西門子 PCS7控制系統在垃圾焚燒發電廠中的應用
[摘 要] 本文描述了垃圾焚燒發電廠的特點和組成，并介紹了電廠新型系統的發展方向、特點及現場總線的應用，并結合鹽田垃圾焚燒發電廠的工程實際，簡單介紹了Siemens公司的Simatic PCS7控制系統在垃圾焚燒發電廠的應用。
[關鍵詞] 垃圾焚燒發電廠 控制系統 焚燒爐 PCS7控制系統 Profibus
1、垃圾焚燒發電機組的特點
近年來，人們對發電機組的環保要求越來越高，垃圾焚燒發電技術在世界范圍內得到了迅猛發展和普遍應用。由于垃圾焚燒發電技術具有高效率處理生活垃圾、節約能源、建設周期短以及有利于環保等特點，我國目前正在逐步加大垃圾焚燒發電機組的資金投入。
隨著科技的發展和人們生活水平的提高，人類對能源的消耗不斷增加，由此到來的環境污染問題也日益嚴重。對能源需求的增加與對污染排放的控制這一矛盾迫使科技工作者不斷尋求高效低污染的燃燒技術，加快新型燃燒裝置及環保設備的開發。降低成本、提高可靠性、降低污染排放成為電力行業的追求目標。
垃圾焚燒發電技術作為傳統行業派生的新行業，由于其燃料主要是生活垃圾等，因此，燃燒過程可以實現垃圾無害化，而且使垃圾容量大幅縮減，清潔環保；垃圾焚燒機組還有建設周期短，節約能源且環保等優點。故該項技術目前越來越受到重視，并得到迅速推廣和不斷發展。
2、垃圾焚燒發電機組的控制系統要求
垃圾焚燒發電機組的主要組成部分有：焚燒鍋爐、余熱鍋爐、蒸汽輪機、發電機等設備。
同常規的火電機組相比，垃圾焚燒發電中以發電為輔，垃圾燃燒為主。反映在燃燒系統上，燃燒的熱值變化較慢，燃料成份中非可控因素較多，蒸汽負荷的變動較小，壓力的變化較大。因而，對于垃圾焚燒發電，傳統的火電燃燒系統的機理和控制方法并不完全適應于垃圾焚燒發電。垃圾焚燒發電的獨特之處決定了其對控制系統的要求既等同于常規要求，又在常規要求中有著極大的變通性。
1） 對分系統強烈的獨立性的要求：
對于垃圾焚燒，以垃圾焚燒為主，發電為輔，在整個控制系統的構成上，獨立性的要求明顯高于常規的火電機組。采用分布式的控制系統，不但可以減少整個控制系統的成本，分布式系統的更大的靈活性保證了垃圾焚燒發電的現實可操作性和管理的靈活性。從國內已經正式投運的垃圾焚燒電廠的情況看，分布式控制系統的選用是垃圾焚燒電廠最佳的選擇方案。
2） 對系統網絡傳輸特性的高性能、高要求：
現代化的垃圾焚燒發電廠，對信息的傳輸與交換比常規的火電機組更大。采用先進的高速控制網絡，對整個控制系統的協調、管理系統的交互運作，都可提供強有力的傳輸網絡的支持。
3） 對運行成本的迫切的要求：
在垃圾焚燒發電中，對低運行成本的要求集中在兩個方面：①靈活、方便的硬件配置可保證系統的功能性要求與硬件系統的最合理的配合，從而構成最合理的性能價格比②極低的設備維護成本和系統管理成本，這就要求選擇的自動化控制系統具備良好的可擴充性、開放性（可最大限度的利用現有的成熟的信息資源）和長期工業惡劣場所運行的穩定性和可靠性。
3、自動控制系統在垃圾焚燒發電機組的應用
毫無疑問，已在國內外許多大型發電機組上成功應用的分散控制系統（DCS）是可以應用于聯合循環發電機組的控制的。但這種傳統意義上的DCS具有一定的局限性，如投資較大，分散化程度和開放性程度均不夠高，建設周期長等等，均不適合于中小型規模機組的控制應用。
目前，一種新型概念上的自動控制系統已經廣泛受到重視。隨著計算機技術、通訊技術和電子技術等領域的高速發展，原有概念上的PLC或中、小規模的控制系統吸納新技術，形成一種分散度更高的現場總線控制系統。它將在中、小規模的應用中大大超過了傳統的DCS。它的主要特點有：
1) 引入WEB技術，將控制向遠程監控發展，實現遠方數據瀏覽、過程監視、組態維護等功能。
2) 引入ETHERNET局域網技術，使控制系統能與管理網資源共享。
3) 引入現場總線技術，將系統硬件由集中布置轉向分散布置，使之高度分散化。
4) 提高系統的抗干擾能力，降低控制系統對接地系統及環境的要求，降低工程造價。
正是由于這種新型的過程控制系統的上述特點，使其比較適合于垃圾焚燒發電機組的控制應用。目前，比較有代表性的這類控制系統有：Siemens公司的Simatic PCS7控制系統，Honeywell公司的Plant Scale控制系統等。
深圳鹽田垃圾焚燒發電廠的控制系統采用了Siemens公司的Simatic PCS7 控制系統，整個系統的總成、設計、組態及調試由深圳能源環保公司和國家電力公司熱工研究院自控技術中心共同承擔。
4、工程應用情況介紹
鹽田垃圾焚燒發電廠安裝兩條垃圾焚燒線（每條垃圾焚燒線日處理垃圾能力為225噸），一臺6兆瓦凝汽式汽輪發電機組，母管制。全廠設置一套分散控制系統（DCS）， 以全廠集中操作與各工段分散控制相結合的系統運行模式實現垃圾焚燒發電廠整體生產過程的狀態監視、生產操作、過程控制、事件報警、運行聯鎖、安全保護。完成數據采集（DAS）、模擬量控制（MCS）、順序控制（SCS）和聯鎖保護（PRO）等系統功能。
垃圾焚燒發電廠的其他生產過程，如焚燒線燃燒控制、煙氣處理系統、汽機數字電調和垃圾吊控制等系統將通過數據通訊方式分別接入分散控制系統（DCS），建立全廠生產運行管理。
根據系統性能價格比盡可能高、系統性能穩定和系統組態維護方便的要求，同時針對本機組的特點和控制要求，經過廣泛調研和論證，最終確定采用SIEMENS公司的Simatic PCS7（Process Control System）控制系統完成其控制功能。此系統在本工程的基本結構為：
系統共配置3臺操作員站（其中一臺兼工程師站），2對冗余CPU-417H的控制器：#1控制器主要控制余熱鍋爐及垃圾焚燒線輔助部分；#2控制器主要控制汽輪機及其輔助設備。本系統的I/O模件采用了S7-300系列I/O模件，通過ET200M遠程機架與控制器相連。系統配置的總I/O點數達1800點左右。系統配置了5臺打印機，其中報表打印機3臺、圖形打印機1臺、工程師站配打印機1臺。
每一對冗余控制器均通過冗余的現場總線Profibus-DP（最高數據傳輸速率可達12Mbit/s）帶一定數量的遠程I/O擴展機架ET200M及I/O模件。該系統共配置11個ET200M遠程機架，按工藝流程分成11個I/O站，控制器與各I/O站間的通訊是通過PROFIBUS-DP現場總線完成的，傳輸介質為雙絞線，網絡數據傳輸速率1.5Mbit/s。
1) 操作員站按服務器――客戶機方式配置，一對冗余服務器通過冗余的工業以太網（速率100MHz）與三臺客戶機相連。
2) CPU由二對完全冗余的高效控制器AS－417－H組成，CPU之間、CPU與冗余服務器間的數據通訊是通過100MHz的冗余工業以太網來實現的，工業以太網和服務器完成操作員站與CPU以及CPU間的數據交換功能。
3) 每一對冗余CPU均通過冗余的現場總線Profibus-DP（最高速率12M）帶一定數量的遠程I/O擴展機架ET200M及I/O模件。
4) SOE系統采用PCS7的SICAM系統。
圖1：深圳市鹽田垃圾焚燒發電廠DCS系統配置圖
機組投產后，運行人員在主控室，就可以完成全廠各部分的控制，包括焚燒鍋爐、余熱鍋爐、蒸汽輪機等等。該機組的自動化水平在全國的垃圾焚燒發電機組中處于領先地位。
該系統經過緊張的組態設計、調試階段后投入使用，目前已穩定運行了一年。
5、結束語
隨著垃圾焚燒發電技術的迅速發展，控制系統性能的不斷提高，可以預見，PCS7控制系統在垃圾焚燒機組控制領域具有廣闊的應用前景。隨著對現場總線控制系統（FCS）的了解和研究的深入，智能化現場儀表和設備將應用到電廠，構成完整的FCS，會進一步提高垃圾焚燒發電機組的自動化和管理水平。
[關鍵詞] 垃圾焚燒發電廠 控制系統 焚燒爐 PCS7控制系統 Profibus
1、垃圾焚燒發電機組的特點
近年來，人們對發電機組的環保要求越來越高，垃圾焚燒發電技術在世界范圍內得到了迅猛發展和普遍應用。由于垃圾焚燒發電技術具有高效率處理生活垃圾、節約能源、建設周期短以及有利于環保等特點，我國目前正在逐步加大垃圾焚燒發電機組的資金投入。
隨著科技的發展和人們生活水平的提高，人類對能源的消耗不斷增加，由此到來的環境污染問題也日益嚴重。對能源需求的增加與對污染排放的控制這一矛盾迫使科技工作者不斷尋求高效低污染的燃燒技術，加快新型燃燒裝置及環保設備的開發。降低成本、提高可靠性、降低污染排放成為電力行業的追求目標。
垃圾焚燒發電技術作為傳統行業派生的新行業，由于其燃料主要是生活垃圾等，因此，燃燒過程可以實現垃圾無害化，而且使垃圾容量大幅縮減，清潔環保；垃圾焚燒機組還有建設周期短，節約能源且環保等優點。故該項技術目前越來越受到重視，并得到迅速推廣和不斷發展。
2、垃圾焚燒發電機組的控制系統要求
垃圾焚燒發電機組的主要組成部分有：焚燒鍋爐、余熱鍋爐、蒸汽輪機、發電機等設備。
同常規的火電機組相比，垃圾焚燒發電中以發電為輔，垃圾燃燒為主。反映在燃燒系統上，燃燒的熱值變化較慢，燃料成份中非可控因素較多，蒸汽負荷的變動較小，壓力的變化較大。因而，對于垃圾焚燒發電，傳統的火電燃燒系統的機理和控制方法并不完全適應于垃圾焚燒發電。垃圾焚燒發電的獨特之處決定了其對控制系統的要求既等同于常規要求，又在常規要求中有著極大的變通性。
1） 對分系統強烈的獨立性的要求：
對于垃圾焚燒，以垃圾焚燒為主，發電為輔，在整個控制系統的構成上，獨立性的要求明顯高于常規的火電機組。采用分布式的控制系統，不但可以減少整個控制系統的成本，分布式系統的更大的靈活性保證了垃圾焚燒發電的現實可操作性和管理的靈活性。從國內已經正式投運的垃圾焚燒電廠的情況看，分布式控制系統的選用是垃圾焚燒電廠最佳的選擇方案。
2） 對系統網絡傳輸特性的高性能、高要求：
現代化的垃圾焚燒發電廠，對信息的傳輸與交換比常規的火電機組更大。采用先進的高速控制網絡，對整個控制系統的協調、管理系統的交互運作，都可提供強有力的傳輸網絡的支持。
3） 對運行成本的迫切的要求：
在垃圾焚燒發電中，對低運行成本的要求集中在兩個方面：①靈活、方便的硬件配置可保證系統的功能性要求與硬件系統的最合理的配合，從而構成最合理的性能價格比②極低的設備維護成本和系統管理成本，這就要求選擇的自動化控制系統具備良好的可擴充性、開放性（可最大限度的利用現有的成熟的信息資源）和長期工業惡劣場所運行的穩定性和可靠性。
3、自動控制系統在垃圾焚燒發電機組的應用
毫無疑問，已在國內外許多大型發電機組上成功應用的分散控制系統（DCS）是可以應用于聯合循環發電機組的控制的。但這種傳統意義上的DCS具有一定的局限性，如投資較大，分散化程度和開放性程度均不夠高，建設周期長等等，均不適合于中小型規模機組的控制應用。
目前，一種新型概念上的自動控制系統已經廣泛受到重視。隨著計算機技術、通訊技術和電子技術等領域的高速發展，原有概念上的PLC或中、小規模的控制系統吸納新技術，形成一種分散度更高的現場總線控制系統。它將在中、小規模的應用中大大超過了傳統的DCS。它的主要特點有：
1) 引入WEB技術，將控制向遠程監控發展，實現遠方數據瀏覽、過程監視、組態維護等功能。
2) 引入ETHERNET局域網技術，使控制系統能與管理網資源共享。
3) 引入現場總線技術，將系統硬件由集中布置轉向分散布置，使之高度分散化。
4) 提高系統的抗干擾能力，降低控制系統對接地系統及環境的要求，降低工程造價。
正是由于這種新型的過程控制系統的上述特點，使其比較適合于垃圾焚燒發電機組的控制應用。目前，比較有代表性的這類控制系統有：Siemens公司的Simatic PCS7控制系統，Honeywell公司的Plant Scale控制系統等。
深圳鹽田垃圾焚燒發電廠的控制系統采用了Siemens公司的Simatic PCS7 控制系統，整個系統的總成、設計、組態及調試由深圳能源環保公司和國家電力公司熱工研究院自控技術中心共同承擔。
4、工程應用情況介紹
鹽田垃圾焚燒發電廠安裝兩條垃圾焚燒線（每條垃圾焚燒線日處理垃圾能力為225噸），一臺6兆瓦凝汽式汽輪發電機組，母管制。全廠設置一套分散控制系統（DCS）， 以全廠集中操作與各工段分散控制相結合的系統運行模式實現垃圾焚燒發電廠整體生產過程的狀態監視、生產操作、過程控制、事件報警、運行聯鎖、安全保護。完成數據采集（DAS）、模擬量控制（MCS）、順序控制（SCS）和聯鎖保護（PRO）等系統功能。
垃圾焚燒發電廠的其他生產過程，如焚燒線燃燒控制、煙氣處理系統、汽機數字電調和垃圾吊控制等系統將通過數據通訊方式分別接入分散控制系統（DCS），建立全廠生產運行管理。
根據系統性能價格比盡可能高、系統性能穩定和系統組態維護方便的要求，同時針對本機組的特點和控制要求，經過廣泛調研和論證，最終確定采用SIEMENS公司的Simatic PCS7（Process Control System）控制系統完成其控制功能。此系統在本工程的基本結構為：
系統共配置3臺操作員站（其中一臺兼工程師站），2對冗余CPU-417H的控制器：#1控制器主要控制余熱鍋爐及垃圾焚燒線輔助部分；#2控制器主要控制汽輪機及其輔助設備。本系統的I/O模件采用了S7-300系列I/O模件，通過ET200M遠程機架與控制器相連。系統配置的總I/O點數達1800點左右。系統配置了5臺打印機，其中報表打印機3臺、圖形打印機1臺、工程師站配打印機1臺。
每一對冗余控制器均通過冗余的現場總線Profibus-DP（最高數據傳輸速率可達12Mbit/s）帶一定數量的遠程I/O擴展機架ET200M及I/O模件。該系統共配置11個ET200M遠程機架，按工藝流程分成11個I/O站，控制器與各I/O站間的通訊是通過PROFIBUS-DP現場總線完成的，傳輸介質為雙絞線，網絡數據傳輸速率1.5Mbit/s。
1) 操作員站按服務器――客戶機方式配置，一對冗余服務器通過冗余的工業以太網（速率100MHz）與三臺客戶機相連。
2) CPU由二對完全冗余的高效控制器AS－417－H組成，CPU之間、CPU與冗余服務器間的數據通訊是通過100MHz的冗余工業以太網來實現的，工業以太網和服務器完成操作員站與CPU以及CPU間的數據交換功能。
3) 每一對冗余CPU均通過冗余的現場總線Profibus-DP（最高速率12M）帶一定數量的遠程I/O擴展機架ET200M及I/O模件。
4) SOE系統采用PCS7的SICAM系統。
圖1：深圳市鹽田垃圾焚燒發電廠DCS系統配置圖
機組投產后，運行人員在主控室，就可以完成全廠各部分的控制，包括焚燒鍋爐、余熱鍋爐、蒸汽輪機等等。該機組的自動化水平在全國的垃圾焚燒發電機組中處于領先地位。
該系統經過緊張的組態設計、調試階段后投入使用，目前已穩定運行了一年。
5、結束語
隨著垃圾焚燒發電技術的迅速發展，控制系統性能的不斷提高，可以預見，PCS7控制系統在垃圾焚燒機組控制領域具有廣闊的應用前景。隨著對現場總線控制系統（FCS）的了解和研究的深入，智能化現場儀表和設備將應用到電廠，構成完整的FCS，會進一步提高垃圾焚燒發電機組的自動化和管理水平。
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