基于PCS7 和Profibus-DP 現(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(tǒng)

　一 系統(tǒng)概述

　　隨著經(jīng)濟高速發(fā)展，城市化步伐速度也日益加快，城市生活垃圾和工業(yè)垃圾處理問題正變得 日益突出。每年全國城市垃圾清運量達數(shù)億噸，在各大城市中，垃圾包圍城市的現(xiàn)象非常普遍。垃圾已對大氣環(huán)境及地表和地下水及江河、湖泊等造成了嚴重污染，生態(tài)環(huán)境正在遭到嚴重破壞。因此，結(jié)合城市具體情況，對垃圾的處理技術(shù)和處理系統(tǒng)及其控制策略等相關(guān)問題進行探討，找出處理效果好、經(jīng)濟上可行的處理方案已成為目前城市垃圾處理問題研究的熱點之一。

　　焚燒處理垃圾的主要優(yōu)點是垃圾減量最大，無害化比較徹底。如焚燒垃圾發(fā)電是現(xiàn)有垃圾處理方法中占地較小，效果較好的方法。另外，建立垃圾焚燒發(fā)電廠，可解決垃圾滲瀝液引起的污染地下水問題，垃圾焚燒后的廢渣進入制磚廠，既減少了對環(huán)境的污染，還可產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益。城市生活垃圾、工業(yè)垃圾、淤泥和廢橡膠輪胎等垃圾焚燒處理技術(shù)，利用垃圾焚燒的余熱發(fā)電，變廢為寶，將是今后環(huán)保技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。

　　垃圾焚燒工作原理：垃圾經(jīng)自動給料單元送入焚燒爐的干燥床干燥，然后送入爐排，爐排在脈沖空氣動力裝置的推動下拋動垃圾，垃圾與爐排片上的均勻氣孔噴出的助燃空氣混合燃燒，燃燒產(chǎn)生的熱量進入余熱鍋爐，將鍋爐給水加熱到壓力約4Mpa，溫度400℃左右的蒸汽，再推動汽機發(fā)電機組發(fā)電。由主燃燒室揮發(fā)和裂解出來的煙氣進入第二、三級燃燒室，進行進一步燃燒，使煙氣的溫度高達1000℃，煙氣在此稍作停留，使有毒煙氣迅速分解，后經(jīng)煙氣處理設(shè)備和除塵設(shè)備處理合格后排入大氣。

　　垃圾焚燒發(fā)電廠主要技術(shù)參數(shù)：焚化爐鍋爐2 臺，垃圾處理量350t/天，蒸汽量 35t/h，過熱汽壓4.0Mpa，過熱汽溫400℃，爐膛溫度980℃，給水溫度145℃ 。

　　汽輪機發(fā)電機組一套，主蒸汽壓力3.9Mpa，主蒸汽溫度390℃，發(fā)電功率12MW。

　　二 系統(tǒng)要求

　　1. 提供完善的垃圾焚燒、余熱發(fā)電DCS 控制系統(tǒng);

　　2. 控制系統(tǒng)采用全冗余配置，保證系統(tǒng)高效、可靠、安全;

　　3. 監(jiān)控功能友好易用，漢化操作界面;

　　4. 提供方便易學(xué)的功能組態(tài)，和專用功能塊和圖庫，方便系統(tǒng)功能擴展或修改。

　　三 系統(tǒng)配置與功能實現(xiàn)

　　該控制系統(tǒng)采用西門子最先進的過程控制系統(tǒng)PCS7 和Profibus-DP 現(xiàn)場總線技術(shù)，控制系統(tǒng)不僅要承擔(dān)起全廠的生產(chǎn)過程控制，還要根據(jù)垃圾成分的變化快速調(diào)整控制程序，以保證焚燒工藝的安全性，使其不再產(chǎn)生二次污染。Profibus-DP 總線的通訊速率可達12Mbps，S7-414H 雙機熱備系統(tǒng)和ET200M 分布式I/O 組成的Profibus-DP 總線網(wǎng)構(gòu)成切換結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)故障時的無擾自動切換。上位機采用WinCC V6.0 組態(tài)軟件進行系統(tǒng)組態(tài)。該廠的垃圾焚燒工藝引進加拿大RICHWAY 公司專利技術(shù)，采用四級脈沖爐排，各項指標均達到國際環(huán)保要求。

　　控制系統(tǒng)提供的主要回路控制功能有：爐膛壓力控制、干燥爐排溫度控制、再循環(huán)煙氣溫度控制、鍋爐汽包水位控制、過熱蒸汽溫度控制、熱井水位控制、除氧器水位控制。

　　1.操作員站(OS 站)和工程師站(ES 站)

　　DCS 系統(tǒng)配置4 套獨立的操作員站(OS 站)，其中兩臺焚燒爐配兩個OS 站，汽機和輔機控制配兩個OS 站。每套OS 均采用成熟、可靠的DELL 商用計算機。OS 站為操作員提供圖形、列表、操作、歷史數(shù)據(jù)再現(xiàn)等，可在打印機上輸出。運行Windows 2000 多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)下的PCS7 OS 站應(yīng)用軟件。所有OS 站均為全能值班配置，圖像、操作、數(shù)據(jù)一致，實現(xiàn)機、爐、電的運行操作。

　　系統(tǒng)配置1 套工程師站(ES 站)，采用成熟、可靠的DELL 商用電腦。ES站主要完成實時數(shù)據(jù)庫、控制塊、圖形、趨勢、報表等系統(tǒng)數(shù)據(jù)的生成和下裝，完成對系統(tǒng)的詳細自診斷和系統(tǒng)數(shù)據(jù)的列表和后備。運行Windows 2000多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)下的PCS7 ES站應(yīng)用軟件。

　　可由專業(yè)人員通過工程師站對系統(tǒng)進行組態(tài)、維護。專業(yè)工程師在授權(quán)的情況下，可以在現(xiàn)場對系統(tǒng)進行在線或離線修改。同時，所有運行情況和控制邏輯均可在工程師站上查看，增加了用戶對系統(tǒng)掌握的程度，以及系統(tǒng)軟件、硬件的透明度。當不需組態(tài)時，可運行與操作員站完全相同的軟件。整個系統(tǒng)配置2 臺網(wǎng)絡(luò)打印機，用于記錄打印和CRT 圖象拷貝。打印機選用DELL 網(wǎng)絡(luò)打印機。

　　2.冗余的CPU414H 中央控制單元

　　本自控系統(tǒng)現(xiàn)場控制站的中央控制器采用冗余設(shè)計，它由2 套AS-400 型中央控制器組成。它們預(yù)裝有冗余軟件，并通過一個通訊接口實現(xiàn)相互連接。在系統(tǒng)正常的運行中，當某個中央控制器出現(xiàn)故障時，另一個中央控制器能自動接管所有的工作，保證了系統(tǒng)繼續(xù)正常運行。因此系統(tǒng)現(xiàn)場控制站的AS-400 中央控制器具有很好的冗余性能。AS 的中央處理器采用S7-400 系列工業(yè)控制器中S-414 以上的CPU，專為過程控制應(yīng)用設(shè)計，CPU 芯片的底層程序采用類PASCAL語言編寫，為CFC,SFC等過程控制語言提供

　　平臺。中央控制器中預(yù)裝有冗余軟件，用戶在組態(tài)時可完全忽略其冗余特性，象對非冗余系統(tǒng)組態(tài)一樣只需輸入用戶程序。

　　3.遠程I/O 站

　　每個分布式I/O 站的有源背板總線上插有2 個IM153-2 通訊接口模塊 ，分別通過2 條獨立的PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線與AS-400 中央控制站進行實時通信。在系統(tǒng)運行過程中，當其中某一個IM153-2 通訊接口模塊發(fā)生故障時， 系統(tǒng)能自動地切換到另一個IM153-2 通訊接口模塊，并可帶電熱插拔更換故障的通訊接口模塊，不會影響系統(tǒng)正常運行。

　　4.冗余的通訊網(wǎng)絡(luò)

　　CP443-1作為標準的工業(yè)以太網(wǎng)連接裝置，在物理層上采用高防護等級的通訊線纜，工業(yè)以太網(wǎng)的卡件上帶有CPU可以獨立處理通訊信號。高速工業(yè)以太網(wǎng)是在工業(yè)以太網(wǎng)的通訊協(xié)議的基礎(chǔ)上，將通訊速率提高到了100M/s。SIMATIC NET 中的高速以太網(wǎng)采用了全雙工并行(FDX)通訊模式，這種模式允許站點同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，通訊速率可提高一倍。SIMATIC NET 在高速以太網(wǎng)上還采用了交換技術(shù)，利用交換機模塊將整個網(wǎng)段分成若干子網(wǎng)，每個子網(wǎng)都可以獨立地形成一個數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)段，可以大大地提高通訊效率。普通以太網(wǎng)上由于網(wǎng)段上數(shù)據(jù)通訊阻塞的存在，使得網(wǎng)絡(luò)上實際通訊技術(shù)只有40%，采用了全雙工并行通訊技術(shù)和交換技術(shù)后，使得網(wǎng)絡(luò)的通訊能力得以充分地利用。

　　5.主要監(jiān)控功能描述：

　　(1) 工藝流程顯示：依據(jù)系統(tǒng)工藝控制過程以流程圖形式表現(xiàn)工藝流程圖;

　　(2) 順序控制操作指導(dǎo)：在PCS7 中提供SFC 順序功能圖，以圖形方式監(jiān)控順序控制過程;

　　(3) 系統(tǒng)控制和設(shè)定功能：控制系統(tǒng)提供豐富的回路控制監(jiān)控庫，可以對回路控制和參數(shù)設(shè)定進行集中顯示、集中監(jiān)控;

　　(4) 趨勢顯示：以實時趨勢和歷史趨勢方式顯示重要過程參數(shù)的變化趨勢;

　　(5) 報警記錄與顯示

　　(6) 報表管理：提供日報、月報打印功能，可提供定時打印、事件驅(qū)動打印、召喚打印等;

　　(7) 用戶級別管理：為了保證系統(tǒng)的安全操作，系統(tǒng)提供多級用戶權(quán)限管理，不同權(quán)限的用戶對應(yīng)不同的操作范圍。

　　四 使用效果

　　分析該DCS 系統(tǒng)經(jīng)長期運行證明，各項技術(shù)指標均達到國際先進水平，主要表現(xiàn)如下：

　　(1) 燃燒效率高：垃圾在爐排上與空氣混合均勻燃燒充分，垃圾燃盡率高;

　　(2) 處理垃圾范圍廣泛 ：由于設(shè)計了根據(jù)不同垃圾類型而調(diào)整的控制策略，垃圾處理范圍大大提高，能夠處理工業(yè)垃圾、生活垃圾、廢棄橡膠輪胎等;

　　(3) 運行維護費用低 ：由于自動控制水平高，運行人員少，定檢和不定期檢修費用低，降低了維護費用;

　　(4) 可靠性高 ：經(jīng)過長期運行表明，控制系統(tǒng)故障率非常低，系統(tǒng)可用率可達99.9%以上，滿足設(shè)計要求;

　　五：總結(jié)

　　此上使用了UniMAT UN300系列產(chǎn)品的模塊，在冗余系統(tǒng)中良好性能要求使工作更加穩(wěn)定，大大提高生產(chǎn)線效率。