基于渗滤液焚烧发电的分布式温控系统的研究毕业论文.doc

基于渗滤液焚烧发电的分布式温控系统的研究毕业论文目 录1 绪论11.1课题的背景与研究意义11.2国内外现状及发展情况21.3渗滤液及其处理技术简介31.4本文主要研究内容42控制系统工艺流程简介62.1 垃圾焚烧炉的选型72.1.1机械式炉排焚烧炉72.1.2循环流化床型焚烧炉72.1.3旋转窑型焚烧炉82.2 本章小结83分布式监控系统简介及控制系统的总体方案93.1分布式监控系统技术93.1.1分布式监控系统的定义93.1.2 DCS的基本结构93.1.3分布式监控系统的特点113.2 DCS在我国应用现状123.3分布式监控系统的功能与要求123.4系统总体方案133.5 本章小结134监控系统硬件设计与选型144.1中央监控机144.2液压泵和电动机的选型144.3传感器的选型164.3.1传感器选型原则164.3.2温度测量及传感器的选型164.3.3压力测量及传感器的选型184.3.4液位测量及传感器的选型194.3.5流量测量及传感器的选型194.4可编程控制器的原理及选型204.4.1可编程控制器概述204.4.2可编程控制器的组成及工作原理224.4.3可编程控制器的选型234.5变频器原理及选型254.5.1电机变频技术概述254.5.2变频调速技术的基本原理和特点254.5.3通用变频器的基本组成及其控制方式254.5.4变频器的选型274.6 本章小结295监控系统软件的设计305.1监控系统软件设计概要305.2上位机组态软件305.2.1组态软件介绍305.2.2组态软件的选择315.2.3组态王软件的功能335.2.4利用组态王建立监控系统的方法355.3下位机PLC软件375.4数据库的选择与连接375.5串口通信395.5.1串口通信概述395.5.2 RS-232串行通信概述405.5.3 RS-485串行通信概述405.6 PLC与组态王的RS-232串行通信415.6.1PLC通讯功能概述415.6.2 PLC与组态王通讯的实现425.7 PLC与变频器的RS-485串行通信445.7.1通讯协议Modbus概述445.7.2 Modbus的消息帧465.7.3变频器的参数设置475.7.4 PLC的通讯参数设置485.7.5 PLC与变频器通讯的实现495.8本章小结506温控系统建模516.1建模原理和方法516.2温控系统数学模型526.3建模实验536.3.1系统响应特性536.3.2数据处理536.4本章小结557 PID控制算法的参数整定、仿真及选优567.1 PID控制器的基本原理567.2数字PID控制算法587.2.1位置式PID控制算法587.2.2增量式PID算法597.3 PID参数整定及其意义607.4常规PID参数整定方法及其仿真617.4.1仿真软件MATLAB/SIMULINK介绍617.4.2常规PID参数整定方法627.4.2.1 Ziegler-Nichols参数整定公式637.4.2.2改进Ziegler-Nichols整定公式(CHR)参数整定公式657.4.2.3最优PID整定公式667.4.2.4过渡过程响应法参数整定697.4.2.5鲁棒PID参数整定法707.4.3算法比较选优707.4.3.1延时环节对各PID参数整定方法的影响717.4.3.2抗干扰特性比较727.4.4系统鲁棒性比较与分析767.5本章小结798组态软件及PID算法的应用808.1组态软件的具体应用808.2 PID算法的具体应用848.3本章小结869 结论与展望87致谢88参考文献89攻读硕士学位期间参加科研项目和发表论文情况951绪论1.1课题的背景与研究意义随着我国经济发展及城市周边卫星城和小城镇的建设，市区范围不断扩大，城市人口不断增加，城市生活垃圾产量也呈逐年递增趋势。据国家统计部门调查，我国城市垃圾产生量以每年10%的速率递增1。我国大中城市年产垃圾1亿吨，绝大部分未经处理，堆积在城郊，堆存量已达到60亿吨，侵占土地面积5亿平方米2。城市垃圾已经成为中国最严重的公害之一。如何即时解决垃圾问题，已引起全社会的广泛关注。生活垃圾的处理应遵循减量化、无害化、资源化三原则，但国内生活垃圾热值低、含水量高、成分复杂，在坚持垃圾处理无害化这一基本原则的同时，如何把有限的资金用来最大限度地解决生活垃圾的“减量化”这一主要矛盾则是当前面临的最为急迫的问题。目前国内外广泛采用的城市生活垃圾处理方式主要有卫生填埋、高温堆肥和焚烧等，这三种主要垃圾处理方式的比例，因地理环境、垃圾成份、经济发展水平等因素的不同而有所区别。其中卫生填埋技术目前相对比较可靠，所需的建设投资也较小并可以回收部分沼气用于发电，但是卫生填埋的占地面积和垃圾的处理量是成正比的，在土地资源越来越宝贵的今天，这成为卫生填埋法进一步发展的主要障碍之一。另外，填埋处理时产生的渗滤液等有害物质会对水资源、大气、土壤等造成二次污染。而高温堆肥技术可靠，在国内的垃圾处理中已有相当的经验，主要问题就是建立一个稳定的堆肥市场比较困难，而且一些重金属可能随堆肥制品一起对水资源和土壤造成污染。垃圾焚烧处理相对于卫生填埋法、堆肥法而言，在减量化、无害化、资源化等方面具有很大优势。焚烧是目前世界各国广泛采用的城市垃圾处理技术，大型的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，正逐渐上升为焚烧处理的主流。用焚烧方式回收能量的垃圾处理技术在近20年来得到迅速的发展。国外工业发达国家，特别是日本和西欧，普遍致力于推进垃圾焚烧技术的应用，并产生了良好的环保效益和经济效益。国外焚烧技术的广泛应用，除得益于经济发达、投资力强、垃圾热值高外，主要在于焚烧工艺和设备的成熟、先进。世界上许多著名公司投入力量开发焚烧技术与设备，且主要设备与附属装置定型配套。目前国外工业发达国家主要致力于改进原有的各种焚烧装置及开发新型焚烧炉，使之朝着高效、节能、低造价、低污染的方向发展，自动化程度越来越高3。1.2 国内外垃圾焚烧发电现状及发展情况垃圾焚烧发电是指使用特殊的垃圾焚烧设备，以城市工业和生活垃圾为燃烧介质，在对垃圾进行焚烧处理的同时，利用其产生的能量发电的一种新型发电方式。它是把各种垃圾收集后，进行分类处理。其中：一是对燃烧值较高的进行高温焚烧（也彻底消灭了病源性生物和腐蚀性有机要物），在高温焚烧（产生的烟雾经过处理）中产生的热能转化为高温蒸汽，推动涡轮机转动，使发电机产生电能。二是对不能燃烧的有机物进行发酵、厌氧处理，最后干燥脱硫，产生一种气体叫甲烷，也叫沼气，再经燃烧，把热能转化为蒸汽，推动涡轮机转动，带动发电机产生电能。由于这种处理方式具有环境与经济双重效益，已被发达国家广泛采用。国外最早进行垃圾焚烧发电技术研究开发的是德国，随后英国、法国、美国、日本等国也积极开展了这方面的研究。德国目前已有50余座从垃圾中提取能量的装置及十多家垃圾发电厂，并且用于热电联产，有效地对城市进行采暖或提供工业用气。法国共有垃圾焚烧炉约300台，可将城市垃圾的40以上进行处理。美国从80年代起，政府投资70亿美元兴建90座焚烧厂，年总处理能力3OOO万吨。在日本已建1700家垃圾发电厂，在维也纳光市区就有9家垃圾发电厂。垃圾发电产生了良好的环保效益和经济效益，在国际上已成为保护资源且拉动环保产业的重要项目4。我国生活垃圾焚烧技术的研究和应用起步较晚，国内第一座垃圾发电厂于l988年深圳投产运行，处理垃圾量为450吨/天2。目前，制约我国提高垃圾焚烧技术的主要有：生活垃圾热值低；国内尚未系统掌握垃圾焚烧技术；建设投资难度大。我国城市垃圾中所含的可燃物、易燃物相对国外的城市垃圾要低得多。由于我国总体发展不平衡，城市生活垃圾焚烧发电在短期内不可能成为全国城市生活垃圾处理的主流。客观分析近几年我国城市垃圾构成变化，随着中国经济的飞速发展，人民生活水平的不断提高，城市生活垃圾产量也飞速增长，城市垃圾中可燃物、易燃物含量明显增加，热值显著增大，一般经过分类、分选等预处理后，垃圾热值已接近发达国家城市垃圾的热值。因此我国一些城市，尤其是在人口高度密集、土地资源紧张、垃圾热值较高的大中城市和沿海经济发达地区已具备了发展焚烧技术的条件。垃圾焚烧处理技术得到了大力发展，北京、深圳、上海、广州、宁波、温州、杭州、苏州、无锡、天津等经济发达城市已纷纷开始建设垃圾焚烧厂。国家环保总局在有关城市垃圾处理的文件中也确定在经济较发达、垃圾热值较高的地区推广焚烧法处理城市生活垃圾。其中天津双港垃圾焚烧发电厂每年无害处理生活垃圾40多万吨,为全市新增电力1.2亿千瓦时，其发电量相当于每年节约标准煤4.8万吨5，被建设部定为2003年我国垃圾发电领域唯一的国家级“科技示范工程”。采用垃圾发电的方式具有处理速度快、焚烧量大的特点，能节省大量的土地，因此极适合我国国情。城市生活垃圾焚烧发电将成为生活垃圾处理技术的主要趋势。1.3渗滤液及其处理技术简介中国城市生活垃圾的厨余物多、含水率高、热值较低，焚烧法处理垃圾时必须将新鲜垃圾在垃圾储坑中储存35天进行发酵熟化，以达到渗出水分、提高热值的目的，将此过程中渗出的水分称为“渗滤液”。 垃圾渗滤液中的成分比较复杂，主要是有机物污染物、氨氮磷、重金属等，是一种高污染、强恶臭的呈黄褐色或灰褐色污水，对于环境有极大的破坏力。国内外垃圾渗滤液的产生量有很大不同。由于国内外生活习惯的差异，国外垃圾中厨余物含量很少，比利时某垃圾焚烧厂处理能力为1000吨/天，垃圾渗滤液最大产量约为4吨/天，日常基本不产生渗滤液；而中国城市生活垃圾中厨余物含量很高，根据中科院广州能源研究所对深圳城市生活垃圾基础分析报告，深圳的部分垃圾焚烧厂的经熟化堆放排出渗滤液后的垃圾（即进入焚烧炉进行处理的垃圾）中厨余物含量在40%45%,含水率约50%，因此，中国城市生活垃圾的渗滤液产生量非常高，根据上海、深圳、宁波、珠海、苏州等不同地域城市统计数据，垃圾渗滤液的产量占垃圾总量的10%20%左右，平均为15%6。随着垃圾焚烧技术在中国的逐步推广，为防止焚烧过程中产生的“二次污染”，垃圾渗滤液必须经过处理达标后才能排放，因此渗滤液的处理技术受到国内环保界的广泛关注。目前主要的处理技术有6 7：（1）回喷法：将渗滤液回喷到焚烧炉进行高温氧化处理，平时将渗滤液集中在储存池内，当垃圾热值较高时，用高压泵将渗滤液加压经自动过滤器、回喷系统喷入焚烧炉进行处理，当垃圾热值较低时则停止。（2）反渗透法处理：反渗透法在处理高浓度、高盐份污水时已得到广泛应用，在城市生活垃圾填埋场渗滤液的处理中已有成熟的运行经验。目前国内有公司尝试引进德国技术运用于中国垃圾焚烧厂渗滤液处理。但焚烧厂垃圾渗滤液与填埋场渗滤液不同，有机物、悬浮物含量要高的多，反渗透浓缩液量也要比填埋场渗滤液大的多。一般来说二级RO系统处理填埋场渗滤液的浓缩比可达到10%，而运用于渗滤液处理时，经实验证明浓缩比最高只有50%。反渗透膜也极易污染中毒，膜组件更换频繁，而且预处理系统要复杂得多。反渗透法产生的浓缩液的处理是一个难点，填埋场渗滤液的浓缩液可以采用回灌填埋区进行处理，利用已填埋的垃圾吸附降解浓缩液中的重金属及有机物，而焚烧厂渗滤液用反渗透法处理产生的浓缩液还有50%以上，由于没有填埋场回灌的便利条件，回喷焚烧炉水量又太大，因此用膜处理法处理渗滤液的前提是解决浓缩液的处理问题。（3）生化处理：以生化处理方法去除渗滤液中主要污染物的工艺。目前研究较多的是氨吹脱+UASB+SBR，以及在此基础上增加臭氧氧化、混凝等工艺，较典型的是采用改进的填埋场渗滤液工艺混凝+氨吹脱+pH回调+厌氧滤池+SBR+臭氧消毒。但从众多研究单位的结果看，以生化法为主的工艺对渗滤液处理效果很差，微生物对渗滤液中高浓度污染物的降解能力很低，而吹脱出的氨又带来二次污染。截止到目前，以生化处理为主要处理手段的工艺仍然无法在渗滤液处理中得到应用。（4）化学氧化处理：采用Feton试剂氧化+氨吹脱+混凝沉淀+厌氧+SBR+ClO2氧化+活性炭吸附工艺处理渗滤液，该工艺实际主要是依靠化学氧化剂及活性炭吸附去除污染物。（5）CTB工艺处理：该工艺采用混凝+低温多效蒸发+氨吹脱+生化处理法，将COD为5000080000mg/l、氨氮为12002000mg/l的垃圾渗滤液处理达到国家二级排放标准。（6）其他处理工艺：除上述处理方法，目前进行的渗滤液处理的工艺研究还包括催化氧化法、湿式氧化法、电氧化法、光氧化法等，这些氧化法或由于催化剂极易中毒、或由于耗电量太大等均无法进入实际工业化阶段，在此不再介绍。1.4本文主要研究内容本文针对渗滤液焚烧发电开发了分布式监控系统，研究内容主要包括：1查阅大量的文献资料，学习、研究当前国内外的垃圾焚烧发电的理论与方法。2系统硬件设计与选型，根据工艺参数要求选择合理的传感器、泵、电机、PLC、变频器等。3 系统软件设计，选择合适的监控软件进行数据监测，并编程实时显示需求的监测数据，做出历史曲线，报警功能以及报表、打印功能。4 研究各种控制策略，利用实验设备测出锅炉温度控制系统的开环特性曲线，得出相应的传递函数，在给定PID参数的情况下，观察控制系统的过程曲线，应用MATLAB仿真软件对PID控制器进行仿真选优。2 控制系统工艺流程简介生活垃圾由城市环卫部门收集后用垃圾车运到电厂的垃圾仓。垃圾仓是对垃圾进行输送、中转、存放和处理的场所。原始的生活垃圾堆积密度约为0.5吨/立方米。在仓内堆积压实后，其堆积密度将增大到0.8-0.9吨/立方米3。城市生活垃圾进仓以后，要经过翻仓、堆垛、发酵，以便产生大量的渗滤液。当垃圾热值较高时，用高压泵将渗滤液加压经自动过滤器喷入焚烧炉进行处理，当垃圾热值较低时则停止。渗滤液进入炉内与空气混合后充分燃烧，因某些有机物的裂解需在高温下并有足够的停留时间才能完成，因此焚烧炉内设计温度和烟气停留时间分别保持在850 和35 s，使渗滤液中有害成份能在炉膛内充分裂解焚烧，而不至于产生二次污染1。由于我国国内还没有对垃圾从源头开始分类收集，造成垃圾成份复杂，分捡较困难。考虑到垃圾热值随来源、气候、季节等因素影响而变化较大，为达到稳定、高效、低污染焚烧的目的，目前国内采用的垃圾焚烧发电工艺大多利用燃煤作为辅助燃料来提高燃烧强度。随着我国环境保护工作的深入开展和城镇生活垃圾分类投放的逐步实施，垃圾热值将大大提高，可逐步实现纯垃圾燃烧发电的目标。本系统的工艺流程主要包括以下几个方面：垃圾由送料车运至储存仓，在仓内经过堆垛、发酵数天后产生大量渗滤液。该渗滤液含有大量的悬浮物和漂浮物，不能直接喷入焚烧炉，必须经过过滤及反冲装置将杂物去除，然后利用高压泵将渗滤液直接喷入炉膛高温焚烧。渗滤液流量和焚烧炉温度可以分别通过流量计和温度传感器测出，通过模拟量模块传给PLC，PLC利用控制策略对温度进行控制，并通过自由口与变频器进行通讯，从而根据炉温来控制电机和泵的转速，以达到控制流量的目的。为了避免垃圾储存仓中渗滤液原料灌的压力过大，利用压力传感器将当前压力值传送给PLC。当超过一定压力值时PLC通过报警装置发出报警，现场操作员利用减压阀进行调节，防止发生事故。同时将渗滤液原料灌的液位值利用液位传感器传送给PLC，以便进行进一步的监测。为避免垃圾库内臭气的无组织排放，给周围环境带来不良影响，采用焚烧炉的一次风机从垃圾库抽气送人炉膛焚烧，这样使垃圾库内保持负压，避免臭气外排。渗滤液高温焚烧中产生的热能由余热锅炉回收，通过余热锅炉的受热面，转化为高温高压蒸汽，驱动汽轮发电机，燃尽后进入灰渣坑。有毒的烟气则利用吸收塔回收净化，然后排入大气层。燃烧过程产生的灰渣则进行进一步的回收处理。具体工艺流程图如图2-1所示：图2-1 垃圾焚烧发电主要工艺流程图2.1垃圾焚烧炉的选型垃圾焚烧技术在世界上已经有了几十年的应用和发展，目前国内外用于焚烧垃圾的焚烧炉主要有3种：机械式炉排焚烧炉、循环流化床型焚烧炉和旋转窑型焚烧炉，其中使用最多的是机械式炉排焚烧炉8。2.1.1机械式炉排焚烧炉机械炉排焚烧炉技术成熟，运行可靠性高，容量大，对垃圾的适应性较强，可燃烧低热值高水分的垃圾，是当今世界垃圾焚烧的主导性产品，占世界垃圾焚烧市场份额的80%以上，适合于我国的垃圾处理9。机械炉排焚烧炉基本上有两大流派：往复式炉排焚烧炉和滚动式炉排焚烧炉，其共同的基本工作原理为：垃圾通过进料斗进入倾斜向下(或水平)的炉排，炉排分为干燥区、燃烧区和燃尽区，垃圾依次通过炉排上的各个区域，直至燃尽排出炉排。一次风机从炉排下部进入，达到冷却炉排和与垃圾混合的目的。燃烧后的烟气通过余热锅炉的受热面，产生过热蒸汽，同时冷却的烟气经过净化处理后排出。2.1.2循环流化床型焚烧炉循环流化床锅炉的主要炉型有3种：德国鲁奇公司的Lurig型、美国Foster Whoeler的Pyroflow型以及德国Babcock公司的Circofluid型10。循环流化床锅炉由于燃烧效率高，特别适合焚烧高水分低热值的垃圾，炉内温度能均匀地保持在800900 ，且循环流化床炉进料口位于燃烧区中部，处于一次循环的下降区，使物料降至床的底部与空气混合，增加了垃圾在炉内的焚烧时间，有利于垃圾中有害物质的分解1。作为垃圾焚烧处理的一种形式，循环流化床炉具有很多优点，但目前限于研制水平，只有规模较小的炉型。 2.1.3 旋转窑型焚烧炉旋转窑型焚烧炉可对各种状态的垃圾和工业废料进行焚烧处理， 焚烧的垃圾可在窑内高温段停留较长时间，使燃烧充分并消除有害物质，但由于垃圾处理量较小，目前采用的用户较少。 鉴于以上3种炉型的比较并结合我国的国情，我们选择机械炉排焚烧炉。2.2 本章小结本章主要介绍了渗滤液焚烧发电系统的工艺流程和3种主要的垃圾焚烧炉，并结合我国的国情选择了机械炉排焚烧炉。3 分布式监控系统简介及控制系统的总体方案3.1分布式监控系统技术现代工业过程对控制系统的要求并不局限于能实现基本的自动控制，还要求工业过程能长期处在最佳状态下运行。对于一个规模庞大、结构复杂、功能完备、因素众多的工程大系统，要解决的不是一个局部最优化的问题，而是一个整体的总目标函数最优化的问题，即所谓生产过程的综合自动化问题。为了实现工程大系统的最优化控制，大系统控制理论引入了“分解”和“协调”的设计原则。体现“分解”和“协调”设计原则的控制方案也就是递阶分级控制方案，即分布式控制系统，它是实现大系统综合控制的理想方案。3.1.1分布式监控系统的定义分布式监控系统又称之为集散控制系统(distributed control system),简称DCS。自从1975年Honeywell公司宣布了其世界上第一套集散控制系统(TDC2000 )诞生以来，工业控制自动化进人了一个崭新的时期。DCS以大型工业生产过程及其相互关系日益复杂的控制对象为前提，从生产过程综合自动化的角度出发，按照系统工程中分解与协调的原则研制开发出来的。它综合了计算机技术、控制技术、通信技术以及图形显示技术( 四C技术)。它以微处理机为核心，把微型机、工业控制计算机、数据通讯系统、显示操作装置、过程通道、模拟仪表等有机地结合起来，采用组装式结构组成系统，实现工程大系统的综合自动化。它不仅具有传统的控制功能和集中化的信息管理、操作显示功能，而且还有大规模数据采集、数据处理以及较强的数据通信能力，为实现高等过程控制和生产管理提供了先进的工具和手段11。3.1.2 DCS的基本结构DCS作为一种控制系统结构形式，其核心是分散采集控制，集中监视操作。虽然经过20多年的发展，但是其基本结构依然不变。分布式控制系统是一个进行集中管理和分散控制的生产控制系统，其管理任务由上位机完成，而控制任务由下位机完成。自70年代中期第一套集散控制系统问世以来，集散控制系统的技术日益成熟，己经在工业控制领域得到了广泛的应用，在计算机集成制造系统或计算机集成作业系统中，集散控制系统已成为主角，发挥着它们的优势。随着计算机技术的发展，网络技术已经使集散控制系统不仅主要用于分散控制，而且向着集成管理的方向发展，尤其是系统的开放性不仅使不同制造厂商的集散控制系统产品可以相互连接，而且使得它们可以方便地进行数据的交换，系统的开放性也使第三方的软件可以方便地在现有的集散控制系统上应用。集散控制系统不同于集中控制系统，它由多个微处理器组成的分布式控制系统，由分散的控制站来控制分散的生产部分，实现了功能、负荷和危险的分散，从而克服了集中型计算机控制系统的致命弱点，它也不同于分散的仪表控制系统，它的集中在于各操作员站可以进行生产监控，从而克服了二者的缺陷而集中了二者的优势，利用计算机技术对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制。集散控制系统一般主要由以下四部分组成12: (1)通信网络通信网络是管理计算机、操作站和现场I/O控制站之间的桥梁，完成现场I/O控制站、管理计算机、操作员站之间数据的传输。DCS系统中的通信网络不同于通用的计算机网络，它要保证在被控系统要求的时间内完成信息的传输，因此，通信网络的可靠性是影响DCS正常工作的重要因素，通常采用1:1冗余结构,热备份工作。(2)操作员站操作员站是由显示器、主机、键盘、鼠标等组成的人机系统，它为操作人员提供人机界面，实现集中监视、集中操作和集中管理。操作员可以通过操作员站及时了解现场运行状态、各种运行参数的当前值、是否有异常情况发生等，并对生产过程进行控制和调节，保证生产过程安全、可靠、高效。随着计算机技术的发展，采用通用化的PC计算机硬件和软件作为DCS的基础平台、具有开放性好、成本低、可维护性及上位机功能强等优点。操作员站的数量可根据实际需要配置，最少情况下能和管理计算机共用一个平台。(3)工程师站工程师站又称管理计算机，是集散系统的主机，习惯上称它为上位机。工程师站是对DCS进行离线配置、组态工作和在线系统监督、监控和维护的网络节点。工程师站通过通信网络综合监控全系统的各单元管理系统的所有信息，具有进行大型复杂运算的能力以及多输入、多输出控制能力，实现全系统的最优控制和优化管理。管理计算机数量较少，但功能强大，一般情况下一个DCS只需配备一台管理计算机。(4)现场控制站现场控制站是完成对过程现场I/O处理并实现直接数字控制的网络节点，由处理器单元、通讯接口和I/O卡以及现场端子板组成。部分DCS的处理器单元、通讯接口和I/O卡可冗余配置，并可带电插拔，所以现场I/O控制站具有很强的可靠性和维护性。它完成现场信号的数据采集和控制信号的输出，实现对生产过程的反馈、顺序和逻辑控制，并能协调生产过程，完成更高级的控制功能。有些集散控制系统产品在分散过程控制装置内又增加了现场控制装置和现场总线的通信系统；有些集散控制系统产品则在操作管理装置内增加了综合管理级的控制装置和相应的通信系统。这些集散控制系统使系统的分级增加，系统的通信系统对不同的装置有不同的要求，但是，从系统总的结构来看，还是由四大部分(有时将操作员站和管理计算机结合在一起，则成三部分)组成的。3.1.3分布式监控系统的特点集散控制系统能被广泛应用的原因是它具有优良的特性。与模拟电动仪表比较，它具有连接方便、采用软连接的方法连接容易更改、显示方式灵活、显示内容多样、数据存储量大、扩展能力强等优点；与计算机集中控制系统相比较，采用分布式结构形式, 它具有操作监督方便、危险分散、功能分散等优点，提高了系统长期连续运行的能力和抗干扰能力。分布式监控系统通过高速数据通信总线或者局域网把检测、操作、监控、管理等有机的连成一个有机整体，可以进行集中显示和操作，从而使系统组态和操作更加方便，并且大大提高了排除系统故障和调整操作的速度。分布式监控系统的处理器、内部总线、电源、控制用输入输出插件等采用双重配置，系统内部具有较强的自诊断功能。在现场接口、人机接口、控制器等环节采用了冗余技术，在主要控制回路还采用手动作为备份，大大提高了系统的可靠性。在总体结构上一般采用递阶结构。不同的应用对象将分布式控制系统和计算机一起组成管理控制集成系统，并划分为不同的层次，在各个层次上均有人机交互功能。具有丰富完善的监控功能和良好的性能价格比。3.2 DCS在我国应用现状13DCS系统在我国各行各业得到了广泛的应用。在石化企业，随着国际竞争的加剧，需要提高产品质量，降低人工成本和原材料消耗，必须提高自动化手段。在各石化企业无论新装置建设，还是老装置改造，DCS控制得到了普遍的应用。与此同时，先进控制手段的运用，也提高了企业的核心竞争力。因此，DCS成为从事石油化工过程控制专业技术人员的主要研究对象之一。目前我国市场上DCS主要供应商有十多家，市场占有为：Honeywell12.6%，新华控制10.1%，YOKOGAWA(日本横河电机)10.1%，北京和时利8.4%，ABB7.6%，EMERSON7.6%，IVENSYS6.7%，浙大中控6.3%，上海自仪1.5%，四联仪器仪表1.5%，浙江威盛0.8%，其它25.3%。以新华控制工程有限公司，北京和时利和浙大中控为代表的我国自主知识产权的DCS系统，在系统功能，应用软件，开放性等方面与国外系统进行竞争，在某些领域取得了可观的业绩。但是在国民经济各主要领域，特别是大型工程的控制方面，基本上还是国外系统占主导地位。石化行业是DCS应用较早和普遍的领域。根据2001年的数据，石化领域中DCS订购的金额占总金额的13.6%,该领域几乎全部采用国外系统。在石化领域Honeywell和YOKOGAWA的DCS在市场处于领先地位。3.3 分布式监控系统的要求渗滤液焚烧发电过程是不间断的连续生产运行过程，只有在事故情况下才允许短时间停止生产。工艺过程在控制系统中应视为大滞后、非线性的慢过程，如炉膛温度的控制。针对这个工艺监控系统应该实现对各泵站设备的监测、控制功能，实时监控泵站运行状态以及原料罐的液位、压力，炉膛温度等运行参数，接收故障报警信息、通过智能终端设备下达控制信号(现场手动优先)，并具有分级报警功能、操作权限管理功能、报表统计和打印功能等。具体要求如下:运行方式:自动运行和手动操作相结合，实现对现场的自动监测与控制。用户界面:系统提供友好界面和方便易用的控制、在线帮助。实时监控:动态监测作业流程，动态显示流程画面、自动监测设备的开关、温度、压力、流量等相关参数。报警功能:系统有自动报警的功能，并能记录故障时间、原因等信息。打印输出:系统能定时或实时打印报表，报表包括报警信息、故障信息、系统运行信息、操作员操作等信息。保存数据:系统具有自动保存数据和与其它应用程序交换数据的功能。3.4 系统总体方案根据系统工艺特点和系统要求，系统的整体设计分为检测仪表与执行机构、操作员站、工程师站几个部分。图3-1 系统总体方案示意图用于检测压力、液位、流量、温度的仪表选择了性能稳定的智能仪表。操作员站采用控制开关，工程师站采用工业PC结合组态软件实现实时监控以及参数的修改。具体情况将在下面两章介绍。系统的通讯采用传统的串口方式，将系统有机的结合在一起，使系统具有充分的开放性、扩展能力，同时保证系统具有强大的计算功能和先进的监视、控制功能。3.5 本章小结 本章主要介绍了分布式监控系统的定义、结构及其特点，并提出了监控系统的功能与要求，按照整个工艺流程给出了系统的总体方案。4 监控系统硬件设计与选型4.1中央监控机根据用户要求为使系统经济、可靠、并能长期稳定运行，控制级采用研华IPC-610型工业控制计算机作为上位机。PC机箱加固防磁、防震，应用模块化结构，便于安装、维修及更换。21英寸平面直角显示器，CPU为英特尔奔腾3处理器，CPU主频1000MHz，1280X1024高分辨率，128M内存，40G硬盘(SCSI接口)，52倍速光驱，标准键盘及鼠标，3.5英寸软驱。4.2液压泵和电动机的选型 液压泵是将原动机的机械能转换为液压能的能量转换元件，在液压传动中，液压泵作为动力元件向液压系统提供液压能。液压泵主要分为齿轮泵、叶片泵、柱塞泵、螺杆泵。本系统要求进行回喷，因此选择齿轮泵。齿轮泵是液压系统中应用最广泛的液压泵，一般做成定量泵，分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵，其中外啮合齿轮泵应用最广。齿轮泵一般具有以下优点14：1、齿轮泵体积小，重量轻，结构简单，制造方便，维修容易，价格低廉；2、齿轮泵可靠性好； 3、齿轮泵对油液污染不敏感，因此可以用在外界条件差的地方；4、齿轮泵自吸性能好，转速低至300400r/min 时仍能稳定、可靠地实现自吸。按照日处理渗滤液480吨计算，该系统共有四个原料罐，并且焚烧炉24小时工作，因此每个原料罐每小时处理5吨左右的渗滤液。由于渗滤液的密度与水差不多，按照水的密度计算得： (4.1)式中：为每一个原料罐的流量为每一个原料罐一天处理渗滤液的总量若泵的转速n为1500则泵的排量应为： (4.2) 根据齿轮泵的流量我们选择了江苏靖江市博力泵业制造有限公司的CB-B型齿轮泵，具体型号为CB-B100,技术参数如下：表4-1齿轮泵技术参数表为了能够使泵正常工作必须选择相应的电动机作为驱动。常用的交流电动机有三相异步电动机和同步电动机。由于异步电动机结构简单，容易维护，运行可靠、价格便宜，具有较好的稳态和动态特性，是工业中使用最广泛的一种电机，因此我们选择了异步电动机。 系统要求泵的扬程为20米，则泵每小时克服渗滤液的势能所作的功W应为 (4.3)功率P应为 (4.4) 由于液体在流动过程中会有管道阻力，因此电动机除了驱动泵和克服渗滤液势能以外，还有一部分的功率用于克服管阻。综上所述，我们选择无锡通达电机制造有限公司的Y系列（IP44）三相异步电动机，外壳防护等级为IP44，其结构能防止灰尘，铁屑或其它飞溅物体侵入机体内部。具有体积小、重量轻、电气性能良好、经济指标先进等优点，而且结构牢固、使用方便，易于维修。具体型号为Y160M-4，其技术条件如下：（1）额定电压：380伏 （2）额定频率：50赫兹（3）防护等级：IP44 （4）工作方式：连续S1（5）接法：接法（6）绝缘等级：B级（7）工作条件：环境温度不超过40，相对温度不超过95%。其技术数据如下：表4-2电动机技术数据4.3 传感器的选型4.3.1 传感器选型原则过程控制系统中，信号采集作为系统的前端在整个系统中起着举足轻重的作用，传感器选择的好坏直接关系到整个系统的成功与失15-16。为了对介质相关参数进行精确测量，一般说来，传感器的选择应当遵循以下一些原则:1、精确度:传感器的精确度反映了传感器的检测值和被测对象的实际值之间的吻合程度，从理论上说，精确度越高越好。2、灵敏度:一般来说，传感器的灵敏度越高，越能够捕捉到被测量的细微变化，即传感器对外界的感知能力越强，但是，应用系统中的干扰信号也容易进入传感器，对测量值也有很大的影响，因此，对灵敏度的选择要适中，以达到最佳信噪比为原则。3、可靠性:工业控制用的传感器一般是长时间使用，并且周围环境可能比较恶劣，干扰较大，因此，要保证传感器在一定的工作环境内长期可靠的运行，稳定性要好。4、响应特性:传感器的响应特性必须在所测频率范围内保持不失真，另外它的响应时间应该越短越好。5、其它:在传感器的选择上，除了以上要求以及安装方式，经济性，结构简单，维护方便外还要考虑传感器现场的易于更换部件等等。4.3.2 温度测量及传感器选型温度是热力生产过程中的重要参数，在本节中将重点谈谈温度的测量方法以及传感器的选型。1.温度的测量原理温度的测量一般有以下一些原理17： (1) 利用金属成半导体电阻与温度的关系，由于铂、铜等金属导体的电阻值随着温度变化而相应的产生变化，可以做成铂热电阻等；(2) 利用热点效应，当两种不同的金属导体在两个端点被固定时，如果导体本身温度发生变化，两接点产生温差时，将在导体两端形成电势差，利用这种原理可以制作出热电偶温度计；(3) 利用温度与物体热膨胀的关系，不论是固体、液体还是气体，当温度发生变化时，其体积将发生改变，利用这种原理，可以制作出诸如双金属温度计、水银温度计、压力表式温度计等；(4) 利用物体的辐射能与温度的关系，任何物体都将向周围发射热辐射，并且该能量与温度存在一定的关系，利用该原理可以制作出一些非接触式的温度传感器，如红外测温计，光电高温计等。2 温度测量的方式温度的测量方式目前主要有接触测温方式和非接触测温方式两种。接触法测温时，仪表的感温元件和被测量介质直接接触，测量方法比较简单并且直观，可靠性较高，基本上能较准确的测量介质的温度，目前该方法也是应用最普遍的。但由于感温元件和介质直接接触，将对介质的温场造成一定的影响，使其发生改变，从而带来测量上的误差，这些在实际应用中也应当加以考虑。非接触式测温法基本根据被测物体的热辐射，按其亮度或辐射能量的大小，间接推算被测物体的温度，该方法不会对测量介质本身造成任何影响，在一些高温环境或者测量介质对自身的特性要求比较高的场合应用较广18。3 典型温度传感器了解各种温度传感器知识，将给后期的选型带来诸多的好处，在此我们将重点介绍几种常见的温度传感器19。 (1)热电阻，热电阻感温元件的电阻值随着温度的变化而变化，并将该电阻值的变化转化为电压等信号，传输给显示仪表，便可得到温度的变化值。在所有的温度传感器中，热电阻的准确率最高，输出信号大，灵敏度也高，测温范围广，不需要冷端补偿，但是，热电阻温度计的结构一般比较复杂，尺寸比较大，响应时间长，对于测量体积小的物体不适合。常见的热电阻有铂电阻、铜电阻和镍电阻等。(2)热电偶，由于制作热电偶的两种金属材料的电子数密度不同，当温度发生变化时，金属材料中的自由电子就会产生电子的热扩散，自由电子从高温端扩散到低温端，并在低温端堆积起来，形成电势差，利用该电势差，就可以测量出温度的大小。热电偶温度计的测量比较准确，但其准确度要比热电阻温度计低，一般需要冷端补偿。(3)红外探测器，将红外辐射转变成电量，通过对电量的测量从而得到较准确的温度值。红外探测器测量温度时不用接触被测量物体，可以进行高温测量，在不方便使用接触式温度传感器的地方得到充分应用。4 STTT-B系列温度传感器在本系统中,由于被测量物体焚烧炉工作时处于静止状态，因此采用接触式传感器测量其温度并且所测得的数据送入PLC模拟量输入模块中。根据工艺要求以及多种因素的考虑，本系统采用北京赛亿凌科技有限公司STTT-B系列温度传感器。该传感器具体型号为STTT-BP-AK-B10-C500-D2-N4-PII-T10-S8。它采用不锈钢外壳封装，顶部为铝质接线盒，具有防暴、抗振、抗压等良好特性,广泛应用于电力、石化、烘炉等大型机械设备的温度测量。其技术指标及参数如下测量范围：01000基本误差：0.25%热响应时间：24S供电电源：24V DC 温度漂移：0.015%/相对湿度：95% 防爆等级：dIIBT4 保护材料：0Cr25Ni204.3.3 压力测量及传感器选型压力是过程控制中一个重要的参数，在化工、冶金、轻工等工业部门占有重要的地位。压力的测量一般采用液柱式、活塞式、弹性式和弹性振动式等方式进行；其中，液柱式、活塞式和弹性式都是利用一种平衡状态进行测量20。本系统选择了北京欧瑞特科技有限公司的ORT-10压力传感器。ORT-10压力传感器具有精度高、抗冲击、耐震动（振动?）、高稳定性、小体积、防水等特点。其基本性能指标为：量程:00.5MPa零点输出:1mV 输入电压:10V DC 非线性: 0.1% F.S 重复性: 0.08% F.S 零点温漂:0.008%FS/允许超载：1.21.5倍额定压力满量程输出:15mV使用温度: - 55150灵敏度温漂:0.008%FS/零点稳定性:0.2% F.S/年迟滞: 0.05% F.S4.3.4液位测量及传感器的选型 在本系统中液位是重要的过程变量之一，液位的测量方式可以分为直读式、浮力式、电气式、声波式等。由于每个原料罐的高度大约为3米，系统选择了北京金泰星测控技术有限公司的DFL系列液位传感器，它具有高精度，高稳定性，高可靠性，寿命长，功耗低，性能价格比高，隔离防爆，数字化显示，操作简单等特点。其具体技术参数如下：量程范围：50-6000mm防爆类型：隔离防爆型界面测量：双浮子电气连接：电缆导线连接温度测点：五个温度点外管类型：刚性杆结构测杆材料：316不锈钢输出形式：420mA4.3.5流量测量及传感器的选型 流量是本系统中的重要过程变量，为了获得其准确的测量值本系统选择了北京瑞利威尔科技发展有限公司的LWGY型涡轮流量传感器，该传感器是一种精密液体流量仪表，精度可以达到0.2%FS，广泛用于石油、化工、冶金、供水、造纸、科研等领域的计量与控制。对于系统总流量选择LWGY-50型流量传感器,其主要技术指标为：流量范围：4-40立方米/时环境温度：-2050 介质温度：-20120 输出电压幅值：高电平8V,低电平0.8V 供电：脉冲信供电DC12V10 电流：10mA, 电流420MA输出，供电24VDC 公称通径：50mm最大工作压力：6.3MPa安装形式：螺纹/法兰精度：0.2%FS对于每一个原料罐流量的测量选择LWGY-15型流量传感器，其最大工作压力力6.3 MPa，流量0.6至6立方米/时，安装形式为螺纹。4.4可编程控制器的原理及选型4.4.1可编程控制器概述可编程控制器，简称PLC，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计21-22。PLC有多种编程语言：梯形图语言、助记符语言、逻辑功能图语言、布尔代数语言和某些高级语言（如Basic、C语言等）。目前，各种品牌的PLC都要自己的编程支持工具软件和编程组态工具。自1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台PLC以来，经过30多年的发展，PLC在美国、欧洲、日本等工业发达国家己成为重要产业。当前，PLC在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品，用PLC设计自动控制系统己成为国际潮流。在未来的工业生产中，PLC、机器人和CAD/CAM构成了现代工业控制的三大支柱，被广泛地应用于机械、冶金、化工、交通、电力等领域中。 PLC之所以高速发展，除了工业自动化的客观需求外，还有许多独特的优点。它较好的解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。其主要特点如下23：（1）可靠性高、抗干扰能力强。PLC是专为工业控制而设计的，可靠性高、抗干扰能力强是它最重要的特点之一，PLC平均故障间隔时间可达几十万小时。它的循环扫描工作方式能在很大程度上减少软故障的发生，采用冗余技术增强了系统的可靠性，一些高档的PLC采用双CPU并行工作，即使一个CPU出故障，系统也能正常工作。除此以外，PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。硬件方面：隔离，在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离抑制外部干扰源对PLC的影响，防止外部高电压对CPU模块的冲击。滤波，对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，抑制高频干扰，用导磁材料屏蔽CPU模块。有些模块还设置了连锁保护、自诊断电路等。软件方面：设置故障检测与诊断程序。当出现软故障时，立即把现状态重要信息存入指定存储器，软硬件结合封闭存储器，禁止对存储器进行任何不稳定的读写操作，以防止存储器信息被冲掉。这样，一旦外界环境正常后，便可以恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。（2）编程简单、使用方便。目前大多数的PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。一些PLC还根据具体问题设计了诸如步进梯形指令、功能图及功能指令等，进一步简化了编程。（3）设计、安装容易，维护工作量少，功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。PLC已经实现了产品的系列化、标准化和通用化，在设计、安装、调试和维修等方面，表现出了明显的优越性。（4）丰富的I/O接口模块为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，控制能力极强、扩展及与外部联接极为方便，系统的规模和功能可根据用户的需要进行组合。另外，为了提高操作性能，它提供多种人-机对话的接口模块以及通讯网的接口模块，为组成工业局部网络奠定了基础。随着技术的发展和市场需求的增加，PLC的结构和功能也不断改进，生产厂家不断推出功能更强的PLC新产品，平均35年就更新换代一次。现代PLC的发展有两个主要趋势：其一是向体积更