西门子PLC在水制备系统中的应用

一 前言
　　水制备系统包括纯化水处理（二级反渗透）和注射水制备系统。随着科学技术的发展，人们对水质（包括医用水和饮用水）的要求也越来越高。因此，近几年净水及制水设备的更新和改造的步伐发展非常快，为了得到合格的纯化水，对水处理设备的自动化要求也越来越高。本文介绍一种以软PLC为主站，以S7-200 系列的PLC为从站的全自动水制备控制系统，这是西门子WinAC和Profibus现场总线在纯化水处理和制备领域中的应用实例。
　　二 系统简介
　　1. 控制对象
　　该水制备系统由两部分组成：反渗透纯水系统和注射水制备系统。
　　反渗透纯水系统包括一级反渗透、二级反渗透。主要控制对象有原水阀、原水泵、砂滤后水控温阀、一级RO进水阀、一级高压泵、一级RO冲洗阀、一级PW 回流/出水阀、二级高压泵、二级RO冲洗阀、二级PW回流/出水阀、纯水泵、药洗泵、计量泵等。输入监控点有2个电导率（水质监测）、2个流量、1个pH 值、3个水箱液位、2个温度点以及故障信号等。
　　注射水制备系统包括1个蒸馏水机、2个PID调节回路。主要控制对象有原料水进口阀、注射水出口阀、纯蒸汽出口阀、注射水泵、原料水泵、冷却水泵、回收
冷凝水泵、蒸汽调节阀和冷却水调节阀等。输入监控点有1个电导率（水质监测）、1个流量、3个水箱液位、8个温度点以及故障信号等。
　　2.控制流程
　　系统分5个控制回路：（1）原水控制回路：自来水通过原水阀进入原水箱，原水阀的开/关由原水箱的高低液位来控制；（2）一级纯化水控制回路：原水箱的水通过原水泵进入砂滤、碳滤和精滤，再由一级高压泵送入一级RO装置，经过一级RO处理过的纯化水检验合格进入中间水箱，不合格则回到原水箱；（3）二级纯化水控制回路：中间水箱的水通过二级高压泵送入二级RO装置，经过二级RO处理过的纯化水经检验合格后进入纯水箱，不合格则回到中间水箱；（4）纯化水使用点控制回路：纯水箱中的纯化水通过纯水泵送到各使用点和原料水箱，根据各使用点的用水量和原料水箱的液位控制纯水泵；（5）注射用水控制回路：原料水箱中的纯化水通过原料水泵送入蒸馏水机，生成注射用水，经电导仪检验，合格的进入注射用水水箱，不合格的则流到回收水箱。
　　三 控制系统的构成
　　1. 系统配置框图
　　控制系统由一台工控机配CP5613通信卡和WinAC软PLC为主站，以S7-200 系列的PLC为从站。该系统的配置框图如图1所示。
　　2. 系统配置特点
　　根据这种水制备系统的技术要求，现场实时控制采用S7-200系列PLC——CPU226和CPU224，再加扩展模块EM222、EM231和 EM232，通过EM277从站模块，作为从站上挂到Profibus-DP现场总线。这样的配置成本较低，从站可以不依赖于主站独立运行。上位机监控采用WinAC软PLC作主站，用微软的Visual Basic（VB）或西门子的ProTool/Pro软件开发监控画面，这符合水制备系统的实时控制和动态监视要求，实现过程也比较容易，因为主从PLC之间的通信接口可通过WinAC实现，而无须费力去开发。
　　四 控制系统的功能与自动化的实现
　　1. 系统功能
　　运行方式：自动运行和手动操作。用户界面：系统提供友好的用户界面和方便的操作按钮。实时监控：动态显示水箱的液位、泵阀的开关状态、模拟水流、水质、温度、pH值、液位、瞬时流量和积算流量等，并根据液位、流量和水质的情况自动控制泵阀的开关、流量的大小和出口回流等。报警功能：系统有自动报警功能，并能记录故障的时间、原因等信息。打印输出：系统能定时或实时打印出故障信息、水箱液位、流量、水质、温度等信息。保存数据：系统具有保存数据和与其他应用程序交换数据的功能。在线帮助：系统提供完备的在线帮助信息，操作员遇到问题时能及时得到帮助和指导。
　　2. WinLC组态及编程
　　用STEP编程软件组态软PLC主站和EM277从站的配置，并对主机编程。该程序主要是处理主站的应用程序（用户界面）与实时控制的从站PLC之间的数据信息交换、报警事件的处理、两个从站之间的运行协调和一些运行参数的存储等，WinLC主机配置组态如图2所示。
　　a. 上位机应用程序
　　用Visual Basic高级语言或ProTool/Pro组态软件设计友好的用户界面和监控画面，通过WinLC主机，向Profibus-DP 上的EM277从站（S7-200系列PLC）发送命令，同时读取从站PLC监测到的设备运行状态、模拟量采样数据和报警信息等。根据这些实时数据，系统在屏幕上动态显示整个水制备装置的运行情况，包括水流方向、水箱液位、电导率、pH值、流量、温度和泵阀的开/关状态等。一旦发现故障报警信息，系统即显示明显的警示画面，通过WinLC主机向各从站PLC发出停机命令，保存并记录故障发生的时间、方位和原因等原始数据。上述程序还可以根据用户要求保存所需要的历史数据，定时、实时（如故障信息）或按操作键打印所需的数据和信息，如电导率、pH值、流量、温度和有无故障发生等。用ProTool/Pro设计的水制备系统的用户监控画面如图3所示。
　　b. 从站PLC程序
　　用STEP7 Micro/WIN软件设计从站PLC（S7-200系列）程序。该主程序由自动运行程序、手动操作程序、状态及故障检测程序、初始化子程序、模拟量处理子程序、总线数据交换子程序和PID回路调节中断程序等组成。由于采用Profibus-DP总线结构，因此从站PLC程序无须考虑与主站的通信问题，只需在已指定的输入/输出缓冲区中交换数据即可。同时，该从站PLC还可以脱离主站而单独运行。
　　c. 系统的可扩展性
　　通过OPC，系统可以与其他应用程序连接，也可以实现数据共享。从站数量可以扩展，从站PLC的模块亦可以根据要求扩展，甚至还可以扩展一些新的功能，如利用从站PLC上的编程口（按自由口通信协议）接打印机、变频器或其他智能仪表等。
　　五 结束语
　　该系统是根据纯化水处理的特点，利用WinAC可替代硬件作为主站这一特
性，并使用S7-200系列的PLC作为从站。这种设计方便地解决了上位机应用程序在Profibus现场总线上的通信问题，从站也可以单独运行。该系统设计合理、技术先进、可靠性高、硬件成本低，便于推广和应用。
　　什么是WinAC系统？
　　SIMATIC WinAC是SIEMENS基于PC的自动化控制产品，从功能上和产品系列上与其他基于PC的控制产品相比均有所区别。WinAC不是简单地将PLC替换为PC，而是将PLC和PC的功能完美地结合，包括控制功能、通信功能、可视化功能、网络功能以及工艺技术等功能，产品包括 WinAC插槽型、WinAC实时型、WinAC基本型和WinAC嵌入型等。
　　WinAC 控制功能
　　WinAC允许用户使用普通PC或工业PC完成PLC的控制功能。WinAC基本型/实时型提供软件PLC，采用PC机的硬件资源（如CPU、内存、硬盘）来实现控制要求；WinAC插槽型提供硬件PCI插卡型PLC，控制性能与S7 400系列PLC中的412-2DP/416-2DP相同。
　　计算功能
　　WinAC提供标准的ActiveX控件，用于标准化软件包（如MS Visual Basic或Office）对过程数据的实时存取。同时，WinAC内置Software Container（ActiveX容器）用于集成自带的和第三方的ActiveX 控件。
　　可视化功能
　　WinAC 提供两种与人机界面软件的连接方式：
　　通过SIMATIC软件之间的内部集成，WinCC和ProTool/Pro是WinAC最优的可视化和数据存取工具；WinAC内置的OPC服务器可以完成与任何第三方的人机界面软件的集成。
　　网络功能
　　WinAC提供连接 Profibus-DP通信板卡的驱动程序，用于连接远程I/O和电气驱动装置或进行远程编程调试。同时WinAC可以采用现成的PC技术，通过以太网和互联网实现与生产和管理网络的连接。
　　工艺技术功能
　　对于用户的特殊工艺要求，可配合西门子的功能模块来实现，或使用VB、VC、Java等高级语言编程，由WinAC ODK进行集成。