（测试计量技术及仪器专业论文）环保型垃圾焚烧炉监控系统的研究.pdf

摘要 随着我国经济的发展和居民生活水平的提高，产生的垃圾量也急剧增长。 在这种情况下，垃圾焚烧正在国内兴起。因此研究垃圾焚烧监控系统显得迫切 需要。文章阐述了固体垃圾的处理方法，对国内外相关技术的发展作了介绍， 本文的主要研究工作是围绕着监控系统的研制而展开的，重点是监控系统软、 硬件的设计和自动控制功能的实现。 论文的设计工作包括控制系统的硬件构成。焚烧炉监控系统采用可编程控 制器( p l c ) 作下位机、工业控制计算机( i c p ) 作上位机与热工参数测量传感器、 变送器、操作控制器等组成集散型控制系统( d c s ) ，p l c 负责完成数据采集与主 要自动控制，i p c 负责系统热工参数的二次处理、分析、显示和存储。同时在监 控系统间搭建了局域网，实现数据传输和即时通讯。 本文的研究工作还包括p l c 和i p c 的软件开发。上位机软件在通用组态软 件“组态王”的开发平台上研制开发，实现了流程图显示、报警提示、历史查 询等功能。下位机软件由西门子s t e p 一7 软件包开发，完成监控系统的数据采集 和控制算法等功能。详细研究了模糊控制技术在垃圾焚烧炉燃烧过程中的应用， 并在m a t l a b 环境中进行仿真。同时运用p i d 控制原理设计了大部分控制回路， 并进行了p i d 控制参数的整定工作。 最后通过对调试的探讨和工程的应用，证明了设计方案的可行性，希望能 为类似项目提供一条有效的参考途径。 关键词：可编程控制器，集散控制系统，自动控制，模糊控制 a b s t r a c t w j t hc h i n e s ee c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d s ，t h e a m o u n to f w a s t ei sg r o w i n gq u i c k l y i nt h i sc a s e ，w a s t ei n c i n e r a t i o ni sr i s i n gi nc h i n a t h e r e f o r e ，t h e r ei s a i lu r g e n tn e e dt or e s e a r c ho nm o n i t o d n gs y s t e mf o rw a s t e i n c i n e r a t i o n 砸st h e s i se x p o u n d st h em e t h o d so fd i s p o s i n gs o l i dw a s t e ，a n d i n t r o d u c e st h er e l a t i v et e c h n o l o g i e sa th o m ea n da b r o a d 1 1 1 ek e yp o i n t so ft h i st h e s i s i n c l u d et h ed e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ef o rt h es y s t e m ，a n dt h er e a l i z a t i o no f a u t o m a t i cc o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r , t h ec o m p o s i t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e mh a r d w a r es h o u l db ed e s i g n e d t h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e ma d o p t sat o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) ， w h i c hi sc o n s t i t u t e db yp l c ，c o m p u t e r s ( i p c ) a n ds o m et h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g s i g n a ls e n s o r s ，s e n d e r s ，c o n t r o l l e r s ，e t c p l ci su s e dt oc o l l e c td a t aa n dp e r f o r m a u t o m a t i cc o n t r o l ，w h i l ep ci su s e dt om o n i t o rt h eo p e r a t i o np r o c e s s ，a n a l y z e ， d i s p l a ya n ds t o r ed a t a a sw e l ls e tu pi n t r a n e ti nt h ed c ss y s t e m ，i no r d e rt ot r a n s f e r t h er e a lt i m ed a t aa n dc o m m u n i c a t e a tt h es a m et i m e ，t h i st h e s i sc o n t e n t ss o f h v a r ed e v e l o p m e n to fp l ca n dp c t h e s o f b 。v a r ef o r 口ci sd e v e l o p e db y 飚n gv i e w , w h i c hc a nr e a l i z em a n yf u n c t i o n ss u c h a sp r o c e s sd i s p l a y , a l a r m i n g ，h i s t o r yq u e r y i n g ，e t c t h es o f t w a r ef o rp l ci s p r o g r a m m e db ys t e p 一7 ，w h i c hc o m p l e t e s d a t a t r a n s f e r r i n ga n da u t o c o n t r o l a r i t h m e t i cf u n c t i o n t h ea p p l i c a t i o nd e s i g no ff u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g yi nt h ep r o c e s s c o n t r o lo fw a s t ec o m b u s t i o nw a sd e s c r i b e d ，a n dw a sv a l i d a t e di nm a t l a b s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t t h ec o n t r o ls y s t e mu s e sp dc o n t r o l l i n ga r t t h m e t i ct od e s i g n m o s ta u t o m a t i cc o n t r o ll o o p s ，a n dt op e r f o r mt h ea d j u s t m e n to fp i d p a r a m e t e r s f i n a l l y , b yd i s c u s s i n gd e b u g g i n ga n da p p l y i n gp r o j e c t ，p r o v et h ef e a s i b i l i t yo f d e s i g n s i n c e r e l yh o p ei tc a l lp r o v i d ea ne f f e c t i v er e f e r e n c ef o rs i m i l a rp r o j e c t s k e yw o r d s ：p l c ，d c s ，a u t o m a t i cc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名)导师( 签名) 日期：! 芝：! ：! 篁 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题提出的目的和意义 近年来随着我国城市人口的增长、经济的发展和居民生活水平的不断提高， 垃圾产生量也同步增长。目前我国城市生活垃圾年产量已达到2 0 亿t 以上， 且每年以1 0 左右的速度增加。累计总量则在6 0 亿t 以上。 我国城市垃圾1 9 9 9 2 0 0 4 年统计数字显示如下n 1 年份 1 9 9 9 2 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 4 工业垃圾( 亿吨) 6 5 6 61 0 68 07 8 8 2 生活垃圾( 亿吨) 1 6 1 71 71 71 71 8 全国有2 0 0 多个城市面临垃圾围城的现象。但目前我国城市生活垃圾的处 理率不足1 3 ，真正达到无害化处理和资源化利用的比例更低，与日俱增的生活 垃圾已成为困扰经济发展和环境治理的重大问题。城市生活垃圾不仅影响了城 市环境，还危害到居民的身心健康，成为当今社会最严重的公害之一。当前， 如何有效地解决城市生活垃圾污染问题，再现一个洁净、健康的城市生存环境， 已是摆在我们面前的一个重要课题。在这种情况下，垃圾处理政策也发生变化。 经过不断探索和发展，其核心思想就是可持续发展的原则。焚烧技术具有减量 化、无害化及资源化等优点，在近二十年间迅速发展研究，目前焚烧法处理生 活垃圾正在国内逐渐兴起。此外随着工农业生产的发展垃圾中的燃物易燃物的 含量大幅度增长，提高了垃圾的热值，也为应用和发展垃圾焚烧技术提供了先 决条件。 然而垃圾焚烧技术仍存在高温氯腐蚀、二恶英重金属等二次污染物排放问 题。为提高垃圾能源转化率，降低二次污染排放，应开发推广应用先进的适合 我国国情的垃圾焚烧工艺和控制技术，以彻底解决社会发展面f 临的垃圾泛滥问 题，实现社会的绿色环保、可持续循环发展。同时利用垃圾焚烧缓解能源紧张， 为我国节能目标的早日实现开辟一条新路。因此研究一套符合中国国情的垃圾 焚烧监视控制系统具有重大意义。 武汉理t 大学硕士学位论文 1 2 垃圾处理技术的方法 固体废物垃圾处理首先应遵循“减容、减量、资源化、能源化、无害化和 商品化”的原则。目前，世界上现行的处理方法可归纳为四种：填埋、堆肥、焚 烧、热解以及无害化处理h 钔。 ( 一) 卫生填埋 土地填埋处置具有工艺简单、成本较低、适于处置多种类型固体废物的优 点。土地填埋处置，从经济、技术、废物现状来看，填埋是一种适合我国国情 的实用技术。但其缺点是占地面积大，二次污染严重。 ( 二) 堆肥法 它是利用微生物分解垃圾有机成分的生物化学过程中生成腐殖质。堆肥在 一些发展中国家比较受欢迎，如印度、泰国、埃及、也门、摩洛哥和印尼等国 家。堆肥法对于有机含量高的垃圾有一定的技术处理优势，在农村应用有一定 的前景。但堆肥场易产生难闻的气味，在城市垃圾处理过程中有其局限性。 ( 三) 焚烧法 焚烧是将含有机物的垃圾在高温及供氧充足的条件下氧化成气态物，无机 不可燃物则形成稳定的固态残渣。采用垃圾焚烧处理技术可以实现垃圾的减容 化、无害化和资源化。焚烧法有以下优点： ( 1 ) 垃圾经过8 5 0 1 1 0 0 的高温焚烧过程，垃圾中除重金属以外的有害成 分充分分解和消灭。因此，可以说焚烧处理是实现垃圾无害化、减量化和资源 化的最有效的手段之一。 ( 2 ) 垃圾减量化效果显著。焚烧处理可以使垃圾体积减少9 0 左右，重量减 轻8 0 - 8 5 。 ( 3 ) 可实现垃圾的资源化利用。城市垃圾中含有大量的可燃物质，当生活 垃圾低位热值大于3 0 0 0 k j 吨时，可以靠自身的热量维持自燃。垃圾焚烧产生的 热量可以回收利用，用于供热和发电，具有可观的经济效益。 ( 4 ) 能够节约大量的土地。垃圾焚烧厂占地面积小，建设一座日处理生活 垃圾1 0 0 0 吨焚烧厂，只需占地1 0 0 亩，按运行2 5 年计算，共可处理垃圾8 3 2 万吨。 但垃圾焚烧也存在一定的缺点：垃圾的成分复杂，稳定性差，从而造成焚 烧的不稳定，难以控制其燃烧工况；焚烧处理的设备费和运行费用高；焚烧处 理垃圾产生废气成分复杂。垃圾在焚烧过程中会生成硫化物、重金属、飞灰及 2 武汉理工大学硕十学位论文 有机氯( 如二恶英) 污染物。为焚烧废气的治理带来一定困难。 ( 四) 热解法 热解法是指垃圾中的有机物在无氧或缺氧的状态下加热，利用热能使化合 物的化合键断裂，由大分子量的有机物转化成小分子量的可燃气体、液体燃料 和焦炭等的过程。但热解是一种复杂的城市废物处理技术，虽然在技术上可行， 但是处理量小，投资运行费用极大，很难在发展中国家推广，而且，目前尚处 于实验阶段，工业技术尚不成熟。 ( 五) 垃圾无害处理法 该技术是近十几年才发展起来的，它是一项垃圾处理综合技术。首先将生 活垃圾进行初步分选和回收利用，无用的无机物进行填埋，无用的有机物进行 焚烧，从而达到无害化和资源回收的目的。但此种方法前期投资巨大，要求技 术含量很高，工艺流程复杂，同时减容能力有限。 1 3 垃圾焚烧技术国内外的应用 根据历年的城市建设统计年报，我国垃圾焚烧厂的数量及平均处理规 模逐年增加，焚烧处理设施在垃圾无害化处理设施中的比例也在增加，这些都 说明焚烧技术在我国垃圾处理中所占的份量越来越重。具体数据参见图1 - 1 乜1 。 年份焚烧厂数量焚烧厂平均无害化处理焚烧处理能焚烧能力所 ( 座)规模( t d )能力( t d ) 力( t d )占比例( ) 2 0 0 13 61 8 l2 2 4 7 3 6 6 5 2 02 9 2 0 0 24 52 2 62 1 5 5 1 11 0 1 7 l4 7 2 0 0 34 73 1 92 1 9 6 0 71 5 0 0 06 8 2 0 0 4 5 4 3 1 32 3 8 5 1 91 6 9 0 77 1 2 0 0 56 74 9 32 5 6 3 1 23 3 0 1 01 2 9 图卜12 0 0 1 - - 2 0 0 5 年我国垃圾焚烧处理状况数据统计 我国垃圾焚烧技术主要应用于经济发达、人口密集的城市，包括直辖市、 东部沿海经济发达城市和中西部省会城市。“长三角和“珠三角”是我国焚 烧技术应用较为集中的地区。内陆地区只有少数地级城市应用垃圾焚烧技术， 如安徽芜湖、河南许昌、四川彭州等。据预测，到2 0 1 0 年，我国城市垃圾的产 3 武汉理工大学硕士学位论文 生量将达到2 9 亿吨，按处理比率卫生填埋占7 0 ，焚烧2 0 ，堆肥1 0 ，年焚 烧处理的垃圾量将增加约5 6 0 0 万吨以上。根据我国城市化发展势头和城市用地 相对紧张的局面预测，城市垃圾焚烧的比率可能会更高。2 1 世纪以来城市垃圾 焚烧技术在我国的迅猛发展可见一斑。 2 0 世纪9 0 年代，由于全球经济的飞速发展和城市生活垃圾处理技术的不断 提高，各国城市生活垃圾处理方式的比例也发生了明显的变化。表1 - 1 口1 给出了 目前各国城市生活垃圾处理方法构成 国家 填埋( ) 堆肥( )焚烧( ) 国家 填埋( )堆肥( )焚烧( ) 美国 7 551 0 瑞士 2 08 0 日本2 3 4 2 7 2 8丹麦1 8 1 27 0 英国 8 811 1 奥地利 5 9 52 41 6 3 法国 4 02 23 8 瑞典 3 51 05 5 荷兰 4 5 4 5 1比利时6 29 2 9 表1 - 1 国外城市垃圾处理方式与比例 美国从2 0 世纪8 0 年代起，政府投资7 0 亿美元兴建9 0 座垃圾焚烧厂，年 总处理能力3 0 0 0 万吨。3 4 个州的地方政府从1 9 8 5 年起，在1 5 年内投资1 5 0 亿 美元兴建城市垃圾能源化工厂，并可望从中受益4 0 亿美元。日本为世界上拥有 垃圾焚烧厂最多的国家。大城市的垃圾焚烧厂规模均在6 0 0 t d 以上，并配有发 电设备n 】。国外垃圾焚烧技术的发展情况已较好地证明，城市垃圾以焚烧的形式 处理并利用余热发电，在技术上和经济上都是可行的，具有明显的环境效益、 社会效益和经济效益，但在我国尚处于起步阶段。只有开发适合我国国情的焚 烧系统，才能真正实现城市生活垃圾处理的减量化、资源化和无害化。 焚烧法处置城市垃圾有广阔发展前景，特别是配备有热能回收与利用装置 的垃圾焚烧处理系统，由于顺应了回收能源的要求，符合可持续发展的理念，正 逐渐上升为焚烧处理技术的主流。 1 4 热工自动控制系统的发展和现状 从2 0 世纪6 0 年代以来，现代科学技术已经逐渐渗透到工业生产当中，使 4 武汉理工大学硕士学位论文 传统工业发生了翻天覆地的变化。工业控制技术作为2 0 世纪现代工业最重要的 技术之一，广泛应用于各行各业，利用该技术组成的工业控制系统对整个生产 过程的效率有明显的提升作用。世界整个热工自动控制的发展，经历了以下几 个阶段垤3 ： ( 1 ) 初级阶段：本世纪5 0 年代前后，热工生产过程局限于一般的控制元 件和机电式控制仪器，采用比较笨重的基地式仪表实现机、炉、电各自独立的 分散的局部自动控制。所应用的控制理论为古典控制理论。 ( 2 ) 仪表化阶段：5 0 年代末及以后十年间，先后出现了电动单元仪表和巡 回监测装置，因而实现了集中监控。所应用的控制理论依然为古典控制理论。 ( 3 ) 综合自动化阶段：7 0 年代至今，由于集成电路及计算机技术的飞速发 展，实现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的分散计算机控制。此时 所用的仪表有气动仪表、电动组合仪表、组装仪表及计算机，所用理论大多为 古典控制理论，少量为现代控制理论。 进入8 0 年代以来，工业控制系统的发展逐渐从模拟化向数字化发展；从连 续流程自动化向继续流程自动化扩展：从单机控制向综合控制发展：从集中控制 向分布控制发展：从大系统向中小系统扩展。分布式控制系统( d e s ) 和可编程 控制器( p l c ) 已经成为工业控制中并驾齐驱的两大主流，同时d c s 和p l c 相互 渗透，相互融合共同提供适合工业生产现场的有效控制。 经过“九五、“十五 期间国家的支持和发展，我国工业控制系统研究方面 有一定技术基础并具备一定的生产规模。产生了浙大中控、和利时等一批国内 知名企业和著名品牌，国产控制系统的产业规模和竞争力得到极大的提升，在某 些行业己具备与跨国公司竞争的能力。同时拥有自主知识产权的d c s 从2 0 世纪 末的1 0 9 6 左右的市场占有率上升到1 3 以上。但国产d c s 等控制系统产品，限于 工程经验、项目业绩的影响，还未能大规模进入大型工程主装置。因此逐渐形成 中低档产品以本国企业为主，高中档产品以外资企业为主，大中型工程项目依靠 国外，中小型工程项目选用国内的市场格局。 国外i ) c s 系统起步早，技术发展全面，计算机集散控制系统已被广泛应用于 诸多工业部门。在国外工业控制系统技术成熟的基础上针对现代工业大型化、 高参数化、工况复杂化的发展趋势，国外自动化系统将“高可靠性”作为其重要 发展方向。目前，世界上约有4 0 多家公司生产近百种简单控制系统的商业产品。 比较有名的，如欧美的a b b ，h o n e y w e l l ，t a y l e r ，f o x b o r o ，s i e m e n s ；以及日 5 武汉理工大学硕士学位论文 本的横河、日立、东芝等多家跨国公司。 现代科学技术的飞速发展给传统的焚烧技术、燃烧过程控制技术带来了新 的活力，展示了一个广阔的前景，通过数据库技术、网络技术、智能控制技术、 数值模拟、专家系统等建起焚烧热力系统的智能控制与信息网络平台是今后垃 圾焚烧处理技术的发展方向。 1 5 本论文的工作内容 本课题主要研究用可编程控制器( p l c ) 、通用组态软件平台k i n g v l e w ( 组态 王) 、工业控制计算机结合起来的计算机自动监控系统，探讨垃圾焚烧监控系统 的硬、软件的组成、功能以及调试。完成了以p l c $ 7 - 3 0 0 为核心的监控系统的 硬件设计。介绍了k i n g v i e w 软件及其配置，完成了监控系统的上位机操作界面 的软件设计。监控系统可以利用上位机实行对整个焚烧系统的运行参数的集中 监控和集中管理。针对系统的自动控制，结合传统的p i d 控制基础上融入模糊 控制技术、组态控制技术、现场总线控制技术的应用并对模糊控制进行m a t l a b 仿真计算。对实际的工程项目提供切实有效的计算机自动监控系统解决方案。 使系统投入自动运行时，工况稳定并基本符合控制要求。最后，对本文进行了 总结与展望。 1 6 本章小结 本章节主要介绍了课题研究的目的和意义、垃圾焚烧国内外研究研究现状 以及本论文的工作内容。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章垃圾焚烧工艺与控制系统总体方案设计 2 1 垃圾焚烧炉的选择 城市垃圾焚烧装置种类很多，目前比较广泛应用的炉型按采用的燃烧方式 可以分为炉排式焚烧炉、流化床焚烧炉和回转窑式焚烧炉。垃圾焚烧的关键是 要最大限度的实现无害化和减量化，炉型的选择需要考虑垃圾的形状尺寸、垃 圾的物理组成、化学组成和热值等，还直接关系到设备投资额运行费用。其基 本原则是：能有效焚烧处理现有垃圾、垃圾的性质、焚烧炉设备的价格低、运 行费用省、能源和资源回收利用价值高。 本文基于处理的不可回收的固体垃圾，如果需要处理的垃圾中含有多种难 燃烧的物质，或者垃圾的水分变化范围较大，特别在处理工业垃圾和危险品垃 圾时回转窑式焚烧炉是唯一理想的选择。回转窑焚烧炉是一种成熟的技术h ， 回转窑焚烧炉通过转速的改变可以影响垃圾在窑中停留的时间。并且对垃圾在 高温空气及过量氧气中施加较强的机械碰撞，能得到可燃物质和腐败物含量很 低的炉渣。这种炉的优点是：( 1 ) 焚烧能力强，使用范围广，适应性强。对焚 烧物形状、含水率要求不高；( 2 ) 能量回收率较高；( 3 ) 设备费用低，厂用电 耗与其它燃烧方式比较也较少；( 4 ) 设备运转率高，年运转率一般可达9 0 以上， 操作维护方便：( 5 ) 回转窑内焚烧废渣停留时间长，在8 0 0 9 0 0 的高温下，使 危险废物烧尽燃透。二燃炉强烈的气体涡流混合使得烟气中未完全燃烧物完全 燃烧，达到有害成份分解所需的温度( 1 0 0 0 以上) ，高温区烟气停留时间为2 秒；不但使垃圾焚烧尽烧透，还从源头分解去除了二恶英；同时焚烧回转窑焚 烧炉是国际工业废物处理领域广泛应用的焚烧设备，在工业废物领域的市场占 有率为8 5 ，也是我国科技部和国家环保总局所发布的国家工业废物处理技术政 策中推荐的焚烧炉炉型，可同时处理固体和液体废物。 2 2 垃圾焚烧处理工艺叙述 垃圾经过前处理输送到垃圾焚烧系统，在焚烧炉内与空气充分混合燃烧， 燃烧后产生的不完全燃烧烟气在二燃室充分再燃烧，燃烧产生的热能由余热锅 7 武汉理工大学硕七学位论文 炉利用系统加以回收( 供汽、供热、发电) 在整个工艺流程中产生的二次污染 物( 飞灰、烟气) 经由尾气净化系统处理后达标排放哺1 。整个焚烧处理工艺流程 图如图2 - 1 ： 大气 l 垃圾互叵 函 习 1 i r 冷凝水 n a 3 p 0 4 、n a o h 活性碳石灰 蒸汽 jl 主 引 风 机 n 扣h 区匠) 4 亟亟 一叫压固 一垃圾废渣及空气 爿化工药品 _ 垃圾燃烧之烟气 图2 - 1 焚烧处理工艺流程 ( 1 ) 进料室：进料室为垃圾入窑的过渡区，装有垃圾入窑接点、传送带、 推车和检修门等装置。 ( 2 ) 回转窑：回转窑焚烧炉燃烧设备主要是一个缓慢旋转的回转窑，焚烧 炉是在钢制圆筒内部装设耐火涂料或由冷却水管与钻孔钢板焊接成圆筒状，回 转窑焚烧炉由两个以上的支撑轴轮支持，通过齿轮驱转的支撑轴轮绕着回转窑 体的链轮齿带动旋转窑炉旋转。回转窑的倾斜角度可以通过上下调整支撑轴轮 来调节。 ( 3 ) 二燃室：根据标准要求，物料焚烧产生的烟气在二燃室内通过二次风 机可使烟气完全燃烧，温度可至1 1 0 0 。顶部设热电偶控制燃烧器工作，另配 有防爆阀及紧急风门，以备发生意外时确保人员和设备的安全。 8 吉 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 辅助燃烧系统：点火燃烧器、辅助燃烧器油枪、油泵及阀门管件。 ( 5 ) 供引风系统：引风机确保整个工艺流程在负压条件下工作，防止炉内 异味外溢，是全系统焚烧工况稳定的关键设备。一、二次风机为窑内提供热烟 气和一定量的氧气，使物料充分燃烧并对窑口护板进行冷却。 ( 6 ) 尾气冷却净化系统：由水气换热器、半干式脱酸塔、布袋除尘器及烟 囱组成。采用国际上普遍应用的半干式脱酸+ 布袋除尘系统。烟气中有机物，重 金属、二恶英、呋哺等污染物也同时在这两项处理工艺中予以捕集净化。 2 3 垃圾焚烧监控系统的设计目标 自动控制是垃圾焚烧设备运行控制的重要手段。固体垃圾具有多组分、多 变化的特点，导致垃圾焚烧过程的周期性和随机波动性，这种波动性可导致运行 不稳定和垃圾燃烧不完全。为了达到垃圾焚烧处理的无害化、减量化的目标，保 证垃圾焚烧厂的安全、经济运行并严格达到环境保护的要求，垃圾焚烧厂的自动 控制应有较高的控制水平。系统的设计应该实现下面的几方面目标： ( 1 ) 保证垃圾焚烧厂设备的安全运行：应具有参数越限报警、事故报警和连 锁保护等措施。 ( 2 ) 保证全厂的垃圾处理量：保证日常系统运行的稳定性。设计控制关键部 位的硬件和软件冗余功能。 ( 3 ) 克服垃圾质量的变化，保证燃烧的稳定性，尽可能减少二次污染物的产 生量，达到排放标准。 ( 4 ) 尽可能使控制回路品质优良。减少蒸发量的波动，提高热能利用效率。 ( 5 ) 降低运行和维护的费用，提高经济效益。 ( 6 ) 利用高性能的p l c 编制高效控制程序和组态开发程序，通过上位机监控 整个垃圾焚烧设备的运行状况凹1 。 垃圾焚烧厂内自动控制系统的正常运行是整个焚烧厂安全、稳定、高效运 行的重要保证，同时自控系统可减轻操作人员的劳动强度，最大限度地发挥工 厂性能。通过监控这个工厂各个设备的运行，将各种过程的信息迅速集中，并 做出在线反馈，为工厂的运行提供最佳的运行管理信息。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 垃圾焚烧监控系统的功能设计 2 4 1 垃圾焚烧自动控制系统的总体构造 监控系统采用适合工业现场应用的工业控制计算机( p c ) 作为上位机，两台 工业控制计算机分别作为操作站和工程师站相互备用，设置于中央管理中心，对 全厂工艺设备运行状况、运行参数进行集中监控，遥控现场设备。采用可编程控 制器( p l c ) 作为下位机。控制系统采用基于r s - 4 8 5 传输技术的p r o f i b u s 现场总 线控制方式。由生产流程各环节检测仪表测得的数据，经p l c 采集和处理后，通 过m p i 卡( c p 5 6 11 ) 传输到i p c 计算机，i p c 计算机对这些数据再进行处理、运算， 按数据类型、日期保存，并以各种生动活泼的人机界面提供操作者使用，实现对 回转炉床式焚烧炉系统运行进行监督、管理、调度和指挥。现场智能仪器和风 机变频器同p l c 之间使用p r o f i b u s 总线协议方式通讯，同时运用m p i 网络进行 上位机和o p ( 编程器) 通信。p l c 的c p u 冗余配置也通过m p i 接口的连接，运 用m p i 网络进行相互监视对方，发生异常后立即进行c p u 切换n 们。上位机、下 位机、通信系统与热工参数测量传感器、变送器、操作控制器等组成集散控制 系统( d c s ) 。其结构图如图2 - 2 所示： 上位机采用的是研华工业控制计算机i p c 6 1 0 ，防尘、防振，运行稳定可靠， 是现场监控的有力保障。同时系统装有中文w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统。上位机组 态开发软件选用的是组态王k i n g v e i w 6 5 1 软件。组态王软件具有界面友好、 开发方便、通讯能力强等优点，它可以连接各种不同的标准化p l c 进行数据采 集，组态王与设备通讯时，调用相应设备的动态连接库程序，实现了组态王与 设备通讯程序间的无缝连接。上位机监控界面应该具备以下功能h 引：( 1 ) 数据 收集、处理及设置；( 2 ) 控制报警及事故管理；( 3 ) 历史趋势显示；( 4 ) 数据 记录及动态流程显示：( 5 ) 系统状态监控：( 6 ) 打印功能。 下位机采用的是西门子公司的$ 7 - 3 0 0 系列的p l c 。本系列p l c 可通过软件 来改变控制过程，而且具有体积小、组装灵活、编程简单、抗干扰能力强及可 靠性高等特点，非常适合于在恶劣的工业环境下使用。另外扩展a d 模块、d a 模块、开关量i o 模块等。现场测量信号由温度传感器和差压传感器等检测， 输入到a d 模块的4 2 0m a 的标准信号，经控制核心单元p l c 转换为二进制的数 字信号；通过控制程序的计算分析，得到的控制信号由d a 模块转换为4 - 2 0m a 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 的电流信号，输出给执行器实现对温度、压力等参数的控制眵b 引。重要控制部 件考虑为双重化冗余配置，保证在事故情况下不会影响装置的安全运转。输入 输出卡件的使用考虑1 5 备用。 圆 t 斟 l 夕 歹 固 响 - 。 l e z = = = z = = ：= = = = = ：= 二= = ：篓= ：=鬣= 罴：= ：i ：= l = ：=k 【】f i h t l x = = ：= = = = = ：= 三= ：= ：= = ：= = = = = ：= = = = = z = = ：疆 iljii 眇 由叵 p s t m 仪器i 3 0 7c p u 3 1 5 - d p c p u 3 1 5 d p3 6 (a 0a id id o 一 j1 1j 现场设备 i ma o i a i i 3 6 1d i l d oi jt t0 现场设备 i m l 3 6 1a oa id i i d ol j t t j 现场设备 图2 - 2 垃圾焚烧自动控制系统基本构造图 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 2 控制子系统的主要控制内容 垃圾焚烧炉的自动控制系统主要由进料系统、自动燃烧调节系统、锅炉自 控系统、以及烟气排放监测系统n 幻等。这些子系统的主要控制及测量点有： ( 一)自动燃烧主要控制及测量点包括： ( 1 ) 回转窑试炉焚烧表面温度调节回转窑炉转动速度。 ( 2 ) 炉子上部气相温度调节料机进料速度。 ( 3 ) 一次空气预热器出口空气温度控制。 ( 4 ) 垃圾加入量计算。 ( 5 ) 炉膛负压调节。 ( 6 ) 烟气含氧量与一次空气流量串级系统。 ( 7 ) 根据垃圾热值及处理量通过关联式计算出蒸汽量、一次空气量及二次空 气量，实现设定值控制。 ( 8 ) 炉子自动点火及熄火安全停炉装置。 ( 9 ) 垃圾装卸料操作及炉子燃烧情况工业电视监控系统。 ( 二)焚烧炉自控系统包括： ( 1 ) 锅炉、汽包、液位三冲量控制系统。 ( 2 ) 除氧器液位控制系统。 ( 3 ) 除氧器压力控制系统。 ( 4 ) 过热器出口温度控制。 ( 三)烟气处理部分主要监控系统包括： ( 1 ) 排烟温度控制。 ( 2 ) 烟气h c l 、s o ：、n 0 2 浓度控制。 ( 3 ) 灰渣物料位控制。 ( 4 ) 化学反应物液位控制。 ( 5 ) 滤袋式除尘器旁通阀控制。 2 4 3 自动控制系统的连锁保护和报警功能设计 同时为了保证生产安全，重要的连锁报警灯及操作开关按钮，配置在辅助 操作面板上。联锁保护系统除了为机炉及其辅机提供安全保证以外，还要为维 修、试验和校正工作的开展提供必要的灵活性。垃圾焚烧控制系统般设有以 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 下连锁项目： ( 1 )当引风机跳闸时，应自动停止鼓风机； ( 2 )送风机跳闸时应该自动切除进入炉膛的垃圾进料系统和助燃油系统； ( 3 )引风机、送风机、二次风机跳闸的顺序连锁； ( 4 )大型辅机与其润滑油系统、冷却和密封系统的联锁，以及这些系统中 工作泵事故跳闸时备用泵的自启动联锁。 常见的保护项目有： ( 1 )炉膛压力保护； ( 2 ) 炉膛熄火保护； ( 3 ) 汽包水位保护； ( 4 )蒸汽压力超高保护； ( 5 )冷却系统故障保护； 热工报警的基本功能是将监视对象的异常情况及时而准确地检测出来，并 用音响或显示手段迅速地传达给人。可以使用确认按钮消除音响和闪光。采用 计算机监控的系统，在操作站上设有在报警发生时进行显示的报警监视功能。 热工报警的基本项目n 2 1 有： ( 1 )参数异常报警信号系统正常运行时过程中，各部分的热工参数是 依靠自动控制装置维持在要求范围内的，用报警信号可以使操作人员及时发现 异常情况并迅速予以处理。此类报警项目有过热蒸汽压力高、汽包压力高、炉 膛压力高等。 ( 2 ) 辅助设备异常报警信号辅助设备包括系统运行中需要经常操作的 阀门执行机构和电动机，在自动化运行中，它们均由自动装置迸行监视和控制， 本身带有故障报警功能，可以在设备出现异常时输出开关量信号引入报警系统。 此类报警项目包括送风机和引风机跳闸、循环水泵故障等。 ( 3 ) 自动装置异常报警信号自动装置的异常包括自动装置本身及其附 属设备故障、自动装置退出以及自动装置等待三类。自动装置本身及其附属设 备故障包括自动调节系统故障、计算机系统故障和程控系统故障等。自动装置 退出工作是指自动装置本身正常，但受外界影响被迫退出工作。自动装置等待 是指外部条件未满足而使自动装置无法工作，例如热工参数未能满足自动装置 的工作条件等。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 4 自动控制系统的控制方式 同时控制室将设置表显示全装置生产情况的模拟流程程盘以及工业电视。 为便于操作调试和事故的紧急处理，系统控制方式n 力分为三种： ( 1 ) 就地手动方式。即通过就地控制箱或m c c 上的按扭、开关操纵设备。 ( 2 ) 遥控方式。通过中央管理中心的两台计算机在手动模式下控制设备。 ( 3 ) 自动方式。系统根据工况自动完成设备的启停、调节控制。遥控和就地 控制方式的切换由m c c 柜或就地控制箱完成；自动方式和遥控方式的切换由两 台监控计算机完成。 2 4 5 自动控制系统的冗余功能设计 ( 1 ) 上位机双机热备冗余 在控制系统中上位机双机热备冗余功能的设计是为了保证系统的稳定运行 而增加的功能，在单一主机系统中，当主机需要检修或者出现故障时，整个系 统将停止运行，为了避免这一情况，我门应用上位机热备冗余功能。当系统正 常工作时，主从机都启动，但从机并不采集实时数据，而是通过网络获取实时 数据，并以一定时间间隔向主机发出请求负责对主机的监听。主机应答表示工 作正常：如果一段时间主机不能应答，从机将认为系统异常，同时切断对主机 的网络传输，接通数据采集功能，直接从下位机设备获取数据。在主机停机后， 从机完成取代主机功能，主机恢复运行后，从机停止数据采集，从机向主机的 历史数据库拷贝其丢失的数据，系统恢复正常状况n 钔。 ( 2 )软件冗余 冗余程序的编写是提高整个设备安全运行的关键，冗余程序主要完成p l c 的主从c p u 之间的切换，两个c p u 用m p i 总线来互相监测对方，发生异常后立 即进行c p u 切换。如图2 - 3 所示：程序开始运行后主、从c p u 分别读入对方信 息，主c p u 然后进行无备份应用程序运行，分析从c p u 状态，进行冗余备份应 用程序，把冗余备份的数据复制到c p u ，并且输出设备i o 状态及诊断信息。而 从c p u 正好与住c p u 进行相反的过程。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 从c p u 2 5 本章小结 图2 - 3 主从c p u 软件冗余流程图 1 垃圾焚烧炉炉型的选择对焚烧工艺流程起着关键作用，回转窑炉是本 系统的最佳选择。对以回转窑炉为核心的焚烧工艺流程进行概述。 2 对计算机控制系统进行设计方法不同的分类，分析自动控制系统的性 能指标，概述垃圾焚烧自动控制系统的控制功能和构造。 1 5 武汉理工大学硕十学位论文 第3 章垃圾焚烧自动控制系统硬件方案设计 3 1p l c 技术简介 3 1 1p l c 的构造和特点简介 p l c 英文全称( p r o g r a m m a b l el o g icc o n t r o ll e r ) ，中文全称为可编程逻辑 控制器。它不仅具有逻辑运算、定时、计数等功能，还具有数值运算、模拟调节、 监控、记录、计算机接口、数据传输等功能，而且还能进行中断控制、智能控制、 过程控制、远程控制等。向上能与上位计算机进行数据通讯，向下不仅能直接控 制生产设备，还可通过下级p l c 去控制执行机构。现代的可编程控制器是以微处 理器为基础，高度集成的新型工业控制装置，是计算机技术与工业控制技术相结 合的产品。经过2 0 年的发展，己经成为最受欢迎的工业控制类产品。 可编程控制器采用计算机结构n 叫，主要包括c p u 、存储器、输入、输出、扩 展接口及模块、通讯接口及模块、编程器和电源六个部分。如图3 1 所示，p l c 内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。外部的各种开关信号、模拟信号、 传感器检测的各种信号均作为p l c 的输入变量，他们经p l c 外部输入端子输入 到内部寄存器，经p l c 内部逻辑运算或其他各种运算处理后送到输出端子，作 为p l c 的输出变量，对现场设备进行各种控制。这些功能的实现主要是依靠保 存在存储器的控制程序完成的。 图3 - 1p l c 硬件结构图 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 p l c 在工业领域的广泛应用得益于p l c 本身具备的一些特点n 训： ( 1 ) 可靠性高，抗干扰能力强 p l c 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应 用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除p l c 以 外的电路及设备也获得故障自诊断保护。 ( 2 )配套齐全，功能完善，适用性强。 p l c 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。除了逻辑 处理功能以外，还可用于各种数字控制领域。加上p l c 通信能力的增强及人机 界面技术的发展，使用p l c 组成各种控制系统变得非常容易。 ( 3 )易学易用，深受工程技术人员欢迎 p l c 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易， 编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电 器电路图相当接近，只用p l c 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继 电器电路的功能。 ( 4 )系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 p l c 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系 统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一 设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场 合。 ( 5 )体积小，重量轻，能耗低 以超小型p l c 为例，新近出产的品种底部尺寸小于1 0 0m m ，重量小于1 5 0 9 ， 功耗仅仅数瓦。由于体积小就很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想 控制设备。 3 1 2p l c 技术工作原理 p l c 的c p u 则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，当p l c 投入运行后， 其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶 段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，p l c 的c p u 以一定 的扫描速度重复执行上述三个阶段n0 1 。 ( 1 ) 输入采样阶段， 在输入采样阶段，p l c 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它 们存入i 0 映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，i o 映象区中 的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲 信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读 入。 ( 2 ) 用户程序执行阶段， 在用户程序执行阶段，p l c 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序( 梯 形图) 。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控 制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运 算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统r a m 存储区中对应位的 状态；或者刷新该输出线圈在i o 映象区中对应位的状态：或者确定是否要执 行该梯形图所规定的特殊功能指令。 ( 3 ) 输出刷新阶段， 当扫描用户程序结束后，p l c 就进入输出刷新阶段。在此期间，c p u 按照i o 映象区内对