危废垃圾焚烧炉控制系统的设计与实现

胡涛 任有志 鹿有杰

(河北科技大学机械工程学院 河北石家庄 050018)

近年来，在经济和科技快速发展的背景下，化工、医疗、制革行业也取得了很大的进步，导致工业固体废弃物也急剧增长[1]。工业固体废弃物也称为工业危废垃圾，相比于普通固体废物，危废垃圾的危害性更大，具有量大、污染性高和成分复杂等特点，部分污染物还具有腐蚀性、传染性、放射性等，如果不加以合理处置将会对环境和人类生命健康造成威胁[2]。

危废垃圾焚烧处理法由于具有减容性大，无害化程度高，并且还可以通过余热锅炉回收燃烧过程产生的热量，因此成为最有效的危废垃圾处理方法[3]。较普通的生活垃圾焚烧，国家环保局对危险废物垃圾燃烧的各项指标采取更加严格的要求,并且惩罚力度更高。通过调查发现，目前存在的焚烧炉控制以人工控制和半自动化控制为主，这两种方式不能可靠达到危废垃圾焚烧的工艺要求，逐渐不能适应当今对智能化控制的要求[4]。基于此种情况，该文研究设计了一种可以实现焚烧炉自动温度控制的系统，使焚烧炉始终处于最佳燃烧状态。

1 危废垃圾焚烧炉结构及工艺分析

1.1 焚烧炉结构分析

危废垃圾焚烧炉是专用来处理工业危险废物的设备，主要由钢结构、耐火砖以及壁冷水管堆砌而成，可以承受较高温度[5]。如图1 所示，烧炉主要由料仓、焚烧炉排、燃烧室、余热锅炉、风机存放室及储灰室构成。料仓主要用于存放从库房运送来的垃圾，焚烧炉排用于垃圾燃烧处理，根据降温原理分为水冷炉排和机械炉排，垃圾焚烧过程中产生的可燃性气体在燃烧室完全燃烧，其中产生的热量用于加热余热锅炉，通过将液态水变成过热蒸汽，实现热量回收再利用，最后垃圾完全燃烧后产生的灰烬进入储灰室。

图1 垃圾焚烧炉内部结构

1.2 焚烧工艺分析

焚烧工艺过程主要分为预处理阶段、焚烧处理阶段和废物处理阶段。在预处理阶段主要完成垃圾的发酵、破碎等工作。焚烧阶段主要完成垃圾的焚烧和热量回收的工作，首先垃圾吊将垃圾池中的垃圾送入料斗中，推料器通过液压驱动装置将垃圾推进焚烧炉中进行燃烧，鼓风机从垃圾池上方抽取空气，为垃圾燃烧提供所需的氧气，并在烟气处理装置的末尾设置大功率引风机，保证炉膛内呈负压状态并使烟气顺利排出，垃圾燃烧释放的热量通过蒸汽包回收利用。由于垃圾焚烧过程中产生的烟气中含有大量的有害物质，所以烟气处理阶段主要对这些污染物进行无害化处理，确保排放烟气达到环保部门标准，燃烧产生的飞灰通过刮板。图2为垃圾焚烧工艺流程图。

图2 垃圾焚烧工艺流程图

2 焚烧系统控制方案及策略设计

2.1 控制系统方案设计

系统的总体方案如图3 所示，危废垃圾焚烧炉控制系统采用PLC结合上位机的方式。使用不同类型的传感器将现场的温度、压力等模拟信号传送至控制器PLC，执行运算后将结果传送至风机、炉排等执行装置的变频器，完成自控要求，当燃烧过程出现故障时，PLC 执行报警程序，完成紧急处理。控制器与上位机通信，使用组态软件建立人机交互界面，监控燃烧过程中的炉膛压力、温度和汽包水位等工艺参数，必要时也可干预焚烧炉控制。

图3 系统控制方案图

2.2 焚烧炉控制策略设计

焚烧炉自控系统属于大型复杂过程控制系统，具有强耦合、非线性和多输入多输出等特性[6]，因此为方便控制将系统分为送料系统、风网系统、蒸汽回收、辅助燃烧系统、灰渣及烟气处理这些子系统，各个子系统之间并不是相互独立的，比如当检测炉膛温度太低时，系统加快炉排送料的速度，同时鼓风机功率增大，为垃圾燃烧提供充足的氧气量，为维持炉膛负压，引风机也会增加引风量。

2.2.1 送料系统

喂料系统主要是将危废垃圾从垃圾池运送到料斗中，并按照要求送入炉膛中。其中主要的被控对象有垃圾输送装置和液压推料油缸，垃圾输送装置是由变频器控制的输送带组成，可根据料斗和炉排的状况动态调整垃圾的输送速度。液压推料油缸可根据炉膛的燃烧状况调整送料量，当燃烧状况良好可适当增大燃料量，当燃烧状况欠佳时可减少燃料量。PLC 程序的主要任务是通过设计程序实现对传送带和推料油缸的顺序控制，使喂料系统按照设定的时间和速度运行，并可以根据燃烧工况自动调整。

2.2.2 风网系统

风网系统不是独立起作用的，与送料系统协作维持焚烧炉温度稳定。风网系统包括鼓风系统和引风系统，鼓风系统主要是为焚烧炉的稳定燃烧提供充足的氧气，引风系统用来维持焚烧炉内部呈微负压状态，保证火焰不外泄以及烟气可以顺利地排出。

鼓风系统主要由10台鼓风机、变频器及温度传感器组成。鼓风机从垃圾池上方抽取空气，经过省煤器加热之后从焚烧炉排下方送入，根据控制作用分为一次风机和二次风机。当炉膛温度传感器检测到焚烧炉的温度低于设定温度时，PLC 通过PID 运算后发出增加燃料量的指令，同时控制器根据燃料量计算所需空气量，并将运算结果送给变频器，达到控制风机的目的。

引风系统主要由引风机、变频器及负压传感器组成。通过PLC 给定压力的设定值，炉膛负压传感器将炉膛压力值送入PLC 控制器中运算，并将结果送给控制风机的变频器，完成炉膛压力调节，由于炉膛负压调节要求精度高，所以采用PID控制算法。

2.2.3 蒸汽回收系统

蒸汽包作为能量转换装置，将垃圾焚烧后产生的热量转换为具有一定压力的蒸汽，实现资源回收再利用。蒸汽回收系统主要由蒸汽包、压力传感器、温度传感器、水位传感器、水泵组成。为确保输出合格的高温蒸汽，系统要求将蒸汽包的液位、压力和温度维持在设定的范围内，在蒸汽回收系统中，传感器将蒸汽包的压力、水位、温度等参数传送到PLC 进行运算处理，同样采用控制精度高的PID 算法，控制给水阀门实现对汽包液位的控制。

2.2.4 辅助燃烧系统

辅助燃烧系统用于焚烧炉的第一燃烧室启动时的迅速升温以及在停炉时保持缓慢降温，同时当第二燃烧室不满足使烟气在850 ℃的环境中保持2 s 的条件时，通过启动辅助燃烧装置提高温度。该系统用柴油为燃料，主要包括点火燃烧器、辅助燃烧器等装置，点火燃烧器安装在一燃室的炉膛中，当焚烧炉启动后，燃烧器开始工作，实现炉膛升温并点燃垃圾废料，完成整个焚烧系统的第一步；当温度传感器检测到二燃室温度低于设定温度时，辅助燃烧器启动，当温度高于设定温度并稳定一段时间后，辅助燃烧器自动关闭。

2.2.5 灰渣和烟气处理系统

垃圾焚烧产生的灰渣主要有两个来源：一是垃圾通过焚烧炉排进入储灰室，用绞龙出渣机将其运送出来；二是落入飞灰收集器中的飞灰，通过控制收集器阀口的开关实现飞灰的输送。经过燃烧后的烟气中仍然含有有害物质，其中主要含有酸性气体，需要经过净化处理才可以排放进空气中。需要设计PLC程序控制加碱电磁阀的阀门开度实现对加碱量的自动控制，同时PLC 需要采集烟气在线检测仪的数据，当有害物质超出设定值后发出报警信号。

3 焚烧系统程序及监控界面设计

3.1 PLC控制系统程序设计

PLC 作为焚烧炉的核心控制器，主要负责采集现场模拟量信息、逻辑运算以及最后将运算结果输出。PLC程序作为系统思想，由工程师在编程环境中编写，通过通信电缆下载到控制器中[7]。为了方便程序的编写，根据控制要求将系统分成主程序和若干个子程序，主程序可调用子程序，子程序包括喂料子程序、风网子程序、蒸汽回收子程序、辅助燃烧子程序程序和故障报警程序。图4为程序的流程图。程序在启动后首先进行初始化，然后根据需求选择手动或自动模式，PLC通过模拟量模块采集到现场信息后根据需求调用子程序，最后将结果输出到控制对象。

图4 PLC控制流程图

3.1.1 模拟量采集子程序

在焚烧炉控制系统中，传感器将温度、压力、氧气浓度等信息以模拟量信号传送给PLC，通过模拟量模块转换为量程为5 530～27 648 的数字，但是这仍然不是工程中的实际值，需要经过转换才是我们需要的值。由于传感器采集的信号存在误差，所以需要采取数字滤波方法，将采集值放入连续的寄存器地址中，分别为MW100、MW102、MW104、MW106 中，每次采集的新值将刷新旧值，然后取4次采集值的平均值，采集的个数根据控制精度选取，并且当采集值明显异常时应当选择剔除。经验证，此方法有效地减小了采集的误差，提高了测量精度。图5为模拟量采集程序梯形图。

图5 模拟量采集梯形图

3.1.2 变频器通信子程序

在危废垃圾焚烧控制系统中，PLC 控制器通过控制变频器的频率实现对设备速度的调整，常用的方法有模拟输出和通信控制。模拟输出方法是通过A/D模块将数字量转换为标准电信号输出到变频器，实现信息传递的目的。在焚烧系统中，由于控制器距离设备较远，并且周围电磁干扰较大，导致使用模拟信号传输效果不好，因此选择使用RS485通信进行信息的传输。RS485通信采用差分信号进行传输，具有传输速度快、抗干扰能力强的特点，可满足焚烧系统通信要求。图6 为RS485 通信梯形图程序，使用MBUS_CTRL 指令对PLC 的波特率、奇偶校验等参数进行设置，然后通过MBUS_MSG指令将目标频率传送给变频器并实现启停控制。

图6 RS485通信梯形图

3.2 焚烧系统监控界面设计

监控界面是用户与系统之间进行信息交流的重要方式，系统将运行过程中的相关数据通过传真设备提交给用户，同时用户也可以使用键盘将设置参数信息输入系统中，完成信息双向的传递。在危废垃圾焚烧炉控制系统的监控界面中，主要包括登录界面、自动监控界面、手动控制界面及历史曲线界面。

由于上位机同时具有工程师站和操作员站的功能，所以设计了登录界面，用户可以根据需求凭借账号密码进入到监控系统中。图7为危废垃圾焚烧炉控制系统自动监控界面，主要实现的功能包括工艺参数监控、设备状态监控以及必要程序的启动。由于系统进入自动运行之前需要进行相关参数的设置，因此设计了二级界面，包括喂料装置、炉排、风机及PID设置，用户可以使用鼠标点击进入。

图7 RS485通信梯形图

为方便用户对系统进行调试，设计了手动调试界面。如图8所示，界面主要由按钮、输入框及指示灯组成，对于直接启动的设备，用户可以通过按钮远程控制设备的启动和停止，对于部分使用变频器的设备，用户首先通过输入框输入设定频率，然后点击启动按钮将信息送给目标设备，并且还可以通过指示灯不同的颜色显示设备的当前的运行状态。历史曲线界面不仅可以记录系统运行过程中产生的数据，还可以生成趋势曲线图，方便操作人员对全局的理解。

图8 RS485通信梯形图

4 焚烧系统的调试与运行

危废垃圾焚烧控制系统属于大型复杂过程控制系统，运行之前需要经过全面的调试，包括硬件的调试和软件调试。硬件调试包括设备调试和联合调试，设备调试主要是对系统的传感器、变频器和软启动器等关键硬件设备进行检测，确保硬件的功能性完好，当完成硬件设备组态后需要对设备联合调试，联合调试之前要按照电气原理图仔细检控制柜的接线。软件调试主要是对系统的监控系统进行调试，确保下位机与上位机通信正常并且可以进行数据传送。目前，焚烧炉控制系统已经通过软件调试、硬件调试，进入试运行阶段。与工人手动控制焚烧炉相比，自控系统下焚烧炉燃烧工况稳定，炉膛温度超调量小，蒸汽流量稳定，满足控制要求。

5 结语

该文以危废垃圾焚烧炉为研究对象，设计了基于PLC 的焚烧炉自动控制系统。通过实践证明，该系统具有响应速度快、控制精度高、运行稳定性好的优点，大大提高了垃圾处理速度，也减轻了工人的劳动强度，上位机监控界面可以显示焚烧炉运行参数，便于工人对系统全面的掌控，并且故障报警显示功能可以及时显示设备故障，保障系统运行安全。系统整体设计合理，运行可靠，为垃圾焚烧炉控制系统的研究积累了经验，具有一定的推广价值。