基于PROFIBUS集成网络的多变频器控制系统设计

　　锅炉补给水水质直接影响工厂安全生产。反渗透法作为商业化应用的水处理技术，可保障锅炉补给水安全^[1]。在反渗透锅炉补给水处理装置运行过程中，需及时调整运行工况改变产水量以适应锅炉实际用水需求。产水量调整通过变频技术改变泵的转速实现。反渗透锅炉补给水处理工艺过程涉及多台变频器。因此，迫切需要提高多变频控制技术水平。本文基于PROFINET和PROFIBUS集成网络设计了一套多变频器控制系统，由上位机、PLC控制器和现场变频器组成。上位机采用组态软件开发监控界面，完成实时监测和管理任务;PLC控制器和现场变频器完成实时数据采集和自动控制功能。文中阐述了整个控制系统的网络结构、变频器设置和组态软件开发。在青海某国际化肥有限公司500m3/d脱盐水处理技改项目中成功应用，运行效果良好。

　　集成总线介绍

　　自动控制领域应用的现场总线中，PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，被纳入国际标准IEC。主要用于工厂车间级监控和现场设备层的数据通信与控制。实现现场设备层到车间级监控的分散数字控制和现场通信网络^[2]。本文中，PROFIBUS用于PLC控制器和多个变频器之间的通讯，为实现多变频器智能化控制提供解决方案。

　　PROFINET由PROFIBUS国际组织推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。作为一项战略性的技术创新，PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案。可根据实际需求构建星形、总线形和环形拓扑结构。根据响应时间不同，PROFINET支持三种通讯方式：TCP/IP标准通讯、实时(RT)通讯和同步实时(IRT)通讯^[3]。本文基于总线形拓扑结构，采用TCP/IP标准通讯实现上位机与PLC控制器的通讯。

　　系统拓扑结构设计

　　工艺控制需求

　　青海某国际化肥有限公司脱盐水技改项目采用简化反渗透水处理工艺流程(如图1所示)。由三套反渗透单元和一套浓水反渗透单元组成。

　　1~3#反渗透单元和浓水反渗透单元均包括加药装置、高压泵和反渗透膜组件等，要求控制系统具备自动运行、连锁保护、产水水质监测和水量自动调节功能，保障安全生产，满足锅炉用水水质及水量需求。

　　多变频器控制系统结构

　　集成网络多变频器控制系统结构如图2所示。上层网络为PROFINET，采用TCP/IP通讯协议，实现上位监控系统与PLC控制器的通讯。下层网络为PROFIBUS，采用PROFIBUS-DP通讯协议，实现PLC控制器与变频器的通讯^[4,5]。

　　工程师站和操作员站通过PROFINET工业以太网实现实时通信，完成实时控制任务。同时，可根据实际需求增设，互不影响。工程师站采用Step7 V5.5软件，完成系统硬件配置组态、软件编程和参数设置等。同时工程师站安装WinCC7.0开发版，实现系统的软件组态，即数据采集、数据记录、数据管理、报警等工作。操作员站采用WinCC7.0运行版，仅具备监控功能，使操作员了解设备运行情况，实现对现场设备的实时监控。

　　集成网络多变频器控制系统具有很多优点：控制室和变频器间可采用多种传输介质，如双绞线、光纤、同轴电缆等，提高不同场合的适应性;多台变频器只用一条物理介质完成数据传输，节省现场接线;采用数字信号传输技术，避免信号衰减和干扰，提高信号传输的可靠性和精度;由PROFIBUS-DP组成的多变频器控制系统是一种全开放的系统，可兼容不同厂家的变频器，提高了系统可扩展性，可避免重复投资。

　　硬件配置

　　PLC控制器选用西门子S7-300系列CPU 315-2 PN/DP，系统预留20%备用点数。该CPU集成了PROFIBUS-DP总线接口和PROFINET以太网接口。可直接挂接带有PROFIBUS-DP接口的变频器;支持TCP/IP协议，可与上位机自由通信，使用方便灵活。现场变频器由4台西门子加装PROFIBUS-DP通讯板的MM440变频器组成。

　　软硬件设计

　　硬件组态及设置

　　硬件组态

　　在STEP7软件中创建新项目，进行系统硬件组态，建立一个PROFIBUS-DP网络。6SE70系列MM440变频器在PROFIBUS-DP SIMOVERT文件夹内进行组态，设定好通讯地址范围，如图3所示。