格濾池操作臺(tái)內(nèi)裝有西門子CPU215-2DPPLC，它們之間通過(guò)DP端口利用屏蔽雙絞線連接在一起，構(gòu)成PROFIBUS——DP總線，其中S7-300是主站，其它12臺(tái)S7-200是從站，實(shí)現(xiàn)對(duì)濾池的全自動(dòng)反沖洗。

4）加礬加氯及桁車、反應(yīng)池排泥站點(diǎn)，在控制室柜中裝有西門子CPU315PLC為主站，在桁車、反應(yīng)池排泥處裝有S7-200PLC為從站，共8臺(tái)，它們之間連成PROFIBUS-DP總線，使桁車排泥按時(shí)段進(jìn)行全自動(dòng)工作，加礬按流量比例前饋、SCD反饋控制，加氯按流量比例、余氯反饋閉環(huán)控制。

5.結(jié)束語(yǔ)

PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線在八水廠自控系統(tǒng)中建立以來(lái)，經(jīng)調(diào)試，運(yùn)行穩(wěn)定正?！，F(xiàn)場(chǎng)總線作為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)愈來(lái)愈在工業(yè)控制系統(tǒng)中發(fā)揮出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)作用。如今雖有觀點(diǎn)認(rèn)為，隨著計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)（TCP/IP）可能取代現(xiàn)場(chǎng)總線，但至少?gòu)哪壳皝?lái)看要全面取而代之，還存在著很多困難。

責(zé)任編輯：gt