基于300軟冗余系統(tǒng)的垃圾處理自控系統(tǒng)概述

一、項(xiàng)目介紹

1. 公司的業(yè)務(wù)范圍主要致力于國內(nèi)外環(huán)保產(chǎn)業(yè)的BOT 模式建設(shè)投資，主要包括城市生活垃圾（工業(yè)危險(xiǎn)廢物）焚燒發(fā)電廠、城市醫(yī)療垃圾、城市污水處理廠的投資建設(shè)，公司下屬電氣自控工程技術(shù)部，主要從事項(xiàng)目整套電氣和自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、選型和編程調(diào)試工作；從“深圳市醫(yī)療廢物處置中心”項(xiàng)目設(shè)計(jì)使用S7-300軟冗余系統(tǒng)作為主控制系統(tǒng)；醫(yī)療垃圾處理項(xiàng)目作為我國近幾年來的重點(diǎn)項(xiàng)目，國家環(huán)?？偩址浅Ｖ匾?，對(duì)主體設(shè)備和自控系統(tǒng)的要求也非常高。

2.本系統(tǒng)主要是通過檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)煙氣溫度和壓力，通過控制調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)、水泵以及加藥裝置的頻率和控制開關(guān)，從而達(dá)到控制煙氣溫度和含量的目的；通過西門子S7-300系列PLC通過采集和控制模塊對(duì)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行采集和控制，并把信號(hào)通過底版總線與CPU處理器傳輸，由CPU處理器完成處理后，再通過以太網(wǎng)與工控機(jī)連接；本系統(tǒng)有兩套完全獨(dú)立的CPU處理系統(tǒng)，通過IM153-2 分別與遠(yuǎn)程的I/O模塊通過PROFIBUS總線通訊，當(dāng)一套發(fā)生故障時(shí)，備用系統(tǒng)自動(dòng)投入運(yùn)行；

當(dāng)PLC把數(shù)據(jù)傳送到工控機(jī)后，通過組態(tài)軟件進(jìn)行編程和組態(tài)，把數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，并在屏幕上制作操作開關(guān)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；并同時(shí)自動(dòng)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為OPC的數(shù)據(jù)傳輸格式，把需要顯示的數(shù)據(jù)傳送給模擬屏。

3.工廠外貌圖片

二、系統(tǒng)介紹

1. 項(xiàng)目簡(jiǎn)單工藝主要針對(duì)城市醫(yī)療垃圾進(jìn)行處理，醫(yī)療垃圾收運(yùn)后運(yùn)到處置中心進(jìn)行焚燒處理，垃圾首先進(jìn)入焚燒爐和二燃室進(jìn)行配風(fēng)焚燒，焚燒后的煙氣通過鍋爐進(jìn)行降溫、除酸噴霧塔和布袋除塵器進(jìn)行除酸和除塵，然后通過35米煙囪直接排放；鍋爐產(chǎn)生的蒸汽用于發(fā)電或其它用途，本自控系統(tǒng)主要控制垃圾燃燒后產(chǎn)生的煙氣溫度和煙氣成本含量，保證減少二次污染。

2. 本項(xiàng)目主要使用西門子公司的SIMATIC S7-300系列PLC，模塊選型如下：

l 中央處理器模塊 CPU315-2DP 6ES7315-2AG10-0AB0 2塊，工作存儲(chǔ)器128KB；

l 電源模塊6ES7307-1EA00-0AA0 2塊給CPU供電；

l 通訊模塊6GK7343-1EX20-0XE0 2塊與計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊并進(jìn)行兩個(gè)CPU之間的冗余通訊；

l 接口模塊6ES7153-2AA02-0XB0 2塊進(jìn)行PROFIBUS遠(yuǎn)程I/O通訊和系統(tǒng)冗余通訊；

l 電源模塊6EP1333-2AA00 2塊給ET200供電；

l DI數(shù)字量輸入模塊6ES7321-1BL00-0AA0 5塊 采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)及故障狀態(tài)；

l DO數(shù)字量輸出模塊6ES7322-1BL00-0AA0 3塊控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的啟停；

l AI模擬量輸入模塊6ES7331-7KF02-0AB0 2塊采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的壓力、流量、煙氣成分含量以及風(fēng)機(jī)和加藥泵的頻率信號(hào)；

l TC熱電偶輸入模塊6ES7331-7PF10-0AB02塊 采集1000度以上的煙氣和蒸汽溫度信號(hào)；

l RTD熱電阻輸入模塊6ES7331-7PF00-0AB02塊采集1000度以下的煙氣和蒸汽溫度信號(hào)

l AO模擬量輸出模塊6ES7332-5HF00-0AB02塊通過程序的PID自動(dòng)調(diào)節(jié)控制風(fēng)機(jī)和加藥裝置的頻率；

三、控制系統(tǒng)構(gòu)成

1．本項(xiàng)目的硬件設(shè)備主要分為三個(gè)大部分：PLC部分、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以及模擬屏部分，主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選用標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)涫浇Y(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)儀表和設(shè)備采集數(shù)據(jù)連接到PLC的輸入模塊、并接收PLC的命令對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)；PLC接收現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)并傳誦計(jì)算機(jī)下達(dá)的控制命令，并內(nèi)部通過強(qiáng)大的內(nèi)部運(yùn)算國內(nèi)進(jìn)行PID自動(dòng)調(diào)節(jié)，具體組成和選型依據(jù)如下：

PLC 選用西門子的S7-300系列PLC，設(shè)計(jì)為軟冗余系統(tǒng)，PLC本體與遠(yuǎn)程I/O通訊為PROFIBUS 協(xié)議的串口通訊，PLC與計(jì)算機(jī)采用以太網(wǎng)，并以以太網(wǎng)作為冗余網(wǎng)絡(luò)；中控室計(jì)劃設(shè)計(jì)為兩臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)模擬屏等設(shè)備，與計(jì)算機(jī)的通訊采用RS232直接串口通訊，軟件選用WINCC.0組態(tài)軟件。

現(xiàn)場(chǎng)采集和顯示控制設(shè)備，基本選用國產(chǎn)元件，一般選用的測(cè)量1200度以上的溫度S分度熱電偶，1200度以下500度以上用S分度熱電偶，500度以下用PT100熱電阻測(cè)量，直接與相應(yīng)的PLC模塊連接，不需要任何的變送器元件；壓力選用壓力差壓變送器把壓力信號(hào)變成4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送到AI模塊；電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過變頻器調(diào)節(jié)，頻率信號(hào)通過AI 模塊輸入，頻率的設(shè)定通過AO 模塊輸出4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行控制，啟?？刂仆ㄟ^DO模塊控制，設(shè)備狀態(tài)信號(hào)通過DI模塊輸入。

2．附加系統(tǒng)設(shè)備主要有變頻器、壓力變送器、溫度傳感器、智能儀表和控制繼電器等，大部分設(shè)備與PLC之間全部采用硬連接，硬件配置及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見下圖：

3.多種方案的比較

過于系統(tǒng)選型方案的比較，由于以前工程的冗余控制系統(tǒng)一直使用國內(nèi)的DCS系統(tǒng)或者PLC的硬冗余系統(tǒng)，但從使用效果以及造價(jià)成本方面考慮，國外DCS系統(tǒng)價(jià)格非常昂貴，國內(nèi)DCS系統(tǒng)又不是特別穩(wěn)定；用PLC硬冗余系統(tǒng)也存在價(jià)格比較貴的原因；通過比較，決定用價(jià)格相對(duì)便宜而性能又比較穩(wěn)定的西門子軟冗余系統(tǒng)嘗試使用。

四、控制系統(tǒng)完成功能

1．本系統(tǒng)的主要工作分以下幾個(gè)方面：

? 軟冗余功能的完成

軟件冗余是西門子公司實(shí)現(xiàn)冗余功能的一種低成本解決方案，可以應(yīng)用于對(duì)主備系統(tǒng)切換時(shí)間要求不高的控制系統(tǒng)中，節(jié)約成本。但在垃圾焚燒項(xiàng)目中對(duì)設(shè)備的控制要求非常嚴(yán)格，也就是說控制設(shè)備在冗余切換中絕對(duì)不能斷開，所以本人根據(jù)西門子公司的軟冗余手冊(cè)進(jìn)行調(diào)試和編程，最后效果非常好，絕對(duì)不會(huì)出現(xiàn)切換設(shè)備中斷的現(xiàn)象，所以給下面的工作帶來了巨大信心，具體調(diào)試過程在西門子的“軟冗余文章”全部有描述，在此不做過多的描述。

? 控制功能的完成

本系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能主要分以下幾個(gè)部分：

l 一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)以及引風(fēng)機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制

在本系統(tǒng)中，焚燒系統(tǒng)的焚燒爐體轉(zhuǎn)動(dòng)的速度、加料電機(jī)的轉(zhuǎn)速、一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)以及引風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率全部聯(lián)動(dòng)控制；當(dāng)引風(fēng)機(jī)開啟后，一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)才能開啟，根據(jù)溫度和煙氣的氧氣含量控制爐體轉(zhuǎn)動(dòng)的速度、加料電機(jī)的轉(zhuǎn)速、一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)的頻率進(jìn)行調(diào)速控制，直接利用STEP 7的PID 模塊，直接可通過DB 模塊直接設(shè)定設(shè)定值以及積分時(shí)間，非常簡(jiǎn)便；一燃室的煙氣溫度控制到850度，二燃室的煙氣溫度控制到1200度，使之不產(chǎn)生二惡英；一燃室溫度過高時(shí)增大進(jìn)料電機(jī)速度，同時(shí)減小一次風(fēng)風(fēng)機(jī)速度，同時(shí)要保證煙氣的氧氣含量在19-21之間，反之亦然；二燃室溫度過高時(shí)增減小一次風(fēng)風(fēng)機(jī)速度，同時(shí)增加二次風(fēng)風(fēng)機(jī)速度，同時(shí)要保證煙氣的氧氣含量在19-21之間，反之亦然；并且在控制一二次風(fēng)的時(shí)候，必須自動(dòng)調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)速度，保證煙道壓力保證在-150PA左右。

l 堿液站的自動(dòng)控制

在除酸噴霧塔中需要噴灑堿液以保證煙氣的酸堿度，同上面一樣直接利用STEP 7的PID 模塊，直接可通過DB 模塊直接設(shè)定設(shè)定值以及積分時(shí)間，非常簡(jiǎn)便；

l 布袋除塵器的自動(dòng)控制

設(shè)定溫度值，利用PLC 內(nèi)部的比較指令，溫度范圍在130-190度之間時(shí)，啟動(dòng)布袋除塵器，超出范圍時(shí)，通過PLC程序啟動(dòng)旁通閥，保護(hù)布袋。

l 鍋爐給水自動(dòng)控制

鍋爐汽包水位是確保安全生產(chǎn)和維護(hù)正常供汽的主要條件，一般要求水位維持在設(shè)計(jì)水位的±50mm 范圍內(nèi)；設(shè)定鍋爐給水水位，通過PID 模塊自動(dòng)調(diào)節(jié)給水閥門的開度，從而達(dá)到控制鍋爐水位的功能。

系統(tǒng)最終檢測(cè)結(jié)果：

l PLC 系統(tǒng)采集正常，數(shù)據(jù)顯示和動(dòng)作控制的時(shí)間不超過500ms ，數(shù)據(jù)交換的準(zhǔn)確率為100%；

l PROFIBUS 傳輸正常，沒有掉落模塊的情況出現(xiàn)；

l PLC 數(shù)據(jù)傳輸精確，模擬量的精確度可以達(dá)到13BIT；

l 冗余系統(tǒng)正常，沒有出現(xiàn)主從系統(tǒng)切換時(shí)中斷，切換時(shí)一切控制正常，包括控制繼電器不會(huì)斷開、模擬量輸出控制變頻器轉(zhuǎn)速不會(huì)丟失等；

l 模擬屏顯示正常、數(shù)據(jù)刷新正常，數(shù)據(jù)刷新速度為1000ms；

2．在本項(xiàng)目的調(diào)試過程中，應(yīng)該說是非常順利的，只是在最開始的時(shí)候由于軟冗余系統(tǒng)在深圳比較少用，所以在剛開始調(diào)試時(shí)比較擔(dān)心，但經(jīng)過西門子公司的技術(shù)支持，調(diào)試非常順利，在剛開始就確認(rèn)冗余切換沒問題。

3.工藝及主要設(shè)備組態(tài)界面

3.1工藝圖界面

3.2 變頻器控制畫面

3.3 堿液站控制畫面

五、結(jié)束語

本系統(tǒng)于2005年2月投入使用至今已近20個(gè)月，運(yùn)行順利，用戶非常滿意；目前本系統(tǒng)已經(jīng)成功推廣到南昌、長沙、成都、青島、大連等地的醫(yī)療垃圾處理系統(tǒng)以及廣東番禺綠由工業(yè)危險(xiǎn)廢物焚燒發(fā)電廠中，用戶反映非常良好。

該SIEMENS S7-300軟冗余系統(tǒng)已在生產(chǎn)中得到實(shí)際使用，為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，在該系統(tǒng)中，PLC系統(tǒng)的應(yīng)用得到了充分的展示，這種冗余配置廣泛的推廣到其它行業(yè)應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值。

六、應(yīng)用體會(huì)

本系統(tǒng)自選型以來，經(jīng)歷了許多困難，因?yàn)橐郧岸际褂糜踩哂嗟腜LC ，比如AB的PLC5系列或者其它品牌的DCS系統(tǒng)，但由于上述系統(tǒng)造價(jià)非常昂貴，而部分國產(chǎn)的DCS系統(tǒng)非常不穩(wěn)定，我們的項(xiàng)目為BOT 項(xiàng)目而且有要求條件不是太高，所以既要降低成本，又要保證性能，所以通過比較，決定“深圳市醫(yī)療廢物處置中心”項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，如果可行就進(jìn)行推廣，目前已經(jīng)在公司項(xiàng)目正式批量使用，甚感欣慰。

通過上述項(xiàng)目，證實(shí)西門子S7-300軟冗余系統(tǒng)完全可以滿足“垃圾焚燒發(fā)電廠”的技術(shù)要求，基本實(shí)現(xiàn)無擾切換。并且通過WINCC6.0開放的OPC接口，完成了與模擬屏的數(shù)據(jù)通訊，積累了一定的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。