基于DCS 的垃圾焚燒爐排爐自動燃燒控制系統設計研究

田 云

（中國五洲工程設計集團有限公司， 北京 100053）

0 引言

針對垃圾焚燒所產生的高溫煙氣，可以將其作為熱能進行回收利用， 對于性質穩定的飛灰則可以直接填埋處理。在經過焚燒處理后，可以消滅垃圾之中的病毒與細菌，各種惡臭氣體被高溫分解， 在經過處理達標之后排放，并且固體廢物經過焚燒一般會減少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雜過程。 在爐膛之中，生活垃圾作為固體燃料進行焚燒，其處于850℃～1200℃的高溫之下， 與空氣之中的氧氣出現化學反應，會釋放出大量的熱量，并且轉化為高溫的燃燒氣體以及帶有穩定性質的固體殘渣。 高溫燃燒氣體具有熱能回收利用的功效， 在經過焚燒之后就可以滿足病毒與細菌的處理要求，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過處理之后排放[1]。

1.2 往復順推式機械爐排

往復順推式機械爐排的原理在于： 其本身作為傾斜的階梯式布置，爐排的總體布置呈現在10～15°之間。推料器將垃圾推入到爐內， 在運動過程中垃圾不斷松動、翻滾、切斷，經過干燥區逐漸朝著燃燒區、燃盡區移動。 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計

2.1 DCS 控制系統總體網絡結構

（1）網絡組成設計。本次設計的DCS 分布式控制系統主要是包含了系統網絡和控制網絡。

在整個系統框架中，系統網絡可以滿足工程師站、操作員站以及現場控制站之間的相互互聯要求。 對于DCS分布式控制系統， 可以實現同一臺微機上工程師站與操作員站的功能[2]。 控制網絡作為其內部網絡可以滿足I/O模塊與主控單元之間的數據通訊需求。

（2）系統硬件設計特點。 通過本項目系統的分析，其硬件設計的特點在于：①可靠性。 由于多種冗余結構的存在，所以系統本身具有可靠性、安全性與穩定性；②實時性。 利用工業級400MHz 芯片作為其控制器CPU，基于實時操作系統就可以確保控制的高效性與精確性； ③先進性。靈活化的網絡結構不僅可以確保數據的一致性，也可以滿足負荷均擔需求；④分散性。采用智能化設計的過程I/O 單元，將采集運算或者是控制分散到對應的I/O 單元之中，就可以滿足其可靠性的要求；⑤經濟性。 經過現場總線系統設計，不僅可以降低項目運行與維護成本，同時可以滿足于整個項目投資的節約性要求[3]。

2.2 現場站硬件結構設計

本項目作為爐排自動燃燒控制系統， 設計了單獨式現場控制站，對于DCS 的硬件選型主要是對本現場控制站進行對應的設計。

為了確保系統穩定運行， 在一個良好的環境下保持系統本身的抗干擾能力， 在進行DCS 硬件設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置散熱風扇。 針對硬件結構設計，需要保持良好的可靠性與安全性，方便擴展，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控制系統硬件產品中，SM220作為主要的控制器模塊，利用嵌入式無風扇的設計， 運行功耗降低。 這一模塊主要是利用96針歐式連接器，同SM150 主控機籠底板直接連接輸入DC24V 工作電源， 這樣就可以實現對于I/O 模塊數據的采集與運算，并且可以滿足與上位機或者通訊控制器之間的數據交換處理。

SM220 本身選擇的是雙機冗余配置，其模塊內部主要包含了故障自檢與冗余切換，這樣就可以實現在線無擾切換處理，其本身就是控制網絡與系統網絡的樞紐所在。

SM220 作為現場控制站的核心設備， 其提供冗余工業以太網接口， 直接將現場的所有數據都直接傳遞到系統服務器之中，并且接收工程師/操作員站的組態指令。

SM220 為Profibus-DP 提供了冗余總線接口， 這樣就可以滿足對于數據的采集、運算、處理和交換。并且靜態存儲器在電路保護之中使用能滿足實時數據保護處理要求。

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，進而實現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 硬件產品中，SM472 屬于8 通道的熱電偶輸入模塊，利用機籠底板與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實現與J、K、N、E、S 等熱偶一次測溫元件相互連接，這樣就可以對現場的溫度信號進行處理。 通過正確的設置組態軟件，就能夠滿足信號輸入范圍內的采樣處理，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，一路經過過流保護單元之后就可以直接輸出；另一路則是經過過流保護單元實現DC/DC 轉換， 達到5.1VDC的輸出，滿足24VDC 的直接輸出要求，并且實現24VDC到5.1VDC 的輸出轉換， 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相互的隔離[4]。

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

2.4 現場站電源及接地設計

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

第一，屏蔽地設計。 在DCS 系統之中，針對其信號電纜的屏蔽層可以直接作為屏蔽接地。同時，進行兩種接地方式的設計，要按照實際的情況做出選擇。 第二，保護地設計。 針對DCS 系統，其包含了現場控制站機柜、操作員機柜以及端子柜等保護地。 而保護地需要接入電氣專業的接地網，其接地電阻應該小于4Ω。

當廠區的電氣專業接地網接地電阻不超過4Ω 的時候，就可以實現電氣專業接地網的連接。當廠區的電氣專業接地網接地電阻偏大的時候， 就需要做好接地系統的獨立設置，并且接地電阻不得超出4Ω。

3 結語

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的操作性、安全性與環保性作為目標，在經過硬件方面的設計研究之后為后續的系統設計奠定良好的基礎，滿足城市垃圾焚燒的實際需求，有效保護環境。