廢液焚燒處置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

胡 琦，于淑芬，林 川

（1.北京機(jī)電院高技術(shù)股份有限公司，北京 100027；2.華油北京服務(wù)總公司，北京 100724）

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢水和廢液，其中大部分都可以采用常規(guī)的生化或物理方式處理，而對(duì)于部分屬于危險(xiǎn)廢物范疇的高濃度廢水和廢液，傳統(tǒng)的方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)其無(wú)害化處理，焚燒處理方式的應(yīng)用對(duì)此問(wèn)題的解決提出了一個(gè)可選方案。危險(xiǎn)廢物的焚燒處置是指通過(guò)焚化燃燒危險(xiǎn)廢物使之分解并無(wú)害化的過(guò)程[1]。國(guó)家針對(duì)焚燒處理過(guò)程提出了具體全面的規(guī)范和要求。然而目前一些正在運(yùn)營(yíng)的焚燒處置系統(tǒng)受限于陳舊的控制方式，其處理過(guò)程和排放標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。電氣設(shè)備的操作在控制臺(tái)上通過(guò)手動(dòng)按鈕執(zhí)行動(dòng)作，對(duì)電機(jī)、泵的運(yùn)行狀況的判斷只能通過(guò)巡檢記錄才能得到；數(shù)量眾多的二次儀表安裝在電氣柜面板，很難在第一時(shí)間判斷焚燒處置系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；重要的工藝參數(shù)僅依靠經(jīng)驗(yàn)逐個(gè)手動(dòng)調(diào)整，無(wú)法兼顧整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定；不能及時(shí)獲得突發(fā)的報(bào)警事件信息，對(duì)解決出現(xiàn)的問(wèn)題缺乏指導(dǎo)性等等，從而給系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)諸多不必要的資源耗費(fèi)，無(wú)法保障系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定和可持續(xù)性，在安全方面也存在很大的隱患。

本設(shè)計(jì)以自動(dòng)化控制系統(tǒng)為研究主體，結(jié)合焚燒處置系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行的特點(diǎn)，進(jìn)行焚燒裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而達(dá)到提升廢液焚燒裝置的生產(chǎn)效率、提高安全性能、減少人員及耗費(fèi)的目標(biāo)，從而改善以往的較為傳統(tǒng)的勞動(dòng)密集型且無(wú)計(jì)劃規(guī)律的作業(yè)方式。

1 焚燒處置系統(tǒng)簡(jiǎn)介

焚燒處置系統(tǒng)中包括進(jìn)料、焚燒主體、余熱鍋爐、換熱器、省煤器、引風(fēng)機(jī)和煙囪七個(gè)部分。

廢液通過(guò)輸送泵由壓縮空氣霧化后將物料入爐焚燒。焚燒爐溫度＞900℃，廢液中的有毒有害物質(zhì)被完全分解。焚燒后的煙氣依次進(jìn)入鍋爐、換熱器和省煤器完成余熱回收利用，通過(guò)省煤器后的煙氣溫度下降至130℃左右，經(jīng)過(guò)引風(fēng)機(jī)導(dǎo)入煙囪排放?？刂葡到y(tǒng)PID簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 焚燒處置系統(tǒng)PID簡(jiǎn)圖

為提高焚燒處置系統(tǒng)的效率以及安全性、改變低效傳統(tǒng)的操作方式，需針對(duì)焚燒處置過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行管控，在把握焚燒處置系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中關(guān)鍵參數(shù)的技術(shù)上，通過(guò)各種調(diào)節(jié)方式，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本裝置的控制系統(tǒng)的下位選用可編程邏輯控制系統(tǒng)予以實(shí)施，對(duì)工藝要求的各種參數(shù)采用相應(yīng)的方式加以控制。配備高品質(zhì)的下位產(chǎn)品，為控制系統(tǒng)搭建穩(wěn)定高效的硬件基礎(chǔ)；上位系統(tǒng)選用成熟的HMI軟件予以實(shí)施，對(duì)焚燒裝置分系統(tǒng)分功能、分界面進(jìn)行組態(tài)，配合操作習(xí)慣以及生產(chǎn)過(guò)程控制進(jìn)行上位軟件設(shè)計(jì)。

2.1 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

焚燒處置系統(tǒng)的控制系統(tǒng)由PLC控制單元和人機(jī)界面組成。PLC（可編程邏輯控制器Programmable Logic Controller）是一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。人機(jī)界面（HumanMachine Interaction，簡(jiǎn)稱HMI），是操作人員與計(jì)算機(jī)之間傳遞、交換信息的對(duì)話接口，它實(shí)現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。凡參與人機(jī)信息交流的領(lǐng)域都存在著人機(jī)界面。

在焚燒處置裝置控制系統(tǒng)下，操作人員可實(shí)現(xiàn)在人機(jī)界面對(duì)焚燒處置裝置實(shí)施操作和管理。利用鼠標(biāo)和鍵盤在工控機(jī)屏幕上選擇對(duì)應(yīng)畫面，進(jìn)入畫面執(zhí)行對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況監(jiān)控、參數(shù)調(diào)整以及對(duì)用電氣設(shè)備（電機(jī)、水泵、閥等）的操作等工作。PLC通過(guò)其內(nèi)部程序的執(zhí)行，對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集和處理，PLC監(jiān)控系統(tǒng)采集處理線內(nèi)的工藝數(shù)據(jù)，控制處理線內(nèi)的設(shè)備，協(xié)調(diào)處理線內(nèi)的工藝過(guò)程 ；單體監(jiān)控系統(tǒng)具有手動(dòng)、自動(dòng)兩種運(yùn)行模式；設(shè)置就地控制操作界面，用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制和系統(tǒng)調(diào)試；主要機(jī)械設(shè)備設(shè)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制（通過(guò)機(jī)側(cè)控制箱）、自動(dòng)控制（通過(guò)處理線控制系統(tǒng)）。PLC程序?qū)⒉杉降男盘?hào)處理成可讀取的信息，通過(guò)與上位的數(shù)據(jù)交換，直觀地反映到屏幕上，提供讀取、寫入和存檔等服務(wù)；自動(dòng)程序可以將現(xiàn)場(chǎng)采集到的實(shí)際信號(hào)收集并處理，做出判斷，并將結(jié)果進(jìn)行輸出，完成對(duì)所需工況的自動(dòng)執(zhí)行功能。上位和下位結(jié)合，組成焚燒處置裝置的控制系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.2 下位架構(gòu)的設(shè)計(jì)以及應(yīng)用

焚燒處置系統(tǒng)下位為PLC控制系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)由信號(hào)輸入元件、輸出執(zhí)行器件、顯示器件和PLC構(gòu)成。因此，PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，就包括這些器件的選取和連接[2]。

控制系統(tǒng)下位選用西門子S7-300PLC，硬件構(gòu)成包括通訊處理器、電源模塊、CPU（中央處理器）、數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊和接口模塊等。根據(jù)焚燒處置系統(tǒng)控制要求選取匹配的模塊，搭建硬件構(gòu)成如圖3所示。

圖3 PLC硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)

搭建硬件結(jié)構(gòu)，對(duì)編程軟件中找到的模塊進(jìn)行組態(tài)，將模塊地址和實(shí)際地址對(duì)應(yīng)并予以定義。執(zhí)行保存和下載功能，完成PLC硬件組態(tài)。硬件組態(tài)完成后，進(jìn)入程序編寫區(qū)域，編寫程序。編程即是對(duì)PLC采集到的信號(hào)進(jìn)行處理的過(guò)程，通過(guò)軟件程序的執(zhí)行，將信號(hào)轉(zhuǎn)換成可讀的、可參與控制過(guò)程的信息。

對(duì)于需參與控制過(guò)程的信號(hào)，由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的任務(wù)來(lái)看，控制系統(tǒng)包含有順序控制系統(tǒng)（SCS）和模擬量控制系統(tǒng)（MCS）。

這兩個(gè)譯本的翻譯間隔差了將近半個(gè)世紀(jì)，而這期間，正逢我國(guó)經(jīng)歷了很多經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域重大變革的時(shí)期，經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)決定了上層建筑的改變也是不可避免的。隨著與國(guó)外聯(lián)系的日益密切，以及人民本身對(duì)外國(guó)事務(wù)的了解的熟悉度增長(zhǎng)，那么在處理“文化缺省”現(xiàn)象時(shí)，對(duì)不同譯者所采取的不同翻譯策略進(jìn)行研究是非常有趣也非常有必要的。

順序控制系統(tǒng)（SCS）用于相關(guān)設(shè)備啟動(dòng)/停止，以完成設(shè)備級(jí)、功能組級(jí)、系統(tǒng)級(jí)設(shè)備的控制。功能組被定義為焚燒系統(tǒng)的某個(gè)功能設(shè)備組。對(duì)所設(shè)計(jì)的功能組進(jìn)行自動(dòng)順序程控，目的是為了在設(shè)備啟、停時(shí)減少操作人員的常規(guī)操作，減少操作人員勞動(dòng)量、勞動(dòng)強(qiáng)度；增加操作的可靠性、及時(shí)性；減少成本；延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。順序控制是按命令的邏輯順序進(jìn)行的，每步都有控制檢查。在正常運(yùn)行時(shí)，順序一旦啟動(dòng)就自動(dòng)直至結(jié)束。在順序過(guò)程中每一步都有指示，在此步成功完成后自動(dòng)消失。順序是否完成設(shè)有不同的指示，通過(guò)聯(lián)鎖、聯(lián)跳等功能來(lái)保證被控對(duì)象的安全。運(yùn)行人員可在界面上操作每一個(gè)被控對(duì)象。手動(dòng)操作有許可條件，以防誤動(dòng)作，并且存有操作記錄，對(duì)重要設(shè)備加有操作密碼，使操作人員具有操作的權(quán)利和責(zé)任。

自動(dòng)投料、燃燒器和油泵聯(lián)鎖、燃燒器大小火自動(dòng)調(diào)節(jié)屬于順序控制項(xiàng)目。以燃燒器和油泵聯(lián)鎖順控項(xiàng)目為例：只有當(dāng)油泵開(kāi)啟的時(shí)候才允許燃燒器風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，用于保護(hù)燃燒器的運(yùn)行安全。PLC順控執(zhí)行如圖4所示。

圖4 燃燒器順控項(xiàng)目程序

燃燒器供油油泵的運(yùn)行信號(hào)是程序執(zhí)行的允許信號(hào)，只有當(dāng)程序執(zhí)行允許信號(hào)時(shí)，燃燒器的啟動(dòng)、停止動(dòng)作才能執(zhí)行。

模擬量控制系統(tǒng)（MCS）用于滿足系統(tǒng)安全啟、停及調(diào)溫、定壓、尾氣凈化等運(yùn)行的要求。調(diào)節(jié)系統(tǒng)劃分為若干子系統(tǒng)， 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵守“獨(dú)立完整”的原則，以保持?jǐn)?shù)據(jù)通訊總線上信息交換量最小。調(diào)節(jié)的基本方法是直接并快速地響應(yīng)代表負(fù)荷或能量指令的前饋信號(hào)，并通過(guò)閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行靜態(tài)精確度和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整。每一調(diào)節(jié)裝置均有手/自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。調(diào)節(jié)系統(tǒng)監(jiān)視設(shè)定值與被控變量之間的偏差和輸出信號(hào)與調(diào)節(jié)閥門位置之間的偏差，當(dāng)偏差超過(guò)預(yù)定范圍時(shí)，系統(tǒng)將調(diào)節(jié)切換至手動(dòng)并報(bào)警。

爐膛壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)、爐膛出口氧含量自動(dòng)調(diào)節(jié)、鍋爐鍋筒自動(dòng)補(bǔ)水都屬于模擬量控制系統(tǒng)。以爐膛壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)為例：維持爐膛內(nèi)穩(wěn)定的負(fù)壓是保證整個(gè)焚燒處置系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要條件之一。模擬量控制執(zhí)行如圖5所示。

圖5 爐膛負(fù)壓?？仨?xiàng)目示意

負(fù)壓調(diào)節(jié)采用的是PID調(diào)節(jié)方式，定義LMN_HLM和LMN_LLM給定PID的上限和下限值，通過(guò)定義SP_INT賦予一個(gè)給定值，PV_IN為反饋值。運(yùn)算塊以給定值（理想壓力）為目標(biāo)，通過(guò)和反饋值（實(shí)際壓力）的比對(duì)，調(diào)節(jié)輸出值（引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速），從而達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)壓的效果。在調(diào)整過(guò)程中，P參數(shù)和I參數(shù)的選擇和參數(shù)調(diào)節(jié)對(duì)PID調(diào)節(jié)要求輸出的影響很大。就爐膛壓力調(diào)節(jié)而言，PID參數(shù)的調(diào)整直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.3 上位設(shè)計(jì)以及應(yīng)用

控制系統(tǒng)的上位即人機(jī)界面，組成包括工控機(jī)主機(jī)、顯示器和組態(tài)軟件，通過(guò)編程軟件的實(shí)施，將處置裝置系統(tǒng)的信息直觀反映出來(lái)，為運(yùn)行狀態(tài)提供依據(jù)。

數(shù)字量的輸入和模擬量的輸入用以對(duì)畫面組件中繪制的控件、圖形等進(jìn)行動(dòng)態(tài)連接，雙擊連接對(duì)象，在動(dòng)態(tài)變量中選取對(duì)應(yīng)的變量，在動(dòng)態(tài)選項(xiàng)中選擇變量執(zhí)行時(shí)在上位機(jī)屏幕上的顯示狀態(tài)。從而完成輸入量在人機(jī)界面上的定義。同樣，數(shù)字量和模擬量的輸出也要先完成變量在控件上的連接過(guò)程。在完成變量連接后，數(shù)字量變量（如按鈕）需編輯其執(zhí)行動(dòng)作的屬性（如按下左鍵時(shí)，將變量置位為1，釋放左鍵復(fù)位為0等）。模擬量輸出需定義可輸出值的范圍，在遠(yuǎn)程手動(dòng)控制閥門開(kāi)度的時(shí)候常用到這個(gè)功能。

焚燒處理量是焚燒處置系統(tǒng)的一個(gè)重要考核指標(biāo)。利用上位的累積功能可以實(shí)現(xiàn)處理量的累加計(jì)算，有利于對(duì)廢物處置統(tǒng)籌管理并合理分配資源。進(jìn)入項(xiàng)目中基本應(yīng)用的運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)，選擇內(nèi)部模擬變量，新建兩個(gè)變量并保存（供計(jì)算時(shí)調(diào)用）。同樣在運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇計(jì)算功能，在該功能下新建變量，定義變量名稱，從計(jì)算類型中選擇所需的計(jì)算功能，參照計(jì)算參數(shù)的方式，將需要應(yīng)用的參數(shù)選擇填入各個(gè)選項(xiàng)（如圖6所示），修改保存即可得到累加值。但是變量設(shè)定累積時(shí)間為每秒累加，若此模擬量從PLC反映的時(shí)間單位為小時(shí)，則還需給定一個(gè)3600（秒）的常數(shù)，用當(dāng)前值除以3600后得到日累加值，時(shí)間單位為天。在畫面編輯窗口下，從組件箱中選擇文本變量繪制于畫面上，雙擊組件（或者右鍵選擇基本屬性），點(diǎn)擊動(dòng)態(tài)選項(xiàng)下的動(dòng)態(tài)變量框后彈出變量選擇對(duì)話框，在對(duì)話框中選擇經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后的變量，保存畫面即完成了變量日累加值的編輯和顯示。

圖6 編輯上位計(jì)算功能圖示

2.4 上位和下位的連接和通訊

對(duì)于通訊連接，選用工業(yè)用交換機(jī)將PLC和工控機(jī)實(shí)行連接。在PLC編程軟件的硬件組態(tài)中設(shè)置PLC的IP地址和子網(wǎng)掩碼，保存并下載至PLC中。在上位組態(tài)程序中，將對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品PLC型號(hào)選定，并安裝產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)安裝完成后，進(jìn)入基本應(yīng)用下的設(shè)備數(shù)據(jù)表，將參數(shù)定義分類，將各設(shè)備號(hào)對(duì)應(yīng)的參數(shù)組中的本地參數(shù)和遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置對(duì)應(yīng)為工控機(jī)的IP地址和PLC對(duì)應(yīng)的IP地址，然后進(jìn)入設(shè)置運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)，定義數(shù)據(jù)庫(kù)的規(guī)模和參數(shù)，新建變量屬性和PLC變量對(duì)應(yīng)，由此完成上下位之間的通訊連接。運(yùn)行上位組態(tài)軟件，經(jīng)PLC處理后的變量在上位組態(tài)的畫面中顯示出來(lái)。

3 結(jié)語(yǔ)

焚燒處置系統(tǒng)自動(dòng)化控制的目標(biāo)是采用簡(jiǎn)潔通用的方式對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性給予有力的保障和支持。就控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上而言，在信號(hào)一進(jìn)入控制系統(tǒng)時(shí)，PLC即通過(guò)設(shè)定的程序?qū)﹃P(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行處理，該過(guò)程不需操作人員參與，通過(guò)程序設(shè)定的比對(duì)、運(yùn)算等操作，將動(dòng)作直接反饋至焚燒處置設(shè)備，并將狀態(tài)傳輸至顯示器上，提供系統(tǒng)信息。從而在控制系統(tǒng)的起點(diǎn)保障關(guān)鍵點(diǎn)的自動(dòng)實(shí)時(shí)。人機(jī)界面上獲取的信息提供直觀的焚燒運(yùn)行狀態(tài)，操作人員根據(jù)實(shí)際情況對(duì)處置裝置各設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行把握，實(shí)施管理。

從運(yùn)行的實(shí)際效果來(lái)看，PLC中的內(nèi)部聯(lián)鎖程序，以及運(yùn)行系統(tǒng)異常情況的報(bào)警提示能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定、維護(hù)設(shè)備運(yùn)行的安全。上位組態(tài)畫面簡(jiǎn)潔、直觀，能夠清晰地反應(yīng)設(shè)備的工作狀態(tài)，便于現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行對(duì)工況的判斷和設(shè)備的操作。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表、報(bào)警報(bào)表和歷史曲線分析，為生產(chǎn)管理人員對(duì)焚燒爐運(yùn)行數(shù)據(jù)分析提供了參考依據(jù)?？刂葡到y(tǒng)的實(shí)施極大地提高了焚燒處置裝置的自動(dòng)化控制水平，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了裝置工藝參數(shù)的穩(wěn)定性和安全性，并帶來(lái)了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)用且維護(hù)方便，對(duì)比分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)儀表、閥門進(jìn)線均需直接連接入PLC柜，在布線方面會(huì)造成一些人力和物力耗費(fèi)。若將DP下掛的分站分布在現(xiàn)場(chǎng)，將儀表和閥門連接電纜直接接入分站PLC內(nèi)，經(jīng)分站PLC處理的數(shù)據(jù)直接通過(guò)如PROFIBUS-DP方式傳送到主站PLC，電纜耗費(fèi)就可有所降低，現(xiàn)場(chǎng)布線工作能得到一定的緩解，也為電氣檢修工作提供了便利。

[1]國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.危險(xiǎn)廢物集中焚燒處置工程建設(shè)技術(shù)規(guī)范[S].2005.

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