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。

一般地，读写数据都做在一个DB块中，且划分与硬件组态设定的I/O地址范围大小相同大小的区域，便于建立对应关系和管理，如图4所示。读变频器数据的12个字节在DB0-DB11中，写变频器数据的12个字节放在DB12-DB23中，后面还可以存放诸如通讯错误代码和与变频器有关的其他计算数据。

变频器通讯设置

为实现DP通讯，需对MM440变频器进行参数设置，常用参数设置如表1所示。为了保障总线运行，P0700、P0918和P1000必须设置。在设置DP通讯地址时，可借助通讯模块的七个DIP开关或借助P0918来实现，且必须与硬件组态保持一致[7]。

软件编程

系统程序设计采用模块化结构，包括主程序、模拟量数据采集与处理程序、水泵启停控制、阀门控制、PID算法实现及故障报警。主程序负责各子程序的管理调用。

流量调节实现

本系统中，4台高压泵控制方式相同。高压泵电机转速由变频器控制，通过PID闭环控制实现变流量调节。控制器将流量设定值与现场反馈的实际流量值进行对比，经过PID调节，向变频器输出调节指令，变频器接受控制器调节信号对高压泵电机进行速度控制。流量设定值由上级主PLC给定，不需监测。流量设定值变化引起相关参数变化，包括变频器频率、电机转速、流量值。图5为反渗透锅炉补给水PID变频控制系统原理图。

采用西门子集成开发环境Step7中提供的PID控制功能模块FB41来实现。流动液体波动会导致流量传感器/变送器的测量信号变动，为避免此波动干扰，系统未采用微分环节，仅采用PI调节实现。

变频器通讯程序

通讯程序可直接调用STEP7编程软件的系统功能SFC14(DPRD_DAT)和SFC15(DPWR_DAT)来实现[6]，程序段如下：

CALL "DPRD_DAT" //读变频器数据到PLC

LADDR:=W#16#150 //通讯地址

RET_VAL:=MW200 //错误代码

RECORD: =P#DB100.DBX0.0 BYTE 12

//传送起始地址及长度

CALL "DPWR_DAT" //PLC到变频器

LADDR:=W#16#100 //通讯地址

RECORD:=P#DB100.DBX12.0 BYTE 12

//传送起始地址及长度

RET_VAL:=MW //错误代码

数据存储

用WINCC自带的VBS脚本编辑器，编写程序实现数据自动记录。装置开启时，进行变量记录和归档，停止时，自动关闭变量记录。结果存储在EXCEL中，便于后续数据处理。图6为VBS脚本程序。

上位机组态

上位机组态采用西门子WinCCV7.0软件进行开发，WinCC与PLC主站采用SIMATIC S7 Protocol Suite.chn通讯驱动程序实现。上位机监控系统主要显示工艺流程、过程参数、控制方式、运行状况、对象状态，也能显示成组参数。当参数超限报警、控制对象故障或状态变化时，以不同颜色进行显示。画面具有动态和静态两种形式，颜色随参数或设备状态变化而变化。图7为工艺流程监控画面。

主要功能

上位监控系统具有以下功能：(1)实时监测、控制和采集功能：连续采集和处理现场所有实时数据和工艺参数，显示操作画面和工艺流程图，并对整个系统的运行状态实时监控;(2)在线诊断和报警保护功能：当被控对象中的工艺参数或设备发生异常时，通过监控画面进行报警，记录故障发生的时间、来源和恢复时间等详细情况，且提示如何处理，以便操作人员进行及时有效的处理。对重要设备的顺序逻辑设置连锁保护，确保安全运行。(3)历史数据记录及报表功能：建立参数/状态数据库，存储主要参数数据，创建基于SQL Server数据库的Excel格式历史数据报表及存储。

结语

基于PROFIBUS和PROFINET集成网络的多变频器控制系统，使生产各环节能够及时进行信息交换，提高了信号采集的品质和系统的控制质量，为工厂的信息化提供了可靠的通讯平台。同时，采用PROFIBUS-DP通讯，减少了电缆、桥架等硬件设备数量，大大节省了成本，安装、维护工作量减少，具有较高的性价比，提高了企业的生产效率、经济效益和社会效益。

参考文献：

[1] 阮国岭,冯厚军.国内外海水淡化技术的进展[J].中国给水排水,2008,24,(20):86-90

[2] 李正军.现场总线与工业以太网及其应用系统设计[M].第1版.北京:人民邮电出版社,2006

[3] 王树东,董蕾,周恩俊.ROFINET和PROFIBUS-DP集成网络在碱回收控制系统中的应用[J].电气自动化,2009,31,(4):49-51

[4] 魏洪新.基于Profibus-DP总线的多台变频器控制系统[J].河北煤炭,2006,(6):17-39

[5] 俞永江,康权,王金燕.现场总线技术在反渗透海水淡化监控中的应用[J].2012,27(12):22-25

[6] 张鹏,常易康,张志秀.Profibus-DP在变频器控制系统的应用[J].中国仪器仪表,2002,(5):26-37

[7] 朱强力.Profibus-DP通讯在PLCS7-300和变频器6SE70上的应用[J].机械与电子,2007,(27):72-73