基于DCS 的垃圾焚燒爐排爐自動燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計研究

田 云

（中國五洲工程設(shè)計集團(tuán)有限公司， 北京 100053）

0 引言

針對垃圾焚燒所產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，可以將其作為熱能進(jìn)行回收利用， 對于性質(zhì)穩(wěn)定的飛灰則可以直接填埋處理。在經(jīng)過焚燒處理后，可以消滅垃圾之中的病毒與細(xì)菌，各種惡臭氣體被高溫分解， 在經(jīng)過處理達(dá)標(biāo)之后排放，并且固體廢物經(jīng)過焚燒一般會減少80%～90%的體積。 所以焚燒就成為垃圾資源化、無害化、減量化的最佳途徑。

1 機(jī)械爐排焚燒爐特性

1.1 焚燒特性

垃圾焚燒實際上就是燃料形式綜合的一個復(fù)雜過程。 在爐膛之中，生活垃圾作為固體燃料進(jìn)行焚燒，其處于850℃～1200℃的高溫之下， 與空氣之中的氧氣出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，會釋放出大量的熱量，并且轉(zhuǎn)化為高溫的燃燒氣體以及帶有穩(wěn)定性質(zhì)的固體殘渣。 高溫燃燒氣體具有熱能回收利用的功效， 在經(jīng)過焚燒之后就可以滿足病毒與細(xì)菌的處理要求，并且通過高溫分解惡臭氣體之后，也能讓煙氣之中的有害氣體在經(jīng)過處理之后排放[1]。

1.2 往復(fù)順推式機(jī)械爐排

往復(fù)順推式機(jī)械爐排的原理在于： 其本身作為傾斜的階梯式布置，爐排的總體布置呈現(xiàn)在10～15°之間。推料器將垃圾推入到爐內(nèi)， 在運(yùn)動過程中垃圾不斷松動、翻滾、切斷，經(jīng)過干燥區(qū)逐漸朝著燃燒區(qū)、燃盡區(qū)移動。 在垃圾推動中，切斷與松動主要是為了讓垃圾能更充分地燃燒。

2 基于DCS 的垃圾焚燒爐排爐自動燃燒控制設(shè)計

2.1 DCS 控制系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

（1）網(wǎng)絡(luò)組成設(shè)計。本次設(shè)計的DCS 分布式控制系統(tǒng)主要是包含了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)。

在整個系統(tǒng)框架中，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可以滿足工程師站、操作員站以及現(xiàn)場控制站之間的相互互聯(lián)要求。 對于DCS分布式控制系統(tǒng)， 可以實現(xiàn)同一臺微機(jī)上工程師站與操作員站的功能[2]。 控制網(wǎng)絡(luò)作為其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)可以滿足I/O模塊與主控單元之間的數(shù)據(jù)通訊需求。

（2）系統(tǒng)硬件設(shè)計特點(diǎn)。 通過本項目系統(tǒng)的分析，其硬件設(shè)計的特點(diǎn)在于：①可靠性。 由于多種冗余結(jié)構(gòu)的存在，所以系統(tǒng)本身具有可靠性、安全性與穩(wěn)定性；②實時性。 利用工業(yè)級400MHz 芯片作為其控制器CPU，基于實時操作系統(tǒng)就可以確?？刂频母咝耘c精確性； ③先進(jìn)性。靈活化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅可以確保數(shù)據(jù)的一致性，也可以滿足負(fù)荷均擔(dān)需求；④分散性。采用智能化設(shè)計的過程I/O 單元，將采集運(yùn)算或者是控制分散到對應(yīng)的I/O 單元之中，就可以滿足其可靠性的要求；⑤經(jīng)濟(jì)性。 經(jīng)過現(xiàn)場總線系統(tǒng)設(shè)計，不僅可以降低項目運(yùn)行與維護(hù)成本，同時可以滿足于整個項目投資的節(jié)約性要求[3]。

2.2 現(xiàn)場站硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

本項目作為爐排自動燃燒控制系統(tǒng)， 設(shè)計了單獨(dú)式現(xiàn)場控制站，對于DCS 的硬件選型主要是對本現(xiàn)場控制站進(jìn)行對應(yīng)的設(shè)計。

為了確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行， 在一個良好的環(huán)境下保持系統(tǒng)本身的抗干擾能力， 在進(jìn)行DCS 硬件設(shè)計時就需要將其放置在特定的控制柜之中， 并且在其頂部需要設(shè)置散熱風(fēng)扇。 針對硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要保持良好的可靠性與安全性，方便擴(kuò)展，并且方便布線。 對其控制柜的硬件布置見圖1 所示。

圖1 硬件布置示意圖

2.3 硬件選型

（1）主控制器SM220。 在SM控制系統(tǒng)硬件產(chǎn)品中，SM220作為主要的控制器模塊，利用嵌入式無風(fēng)扇的設(shè)計， 運(yùn)行功耗降低。 這一模塊主要是利用96針歐式連接器，同SM150 主控機(jī)籠底板直接連接輸入DC24V 工作電源， 這樣就可以實現(xiàn)對于I/O 模塊數(shù)據(jù)的采集與運(yùn)算，并且可以滿足與上位機(jī)或者通訊控制器之間的數(shù)據(jù)交換處理。

SM220 本身選擇的是雙機(jī)冗余配置，其模塊內(nèi)部主要包含了故障自檢與冗余切換，這樣就可以實現(xiàn)在線無擾切換處理，其本身就是控制網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的樞紐所在。

SM220 作為現(xiàn)場控制站的核心設(shè)備， 其提供冗余工業(yè)以太網(wǎng)接口， 直接將現(xiàn)場的所有數(shù)據(jù)都直接傳遞到系統(tǒng)服務(wù)器之中，并且接收工程師/操作員站的組態(tài)指令。

SM220 為Profibus-DP 提供了冗余總線接口， 這樣就可以滿足對于數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算、處理和交換。并且靜態(tài)存儲器在電路保護(hù)之中使用能滿足實時數(shù)據(jù)保護(hù)處理要求。

針對電源模塊，則是選擇利用96 針歐式連接器，直接引入DC24V 工作電源，進(jìn)而實現(xiàn)對于整個模塊的供電處理。

（2）SM472 8 通道熱電偶模擬量輸入模塊。在SM 硬件產(chǎn)品中，SM472 屬于8 通道的熱電偶輸入模塊，利用機(jī)籠底板與64 針歐式連接器之間的相互連接，就可以與端子模塊一起配套使用， 從而處理從現(xiàn)場來的熱電偶毫伏電壓2 以及一般毫伏電壓輸入信號。

對于本次選擇的SM472 模塊，主要是因為其本身能夠?qū)崿F(xiàn)與J、K、N、E、S 等熱偶一次測溫元件相互連接，這樣就可以對現(xiàn)場的溫度信號進(jìn)行處理。 通過正確的設(shè)置組態(tài)軟件，就能夠滿足信號輸入范圍內(nèi)的采樣處理，并且本身帶有端偶檢測功能。

（3）SM902 雙路輸出隔離電源模塊。 作為S24V/5V 雙路隔離輸出電源模塊，SM902 主要是通過機(jī)籠底板與64針歐式連接器的相互連接， 其電源模塊選擇24VDC 輸入，一路經(jīng)過過流保護(hù)單元之后就可以直接輸出；另一路則是經(jīng)過過流保護(hù)單元實現(xiàn)DC/DC 轉(zhuǎn)換， 達(dá)到5.1VDC的輸出，滿足24VDC 的直接輸出要求，并且實現(xiàn)24VDC到5.1VDC 的輸出轉(zhuǎn)換， 完成輸入與輸出之間的隔離處理，讓兩路的輸出都可以實現(xiàn)相互的隔離[4]。

為了促進(jìn)系統(tǒng)可靠性的提升， 針對SM902 的電源模塊可以實現(xiàn)配置的并聯(lián)運(yùn)行， 從而降低電源引起的故障。在1+1 的并聯(lián)運(yùn)行之中，任何電源模塊出現(xiàn)故障都不會影響系統(tǒng)電源的實際輸出。在患上新電源之后就可以實現(xiàn)負(fù)載的重新分配，最終滿足在線更換以及無擾切換的要求。

2.4 現(xiàn)場站電源及接地設(shè)計

利用DCS 系統(tǒng)可以滿足實時的現(xiàn)場信號監(jiān)測與記錄，針對設(shè)計現(xiàn)場站的電源， 其本身是工廠控制系統(tǒng)專用的UPS 系統(tǒng)，這樣就可以滿足不間斷供電的要求。通過查詢與論證資料，對現(xiàn)場站系統(tǒng)設(shè)計的接地模式包含兩個方面：

第一，屏蔽地設(shè)計。 在DCS 系統(tǒng)之中，針對其信號電纜的屏蔽層可以直接作為屏蔽接地。同時，進(jìn)行兩種接地方式的設(shè)計，要按照實際的情況做出選擇。 第二，保護(hù)地設(shè)計。 針對DCS 系統(tǒng)，其包含了現(xiàn)場控制站機(jī)柜、操作員機(jī)柜以及端子柜等保護(hù)地。 而保護(hù)地需要接入電氣專業(yè)的接地網(wǎng)，其接地電阻應(yīng)該小于4Ω。

當(dāng)廠區(qū)的電氣專業(yè)接地網(wǎng)接地電阻不超過4Ω 的時候，就可以實現(xiàn)電氣專業(yè)接地網(wǎng)的連接。當(dāng)廠區(qū)的電氣專業(yè)接地網(wǎng)接地電阻偏大的時候， 就需要做好接地系統(tǒng)的獨(dú)立設(shè)置，并且接地電阻不得超出4Ω。

3 結(jié)語

通過本文的研究，主要是基于DCS 的垃圾焚燒爐排爐自動燃燒控制系統(tǒng)的操作性、安全性與環(huán)保性作為目標(biāo)，在經(jīng)過硬件方面的設(shè)計研究之后為后續(xù)的系統(tǒng)設(shè)計奠定良好的基礎(chǔ)，滿足城市垃圾焚燒的實際需求，有效保護(hù)環(huán)境。