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徐霖（1974-） 男，安徽桐城人，博士，主要從事電氣和儀
控專業工作。
1 前言
江蘇常熟生活垃圾焚燒發電廠于2006年9月正式投運。設置有比利時西格斯（SKG）公司進口的300t/d垃圾焚燒爐2臺（額定蒸發量2X23.4t/h；額定溫度400℃；額定壓力4.0MPa）；廣州斯科達.勁馬汽輪機有限公司生產的12MW凝汽式汽輪機1臺。目前運行良好，垃圾日處理量可以達到600 t/d（最大可到630t/d）；發電量可以達到8～9MW。
江蘇常熟生活垃圾焚燒發電廠底層的子系統廣泛采用了可編程控制器PLC控制；計有9套：
（1）比利時西格斯公司提供的“順推+翻轉”垃圾焚燒爐爐排液壓驅動系統2套；采用西門子公司的S7 400系列PLC：
（2）比利時西格斯公司提供的煙氣凈化系統2套；采用西門子S7 300系列PLC；
（3）比利時西格斯公司提供的鍋爐清灰系統2套；采用西門子S7 300系列PLC；
（4）化水處理系統1套；采用西門子S7 300系列PLC；
（5）壓縮空氣系統1套；采用西門子S7 300系列PLC；
（6）污水處理系統1套；采用西門子S7 300系列PLC。
這些PLC共同特點是：本身具有可靠、良好的開關量控制功能；并具有一定的模擬量控制功能；但是由于PLC的結構相對比較簡單；比較少考慮大規模的模擬量采集和控制功能；比較難以實現各個子系統相互之間的通訊；因此難以實現電廠全面的數據采集和全面的監控功能。
針對這個問題，該廠進行了大量的調查分析工作，最終得出結論：必須采用全面開放的、具有完善而強大通訊功能的分散控制系統（DCS）來作為整個垃圾發電廠的電廠監督控制系統；從而可以方便地實現和垃圾發電廠底層各個子系統的PLC全面的通訊和數據采集。
除此之外，電廠監督控制系統還可以直接實現大規模的模擬量數據采集和復雜的模擬量控制功能。其中包括：整個垃圾爐燃燒系統的模擬量數據采集和控制；余熱鍋爐汽水系統的數據采集和控制；汽輪機和除氧給水等公用系統的數據采集和控制。限于篇幅，本文重點介紹的是：電廠監督控制系統（DCS）和PLC的通訊問題，以及對于垃圾焚燒爐燃燒系統的控制問題。
2 DCS和PLC的通訊
比利時西格斯公司提供的PLC全部是西門子公司的S7 300/400系列產品，并且分別提供了以太網通訊處理器CP343-1（用于和S7 300通訊）和CP443-1（用于和S7 400通訊）。
比利時西格斯（SKG）公司提供的自動燃燒控制應用軟件（SIGMA軟件）考慮的垃圾焚燒控制方案比較完善，實時數據的采集量比較大。盡管來自現場實際的I/O點是2800點左右，但是DCS系統和各個PLC子系統的實時通訊數據量達到了13073點左右。
因此， DCS專門配置了2臺I/O服務器和2套冗余的以太網通訊接口來和全廠各個子系統的PLC進行通訊。其中：#1 I/O服務器負責和#1垃圾焚燒爐的爐排液壓驅動系統（S7 400系列PLC）、煙氣凈化系統（S7 300系列PLC）、鍋爐清灰系統（S7 300系列PLC）以及化學水處理系統（S7 300系列PLC）、污水處理系統（S7 300系列PLC）通訊；共計有5套PLC。#2 I/O服務器負責和#2垃圾焚燒爐的爐排液壓驅動系統（S7 400系列PLC）、煙氣凈化系統（S7 300系列PLC）、鍋爐清灰系統（S7 300系列PLC）以及壓縮空氣等公用系統的通訊（S7 300系列PLC）；共計有4套PLC。
表1 PLC及以太網通訊處理器相關數據：
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PLC 數量：9套 |
CPU 模塊型號 |
通訊卡型號 |
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S7300 7套 |
CPU 315－2 DP |
CP343－1 |
|
S7400 2套 |
CPU 412－2 DP |
CP433－1 |
而DCS能和PLC實現“無縫連接”和順利通訊最重要的條件是：DCS系統必須有全面開放的軟件；具有功能強大的OPC軟件接口，從而可以和多種廠家的PLC直接通訊而不需要加“網關”。
具體到本項目，實現DCS系統和PLC“無縫連接”和順利通訊的關鍵是：
·必須全面考慮PLC通過以太網接入DCS的資源配置；其中包括：
軟件資源 ：
操作系統：Windows 2000 Professional + sp4
PLC組態軟件(STEP 7 5.3 + SP1)
PLC網絡通信軟件(SIMATIC NET 6.2)
DCS系統本身具有全面開放的組態軟件（帶功能完善的OPC接口）
硬件資源 ：
電源，PLC，輸入輸出模塊（可選）
網卡，IE/PB Link， 網線
本工程的PLC硬件配置為：
·必須認真考慮PLC通過以太網接入DCS時，編程組態中關鍵性的細節問題，其中包括：
在DCS系統中添加300個站，取名為“SIMATIC XXX”；
為該站進行硬件組態（注意：要選取正確的硬件型號）；
配置有關參數，設置各自的網絡IP地址；
點擊“Properties”，輸入IP地址和子網掩碼；
添加PC Station 站，點擊Configuration，進入硬件配置進行組態；
配置網絡：保存并編譯PLC組態程序后，選擇“Configure Net Work”命令，進入網絡及其屬性配置；
將應用程序下載到PC與PLC；并且對PLC中的各個變量進行實時和全面的監視等。
江蘇常熟生活垃圾焚燒發電廠電廠DCS和PLC的通訊工程具體由DCS公司來完成。由于涉及兩類不同廠家的產品，涉及多種通訊協議，編程組態中的細節問題比較多，比較煩瑣，特別是添加的變量類型很多，有內存變量、輸入變量、輸出變量以及DB模塊等，各有各的處理程序，情況比較復雜，不能搞錯；因此必須選擇有開發實力、有實際通訊業績、熟悉PLC編程、有實踐經驗的DCS公司來完成此項比較復雜龐大的通訊工程。否則，投運后會出現一系列通訊故障問題。
3 DCS實現的垃圾焚燒爐燃燒控制功能
江蘇常熟生活垃圾焚燒發電廠DCS燃燒工程控制功能的實現，得到了比利時西格斯公司專家的全面指導，并且全面實現了自動燃燒控制SIGMA軟件的要求。
比利時西格斯公司的自動燃燒控制SIGMA軟件主要分為：智能爐排控制系統和燃燒控制系統兩大部分。DCS對于這兩個系統的主要控制功能簡單介紹如下：
3.1 DCS實現的智能爐排控制功能
比利時西格斯公司的智能爐排控制系統實現的主要控制目標是：
（1）保證煙氣含氧量穩定；并且煙氣排放量達到最少；
（2）爐渣的熱灼減量達到最低；
（3）對于環境的污染達到最小；
（4）垃圾焚燒爐的生產率達到最高；
（5）每天焚燒的垃圾量達到最多；
（6）余熱鍋爐產生的蒸汽蒸發量達到最大。
為了實現上述控制目標，比利時西格斯公司設計了兩大類型的智能爐排：送料爐排和燃燒爐排。這兩大類型的爐排液壓驅動油缸都依靠智能化的比例電磁閥來控制。因此，DCS可通過PLC來控制比例電磁閥的動作而實現對各個液壓驅動油缸的進退控制。
需要指出的是：不同類型的爐排片的機械驅動是相似的：順推（滑動）爐排片（耐火板）安裝在可移動的框架上，利用液壓油缸和連接桿來驅動。翻轉爐排片（耐火板）安裝在軸上，利用杠桿臂來直接轉動。杠桿臂也由液壓油缸來驅動。其中：
（1）送料爐排的主要功能是把送料滑槽中的垃圾按照預先規定的給料量推到燃燒爐排上。也就是說，送料爐排實際上是一臺定容投料機。必須指出的是：為了使燃燒區和垃圾源之間分離（并以這種方式避免送料滑槽中著火），DCS設計中不對送料爐排提供助燃空氣。
送料爐排上的垃圾給料量的指令可以由SIGMA軟件實現。也可以由操作員在DCS系統的監視器屏幕上給出進料量的指令，然后以通訊方式下達給對應的PLC去執行。
（2）燃燒爐排的主要功能是在燃燒爐排上，對垃圾進行焚燒。除此之外，燃燒爐排還實現了下述功能：爐膛內焚燒垃圾的承載；爐膛內焚燒垃圾的運輸或移動；爐膛內一次助燃空氣的分配；以及在爐膛內特定區間特定時間段對垃圾進行撥火、破碎和翻轉。
比利時西格斯公司設計的燃燒爐排比較先進、合理、可靠，由布置在爐膛中前部干燥段、燃燒段的4個標準單元和爐膛后部燃燼段的1個特殊單元所組成。
由于翻轉爐排片和順推爐排片可以由操作員分別控制；或者由DCS分別實現程序控制，因此對于燃燒過程的控制就非常靈活和方便。特別是針對中國垃圾熱值比較低（4000kj/kg左右），水分比較高（含水量接近50%）的特點， DCS可以通過增加爐排翻轉頻率和減緩順推爐排動作頻率而使得高水分、低熱值的垃圾徹底被焚燒。
在翻轉爐排片抬起的同時，可以有更多的一次風自爐膛底下的一次風室進入爐膛，保持了空氣的流通，從而使得垃圾實現了富氧燃燒。
DCS按照比利時西格斯公司SIGMA軟件的要求，以通訊方式控制對應的PLC，使得順推爐排片和翻轉爐排片按照一定的程序動作。特別是對于有非常低熱值或非常高密度的垃圾，DCS或者操作員可以給出指令，命令在一定的時間間隔內，僅有翻轉爐排片的“撥火翻轉”動作；同時命令不送料或不移動垃圾，因而可以使得爐膛內的垃圾充分徹底地燃燒。
必須特別強調指出的是，翻轉爐排片的撥火翻轉功能可以靈活方便地用DCS的命令來激活和停止；并且，在“撥火”期間，可以中斷其它各爐排片的正常工作循環并停止送料爐排。因此非常適合焚燒低熱值、高水分的城市生活垃圾。
3.2 DCS實現的垃圾燃燒控制功能
DCS對于垃圾爐的燃燒控制功能完全是按照比利時西格斯公司SIGMA軟件的要求來實現的。垃圾焚燒爐正常運行時，有2個非常重要的技術參數通常需要由操作員在DCS監視器屏幕上來設定：
（1）垃圾爐蒸汽蒸發量的設定值 (t/h);在此基礎上， DCS可以基本決定煙氣含氧量的設定值和總的助燃空氣設定值（可以修正）；
（2）垃圾爐爐膛垃圾層厚度的設定值(m);在此基礎上， DCS可決定：進料爐排基本速度修正；燃燒爐排速度分配（Ck參數）；主要的空氣分配（Li參數）；燃燼參數等。
比利時西格斯公司SIGMA軟件對于垃圾的焚燒可以有兩種不同的燃燒控制策略和控制方式：“恒定熱負載控制方式”和“垃圾層厚度控制方式”;在“恒定熱負載控制方式”下，燃燒爐排的基本速度與進料爐排速度成比例；在“垃圾層厚度控制方式”下，燃燒爐排的速度基本上是恒定的。這兩種運行方式在DCS的控制下，可以方便靈活地實現平穩而無擾地切換。下面分別簡單介紹之：
（１）恒定熱負載控制方式
燃燒控制的目標是使垃圾焚燒爐產生的蒸汽量基本恒定。此時，蒸汽流量要滿足DCS設定值規定的要求；同時，設定值也決定了總的助燃空氣流量。一般來說，較高的蒸汽流量設定值將同時要求增加總的助燃空氣流量。具體由現場調試決定。
助燃空氣流量是一次風流量和二次風流量的總和。就一次風流量而言，是通過空氣預熱器的側墻冷卻空氣流量和一次風流量的總和。助燃空氣流量的調節主要是通過分別調節一次風量和二次風量來實現的；并且還要保證燃燒爐排移動時垃圾中的氧量。
總的一次風量在燃燒過程中，在爐排下面的5個一次風室進行分配。對于各個風室，為了產生正確的所需空氣流量，每個風室都分別安裝一臺一次風機。這5臺一次風機和1臺獨立的二次風機都采用變頻調速裝置，由DCS直接進行控制和實現風量的自動調節分配。
在“恒定熱負載控制方式下”，操作員可以通過DCS提供的一個預編程曲線里的蒸汽設定值來決定進料爐排的基本速度。并且，在實際運行過程中，操作員還可在監視器屏幕上增加（或在負數的情況下減去）一個修正速度來手動增加或降低爐排運動的基本速度。此外，操作員還可以通過設置一個最小限值和最大限值來限制該修正速度的范圍。
通過DCS中建立的煙氣含氧量控制器，可以對煙氣含氧量進行PI調節；使得氧量滿足設定值的要求。煙氣含氧量增加，意味著在燃燒爐排上缺少垃圾，因而，DCS將自動增加進料爐排的速度。相反，煙氣含氧量下降，意味著在燃燒爐排上的垃圾量過多，因此DCS將自動減少進料爐排速度，并增加翻轉爐排動作的頻率。
同時，DCS中還建立有蒸汽量控制器，可以對余熱鍋爐的蒸汽蒸發量進行PID調節。同樣地，蒸汽流量增加，意味著垃圾的熱值增加；此時DCS將自動使得進料爐排速度下降。反之，蒸汽流量降低，意味著垃圾的熱值降低，此時DCS將自動使得進料爐排速度增加，并且命令翻轉爐排動作的頻率增加。
（２）垃圾層厚度控制方式
當垃圾的熱值比較低，已經無法產生額定的蒸汽蒸發量時，DCS通過輸送可能的最大量的垃圾來產生最大化的蒸汽量。此時，燃燼質量將是限制因素。
也就是說，如果由于垃圾的熱值下降，達不到所需的蒸汽設定值時，DCS中設計的垃圾層厚度控制器將起作用。垃圾層厚度控制器的目標是給垃圾焚燒爐供給最大量的垃圾，同時又不危及垃圾燃燼的質量。為此，就需要在前文提到過的爐膛后部燃燼段的爐排特殊單元中第一部分的某個位置上，設置2臺靈敏的差壓變送器；這2個差壓變送器測量到的一次風的差壓，經過函數運算和現場修正，基本上就可以代表垃圾的厚度。
因此，DCS可以檢測和控制爐膛后部燃燼段爐排特殊單元第一部分上的壓差，從而來控制爐排上的垃圾量（或垃圾層厚度）。因此可避免垃圾進給過量以及可能的燃不燼問題。
垃圾層厚度控制器將以下列方式影響燃燒工藝：如果測得的垃圾層厚度低于垃圾層厚度設定值的要求，DCS將使得進料爐排的速度增加。相反地，如果測得的垃圾層厚度高于垃圾層厚度設定值，那么，DCS將使得進料爐排的速度下降。
在DCS中，“垃圾層厚度控制”設定值基本上是一個固定值。但是，當垃圾的成分改變時（密度改變等），操作員可在監視器屏幕上相應地更改垃圾層厚度的設定值。
當在爐排特殊單元第一部分上，差壓變送器測量到的壓降超過一定的閾值時，意味著垃圾進料過多，DCS立即命令退出進料爐排，停止進料。然后，當在爐排特殊單元第一部分上，差壓變送器測量到的壓降下降至另一特定閾值，DCS立即命令再次開始進料。
除此之外，在垃圾焚燒爐的后墻上，裝有2個火焰檢測器（左和右）。2個火焰檢測器根據火焰（紅外光）的強度給出信號。在DCS的監視器屏幕上，操作員可在燃燼控制回路的邏輯中，選擇使用其中的一個信號（左邊值、右邊值、平均值或最大值）。并且，操作員可在火焰檢測器儀表本體上，直接調節火焰檢測器的靈敏度。
DCS建立的燃燼控制回路是一個開關量（ON/OFF）控制回路。當在爐膛后部燃燼段的爐排特殊單元上檢測到火焰時，為了增強燃燒，避免發生垃圾燃不燼的問題，可以在爐膛中部燃燒段第4個標準單元上增加額外量的一次風量。
基本的控制原則是：在正常條件下，用爐膛后部燃燼段的爐排特殊單元來冷卻爐灰，而不是燃燒垃圾。而操作員可以在監視器屏幕上，調節用于第4個標準單元上的額外量的一次風量來控制垃圾的焚燒。
除此之外，由于燃燼檢測將影響總的助燃空氣，因此，在DCS的控制邏輯中，增加了這樣一個邏輯控制條件：只有在通過氧氣控制器（即為針對蒸汽/助燃空氣曲線的“恒定助燃空氣開關“）決定了助燃空氣的總量后才可以釋放ON/OFF調節。
根據以上原則，在江蘇常熟生活垃圾焚燒發電廠的DCS中，設置了以下四個燃燒控制回路來控制PLC的動作：
·給料爐排控制回路；
·燃燒爐排控制回路；
·總助燃空氣控制回路；
·助燃空氣分配控制回路
目前這些回路已經全面滿足了比利時西格斯公司SIGMA軟件的要求。并且得到了比利時西格斯公司的認可。
4 DCS的選擇
根據以上分析可見，DCS臨駕于垃圾焚燒發電廠的所有子系統之上，它通過和各個子系統進行全面的、實時的通訊，來實現大規模的數據采集和控制室的監視器集中監控；并進而可以對鍋爐（垃圾焚燒爐）-汽輪機-發電機實現靈活方便的協調控制。
特別值得指出的是：比利時西格斯公司對于垃圾焚燒積累了比較豐富的經驗，在這基礎上，開發了一套針對垃圾焚燒發電廠的成熟、可靠、完整的自動燃燒控制SIGMA軟件；并且要求通過DCS的編程組態，把這套軟件下裝到垃圾發電廠的各個子系統的PLC中去。因此，電廠監控系統的工程人員必須熟悉PLC的編程組態方式；必須采用全面開放的DCS實現和PLC的“無縫連接”（不加“網關”或額外的通訊站）和通訊；并且電廠監督控制系統的工程人員必須熟悉整個垃圾焚燒發電廠的工藝過程；并且能夠消化、掌握和應用比利時西格斯（SKG）公司的自動燃燒控制SIGMA軟件。
綜上所述，選擇合適的DCS來作為整個垃圾發電廠的“電廠監督控制系統”十分關鍵。經過對國內外多家DCS公司的考察、分析和比較，結論是：國外和國內有實力的DCS公司都可以作為電廠監督控制系統的選擇對象，但是必須滿足三個重要的條件：
（1）DCS本身必須是全面開放的，可以和PLC實現“無縫連接”而不需要“網關”；即DCS和PLC可以直接互連而不需要加額外的“通訊站”。
（2）DCS必須有與多個電廠PLC成功通訊的業績；
（3）DCS供應商必須有強大的工程實力，有多個垃圾焚燒發電廠工程的業績；并且相當熟悉整個垃圾焚燒發電廠的工藝過程。
經過激烈的競爭，最終選擇了杭州和利時自動化有限公司最新一代DCS—HOLLiAS/MACS系統。這是因為：和利時公司的HOLLiAS/MACS系統全面開放：既可以和西門子的PLC通過以太網實現直接的網絡通訊，也可以通過符合國際開放標準的現場總線Profibus DP和西門子的PLC直接通訊；同時，和利時公司最新一代的DCS--HOLLiAS/MACS系統已經有與寧波大榭島熱電廠、北侖熱電廠等多個電廠PLC成功通訊的業績；并且，和利時公司是國內最大的DCS公司之一，已經有多個成功投運的垃圾發電廠業績；并且有比較熟悉垃圾焚燒發電廠工藝過程的專家和專業人員。
5 結論
通過幾個月成功運行實踐的考驗，初步有以下幾點體會：
（1）比利時西格斯公司提供的“順推爐排+翻轉爐排”型垃圾焚燒爐比較適合焚燒我國的高水分、低熱值的生活垃圾；
（2）比利時西格斯公司提供的自動燃燒控制SIGMA軟件比較科學和全面地實現了對我國高水分、低熱值的生活垃圾焚燒過程的控制；
（3）DCS是垃圾發電廠控制工程中非常關鍵、非常重要的系統之一。實踐證明：國內有實力的DCS公司完全有能力掌握比利時西格斯公司的自動燃燒控制SIGMA軟件；并采用國產的、全面開放的DCS系統實現和PLC的“無縫連接”和大數據量的實時通訊。從而可以節省大量投資和外匯。并且，將來可取消PLC，直接用DCS實現爐排液壓系統的控制，從而方便地用一套DCS系統來實現垃圾焚燒發電廠的“全廠一體化”。
作者信息：
徐 霖， 許廣惠，劉廣林， 張 正（上海浦東工程建設管理有限公司，上海 201203）
陶之未，徐凌芳，劉德成，王占海（杭州和利時自動化有限公司，浙江 杭州 310018）
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號