危廢垃圾焚燒爐控制系統(tǒng)的設計與實現

胡濤 任有志 鹿有杰

(河北科技大學機械工程學院 河北石家莊 050018)

近年來，在經濟和科技快速發(fā)展的背景下，化工、醫(yī)療、制革行業(yè)也取得了很大的進步，導致工業(yè)固體廢棄物也急劇增長[1]。工業(yè)固體廢棄物也稱為工業(yè)危廢垃圾，相比于普通固體廢物，危廢垃圾的危害性更大，具有量大、污染性高和成分復雜等特點，部分污染物還具有腐蝕性、傳染性、放射性等，如果不加以合理處置將會對環(huán)境和人類生命健康造成威脅[2]。

危廢垃圾焚燒處理法由于具有減容性大，無害化程度高，并且還可以通過余熱鍋爐回收燃燒過程產生的熱量，因此成為最有效的危廢垃圾處理方法[3]。較普通的生活垃圾焚燒，國家環(huán)保局對危險廢物垃圾燃燒的各項指標采取更加嚴格的要求,并且懲罰力度更高。通過調查發(fā)現，目前存在的焚燒爐控制以人工控制和半自動化控制為主，這兩種方式不能可靠達到危廢垃圾焚燒的工藝要求，逐漸不能適應當今對智能化控制的要求[4]。基于此種情況，該文研究設計了一種可以實現焚燒爐自動溫度控制的系統(tǒng)，使焚燒爐始終處于最佳燃燒狀態(tài)。

1 危廢垃圾焚燒爐結構及工藝分析

1.1 焚燒爐結構分析

危廢垃圾焚燒爐是專用來處理工業(yè)危險廢物的設備，主要由鋼結構、耐火磚以及壁冷水管堆砌而成，可以承受較高溫度[5]。如圖1 所示，燒爐主要由料倉、焚燒爐排、燃燒室、余熱鍋爐、風機存放室及儲灰室構成。料倉主要用于存放從庫房運送來的垃圾，焚燒爐排用于垃圾燃燒處理，根據降溫原理分為水冷爐排和機械爐排，垃圾焚燒過程中產生的可燃性氣體在燃燒室完全燃燒，其中產生的熱量用于加熱余熱鍋爐，通過將液態(tài)水變成過熱蒸汽，實現熱量回收再利用，最后垃圾完全燃燒后產生的灰燼進入儲灰室。

圖1 垃圾焚燒爐內部結構

1.2 焚燒工藝分析

焚燒工藝過程主要分為預處理階段、焚燒處理階段和廢物處理階段。在預處理階段主要完成垃圾的發(fā)酵、破碎等工作。焚燒階段主要完成垃圾的焚燒和熱量回收的工作，首先垃圾吊將垃圾池中的垃圾送入料斗中，推料器通過液壓驅動裝置將垃圾推進焚燒爐中進行燃燒，鼓風機從垃圾池上方抽取空氣，為垃圾燃燒提供所需的氧氣，并在煙氣處理裝置的末尾設置大功率引風機，保證爐膛內呈負壓狀態(tài)并使煙氣順利排出，垃圾燃燒釋放的熱量通過蒸汽包回收利用。由于垃圾焚燒過程中產生的煙氣中含有大量的有害物質，所以煙氣處理階段主要對這些污染物進行無害化處理，確保排放煙氣達到環(huán)保部門標準，燃燒產生的飛灰通過刮板。圖2為垃圾焚燒工藝流程圖。

圖2 垃圾焚燒工藝流程圖

2 焚燒系統(tǒng)控制方案及策略設計

2.1 控制系統(tǒng)方案設計

系統(tǒng)的總體方案如圖3 所示，危廢垃圾焚燒爐控制系統(tǒng)采用PLC結合上位機的方式。使用不同類型的傳感器將現場的溫度、壓力等模擬信號傳送至控制器PLC，執(zhí)行運算后將結果傳送至風機、爐排等執(zhí)行裝置的變頻器，完成自控要求，當燃燒過程出現故障時，PLC 執(zhí)行報警程序，完成緊急處理。控制器與上位機通信，使用組態(tài)軟件建立人機交互界面，監(jiān)控燃燒過程中的爐膛壓力、溫度和汽包水位等工藝參數，必要時也可干預焚燒爐控制。

圖3 系統(tǒng)控制方案圖

2.2 焚燒爐控制策略設計

焚燒爐自控系統(tǒng)屬于大型復雜過程控制系統(tǒng)，具有強耦合、非線性和多輸入多輸出等特性[6]，因此為方便控制將系統(tǒng)分為送料系統(tǒng)、風網系統(tǒng)、蒸汽回收、輔助燃燒系統(tǒng)、灰渣及煙氣處理這些子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)之間并不是相互獨立的，比如當檢測爐膛溫度太低時，系統(tǒng)加快爐排送料的速度，同時鼓風機功率增大，為垃圾燃燒提供充足的氧氣量，為維持爐膛負壓，引風機也會增加引風量。

2.2.1 送料系統(tǒng)

喂料系統(tǒng)主要是將危廢垃圾從垃圾池運送到料斗中，并按照要求送入爐膛中。其中主要的被控對象有垃圾輸送裝置和液壓推料油缸，垃圾輸送裝置是由變頻器控制的輸送帶組成，可根據料斗和爐排的狀況動態(tài)調整垃圾的輸送速度。液壓推料油缸可根據爐膛的燃燒狀況調整送料量，當燃燒狀況良好可適當增大燃料量，當燃燒狀況欠佳時可減少燃料量。PLC 程序的主要任務是通過設計程序實現對傳送帶和推料油缸的順序控制，使喂料系統(tǒng)按照設定的時間和速度運行，并可以根據燃燒工況自動調整。

2.2.2 風網系統(tǒng)

風網系統(tǒng)不是獨立起作用的，與送料系統(tǒng)協作維持焚燒爐溫度穩(wěn)定。風網系統(tǒng)包括鼓風系統(tǒng)和引風系統(tǒng)，鼓風系統(tǒng)主要是為焚燒爐的穩(wěn)定燃燒提供充足的氧氣，引風系統(tǒng)用來維持焚燒爐內部呈微負壓狀態(tài)，保證火焰不外泄以及煙氣可以順利地排出。

鼓風系統(tǒng)主要由10臺鼓風機、變頻器及溫度傳感器組成。鼓風機從垃圾池上方抽取空氣，經過省煤器加熱之后從焚燒爐排下方送入，根據控制作用分為一次風機和二次風機。當爐膛溫度傳感器檢測到焚燒爐的溫度低于設定溫度時，PLC 通過PID 運算后發(fā)出增加燃料量的指令，同時控制器根據燃料量計算所需空氣量，并將運算結果送給變頻器，達到控制風機的目的。

引風系統(tǒng)主要由引風機、變頻器及負壓傳感器組成。通過PLC 給定壓力的設定值，爐膛負壓傳感器將爐膛壓力值送入PLC 控制器中運算，并將結果送給控制風機的變頻器，完成爐膛壓力調節(jié)，由于爐膛負壓調節(jié)要求精度高，所以采用PID控制算法。

2.2.3 蒸汽回收系統(tǒng)

蒸汽包作為能量轉換裝置，將垃圾焚燒后產生的熱量轉換為具有一定壓力的蒸汽，實現資源回收再利用。蒸汽回收系統(tǒng)主要由蒸汽包、壓力傳感器、溫度傳感器、水位傳感器、水泵組成。為確保輸出合格的高溫蒸汽，系統(tǒng)要求將蒸汽包的液位、壓力和溫度維持在設定的范圍內，在蒸汽回收系統(tǒng)中，傳感器將蒸汽包的壓力、水位、溫度等參數傳送到PLC 進行運算處理，同樣采用控制精度高的PID 算法，控制給水閥門實現對汽包液位的控制。

2.2.4 輔助燃燒系統(tǒng)

輔助燃燒系統(tǒng)用于焚燒爐的第一燃燒室啟動時的迅速升溫以及在停爐時保持緩慢降溫，同時當第二燃燒室不滿足使煙氣在850 ℃的環(huán)境中保持2 s 的條件時，通過啟動輔助燃燒裝置提高溫度。該系統(tǒng)用柴油為燃料，主要包括點火燃燒器、輔助燃燒器等裝置，點火燃燒器安裝在一燃室的爐膛中，當焚燒爐啟動后，燃燒器開始工作，實現爐膛升溫并點燃垃圾廢料，完成整個焚燒系統(tǒng)的第一步；當溫度傳感器檢測到二燃室溫度低于設定溫度時，輔助燃燒器啟動，當溫度高于設定溫度并穩(wěn)定一段時間后，輔助燃燒器自動關閉。

2.2.5 灰渣和煙氣處理系統(tǒng)

垃圾焚燒產生的灰渣主要有兩個來源：一是垃圾通過焚燒爐排進入儲灰室，用絞龍出渣機將其運送出來；二是落入飛灰收集器中的飛灰，通過控制收集器閥口的開關實現飛灰的輸送。經過燃燒后的煙氣中仍然含有有害物質，其中主要含有酸性氣體，需要經過凈化處理才可以排放進空氣中。需要設計PLC程序控制加堿電磁閥的閥門開度實現對加堿量的自動控制，同時PLC 需要采集煙氣在線檢測儀的數據，當有害物質超出設定值后發(fā)出報警信號。

3 焚燒系統(tǒng)程序及監(jiān)控界面設計

3.1 PLC控制系統(tǒng)程序設計

PLC 作為焚燒爐的核心控制器，主要負責采集現場模擬量信息、邏輯運算以及最后將運算結果輸出。PLC程序作為系統(tǒng)思想，由工程師在編程環(huán)境中編寫，通過通信電纜下載到控制器中[7]。為了方便程序的編寫，根據控制要求將系統(tǒng)分成主程序和若干個子程序，主程序可調用子程序，子程序包括喂料子程序、風網子程序、蒸汽回收子程序、輔助燃燒子程序程序和故障報警程序。圖4為程序的流程圖。程序在啟動后首先進行初始化，然后根據需求選擇手動或自動模式，PLC通過模擬量模塊采集到現場信息后根據需求調用子程序，最后將結果輸出到控制對象。

圖4 PLC控制流程圖

3.1.1 模擬量采集子程序

在焚燒爐控制系統(tǒng)中，傳感器將溫度、壓力、氧氣濃度等信息以模擬量信號傳送給PLC，通過模擬量模塊轉換為量程為5 530～27 648 的數字，但是這仍然不是工程中的實際值，需要經過轉換才是我們需要的值。由于傳感器采集的信號存在誤差，所以需要采取數字濾波方法，將采集值放入連續(xù)的寄存器地址中，分別為MW100、MW102、MW104、MW106 中，每次采集的新值將刷新舊值，然后取4次采集值的平均值，采集的個數根據控制精度選取，并且當采集值明顯異常時應當選擇剔除。經驗證，此方法有效地減小了采集的誤差，提高了測量精度。圖5為模擬量采集程序梯形圖。

圖5 模擬量采集梯形圖

3.1.2 變頻器通信子程序

在危廢垃圾焚燒控制系統(tǒng)中，PLC 控制器通過控制變頻器的頻率實現對設備速度的調整，常用的方法有模擬輸出和通信控制。模擬輸出方法是通過A/D模塊將數字量轉換為標準電信號輸出到變頻器，實現信息傳遞的目的。在焚燒系統(tǒng)中，由于控制器距離設備較遠，并且周圍電磁干擾較大，導致使用模擬信號傳輸效果不好，因此選擇使用RS485通信進行信息的傳輸。RS485通信采用差分信號進行傳輸，具有傳輸速度快、抗干擾能力強的特點，可滿足焚燒系統(tǒng)通信要求。圖6 為RS485 通信梯形圖程序，使用MBUS_CTRL 指令對PLC 的波特率、奇偶校驗等參數進行設置，然后通過MBUS_MSG指令將目標頻率傳送給變頻器并實現啟停控制。

圖6 RS485通信梯形圖

3.2 焚燒系統(tǒng)監(jiān)控界面設計

監(jiān)控界面是用戶與系統(tǒng)之間進行信息交流的重要方式，系統(tǒng)將運行過程中的相關數據通過傳真設備提交給用戶，同時用戶也可以使用鍵盤將設置參數信息輸入系統(tǒng)中，完成信息雙向的傳遞。在危廢垃圾焚燒爐控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面中，主要包括登錄界面、自動監(jiān)控界面、手動控制界面及歷史曲線界面。

由于上位機同時具有工程師站和操作員站的功能，所以設計了登錄界面，用戶可以根據需求憑借賬號密碼進入到監(jiān)控系統(tǒng)中。圖7為危廢垃圾焚燒爐控制系統(tǒng)自動監(jiān)控界面，主要實現的功能包括工藝參數監(jiān)控、設備狀態(tài)監(jiān)控以及必要程序的啟動。由于系統(tǒng)進入自動運行之前需要進行相關參數的設置，因此設計了二級界面，包括喂料裝置、爐排、風機及PID設置，用戶可以使用鼠標點擊進入。

圖7 RS485通信梯形圖

為方便用戶對系統(tǒng)進行調試，設計了手動調試界面。如圖8所示，界面主要由按鈕、輸入框及指示燈組成，對于直接啟動的設備，用戶可以通過按鈕遠程控制設備的啟動和停止，對于部分使用變頻器的設備，用戶首先通過輸入框輸入設定頻率，然后點擊啟動按鈕將信息送給目標設備，并且還可以通過指示燈不同的顏色顯示設備的當前的運行狀態(tài)。歷史曲線界面不僅可以記錄系統(tǒng)運行過程中產生的數據，還可以生成趨勢曲線圖，方便操作人員對全局的理解。

圖8 RS485通信梯形圖

4 焚燒系統(tǒng)的調試與運行

危廢垃圾焚燒控制系統(tǒng)屬于大型復雜過程控制系統(tǒng)，運行之前需要經過全面的調試，包括硬件的調試和軟件調試。硬件調試包括設備調試和聯合調試，設備調試主要是對系統(tǒng)的傳感器、變頻器和軟啟動器等關鍵硬件設備進行檢測，確保硬件的功能性完好，當完成硬件設備組態(tài)后需要對設備聯合調試，聯合調試之前要按照電氣原理圖仔細檢控制柜的接線。軟件調試主要是對系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)進行調試，確保下位機與上位機通信正常并且可以進行數據傳送。目前，焚燒爐控制系統(tǒng)已經通過軟件調試、硬件調試，進入試運行階段。與工人手動控制焚燒爐相比，自控系統(tǒng)下焚燒爐燃燒工況穩(wěn)定，爐膛溫度超調量小，蒸汽流量穩(wěn)定，滿足控制要求。

5 結語

該文以危廢垃圾焚燒爐為研究對象，設計了基于PLC 的焚燒爐自動控制系統(tǒng)。通過實踐證明，該系統(tǒng)具有響應速度快、控制精度高、運行穩(wěn)定性好的優(yōu)點，大大提高了垃圾處理速度，也減輕了工人的勞動強度，上位機監(jiān)控界面可以顯示焚燒爐運行參數，便于工人對系統(tǒng)全面的掌控，并且故障報警顯示功能可以及時顯示設備故障，保障系統(tǒng)運行安全。系統(tǒng)整體設計合理，運行可靠，為垃圾焚燒爐控制系統(tǒng)的研究積累了經驗，具有一定的推廣價值。