ProfiBus控制VLT2805变频器在软水处理系统中的应用

(1)系统介绍    在许多企业，软水处理系统是锅炉运行不可缺少的重要组成部分。水质处理的好坏直接影响锅炉的寿命和安全。软水处理系统是基于钠离子交换原理进行工作的。自来水(要求进水压力为0. 2～0. 3MPa)经软水处理器处理后进入软水箱，经恒压供水系统送往冷却循环水池、冷冻水池和锅炉房等。在设定好产水量后，打开进水开关，软水处理器按4个过程循环工作，如图4-37所示。
    图4-37    软水处理系统工作过程框图    T1-反洗时间；T2-再生时间；T3-正洗时间    这4个过程的完成是通过对多路阀工作位置的切换来实现的。软水处理器工作至设定产水量后进入反洗过程，反洗T1时间后进入再生过程；在软水处理器再生过程中，软水处理器通过虹吸方式从盐液箱吸入饱和盐溶液进行罐内树脂的再生，经过T2时间再生完成后，进入快速冲洗（正洗）过程，经过T3时间将罐内的沉淀物清除干净后，进入下一个工作循环。(2)控制功能    为了能够监测设备的工作状态和软水水质的变化情况，保证设备的稳定运行和软水的保质供应，实现该设备的集中监控，提出以下控制功能。    ①采用可靠性高的Siemens S7-300PLC进行控制。    ②设置触摸屏作为现场操作面板，实现本地显示和操作。    ③增设变频管道泵和压力变送器，实现进水压力的控制。    ④设置电动阀和液位计进行盐液箱的液位检测和控制，以保证盐液浓度的稳定。    ⑤实现软水器出水流量和硬度的在线检测。    ⑥实现水质异常的紧急处理。    ⑦设置多路阀的运行反馈和出水电磁阀的动作反馈，实现工作过程可视化。    ⑧实现软水水箱液位与软水处理器的联锁控制功能，在水箱满液位附近时停止或启动软水处理器的工作，以保证软水的稳定供给。    ⑨实现远程监控功能。    为了达到以上的控制要求，以ProfiBus总线为系统硬件构成PLC、变频器、人机界面和传感器等的网络，如图4-38所示。系统在中心控制室设置一台计算机作为操作员站，用于系统管理和远程监控，不同级别的操作员被授予不同的操作密码，根据各自的权限对系统进行有效的监控和管理。操作员站与S7-315PLC主站是通过厂区骨干网（工业以太网）传输数据的。
    图4-38    控制系统网络结构图(3) PLC、变频器和现场总线的选型与设置    ①PILC的选型    PLC系统的输入信号包括变频器的故障信号、多路阀位置反馈信号、出水阀开关反馈信号、补水阀开关反馈信号、空气开关的开关信号、盐液箱液位、出水流量及进水压力等；输出包括控制变频器的启／停和工作频率、多路阀的通／断、出水阀和补水阀的开关。本系统的可编程序控制器(PLC)选用Siemens S7-315PLC。该系列PLC自带两个DP接口，功能强、扩展方便、性价比好，完全可以满足系统的控制要求。    该PLC作为ProfiBus-DP网络主站，处理系统各种数据和工艺动作流程，如接收网络将控制命令控制设备、将DP从站的信息采集回来进行处理等。    ②现场总线选型    本系统的现场总线主要采用ProfiBus-DP主站、ProfiBus-DP从站、ProfiBus-DP/PACoupler（转换器）以及ProfiBus-PA从站。其中，DP/PA Coupler既是S7-315PLC的从站，又是下位PA仪表的主站，所有PA从站（进水压力、出水流量、出水硬度、液位）信号均通过PA接口经过DP/PA Coupler转发给PLC处理。    ③变频器的选型    变频器采用丹佛斯公司带内置ProfiBus-DP总线卡的VLT2805变频器，通过DP接口和PLC相连，实现进水的恒压供给，同时将运行和故障信号通过DP总线传送给PLC处理。    a．硬件连接    VLT2805变频器与CPU315-2DP可编程序控制器的总线接口相连。其中，CPU315- 2DP总线端口采用西门子公司的9针D型专用总线连接器。为提高总线控制系统的抗干扰能力，建议采用专用通信电缆，接好总线和电动机屏蔽线，同时将PLC、变频器和电动机实现有效的接地。另外，为消除总线自身可能产生的振荡干扰，将首、尾站点进行‘总线终断。在本系统中，将与CPU315-2DP相连的总线连接器上的总线终端开关拨到“ON”位置，VLT2805变频器上的总线终端开关“1”和“2”拨到“ON”位置。    b．变频器总线的参数设置    变频器除了设置常规的电气参数外，根据需要进行如下总线参数的设置：    512参数一电码简表设定值0，选择PROFIDRIVE协议。    803参数总线通信延时设定值1s。    804参数总线断开功能设定值2，停止，恢复后启动。    904参数-PPO格式设定值901，PPO TYPE2格式。    916参数：    SUB INDEX1：520-PCD1读出电流输出值(A)；    SUB INDEX2：524-PCD2读出电压输出值(V)；    SUB INDEX3：522-PCD3读出功率输出值(kW)；    SUB INDEX4.：522-PCD3读出频率输出值(Hz)。    918参数设置变频器站点地址。    另外，需特别说明的是，每当变频器的总线地址更改后，需重新上电才能生效。    ④系统软件设计    系统软件包括如下几个部分。    a．上位机监控软件设计    上位机监控软件采用当今世界通行的工控组态软件Intellution IFIX组态而成。该软件功能强大，基于Micros。ft Windows界面，具有VBA脚本编辑功能，程序员可利用软件自带的专家系统设计，也可利用VBA脚本编辑功能灵活编程。该软件分为HMI和SCADA两部分。HMI具有丰富的图形库和绘图工具，程序员可在此基础上做出丰满、动感、色彩斑斓的图形和操作界面；SCADA具有强大的驱动功能，可同时配置8个驱动程序，每个驱动程序可同时配置任意多个同系列的硬件设备。SCADA所具有的强大驱动功能可满足现场任何驱动需要。    监控软件设计了管理员登录功能、授权密码管理功能、软水处理系统监控界面、实时报警功能和系统管理功能。    b．现场操作面板程序设计    现场操作面板监控软件采用Siemens HMI组态软件ProTool中文组态版设计而成。操作员面板是通过自身所带的MPI／DP接口与PLC交换数据。监控软件设计了“口令管理”、“系统监控”、“单机监控”、“系统设定”等画面，另外还设计了实时故障报警等功能；在这里，反洗、再生、正洗时间设定和产水量、进水压力、PID参数设定全部得到实现，强制再生只需轻轻一按即可自动判断，实现再生过程。    c．PLC逻辑部分程序    如图4-37所示，软水处理系统的设备控制都是通过PLC完成的。PLC软件实现现场操作员面板和上位机各种控制命令的响应和处理，进行变频泵、多路阀、出水电磁阀、补水电磁阀的控制；同时采集它们的反馈信号，经PLC判断和处理，可将各阀的工作状态、软水处理器运行的各个阶段、出水流量（已处理流量）、盐液箱液位和进水压力在现场操作面板和上位机上实时显示，实现处理过程中故障的自动检测与报警，使运行和操作人员能及时发现和处理问题，排放不合格水，减少盐和水的浪费。系统还能够自动储存停电前产水量的设定值和剩余水量，能在来电后自动投入运行；在进水压力过低（或停水）时暂停工作，并记忆工作位置和处理流量，在进水压力正常后，自动继续运行；可根据运行情况选择单罐运行或组合并联运行，并可实现各罐独立操作，互不影响。    d．变频器相关部分的程序设计    ④硬件组态    Ⅰ．在CPU3 15-2DP PLC编程软件STEP7的硬件组态窗口中，导人VLT2805变频器的GSD文件。    Ⅱ．单击CPU315-2DP PLC的DP总线接口，在弹出的总线上拖放硬件配置表中的VLT2805变频器的配置文件，并根据要求选择通信格式PP04类型，I/O访问地址的分配。    Ⅲ．设置总线通信参数，如子站地址、通信速度和诊断地址等。    Ⅳ．当硬件配置完成后，可通过STEP7的编译功能检查硬件配置的正确性。    在硬件配置窗口中，PLC分配给变频器的I/O地址。    输入地址：PIW288-PIW299。    输出地址：PQW264-PQW275。    ⑥通信格式定义    VLT2805变频器共有5种类型的PPO通信格式，在此仅对本例中所使用的PP04格式进行说明。PP04通信格式的定义见表4-4。    表4-4 PP04的通信格式    Ⅰ．由PLC传给变频器PP04，对应STEP7硬件组态中分配的输出地址如下。    CTW：控制字    占用第1、2字节。    MRV:速度设定值    占用第3、4字节。    PCD:过程数据（4个）    占用第5～第12字节，主要用来修改控制参数。    Ⅱ．由变频器反馈给主站的PP04对应STEP7硬件组态中分配的输入地址。    STW:状态字    占用第1、2字节。    MAV:速度反馈值    占用第3、4字节。    PCD:过程数据（4个）    占用第5～第12字节，主要用来反馈过程参数。    根据ProfiBus-DP现场总线通信协议和变频器所选的PP04类型通信格式，PLC对变频器的监控过程实际变为了对相应I/O地址的轮询访问来实现。    ⑥相关部分的程序设计    为了使电动机的控制程序具有通用性，可以将其编为一个功能块( FB10)，功能块模型如图4-39所示。
    图4-39    电动机功能块模型    功能块参数说明：    Ⅰ．输入参数    RUN_P：控制电动机正转；    RUN_N：控制电动机反转；    SPEED_SET：电动机运行速度设定；    STATE_WORD：电动机运行状态反馈字；    SPEED_READ：电动机运行速度反馈值；    POWER_READ：电动机运行功率反馈值；    VOLT_READ：电动机运行电压反馈值；    CUR READ：电动机运行负载电流反馈值。    Ⅱ．输出参数    CONTROL_WORD：电动机运行控制字；    REFERENCE_SET：电动机运行速度参考值；    RUNNNG：电动机是否运行状态指示；    OUT_OF_VOLT：电动机是否过压状态指示；    OUT_OF_CUR：电动机是否过流状态指示；    TOO_HEATER：电动机是否过热状态指示；    POWER_DISP：电动机运行功率值显示；    SPEED_DISP：电动机运行速度显示；    VOL_DISP：电动机运行电压值显示；    CUR DISP：电动机运行电流值显示。