废液焚烧处置控制系统的设计

胡 琦，于淑芬，林 川

（1.北京机电院高技术股份有限公司，北京 100027；2.华油北京服务总公司，北京 100724）

工业生产过程中会产生大量的废水和废液，其中大部分都可以采用常规的生化或物理方式处理，而对于部分属于危险废物范畴的高浓度废水和废液，传统的方法无法实现其无害化处理，焚烧处理方式的应用对此问题的解决提出了一个可选方案。危险废物的焚烧处置是指通过焚化燃烧危险废物使之分解并无害化的过程[1]。国家针对焚烧处理过程提出了具体全面的规范和要求。然而目前一些正在运营的焚烧处置系统受限于陈旧的控制方式，其处理过程和排放标准已经不能满足实际应用的要求。电气设备的操作在控制台上通过手动按钮执行动作，对电机、泵的运行状况的判断只能通过巡检记录才能得到；数量众多的二次仪表安装在电气柜面板，很难在第一时间判断焚烧处置系统的运行状态；重要的工艺参数仅依靠经验逐个手动调整，无法兼顾整个系统的稳定；不能及时获得突发的报警事件信息，对解决出现的问题缺乏指导性等等，从而给系统运行带来诸多不必要的资源耗费，无法保障系统运行的稳定和可持续性，在安全方面也存在很大的隐患。

本设计以自动化控制系统为研究主体，结合焚烧处置系统设备运行的特点，进行焚烧装置控制系统设计，从而达到提升废液焚烧装置的生产效率、提高安全性能、减少人员及耗费的目标，从而改善以往的较为传统的劳动密集型且无计划规律的作业方式。

1 焚烧处置系统简介

焚烧处置系统中包括进料、焚烧主体、余热锅炉、换热器、省煤器、引风机和烟囱七个部分。

废液通过输送泵由压缩空气雾化后将物料入炉焚烧。焚烧炉温度＞900℃，废液中的有毒有害物质被完全分解。焚烧后的烟气依次进入锅炉、换热器和省煤器完成余热回收利用，通过省煤器后的烟气温度下降至130℃左右，经过引风机导入烟囱排放。控制系统PID简图见图1。

图1 焚烧处置系统PID简图

为提高焚烧处置系统的效率以及安全性、改变低效传统的操作方式，需针对焚烧处置过程的关键参数进行管控，在把握焚烧处置系统运行过程中关键参数的技术上，通过各种调节方式，保障系统安全稳定运行。

2 控制系统的设计

本装置的控制系统的下位选用可编程逻辑控制系统予以实施，对工艺要求的各种参数采用相应的方式加以控制。配备高品质的下位产品，为控制系统搭建稳定高效的硬件基础；上位系统选用成熟的HMI软件予以实施，对焚烧装置分系统分功能、分界面进行组态，配合操作习惯以及生产过程控制进行上位软件设计。

2.1 控制系统的构成

焚烧处置系统的控制系统由PLC控制单元和人机界面组成。PLC（可编程逻辑控制器Programmable Logic Controller）是一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。人机界面（HumanMachine Interaction，简称HMI），是操作人员与计算机之间传递、交换信息的对话接口，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。

在焚烧处置装置控制系统下，操作人员可实现在人机界面对焚烧处置装置实施操作和管理。利用鼠标和键盘在工控机屏幕上选择对应画面，进入画面执行对现场工况监控、参数调整以及对用电气设备（电机、水泵、阀等）的操作等工作。PLC通过其内部程序的执行，对信号进行采集和处理，PLC监控系统采集处理线内的工艺数据，控制处理线内的设备，协调处理线内的工艺过程 ；单体监控系统具有手动、自动两种运行模式；设置就地控制操作界面，用于现场设备的控制和系统调试；主要机械设备设现场手动控制（通过机侧控制箱）、自动控制（通过处理线控制系统）。PLC程序将采集到的信号处理成可读取的信息，通过与上位的数据交换，直观地反映到屏幕上，提供读取、写入和存档等服务；自动程序可以将现场采集到的实际信号收集并处理，做出判断，并将结果进行输出，完成对所需工况的自动执行功能。上位和下位结合，组成焚烧处置装置的控制系统框架如图2所示。

图2 控制系统结构示意

2.2 下位架构的设计以及应用

焚烧处置系统下位为PLC控制系统。PLC控制系统由信号输入元件、输出执行器件、显示器件和PLC构成。因此，PLC控制系统的设计，就包括这些器件的选取和连接[2]。

控制系统下位选用西门子S7-300PLC，硬件构成包括通讯处理器、电源模块、CPU（中央处理器）、数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块和接口模块等。根据焚烧处置系统控制要求选取匹配的模块，搭建硬件构成如图3所示。

图3 PLC硬件组态结构

搭建硬件结构，对编程软件中找到的模块进行组态，将模块地址和实际地址对应并予以定义。执行保存和下载功能，完成PLC硬件组态。硬件组态完成后，进入程序编写区域，编写程序。编程即是对PLC采集到的信号进行处理的过程，通过软件程序的执行，将信号转换成可读的、可参与控制过程的信息。

对于需参与控制过程的信号，由控制系统实现的任务来看，控制系统包含有顺序控制系统（SCS）和模拟量控制系统（MCS）。

这两个译本的翻译间隔差了将近半个世纪，而这期间，正逢我国经历了很多经济领域重大变革的时期，经济基础决定了上层建筑的改变也是不可避免的。随着与国外联系的日益密切，以及人民本身对外国事务的了解的熟悉度增长，那么在处理“文化缺省”现象时，对不同译者所采取的不同翻译策略进行研究是非常有趣也非常有必要的。

顺序控制系统（SCS）用于相关设备启动/停止，以完成设备级、功能组级、系统级设备的控制。功能组被定义为焚烧系统的某个功能设备组。对所设计的功能组进行自动顺序程控，目的是为了在设备启、停时减少操作人员的常规操作，减少操作人员劳动量、劳动强度；增加操作的可靠性、及时性；减少成本；延长设备使用寿命。顺序控制是按命令的逻辑顺序进行的，每步都有控制检查。在正常运行时，顺序一旦启动就自动直至结束。在顺序过程中每一步都有指示，在此步成功完成后自动消失。顺序是否完成设有不同的指示，通过联锁、联跳等功能来保证被控对象的安全。运行人员可在界面上操作每一个被控对象。手动操作有许可条件，以防误动作，并且存有操作记录，对重要设备加有操作密码，使操作人员具有操作的权利和责任。

自动投料、燃烧器和油泵联锁、燃烧器大小火自动调节属于顺序控制项目。以燃烧器和油泵联锁顺控项目为例：只有当油泵开启的时候才允许燃烧器风机启动，用于保护燃烧器的运行安全。PLC顺控执行如图4所示。

图4 燃烧器顺控项目程序

燃烧器供油油泵的运行信号是程序执行的允许信号，只有当程序执行允许信号时，燃烧器的启动、停止动作才能执行。

模拟量控制系统（MCS）用于满足系统安全启、停及调温、定压、尾气净化等运行的要求。调节系统划分为若干子系统， 子系统设计遵守“独立完整”的原则，以保持数据通讯总线上信息交换量最小。调节的基本方法是直接并快速地响应代表负荷或能量指令的前馈信号，并通过闭环反馈调节，对该信号进行静态精确度和动态补偿的调整。每一调节装置均有手/自动调节功能。调节系统监视设定值与被控变量之间的偏差和输出信号与调节阀门位置之间的偏差，当偏差超过预定范围时，系统将调节切换至手动并报警。

炉膛压力自动调节、炉膛出口氧含量自动调节、锅炉锅筒自动补水都属于模拟量控制系统。以炉膛压力自动调节为例：维持炉膛内稳定的负压是保证整个焚烧处置系统正常运行的重要条件之一。模拟量控制执行如图5所示。

图5 炉膛负压模控项目示意

负压调节采用的是PID调节方式，定义LMN_HLM和LMN_LLM给定PID的上限和下限值，通过定义SP_INT赋予一个给定值，PV_IN为反馈值。运算块以给定值（理想压力）为目标，通过和反馈值（实际压力）的比对，调节输出值（引风机转速），从而达到调节负压的效果。在调整过程中，P参数和I参数的选择和参数调节对PID调节要求输出的影响很大。就炉膛压力调节而言，PID参数的调整直接影响到整个系统的运行。

2.3 上位设计以及应用

控制系统的上位即人机界面，组成包括工控机主机、显示器和组态软件，通过编程软件的实施，将处置装置系统的信息直观反映出来，为运行状态提供依据。

数字量的输入和模拟量的输入用以对画面组件中绘制的控件、图形等进行动态连接，双击连接对象，在动态变量中选取对应的变量，在动态选项中选择变量执行时在上位机屏幕上的显示状态。从而完成输入量在人机界面上的定义。同样，数字量和模拟量的输出也要先完成变量在控件上的连接过程。在完成变量连接后，数字量变量（如按钮）需编辑其执行动作的属性（如按下左键时，将变量置位为1，释放左键复位为0等）。模拟量输出需定义可输出值的范围，在远程手动控制阀门开度的时候常用到这个功能。

焚烧处理量是焚烧处置系统的一个重要考核指标。利用上位的累积功能可以实现处理量的累加计算，有利于对废物处置统筹管理并合理分配资源。进入项目中基本应用的运行数据库，选择内部模拟变量，新建两个变量并保存（供计算时调用）。同样在运行数据库中选择计算功能，在该功能下新建变量，定义变量名称，从计算类型中选择所需的计算功能，参照计算参数的方式，将需要应用的参数选择填入各个选项（如图6所示），修改保存即可得到累加值。但是变量设定累积时间为每秒累加，若此模拟量从PLC反映的时间单位为小时，则还需给定一个3600（秒）的常数，用当前值除以3600后得到日累加值，时间单位为天。在画面编辑窗口下，从组件箱中选择文本变量绘制于画面上，双击组件（或者右键选择基本属性），点击动态选项下的动态变量框后弹出变量选择对话框，在对话框中选择经过运算处理后的变量，保存画面即完成了变量日累加值的编辑和显示。

图6 编辑上位计算功能图示

2.4 上位和下位的连接和通讯

对于通讯连接，选用工业用交换机将PLC和工控机实行连接。在PLC编程软件的硬件组态中设置PLC的IP地址和子网掩码，保存并下载至PLC中。在上位组态程序中，将对应的产品PLC型号选定，并安装产品驱动程序。驱动安装完成后，进入基本应用下的设备数据表，将参数定义分类，将各设备号对应的参数组中的本地参数和远程参数设置对应为工控机的IP地址和PLC对应的IP地址，然后进入设置运行数据库，定义数据库的规模和参数，新建变量属性和PLC变量对应，由此完成上下位之间的通讯连接。运行上位组态软件，经PLC处理后的变量在上位组态的画面中显示出来。

3 结语

焚烧处置系统自动化控制的目标是采用简洁通用的方式对系统运行的稳定性和安全性给予有力的保障和支持。就控制系统设计上而言，在信号一进入控制系统时，PLC即通过设定的程序对关键参数进行处理，该过程不需操作人员参与，通过程序设定的比对、运算等操作，将动作直接反馈至焚烧处置设备，并将状态传输至显示器上，提供系统信息。从而在控制系统的起点保障关键点的自动实时。人机界面上获取的信息提供直观的焚烧运行状态，操作人员根据实际情况对处置装置各设备状态进行把握，实施管理。

从运行的实际效果来看，PLC中的内部联锁程序，以及运行系统异常情况的报警提示能够保证系统的稳定、维护设备运行的安全。上位组态画面简洁、直观，能够清晰地反应设备的工作状态，便于现场操作人员进行对工况的判断和设备的操作。实时数据报表、报警报表和历史曲线分析，为生产管理人员对焚烧炉运行数据分析提供了参考依据。控制系统的实施极大地提高了焚烧处置装置的自动化控制水平，降低了劳动强度，提高了装置工艺参数的稳定性和安全性，并带来了明显的经济效益。

该控制系统设计实用且维护方便，对比分布式控制系统结构，现场仪表、阀门进线均需直接连接入PLC柜，在布线方面会造成一些人力和物力耗费。若将DP下挂的分站分布在现场，将仪表和阀门连接电缆直接接入分站PLC内，经分站PLC处理的数据直接通过如PROFIBUS-DP方式传送到主站PLC，电缆耗费就可有所降低，现场布线工作能得到一定的缓解，也为电气检修工作提供了便利。

[1]国家环境保护总局.危险废物集中焚烧处置工程建设技术规范[S].2005.

[2]徐德，孙同景.可编程序控制器（PLC）应用技术[M].山东：山东科学技术出版社，2001.

[3]苏昆哲，何华.深入浅出西门子WinCC V6[M].2版.北京：北京航空航天大学出版社，2004.