西門子S7-400在萊鋼工業除鹽水改造中的應用
摘要：本文主要介紹了萊鋼25MW發電機項目除鹽水生產線的生產工藝和控制系統的功能，S7-400硬件、軟件的組態設計原理，及如何充分應用S7-400可編程控制器的功能塊實現的各種控制技術方案。
關鍵詞：除鹽水工藝；S7-400；Profibus-DP ；自動控制；變頻調速
1 引言
除鹽水站作為萊鋼銀山型鋼公司25MW發電工程的主要設施，擔負著供應三臺130t鍋爐和四臺150t除氧器用水的重要任務。從現場除鹽水生產來看，自動化監控程度低，絕大部分的水泵是人工操作控制，在新的改造項目中需要在原先生產工藝上增加多介質、活性炭過濾器以及陰陽離子置換器等高新技術生產設備，所以更加需要對整個除鹽水站進行自動化控制的改造，從而可以節約能源，降低工人勞動強度，大大提高生產水平。
2除鹽水生產工藝簡介
除鹽水改造后的生產線主要設備有6個多介質和6個活性炭過濾器，超濾裝置，反滲透裝置，脫碳風機，陰離子和陽離子交換器，以及生水泵3臺（1臺變頻），高壓泵6臺，4臺除鹽水泵（1臺變頻），反滲透出水泵3臺（1臺變頻）等。生產工藝圖見圖1：
3 系統組成及軟件設計
根據工藝的要求，萊鋼銀山型鋼公司25MW發電工程除鹽水站PLC控制系統采用一套西門子的SIMATIC的S7-4007-400掛ET200結構，由一個主站、三個從站和兩個PC站（上位機）組成。用S7-400系列模塊做主站，S7-300系列模塊作從站，主站通過PROFIBUS總線電纜和接口模塊與從站通訊，這樣的構架既保證了PLC系統的先進性又為用戶節省了成本。主站是由一個支持冗余的底板和S7-400系列電源模塊、CPU模塊、CP模塊組成，模塊支持熱插拔。從站是ET200M分布式系統，是在工業現場經常使用的PROFIBUS DP現場總線上的從站，用于連接工業控制系統中的各種現場裝置。
3.1 硬件配置
本系統是建立在S7-400控制器、DELL 的Pentium工控機平臺之上的分布式系統。S7-400是模塊化PLC系統，采用標準的以太網通訊，每個控制器可以控制64個回路，最大的可處理131072個I/O點，其中模擬量I/O點數為168個，邏輯掃描率為1.25MB/S。S7-400與上位機采用工業以太網，通訊速率為100Mbps。系統主要硬件配置和I/O點數統計見表1和表2，系統配置結構見圖2：
除鹽水生產線自動化控制系統設計由兩級網絡組成，一級是過程控制級，二級是基礎控制級。
第一級——過程控制。以S7-400PLC系統作為主要控制核心,由兩臺上位機、PLC控制單元加以太網卡等組成工業以太網，監控站利用組態軟件WinCC實現對工作現場進行監督控制，中央處理器采用CPU416，I/O系統采用ET200M，通過ET200分布I/O通訊對流量、液位、pH值、出口壓力等參數進行采集，上位機將實時數據庫的數據送到服務器的關系數據庫中，進行保存和數據處理。過程控制級通過工業以太網將上位機系統和現場監測與控制點緊密的結合為一個整體，從而實現對整個控制系統的計算機在線遠程診斷功能。
第二級——基礎自動化。PROFIBUS-DP網絡是網絡集成的最底層，主要是連接現場設備。主站S7-400 PLC通過PROFIBUS-DP網與從站通信，一方面主站將控制數據電機速度設定、溫度、壓力設定、接觸器吸合及斷開等發送到傳動裝置；另一方面傳動裝置的電機轉速、傳感器流量、溫度、壓力、接觸器觸點的通斷等數據通過通信傳送到主站PLC指定的寄存器地址。Profibus-DP主要用于工業自動化系統的高速數據傳送，實現調節和控制功能，是一種高速低成本通訊，用于設備級控制系統與分散式I/O的通訊，是計算機網絡通訊向現場級的延伸。
3.2 軟件設計
計算機操作系統采用Windows 2000 Professional 中文版本，上位機監控軟件采用Wincc 6.0組態軟件來實現。
3.2.1 操作系統軟件Windows 2000 Professional中文版提供了一個快速、高效的多用戶、多任務操作系統環境，是目前使用廣泛的工控系統。
3.2.2 Wincc 6.0監控軟件實現了對整個系統的開關量、模擬量的采集和處理，并顯示在監控畫面上，在對多臺重要水泵的控制中的物理量如電流、主回路運行、頻率設定，有無故障等都實時顯示在系統畫面上，方便操作人員及時掌握系統的運行情況。
3.2.3 采用Step7 對西門子可編程序控制器進行配置、編程，它可以利用IEC-1131標準中八種編程語言中的六種（STL、LAD、FBD、CFC、SFC、SCL）進行編程。
4 系統功能實現
根據除鹽水生產工藝，監控系統的功能主要是實現對工業新水的加藥、過濾、超濾、反滲透技術、陰陽離子置換、酸堿作用等控制工序，大致可分為過濾系統、超濾系統、反滲透系統、陰陽離子置換系統、與酸或堿結合系統5個子系統，系統監控主畫面及分系統畫面見圖3、圖4、圖5：
4.1 畫面顯示功能:該畫面通過wincc 6.0軟件組態編輯實現動態模擬顯示整個除鹽水制備的過程。利用數據鏈接技術使得畫面上的元件實現實時動態、閃爍、變色等功能,讓畫面上的工藝參數以數字、棒圖的形式實時顯示,并對故障進行實時診斷。
4.2 數據處理功能:對系統采集的各種類型信號,利用各種計算功能、數據變換功能等實現,模擬量信號有流量、壓力、濃度及PH值,數字量信號有水泵的運行狀態、故障和啟/停信號.
4.3 系統操作功能:有自動和手動兩種工作方式，正常運行時采用自動方式，故障和調試時采用手動方式。它由PID控制回路實現對一些重要的模擬量數據的精確控制，以達到期望值。
4.4報表功能與歷史趨勢功能:生產中的一些參數，需要及時打印，可形成報表。報表分為班報、日報、月報，可定時打印，也可手動任意時間打印。一些重要參數，我們對其進行歷史數據存儲，形成歷史趨勢，可以隨時進行查看。
4.5報警記錄功能：實時地發出所有發生故障的參數的聲光報警，提醒值班人員采取相應的措施
5 主要生產設備的控制
生產設備的主要控制方式為自動/遠程手動/機旁手動三種方式。
自動控制： 自動完成水泵變頻啟動的所有相關過程，壓力傳感器將水泵出口壓力信號送至PLC，作為泵出口壓力單閉環控制的反饋值（給定值根據實際工況設定），通過PLC對水泵出口壓力信號變換和處理。為變頻器提供頻率給定，實現頻率的自動調整.
遠程手動：操作人員可根據現場設備運轉狀況，通過監控站進行單機設備操作，實現除鹽水生產的控制工序，作為聯鎖調試用。
機旁手動：作為單機檢修或現場調試用。
5.1 水泵的控制與聯鎖
因為除鹽水的生產不是連續生產方式，并且其產水量經常根據鍋爐系統的負荷調整進行調整，所以生產設備（水泵）的控制方式應該能夠適應多種情況下的生產方式，如一用一備、兩用一杯等不同工況。水泵控制程序流程圖見圖6：
以生水泵控制為例，生水泵組由三臺泵及相應的出口閥門組成（其中的一個泵及閥作為備用），適合不同工況下的需要。控制方式分為機旁控制和遠程控制兩種。機旁控制是利用選擇機旁的啟動或停止按鈕，通過PLC發出啟動或停止信號運行或停止水泵；遠程控制是操作人員在監控室根據畫面上的啟動或停止按鈕進行點擊操作，包括聯動、單機、備用三種控制狀態，三種狀態可以任意的切換，不影響泵的運行狀態。 在聯鎖狀態下，當兩臺工作泵中的任意一臺停運時，備用泵自動啟動，停運的泵則作為備用泵。當生水泵出水管壓力低于5.6 MPa時，進行第一次報警；當運行軟水泵出口壓力低于5.4 MPa時，進行第二次報警，同時備用泵及出口電動閥自動投入；泵事故跳閘后，泵出口電動閥自動關閉，當每臺泵及泵出口電動閥均不能正常運行時，進行緊急報警。各控制及聯鎖可解列。
5.2 超濾裝置的控制
超濾裝置的運行主要是對5個電磁閥控制的閥門進行控制：進水閥、產水閥、反洗進水閥、正沖排水閥、反洗排水閥。這5個閥門的狀態決定了超濾裝置的工作狀態：運行、備用、反洗。
運行：超濾在運行狀態下，首先進行正沖操作，正沖完成后超濾裝置的進口和出口電磁閥得電，進、出口閥門打開，超濾裝置投入運行；
備用：超濾裝置在備用狀態下，超濾裝置的進口和出口電磁閥失電，進、出口閥門關閉，超濾裝置投入備用；
反洗：超濾反洗有兩種方式，定時反洗和定壓反洗。定時反洗是根據超濾運行的時間進行固定時間間隔的反洗，定壓反洗是根據超濾裝置的進出口壓差進行反洗，當進出口壓差達到一定數值則超濾裝置也進行反洗。現在的超濾反洗一般采用定時反洗。
5.3反滲透裝置的控制
反滲透工藝是一種在壓力驅動下，借助半透膜的選擇截留作用，將溶液中的溶質與溶劑分閃的分離方法。在水處理工藝運用中，將水中無機離子、細菌、病毒、有機物及膠質等雜質去除，以獲得高質量的水。系統對反滲透裝置的控制有三種工作狀態：運行、備用、沖洗。反滲透裝置有3個由電磁閥控制的閥門，反洗進口閥、
關鍵詞：除鹽水工藝；S7-400；Profibus-DP ；自動控制；變頻調速
1 引言
除鹽水站作為萊鋼銀山型鋼公司25MW發電工程的主要設施，擔負著供應三臺130t鍋爐和四臺150t除氧器用水的重要任務。從現場除鹽水生產來看，自動化監控程度低，絕大部分的水泵是人工操作控制，在新的改造項目中需要在原先生產工藝上增加多介質、活性炭過濾器以及陰陽離子置換器等高新技術生產設備，所以更加需要對整個除鹽水站進行自動化控制的改造，從而可以節約能源，降低工人勞動強度，大大提高生產水平。
2除鹽水生產工藝簡介
除鹽水改造后的生產線主要設備有6個多介質和6個活性炭過濾器，超濾裝置，反滲透裝置，脫碳風機，陰離子和陽離子交換器，以及生水泵3臺（1臺變頻），高壓泵6臺，4臺除鹽水泵（1臺變頻），反滲透出水泵3臺（1臺變頻）等。生產工藝圖見圖1：
3 系統組成及軟件設計
根據工藝的要求，萊鋼銀山型鋼公司25MW發電工程除鹽水站PLC控制系統采用一套西門子的SIMATIC的S7-4007-400掛ET200結構，由一個主站、三個從站和兩個PC站（上位機）組成。用S7-400系列模塊做主站，S7-300系列模塊作從站，主站通過PROFIBUS總線電纜和接口模塊與從站通訊，這樣的構架既保證了PLC系統的先進性又為用戶節省了成本。主站是由一個支持冗余的底板和S7-400系列電源模塊、CPU模塊、CP模塊組成，模塊支持熱插拔。從站是ET200M分布式系統，是在工業現場經常使用的PROFIBUS DP現場總線上的從站，用于連接工業控制系統中的各種現場裝置。
3.1 硬件配置
本系統是建立在S7-400控制器、DELL 的Pentium工控機平臺之上的分布式系統。S7-400是模塊化PLC系統，采用標準的以太網通訊，每個控制器可以控制64個回路，最大的可處理131072個I/O點，其中模擬量I/O點數為168個，邏輯掃描率為1.25MB/S。S7-400與上位機采用工業以太網，通訊速率為100Mbps。系統主要硬件配置和I/O點數統計見表1和表2，系統配置結構見圖2：
除鹽水生產線自動化控制系統設計由兩級網絡組成，一級是過程控制級，二級是基礎控制級。
第一級——過程控制。以S7-400PLC系統作為主要控制核心,由兩臺上位機、PLC控制單元加以太網卡等組成工業以太網，監控站利用組態軟件WinCC實現對工作現場進行監督控制，中央處理器采用CPU416，I/O系統采用ET200M，通過ET200分布I/O通訊對流量、液位、pH值、出口壓力等參數進行采集，上位機將實時數據庫的數據送到服務器的關系數據庫中，進行保存和數據處理。過程控制級通過工業以太網將上位機系統和現場監測與控制點緊密的結合為一個整體，從而實現對整個控制系統的計算機在線遠程診斷功能。
第二級——基礎自動化。PROFIBUS-DP網絡是網絡集成的最底層，主要是連接現場設備。主站S7-400 PLC通過PROFIBUS-DP網與從站通信，一方面主站將控制數據電機速度設定、溫度、壓力設定、接觸器吸合及斷開等發送到傳動裝置；另一方面傳動裝置的電機轉速、傳感器流量、溫度、壓力、接觸器觸點的通斷等數據通過通信傳送到主站PLC指定的寄存器地址。Profibus-DP主要用于工業自動化系統的高速數據傳送，實現調節和控制功能，是一種高速低成本通訊，用于設備級控制系統與分散式I/O的通訊，是計算機網絡通訊向現場級的延伸。
3.2 軟件設計
計算機操作系統采用Windows 2000 Professional 中文版本，上位機監控軟件采用Wincc 6.0組態軟件來實現。
3.2.1 操作系統軟件Windows 2000 Professional中文版提供了一個快速、高效的多用戶、多任務操作系統環境，是目前使用廣泛的工控系統。
3.2.2 Wincc 6.0監控軟件實現了對整個系統的開關量、模擬量的采集和處理，并顯示在監控畫面上，在對多臺重要水泵的控制中的物理量如電流、主回路運行、頻率設定，有無故障等都實時顯示在系統畫面上，方便操作人員及時掌握系統的運行情況。
3.2.3 采用Step7 對西門子可編程序控制器進行配置、編程，它可以利用IEC-1131標準中八種編程語言中的六種（STL、LAD、FBD、CFC、SFC、SCL）進行編程。
4 系統功能實現
根據除鹽水生產工藝，監控系統的功能主要是實現對工業新水的加藥、過濾、超濾、反滲透技術、陰陽離子置換、酸堿作用等控制工序，大致可分為過濾系統、超濾系統、反滲透系統、陰陽離子置換系統、與酸或堿結合系統5個子系統，系統監控主畫面及分系統畫面見圖3、圖4、圖5：
4.1 畫面顯示功能:該畫面通過wincc 6.0軟件組態編輯實現動態模擬顯示整個除鹽水制備的過程。利用數據鏈接技術使得畫面上的元件實現實時動態、閃爍、變色等功能,讓畫面上的工藝參數以數字、棒圖的形式實時顯示,并對故障進行實時診斷。
4.2 數據處理功能:對系統采集的各種類型信號,利用各種計算功能、數據變換功能等實現,模擬量信號有流量、壓力、濃度及PH值,數字量信號有水泵的運行狀態、故障和啟/停信號.
4.3 系統操作功能:有自動和手動兩種工作方式，正常運行時采用自動方式，故障和調試時采用手動方式。它由PID控制回路實現對一些重要的模擬量數據的精確控制，以達到期望值。
4.4報表功能與歷史趨勢功能:生產中的一些參數，需要及時打印，可形成報表。報表分為班報、日報、月報，可定時打印，也可手動任意時間打印。一些重要參數，我們對其進行歷史數據存儲，形成歷史趨勢，可以隨時進行查看。
4.5報警記錄功能：實時地發出所有發生故障的參數的聲光報警，提醒值班人員采取相應的措施
5 主要生產設備的控制
生產設備的主要控制方式為自動/遠程手動/機旁手動三種方式。
自動控制： 自動完成水泵變頻啟動的所有相關過程，壓力傳感器將水泵出口壓力信號送至PLC，作為泵出口壓力單閉環控制的反饋值（給定值根據實際工況設定），通過PLC對水泵出口壓力信號變換和處理。為變頻器提供頻率給定，實現頻率的自動調整.
遠程手動：操作人員可根據現場設備運轉狀況，通過監控站進行單機設備操作，實現除鹽水生產的控制工序，作為聯鎖調試用。
機旁手動：作為單機檢修或現場調試用。
5.1 水泵的控制與聯鎖
因為除鹽水的生產不是連續生產方式，并且其產水量經常根據鍋爐系統的負荷調整進行調整，所以生產設備（水泵）的控制方式應該能夠適應多種情況下的生產方式，如一用一備、兩用一杯等不同工況。水泵控制程序流程圖見圖6：
以生水泵控制為例，生水泵組由三臺泵及相應的出口閥門組成（其中的一個泵及閥作為備用），適合不同工況下的需要。控制方式分為機旁控制和遠程控制兩種。機旁控制是利用選擇機旁的啟動或停止按鈕，通過PLC發出啟動或停止信號運行或停止水泵；遠程控制是操作人員在監控室根據畫面上的啟動或停止按鈕進行點擊操作，包括聯動、單機、備用三種控制狀態，三種狀態可以任意的切換，不影響泵的運行狀態。 在聯鎖狀態下，當兩臺工作泵中的任意一臺停運時，備用泵自動啟動，停運的泵則作為備用泵。當生水泵出水管壓力低于5.6 MPa時，進行第一次報警；當運行軟水泵出口壓力低于5.4 MPa時，進行第二次報警，同時備用泵及出口電動閥自動投入；泵事故跳閘后，泵出口電動閥自動關閉，當每臺泵及泵出口電動閥均不能正常運行時，進行緊急報警。各控制及聯鎖可解列。
5.2 超濾裝置的控制
超濾裝置的運行主要是對5個電磁閥控制的閥門進行控制：進水閥、產水閥、反洗進水閥、正沖排水閥、反洗排水閥。這5個閥門的狀態決定了超濾裝置的工作狀態：運行、備用、反洗。
運行：超濾在運行狀態下，首先進行正沖操作，正沖完成后超濾裝置的進口和出口電磁閥得電，進、出口閥門打開，超濾裝置投入運行；
備用：超濾裝置在備用狀態下，超濾裝置的進口和出口電磁閥失電，進、出口閥門關閉，超濾裝置投入備用；
反洗：超濾反洗有兩種方式，定時反洗和定壓反洗。定時反洗是根據超濾運行的時間進行固定時間間隔的反洗，定壓反洗是根據超濾裝置的進出口壓差進行反洗，當進出口壓差達到一定數值則超濾裝置也進行反洗。現在的超濾反洗一般采用定時反洗。
5.3反滲透裝置的控制
反滲透工藝是一種在壓力驅動下，借助半透膜的選擇截留作用，將溶液中的溶質與溶劑分閃的分離方法。在水處理工藝運用中，將水中無機離子、細菌、病毒、有機物及膠質等雜質去除，以獲得高質量的水。系統對反滲透裝置的控制有三種工作狀態：運行、備用、沖洗。反滲透裝置有3個由電磁閥控制的閥門，反洗進口閥、
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