張會妍

（上海康恒環(huán)境股份有限公司，上海200040）

近年來，在“垃圾圍城”日益嚴峻的形勢下，垃圾焚燒發(fā)電作為“減量化、無害化、資源化”處置生活垃圾的最佳方式，引起國家高度重視與關注。分散控制系統(tǒng)（DCS）作為全廠自動化控制的核心，對整個垃圾焚燒發(fā)電項目中焚燒爐、余熱鍋爐、煙氣處理系統(tǒng)、凝汽式汽輪發(fā)電機組及其輔助設備進行實時監(jiān)控，以滿足全廠工藝系統(tǒng)監(jiān)控的需要。DCS 依靠自身的模擬量控制、數(shù)據(jù)采集、輔機控制、連鎖保護、GPS 時鐘等功能，對全廠工藝系統(tǒng)在各種工況下進行運算、監(jiān)控、報警、調整，確保機組安全、高效運行。DCS 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性是垃圾焚燒發(fā)電廠安全、經濟運行的重要保證。

本文以浙江杭州某大型垃圾焚燒發(fā)電項目為例，分析了原有常規(guī)項目DCS 系統(tǒng)設計對于大型垃圾焚燒發(fā)電項目的不適用性和網絡安全缺陷，而后從全廠各系統(tǒng)工藝設計運行的要求、全廠自動化水平、系統(tǒng)運行的安全性、可靠性、經濟性等方面出發(fā)，系統(tǒng)的分析了本項目針對大型化垃圾焚燒發(fā)電廠的DCS 系統(tǒng)網絡結構及安全連鎖設計方案。

該垃圾焚燒發(fā)電工程包括6 臺日處理量870t/d 的焚燒爐、6臺余熱鍋爐、6 套煙氣處理系統(tǒng)和三臺額定功率45MW 的水冷純凝式汽輪發(fā)電機組及其輔助設備。針對此項目，需提供一套包含六爐三機和公用系統(tǒng)的DCS 系統(tǒng)設計方案，滿足機電一體化設備的控制要求。

1 全廠電子間布置設計方案

常規(guī)小型垃圾焚燒發(fā)電廠均設置1 個電子間，全廠設備大部分由硬接線或者通訊接入本電子間DCS 機柜，但這種布置方式不適用于大型項目。

本項目中根據(jù)全廠整體建筑布置及工藝設備布置特點，6條焚燒線南北方向均勻對稱布置，3 臺汽輪機布置在中間部分。設中央控制室，形成集熱工控制、電氣控制、消防監(jiān)控、設備維護、生產管理于一體的管控中心，有利于運行和管理的統(tǒng)一。本項目不同與小型垃圾焚燒項目1 個電子間的布置方式，設置3個機柜室如圖1 所示：#1 機柜室對應放置#1、#2、#3 焚燒線設備控制柜，#2 機柜室對應放置#4、#5、#6 焚燒線設備控制柜，#3機柜室對應放置#1、#2、#3 汽機及全廠公用系統(tǒng)設備控制柜等。

本項目機柜室分散布置更適用于大型垃圾焚燒發(fā)電項目，廠區(qū)占地面積大，這種布置方式減少了敷設電纜的數(shù)量和施工成本，同時減少了信號傳輸?shù)穆窂介L度，提高了信號質量，現(xiàn)場設備信號匯總后在DCS 系統(tǒng)中整合，統(tǒng)一管理和監(jiān)控。

2 網絡設置方案討論

垃圾焚燒發(fā)電項目涉及的工藝系統(tǒng)眾多，全廠大小有近百個系統(tǒng)。每個系統(tǒng)均獨立運行又相互聯(lián)系，邏輯計算、連鎖保護錯綜復雜，各控制系統(tǒng)均需強大的DCS 系統(tǒng)進行聯(lián)絡和監(jiān)控，因此可靠的網絡設置方案非常重要。

2.1 全廠DCS 系統(tǒng)采用一個網段

常規(guī)小型垃圾焚燒項目中，硬接線點數(shù)一般在10000 點以下，通訊系統(tǒng)一般在30 個以下，設置一個網段即可滿足設計的可靠性要求。DCS 系統(tǒng)圍繞一對冗余交換機進行構造，交換機之間采用非屏蔽雙絞線進行連接以實現(xiàn)信號傳輸，如圖2 所示。兩臺交換機互為熱備用，當一個交換機或者線路出現(xiàn)問題時候，能夠保證整個系統(tǒng)不受干擾和影響，提升了系統(tǒng)的可靠性；針對本項目另外再設置3 對交換機分別放置在3 個機柜室以形成整個DCS 控制網絡，各系統(tǒng)之間采用標準的TCP/IP 網絡通訊，網絡均為冗余網絡鏈路。

圖2 網絡原理圖（一個網段）

另外DCS 系統(tǒng)所設置的操作員站、值長站、歷史數(shù)據(jù)站、工程師站以及后期與SIS/MIS 系統(tǒng)接口站均在本網段上。網絡結構特點：①系統(tǒng)設計了總體的基礎網絡交換機進行冗余切換，每個機柜間設置了下級交換機，分別進行信號傳輸和交換。網絡鏈路均為冗余設計，提升了系統(tǒng)的安全性、可靠性。②全廠各系統(tǒng)的監(jiān)控均在一個網段上，各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸、調用、運算、監(jiān)控便捷，各系統(tǒng)之間的邏輯連鎖搭建方便，不需考慮數(shù)據(jù)延遲更新的問題。③網絡負荷較大，全廠數(shù)據(jù)點很多，隨著運行的深入和控制邏輯的優(yōu)化，數(shù)據(jù)引用點、數(shù)據(jù)調用及數(shù)據(jù)累計會增多，存在網絡滿負荷或者超負荷運行的風險。④針對這種大型項目，系統(tǒng)擴容性差，不利于后期新增工藝控制系統(tǒng)。

2.2 全廠DCS 系統(tǒng)采用兩個網段

針對本項目的工藝設計特點，6 臺焚燒爐及煙氣系統(tǒng)，3 臺汽機及公用系統(tǒng)的控制由一套DCS 控制實現(xiàn)較難，上文所述的一個網段網絡結構缺點突顯嚴重，不能滿足本項目需求。經過設計評估和討論，采用兩套DCS 實現(xiàn)，即DCS 系統(tǒng)采用兩個網段。兩套DCS 系統(tǒng)操作員站均可對全廠工藝控制系統(tǒng)及監(jiān)控點進行監(jiān)控，出于安全考慮DCS 系統(tǒng)設有閉鎖控制，防止同時在兩處操作。如圖3 所示：DCS 系統(tǒng)圍繞著兩對冗余交換機進行設計，兩對冗余交換機之間采用核心交換機進行連接并進行數(shù)據(jù)通信和調用，核心交換機依舊采用冗余配置，實現(xiàn)熱備用，保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。

圖3 網絡原理圖（二網段）

并且每個網段均配置有自己的工程師站、歷史數(shù)據(jù)站、接口站及相對應的操作員站，兩網段經過交換機連接，實現(xiàn)統(tǒng)一。網絡結構特點：

2.2.1 全廠采用兩對冗余的基礎交換機，各自監(jiān)控自己所管轄的工藝控制系統(tǒng)，降低了各自的網絡負荷率，系統(tǒng)抵御風險的能力強，全廠投運后，DCS 能夠承受一定的技術改造和新增的工藝控制系統(tǒng)需求，存在網絡滿負荷或者超負荷的可能性極小。

2.2.2 兩對基礎交換機通過核心交換機進行數(shù)據(jù)傳輸和交換，形成完整的有機整體。

2.2.3 核心交換機進行數(shù)據(jù)的傳輸和調用是存才時間間隔，對全廠系統(tǒng)的安全連鎖，尤其是鍋爐和汽機之間的連鎖和保護存才一定的安全風險。

2.2.4 對比整個項目采用一個網段，增加了一對基礎交換機和核心交換機及其它基層交換機。每個網段需有自己相對應的工程師站、歷史數(shù)據(jù)站及其他接口站，增加了建設成本；

針對這種大型項目，基于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和后期使用維護因素，建議采用兩網段進行控制。

2.3 全廠公用系統(tǒng)網絡配置方案

對于全廠公用系統(tǒng)如綜合水泵房、空壓機系統(tǒng)等距離全廠電子間較遠，適合在就地設置控制器，設置方式有以下幾種（以空壓機系統(tǒng)為例）。

本項目空壓機系統(tǒng)共6 臺空壓機（5 用1 備）。

2.3.1 系統(tǒng)采用PLC 控制，與DCS 系統(tǒng)通訊進行數(shù)據(jù)交換。

系統(tǒng)設置獨立的控制柜，控制柜中主要由強大的核心設備PLC 及相應模塊組成（如西門子S7-1500，三菱Q25 等系列），控制系統(tǒng)與DCS 采用profibus-DP/MODBUS 通訊進行信號傳輸，如圖4 所示。

圖4 PLC 與DCS 系統(tǒng)通訊網絡圖

本系統(tǒng)的特點：

a.系統(tǒng)獨立，降低了外界的干擾。

b.縮短控制系統(tǒng)的設計和制造工期（針對空壓機廠家，控制系統(tǒng)大部分是標準化、模塊化設計、整體供貨，技術成熟）。

c.控制系統(tǒng)組態(tài)編程（復雜的邏輯計算）由PLC 獨立完成，成套設備集成度高。

d.PLC 作為一個控制裝置，在邏輯控制方面較有優(yōu)勢，數(shù)據(jù)運算中功能沒有DCS 強大；運算部分的個別功能，需要設計專門的邏輯功能塊來實現(xiàn)。

e.系統(tǒng)現(xiàn)場布置與機柜室較遠，一般通訊數(shù)據(jù)傳輸較慢，存在信號中斷或丟失的風險。

f.系統(tǒng)投運后，系統(tǒng)的維護和檢修較為不便，PLC 系統(tǒng)專業(yè)術語較高，對檢修維護人員提出了更高的專業(yè)技術要求。

2.3.2 系統(tǒng)設置1 個遠程IO 站，整個系統(tǒng)控制信號匯總到遠程IO 站后傳輸給DCS 系統(tǒng)。

系統(tǒng)設置遠程IO 站，如圖5 所示。

圖5 遠程IO 站與DCS 系統(tǒng)通訊網絡圖

遠程IO 控制站中卡件等硬件采用與DCS 系統(tǒng)相同的品牌和型號，系統(tǒng)搭建完成后能夠與DCS 系統(tǒng)無縫連接。

a.系統(tǒng)采用與DCS 系統(tǒng)相同的卡件、通訊設備，是DCS 系統(tǒng)的組成部分，融合度100%。

b.系統(tǒng)的通訊卡件依舊采用冗余配置，互為熱備用，增加了安全性。

c. 系統(tǒng)的控制邏輯需要空壓機廠家指導DCS 廠家完成，增加了DCS 系統(tǒng)的運行負荷；由于現(xiàn)場進行邏輯組態(tài)和信號校對，增加了調試時間和成本。

d.由于系統(tǒng)的工藝布置特點，與全廠機房距離較遠，系統(tǒng)一般采用光纖進行信號傳輸，傳輸速率極高。

e.系統(tǒng)的集成度高，節(jié)省了電纜的數(shù)量及施工成本費用。

f.存在系統(tǒng)電源故障和通訊網絡中斷的隱患。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障或問題，整個系統(tǒng)處于停滯狀態(tài)，影響全廠設備的運行。

2.3.3 系統(tǒng)設置2 個遠程IO 站，根據(jù)工藝特點，整個系統(tǒng)控制信號分散匯總到遠程IO 站后傳輸給DCS 系統(tǒng)。

圖6 遠程IO 站（兩個）與DCS 系統(tǒng)通訊網絡圖

針對本項目6 臺空壓機設置2 個遠程IO 站進行分別控制。每個遠程IO 站分別負責3 臺空壓機的控制。

a. 控制系統(tǒng)的設計是基于1 個遠程IO 站為基礎，6 臺空壓機均能夠安全可靠的運行。

b.當一個遠程IO 站故障或者通訊中斷后，另外3 臺空壓站依舊可以正常運行，增加了系統(tǒng)抗風險的能力，安全性更高。

c.相比于一個遠程IO 控制站，通訊設備僅增加了通訊電纜及通訊卡件，設備成本增加較少。其它公用系統(tǒng)均可按照此設計方案進行控制系統(tǒng)網絡結構設計，提升全廠控制的安全性和穩(wěn)定性。

3 余熱鍋爐和汽機系統(tǒng)之間的安全連鎖設置方案

常規(guī)小型垃圾焚燒項目中，采用的是一套DCS 系統(tǒng)，不存在操作矛盾之處，可以不考慮預熱爐和汽機系統(tǒng)之間的安全連鎖設置。本項目按照工藝系統(tǒng)設計，余熱鍋爐與汽機系統(tǒng)主蒸汽管路采用母管制。6 臺余熱鍋爐產生的蒸汽采用母管制分別輸送給3 臺汽機，當某臺或幾臺余熱鍋爐及汽機檢修或故障需停運時，通過相關電動閥門進行選擇和調整，確保正常機組的運行來保證經濟效益。針對此，余熱鍋爐、汽機、公用系統(tǒng)的控制需滿足余熱鍋爐與汽機之間的連鎖和工藝控制要求。每臺余熱鍋爐和汽機均設置了獨立的控制站，分別布置在DCS 系統(tǒng)網絡結構上。鍋爐汽包液位低、一次風機和引風機故障等連鎖條件發(fā)生時會影響汽機的運行，汽機的故障同時也會影響焚燒爐、余熱鍋爐的運行和調整。為了使焚燒爐、余熱鍋爐、汽機之間安全穩(wěn)定的運行，當連鎖條件發(fā)生時，邏輯連鎖設計和處理問題的及時性極為重要，從而對DCS 系統(tǒng)的設計和運行功能提出了更高的要求。

針對此種工藝設計，余熱鍋爐和汽機之間的連鎖方案如下：

3.1 方案一：按照機柜間的布置進行分配，即：#1 機柜間和3 臺汽機布置在1 網段上，#2 機柜間和公用系統(tǒng)布置在2 網段上。

本系統(tǒng)特點：

3.1.1 依據(jù)全廠機柜間的布置，DCS 系統(tǒng)網絡結構清晰、簡潔，設備布置方便。

3.1.2 1 網段和2 網段負荷基本相同，運行時較為合理。

3.1.3 #1、#2、#3 余熱鍋爐與3 臺汽機之間的連鎖能夠無縫對接，連鎖反應及時；#4、#5、#6 余熱鍋爐與3 臺汽機之間的連鎖由于跨網段，連鎖條件發(fā)生時存才延遲現(xiàn)象，反應相對較滯后。

3.1.4 由于3 臺汽機和公用系統(tǒng)均設置在1 個網段上，當某個網段進行檢修或者維護時，全廠均需停止運行，沒有一條焚燒線、余熱鍋爐、汽機系統(tǒng)能夠完整的進行生產運行，對生產不利。

3.2 方案二：依據(jù)主蒸汽流量管道布置圖進行設計，即：6 臺余熱鍋爐設置在1 網段，3 臺汽機和公用系統(tǒng)設置在2 網段。

3.2.1 依據(jù)工藝系統(tǒng)的設計網絡進行布置，系統(tǒng)設計清晰。

3.2.2 由于#1 機柜間、#2 機柜間布置在1 網段，能夠節(jié)省部分電纜。

3.2.3 根據(jù)工藝系統(tǒng)的特點，6 條焚燒線和余熱鍋爐的IO 點數(shù)相比于3 臺汽機和公用系統(tǒng)的IO 點數(shù)較多，因此1 網段的網絡負荷和系統(tǒng)負載比2 網段高，存在偏移。

3.2.4 每條焚燒線與每臺汽機之間的連鎖邏輯均存在延遲現(xiàn)象。

3.2.5 方案一中所提到的1 個網段進行檢修或者維護時，全廠均需停止運行，沒有一條焚燒線、余熱鍋爐、汽機系統(tǒng)能夠完整的進行生產運行的問題依舊存才。

3.3 方案三：#1、#2、#3 余熱鍋爐，#1、#2 汽機和部分公用系統(tǒng)（能夠至少保證1 條焚燒爐、余熱鍋爐和1 臺汽機運行的公用系統(tǒng)）為1 網段，#4、#5、#6 爐和#3 汽機和其他公用系統(tǒng)在2 網段。

本系統(tǒng)特點：

3.3.1 系統(tǒng)網絡結構相對方案1 和方案2 較復雜，系統(tǒng)之間的電纜和通訊設備相對增多。

3.3.2 降低了余熱鍋爐和汽機之間的連鎖風險和延遲，只有2#汽機的連鎖相對風險較高。

3.3.3 公用系統(tǒng)的風險更小，當1 個網段檢修或者故障時，另一個網段均能至少保證1 臺焚燒爐、余熱鍋爐、汽機完整的運行，降低了整個項目運行的風險。

3.3.4 兩個網段的網絡負荷和運行負荷相差較小，后期改造和新增工藝控制系統(tǒng)，從技術可行性方面考慮，更加容易實現(xiàn)。

4 結論

針對含有多條焚燒線、余熱鍋爐、汽機的大型垃圾焚燒發(fā)電項目，DCS 系統(tǒng)的設計可以參照以上方法進行設計。

4.1 DCS 系統(tǒng)可以采用兩個或以上的網段，以減小各網段的網絡負荷。

4.2 部分公用系統(tǒng)根據(jù)工藝特性可以分別布置在不同的網段，減少風險和故障的影響，提升系統(tǒng)可靠性。

4.3 余熱鍋爐與汽機之間的連鎖和邏輯控制應根據(jù)工藝特性及全廠經濟效益進行設計，滿足工藝要求的同時，提升經濟效益，避免整個項目全部處于停爐停機的現(xiàn)象發(fā)生。

按照本網絡結構設計方案，本項目自2020 年10 月投產以來，安全可靠性良好，系統(tǒng)兼容性和擴展性強大，滿足項目使用要求。