基于PCS7 和Profibus-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　一 系統(tǒng)概述

　　隨著經(jīng)濟(jì)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(guó)城市垃圾清運(yùn)量達(dá)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(duì)大氣環(huán)境及地表和地下水及江河、湖泊等造成了嚴(yán)重污染，生態(tài)環(huán)境正在遭到嚴(yán)重破壞。因此，結(jié)合城市具體情況，對(duì)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(jìn)行探討，找出處理效果好、經(jīng)濟(jì)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(diǎn)之一。

　　焚燒處理垃圾的主要優(yōu)點(diǎn)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(jìn)入制磚廠，既減少了對(duì)環(huán)境的污染，還可產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)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(gè)重要發(fā)展方向。

　　垃圾焚燒工作原理：垃圾經(jīng)自動(dòng)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(dòng)力裝置的推動(dòng)下拋動(dòng)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(jìn)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(dòng)汽機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。由主燃燒室揮發(fā)和裂解出來的煙氣進(jìn)入第二、三級(jí)燃燒室，進(jìn)行進(jìn)一步燃燒，使煙氣的溫度高達(dá)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(tái)，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(jī)發(fā)電機(jī)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(kù)，方便系統(tǒng)功能擴(kuò)展或修改。

　　三 系統(tǒng)配置與功能實(shí)現(xiàn)

　　該控制系統(tǒng)采用西門子最先進(jìn)的過程控制系統(tǒng)PCS7 和Profibus-DP 現(xiàn)場(chǎng)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(dá)12Mbps，S7-414H 雙機(jī)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(shí)現(xiàn)故障時(shí)的無擾自動(dòng)切換。上位機(jī)采用WinCC V6.0 組態(tài)軟件進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)。該廠的垃圾焚燒工藝引進(jìn)加拿大RICHWAY 公司專利技術(shù)，采用四級(jí)脈沖爐排，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)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(dú)立的操作員站(OS 站)，其中兩臺(tái)焚燒爐配兩個(gè)OS 站，汽機(jī)和輔機(jī)控制配兩個(gè)OS 站。每套OS 均采用成熟、可靠的DELL 商用計(jì)算機(jī)。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(jī)上輸出。運(yùn)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(shí)現(xiàn)機(jī)、爐、電的運(yùn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、控制塊、圖形、趨勢(shì)、報(bào)表等系統(tǒng)數(shù)據(jù)的生成和下裝，完成對(duì)系統(tǒng)的詳細(xì)自診斷和系統(tǒng)數(shù)據(jù)的列表和后備。運(yùn)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)、維護(hù)。專業(yè)工程師在授權(quán)的情況下，可以在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行在線或離線修改。同時(shí)，所有運(yùn)行情況和控制邏輯均可在工程師站上查看，增加了用戶對(duì)系統(tǒng)掌握的程度，以及系統(tǒng)軟件、硬件的透明度。當(dāng)不需組態(tài)時(shí)，可運(yùn)行與操作員站完全相同的軟件。整個(gè)系統(tǒng)配置2 臺(tái)網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)，用于記錄打印和CRT 圖象拷貝。打印機(jī)選用DELL 網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)。

　　2.冗余的CPU414H 中央控制單元

　　本自控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制站的中央控制器采用冗余設(shè)計(jì)，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(gè)通訊接口實(shí)現(xiàn)相互連接。在系統(tǒng)正常的運(yùn)行中，當(dāng)某個(gè)中央控制器出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)中央控制器能自動(dòng)接管所有的工作，保證了系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行。因此系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)，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(tái)。中央控制器中預(yù)裝有冗余軟件，用戶在組態(tài)時(shí)可完全忽略其冗余特性，象對(duì)非冗余系統(tǒng)組態(tài)一樣只需輸入用戶程序。

　　3.遠(yuǎn)程I/O 站

　　每個(gè)分布式I/O 站的有源背板總線上插有2 個(gè)IM153-2 通訊接口模塊 ，分別通過2 條獨(dú)立的PROFIBUS-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線與AS-400 中央控制站進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)其中某一個(gè)IM153-2 通訊接口模塊發(fā)生故障時(shí)， 系統(tǒng)能自動(dòng)地切換到另一個(gè)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(huì)影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。
　4.冗余的通訊網(wǎng)絡(luò)

　　CP443-1作為標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)連接裝置，在物理層上采用高防護(hù)等級(jí)的通訊線纜，工業(yè)以太網(wǎng)的卡件上帶有CPU可以獨(dú)立處理通訊信號(hào)。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(diǎn)同時(shí)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(jī)模塊將整個(gè)網(wǎng)段分成若干子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)都可以獨(dú)立地形成一個(gè)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(shí)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(kù)，可以對(duì)回路控制和參數(shù)設(shè)定進(jìn)行集中顯示、集中監(jiān)控;

　　(4) 趨勢(shì)顯示：以實(shí)時(shí)趨勢(shì)和歷史趨勢(shì)方式顯示重要過程參數(shù)的變化趨勢(shì);

　　(5) 報(bào)警記錄與顯示

　　(6) 報(bào)表管理：提供日?qǐng)?bào)、月報(bào)打印功能，可提供定時(shí)打印、事件驅(qū)動(dòng)打印、召喚打印等;

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

　　四 使用效果

　　分析該DCS 系統(tǒng)經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行證明，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)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(jì)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(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低 ：由于自動(dòng)控制水平高，運(yùn)行人員少，定檢和不定期檢修費(fèi)用低，降低了維護(hù)費(fèi)用;

　　(4) 可靠性高 ：經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行表明，控制系統(tǒng)故障率非常低，系統(tǒng)可用率可達(dá)99.9%以上，滿足設(shè)計(jì)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。