基于工业以太网的垃圾焚烧发电厂监控系统

摘要：根据垃圾焚烧发电厂工艺流程的特点和对监控功能的需求，结合PLC控制技术和网络技术对垃圾焚烧发电厂监控系统的结构、软硬件配置和实现功能进行了阐述。并着重对垃圾焚烧炉的燃烧系统、焚烧装置、炉排的自动控制进行了详细的论证，指出对垃圾焚烧装置和燃烧系统的自动控制是整个监控系统实现的关键环节。
关键词：垃圾焚烧装置；燃烧控制；PLC；实时监控；工业以太网
1引言
国内城市生活垃圾综合利用起步较晚，但随着人们对环境保护的认识深刻，城市生活垃圾的无害化处理已成为各大中型城市首要考虑的问题，而垃圾焚烧发电厂的建设是较有效的城市生活垃圾综合利用方法。垃圾焚烧发电厂的生产工艺流程和采用燃煤、燃油和燃气发电厂的根本不同在于垃圾焚烧装置。垃圾作为燃料和燃煤、燃油、燃气相比，其特点是低热值、高水份，对象的惯性和纯滞后大，可控性差，采用常规控制系统难以满足要求，为使垃圾焚烧过程稳定，国外广泛采用了模糊控制、专家系统、预测控制等先进控制策略。
2系统配置
珠海垃圾发电厂是3台日处理200t的垃圾焚烧炉，1台6MW的汽轮发电机组，垃圾焚烧炉采用美国底特律炉排公司提供的炉排。对监控系统的要求不仅是可靠性高、稳定性强、抗干扰性好，由于整个厂电气设备较多、工艺联锁繁杂、生产过程调节回路多、处理数据量大，还要求系统的通信速度快、实时性强，并易于扩展。
监控系统的实现本着“简捷、安全、实用、可靠”的原则，及时掌握和了解工艺流程中各设备的运行工况、工艺参数的变化，优化工艺流程，保证工艺稳定、安全地运行，并降低运行成本，提高管理水平，取得最佳效益。在结构设计上充分考虑了系统的可靠性、稳定性、通用性、兼容性和开放性，设计成一分布式控制系统，网络拓扑如图1所示。

图1系统网络拓扑图
系统设置5台互为冗余的中央操作站，分别完成对1#炉、2#炉、3#炉、汽轮发电机组、厂变配电系统的操作、监视、报警、记录、存储和报表生成等管理功能；其中一台兼有工程师站的功能，完成对整个系统的编程、组态等工作；系统设有一台报表打印机和一台报警打印机，均设置在中央控制室内，实现各种报表的定时、随时和实时打印。操作站通过以太网与厂管理网络通信，实现资源共享。
操作站选用工业PC机，主要技术指标：PⅣ机，CPU≥2.0GHz，≥30GB硬盘，≥256MB内存，彩色显示器，标准键盘，≥40XD-CDROM，10/100Mbit/s集成以太网卡。
控制站采用Schneider的Modicon TSX Quantum系列PLC，设2个冗余CPU站和14个远程I/O站，用于实现对1#，2#，3#焚烧炉、汽轮发电机组和全厂变配电与发电系统的数据采集、数据处理和控制功能。冗余控制站配置：双CPU模块(140CPU53414)、双网络模块(140NOE251)、双热备模块(140CHS11000)、双RIO适配器模块(140CRP93200)和双电源模块(140CPS11100)，均布在2个机架(140XBP00600)上；远程I/O站配置：RIO适配器模块(140CRA93200，14个)、模拟量输入模块(140ACI03000，46个)、模拟量输出模块(140ACO0200025个)、数字量输入模块(140DDI35300，58个)、数字量输出模块(140DDO35300，28个)、机架(140XBP1600，14个)、电源模块(140CPS12400，14个)等。整个系统I/O数据量达4500多点，远程站RIO为双缆结构、采用同轴电缆实现。系统的工业以太网采用TCP/IP通信协议、通信速率100Mbit/s，双缆结构，双绞线；系统各站之间的最远通信距离为400m。自动化软件选用Schneider公司的Mintor Pro，PLC开发环境为Concept2.5，操作系统为Windows NT4.1，工具软件为Microsoft Excel2000。
3垃圾焚烧装置自动控制
3.1垃圾焚烧装置控制
垃圾焚烧装置包括喂料设备、炉排、推灰器、排渣机和焚烧装置液压拖动系统，其联锁控制如图2所示。按工艺要求和垃圾焚烧的特点，联锁控制喂料器、1#～4#炉排、推灰器、出渣机和焚烧装置的液压拖动系统，同时实现燃料跳闸保护控制及紧急停机保护控制，供油系统联锁控制和点火系统联锁控制。

图2燃烧装置联锁控制框图
3.2垃圾焚烧炉炉排控制
在实现垃圾焚烧装置联锁控制的同时，实现对喂料设备的喂料时间控制、焚烧设备中炉排的运动时间控制、排渣设备的间歇时间控制。为保证系统的安全运行，在自动控制的同时各个时间可由操作人员在线设定和调整，其中对炉排的控制是系统的关键。
美国底特律提供的焚烧炉为4段炉排，整个燃烧过程分为预热、烘干、着火、燃烬4个阶段，各段炉排独立地往复运动，推动垃圾逐段燃烧。由于垃圾成分变化大、随机性强，特别是雨季和旱季差异非常大，为使垃圾充分燃烧，保证炉膛温度，4段炉排的往复运行时间是系统的关键参数，炉排的控制如图3。根据生产情况，通过对各段炉排往复运行时间的调整，使垃圾充分地燃烧，发挥最大热效率。系统设置了自动和遥控两种4段炉排往复运行时间控制方式。自动方式下系统根据炉膛温度按系统设定的经验值运行；在遥控方式下4段炉排的往复运行时间是逐段可调的，由操作人员在线设定和调整，调整时间为1～100min。