廢液焚燒處置控制系統的設計

胡 琦，于淑芬，林 川

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

工業生產過程中會產生大量的廢水和廢液，其中大部分都可以采用常規的生化或物理方式處理，而對于部分屬于危險廢物范疇的高濃度廢水和廢液，傳統的方法無法實現其無害化處理，焚燒處理方式的應用對此問題的解決提出了一個可選方案。危險廢物的焚燒處置是指通過焚化燃燒危險廢物使之分解并無害化的過程[1]。國家針對焚燒處理過程提出了具體全面的規范和要求。然而目前一些正在運營的焚燒處置系統受限于陳舊的控制方式，其處理過程和排放標準已經不能滿足實際應用的要求。電氣設備的操作在控制臺上通過手動按鈕執行動作，對電機、泵的運行狀況的判斷只能通過巡檢記錄才能得到；數量眾多的二次儀表安裝在電氣柜面板，很難在第一時間判斷焚燒處置系統的運行狀態；重要的工藝參數僅依靠經驗逐個手動調整，無法兼顧整個系統的穩定；不能及時獲得突發的報警事件信息，對解決出現的問題缺乏指導性等等，從而給系統運行帶來諸多不必要的資源耗費，無法保障系統運行的穩定和可持續性，在安全方面也存在很大的隱患。

本設計以自動化控制系統為研究主體，結合焚燒處置系統設備運行的特點，進行焚燒裝置控制系統設計，從而達到提升廢液焚燒裝置的生產效率、提高安全性能、減少人員及耗費的目標，從而改善以往的較為傳統的勞動密集型且無計劃規律的作業方式。

1 焚燒處置系統簡介

焚燒處置系統中包括進料、焚燒主體、余熱鍋爐、換熱器、省煤器、引風機和煙囪七個部分。

廢液通過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被完全分解。焚燒后的煙氣依次進入鍋爐、換熱器和省煤器完成余熱回收利用，通過省煤器后的煙氣溫度下降至130℃左右，經過引風機導入煙囪排放。控制系統PID簡圖見圖1。

圖1 焚燒處置系統PID簡圖

為提高焚燒處置系統的效率以及安全性、改變低效傳統的操作方式，需針對焚燒處置過程的關鍵參數進行管控，在把握焚燒處置系統運行過程中關鍵參數的技術上，通過各種調節方式，保障系統安全穩定運行。

2 控制系統的設計

本裝置的控制系統的下位選用可編程邏輯控制系統予以實施，對工藝要求的各種參數采用相應的方式加以控制。配備高品質的下位產品，為控制系統搭建穩定高效的硬件基礎；上位系統選用成熟的HMI軟件予以實施，對焚燒裝置分系統分功能、分界面進行組態，配合操作習慣以及生產過程控制進行上位軟件設計。

2.1 控制系統的構成

焚燒處置系統的控制系統由PLC控制單元和人機界面組成。PLC（可編程邏輯控制器Programmable Logic Controller）是一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。人機界面（HumanMachine Interaction，簡稱HMI），是操作人員與計算機之間傳遞、交換信息的對話接口，它實現信息的內部形式與人類可以接受形式之間的轉換。凡參與人機信息交流的領域都存在著人機界面。

在焚燒處置裝置控制系統下，操作人員可實現在人機界面對焚燒處置裝置實施操作和管理。利用鼠標和鍵盤在工控機屏幕上選擇對應畫面，進入畫面執行對現場工況監控、參數調整以及對用電氣設備（電機、水泵、閥等）的操作等工作。PLC通過其內部程序的執行，對信號進行采集和處理，PLC監控系統采集處理線內的工藝數據，控制處理線內的設備，協調處理線內的工藝過程 ；單體監控系統具有手動、自動兩種運行模式；設置就地控制操作界面，用于現場設備的控制和系統調試；主要機械設備設現場手動控制（通過機側控制箱）、自動控制（通過處理線控制系統）。PLC程序將采集到的信號處理成可讀取的信息，通過與上位的數據交換，直觀地反映到屏幕上，提供讀取、寫入和存檔等服務；自動程序可以將現場采集到的實際信號收集并處理，做出判斷，并將結果進行輸出，完成對所需工況的自動執行功能。上位和下位結合，組成焚燒處置裝置的控制系統框架如圖2所示。

圖2 控制系統結構示意

2.2 下位架構的設計以及應用

焚燒處置系統下位為PLC控制系統。PLC控制系統由信號輸入元件、輸出執行器件、顯示器件和PLC構成。因此，PLC控制系統的設計，就包括這些器件的選取和連接[2]。

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

圖3 PLC硬件組態結構

搭建硬件結構，對編程軟件中找到的模塊進行組態，將模塊地址和實際地址對應并予以定義。執行保存和下載功能，完成PLC硬件組態。硬件組態完成后，進入程序編寫區域，編寫程序。編程即是對PLC采集到的信號進行處理的過程，通過軟件程序的執行，將信號轉換成可讀的、可參與控制過程的信息。

對于需參與控制過程的信號，由控制系統實現的任務來看，控制系統包含有順序控制系統（SCS）和模擬量控制系統（MCS）。

這兩個譯本的翻譯間隔差了將近半個世紀，而這期間，正逢我國經歷了很多經濟領域重大變革的時期，經濟基礎決定了上層建筑的改變也是不可避免的。隨著與國外聯系的日益密切，以及人民本身對外國事務的了解的熟悉度增長，那么在處理“文化缺省”現象時，對不同譯者所采取的不同翻譯策略進行研究是非常有趣也非常有必要的。

順序控制系統（SCS）用于相關設備啟動/停止，以完成設備級、功能組級、系統級設備的控制。功能組被定義為焚燒系統的某個功能設備組。對所設計的功能組進行自動順序程控，目的是為了在設備啟、停時減少操作人員的常規操作，減少操作人員勞動量、勞動強度；增加操作的可靠性、及時性；減少成本；延長設備使用壽命。順序控制是按命令的邏輯順序進行的，每步都有控制檢查。在正常運行時，順序一旦啟動就自動直至結束。在順序過程中每一步都有指示，在此步成功完成后自動消失。順序是否完成設有不同的指示，通過聯鎖、聯跳等功能來保證被控對象的安全。運行人員可在界面上操作每一個被控對象。手動操作有許可條件，以防誤動作，并且存有操作記錄，對重要設備加有操作密碼，使操作人員具有操作的權利和責任。

自動投料、燃燒器和油泵聯鎖、燃燒器大小火自動調節屬于順序控制項目。以燃燒器和油泵聯鎖順控項目為例：只有當油泵開啟的時候才允許燃燒器風機啟動，用于保護燃燒器的運行安全。PLC順控執行如圖4所示。

圖4 燃燒器順控項目程序

燃燒器供油油泵的運行信號是程序執行的允許信號，只有當程序執行允許信號時，燃燒器的啟動、停止動作才能執行。

模擬量控制系統（MCS）用于滿足系統安全啟、停及調溫、定壓、尾氣凈化等運行的要求。調節系統劃分為若干子系統， 子系統設計遵守“獨立完整”的原則，以保持數據通訊總線上信息交換量最小。調節的基本方法是直接并快速地響應代表負荷或能量指令的前饋信號，并通過閉環反饋調節，對該信號進行靜態精確度和動態補償的調整。每一調節裝置均有手/自動調節功能。調節系統監視設定值與被控變量之間的偏差和輸出信號與調節閥門位置之間的偏差，當偏差超過預定范圍時，系統將調節切換至手動并報警。

爐膛壓力自動調節、爐膛出口氧含量自動調節、鍋爐鍋筒自動補水都屬于模擬量控制系統。以爐膛壓力自動調節為例：維持爐膛內穩定的負壓是保證整個焚燒處置系統正常運行的重要條件之一。模擬量控制執行如圖5所示。

圖5 爐膛負壓模控項目示意

負壓調節采用的是PID調節方式，定義LMN_HLM和LMN_LLM給定PID的上限和下限值，通過定義SP_INT賦予一個給定值，PV_IN為反饋值。運算塊以給定值（理想壓力）為目標，通過和反饋值（實際壓力）的比對，調節輸出值（引風機轉速），從而達到調節負壓的效果。在調整過程中，P參數和I參數的選擇和參數調節對PID調節要求輸出的影響很大。就爐膛壓力調節而言，PID參數的調整直接影響到整個系統的運行。

2.3 上位設計以及應用

控制系統的上位即人機界面，組成包括工控機主機、顯示器和組態軟件，通過編程軟件的實施，將處置裝置系統的信息直觀反映出來，為運行狀態提供依據。

數字量的輸入和模擬量的輸入用以對畫面組件中繪制的控件、圖形等進行動態連接，雙擊連接對象，在動態變量中選取對應的變量，在動態選項中選擇變量執行時在上位機屏幕上的顯示狀態。從而完成輸入量在人機界面上的定義。同樣，數字量和模擬量的輸出也要先完成變量在控件上的連接過程。在完成變量連接后，數字量變量（如按鈕）需編輯其執行動作的屬性（如按下左鍵時，將變量置位為1，釋放左鍵復位為0等）。模擬量輸出需定義可輸出值的范圍，在遠程手動控制閥門開度的時候常用到這個功能。

焚燒處理量是焚燒處置系統的一個重要考核指標。利用上位的累積功能可以實現處理量的累加計算，有利于對廢物處置統籌管理并合理分配資源。進入項目中基本應用的運行數據庫，選擇內部模擬變量，新建兩個變量并保存（供計算時調用）。同樣在運行數據庫中選擇計算功能，在該功能下新建變量，定義變量名稱，從計算類型中選擇所需的計算功能，參照計算參數的方式，將需要應用的參數選擇填入各個選項（如圖6所示），修改保存即可得到累加值。但是變量設定累積時間為每秒累加，若此模擬量從PLC反映的時間單位為小時，則還需給定一個3600（秒）的常數，用當前值除以3600后得到日累加值，時間單位為天。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），點擊動態選項下的動態變量框后彈出變量選擇對話框，在對話框中選擇經過運算處理后的變量，保存畫面即完成了變量日累加值的編輯和顯示。

圖6 編輯上位計算功能圖示

2.4 上位和下位的連接和通訊

對于通訊連接，選用工業用交換機將PLC和工控機實行連接。在PLC編程軟件的硬件組態中設置PLC的IP地址和子網掩碼，保存并下載至PLC中。在上位組態程序中，將對應的產品PLC型號選定，并安裝產品驅動程序。驅動安裝完成后，進入基本應用下的設備數據表，將參數定義分類，將各設備號對應的參數組中的本地參數和遠程參數設置對應為工控機的IP地址和PLC對應的IP地址，然后進入設置運行數據庫，定義數據庫的規模和參數，新建變量屬性和PLC變量對應，由此完成上下位之間的通訊連接。運行上位組態軟件，經PLC處理后的變量在上位組態的畫面中顯示出來。

3 結語

焚燒處置系統自動化控制的目標是采用簡潔通用的方式對系統運行的穩定性和安全性給予有力的保障和支持。就控制系統設計上而言，在信號一進入控制系統時，PLC即通過設定的程序對關鍵參數進行處理，該過程不需操作人員參與，通過程序設定的比對、運算等操作，將動作直接反饋至焚燒處置設備，并將狀態傳輸至顯示器上，提供系統信息。從而在控制系統的起點保障關鍵點的自動實時。人機界面上獲取的信息提供直觀的焚燒運行狀態，操作人員根據實際情況對處置裝置各設備狀態進行把握，實施管理。

從運行的實際效果來看，PLC中的內部聯鎖程序，以及運行系統異常情況的報警提示能夠保證系統的穩定、維護設備運行的安全。上位組態畫面簡潔、直觀，能夠清晰地反應設備的工作狀態，便于現場操作人員進行對工況的判斷和設備的操作。實時數據報表、報警報表和歷史曲線分析，為生產管理人員對焚燒爐運行數據分析提供了參考依據。控制系統的實施極大地提高了焚燒處置裝置的自動化控制水平，降低了勞動強度，提高了裝置工藝參數的穩定性和安全性，并帶來了明顯的經濟效益。

該控制系統設計實用且維護方便，對比分布式控制系統結構，現場儀表、閥門進線均需直接連接入PLC柜，在布線方面會造成一些人力和物力耗費。若將DP下掛的分站分布在現場，將儀表和閥門連接電纜直接接入分站PLC內，經分站PLC處理的數據直接通過如PROFIBUS-DP方式傳送到主站PLC，電纜耗費就可有所降低，現場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]國家環境保護總局.危險廢物集中焚燒處置工程建設技術規范[S].2005.

[2]徐德，孫同景.可編程序控制器（PLC）應用技術[M].山東：山東科學技術出版社，2001.

[3]蘇昆哲，何華.深入淺出西門子WinCC V6[M].2版.北京：北京航空航天大學出版社，2004.