西門子S7-300軟冗余系統在垃圾處理自控系統中的應用
一、項目介紹
1. 公司的業務范圍主要致力于國內外環保產業的BOT 模式建設投資，主要包括城市生活垃圾（工業危險廢物）焚燒發電廠、城市醫療垃圾、城市污水處理廠的投資建設，公司下屬電氣自控工程技術部，主要從事項目整套電氣和自控系統的設計、選型和編程調試工作；從“深圳市醫療廢物處置中心”項目設計使用S7-300軟冗余系統作為主控制系統；醫療垃圾處理項目作為我國近幾年來的重點項目，國家環保總局非常重視，對主體設備和自控系統的要求也非常高。
2.本系統主要是通過檢測現場煙氣溫度和壓力，通過控制調節風機、水泵以及加藥裝置的頻率和控制開關，從而達到控制煙氣溫度和含量的目的；通過西門子S7-300系列PLC通過采集和控制模塊對設備和現場儀表進行采集和控制，并把信號通過底版總線與CPU處理器傳輸，由CPU處理器完成處理后，再通過以太網與工控機連接；本系統有兩套完全獨立的CPU處理系統，通過IM153-2 分別與遠程的I/O模塊通過PROFIBUS總線通訊，當一套發生故障時，備用系統自動投入運行；
當PLC把數據傳送到工控機后，通過組態軟件進行編程和組態，把數據顯示在屏幕上，并在屏幕上制作操作開關對現場設備進行遠程控制；并同時自動把數據轉換為OPC的數據傳輸格式，把需要顯示的數據傳送給模擬屏。
3.工廠外貌圖片
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工廠外貌圖片
二、系統介紹
1. 項目簡單工藝主要針對城市醫療垃圾進行處理，醫療垃圾收運后運到處置中心進行焚燒處理，垃圾首先進入焚燒爐和二燃室進行配風焚燒，焚燒后的煙氣通過鍋爐進行降溫、除酸噴霧塔和布袋除塵器進行除酸和除塵，然后通過35米煙囪直接排放；鍋爐產生的蒸汽用于發電或其它用途，本自控系統主要控制垃圾燃燒后產生的煙氣溫度和煙氣成本含量，保證減少二次污染。
2. 本項目主要使用西門子公司的SIMATIC S7-300系列PLC，模塊選型如下：
中央處理器模塊 CPU315-2DP 6ES7315-2AG10-0AB0 2塊，工作存儲器128KB；
電源模塊6ES7307-1EA00-0AA0 2塊給CPU供電；
通訊模塊6GK7343-1EX20-0XE0 2塊與計算機進行網絡通訊并進行兩個CPU之間的冗余通訊；
接口模塊6ES7153-2AA02-0XB0 2塊進行PROFIBUS遠程I/O通訊和系統冗余通訊；
電源模塊6EP1333-2AA00 2塊給ET200供電；
DI數字量輸入模塊6ES7321-1BL00-0AA0 5塊 采集現場設備的運轉及故障狀態；
DO數字量輸出模塊6ES7322-1BL00-0AA0 3塊控制現場設備的啟停；
AI模擬量輸入模塊6ES7331-7KF02-0AB0 2塊采集現場設備的壓力、流量、煙氣成分含量以及風機和加藥泵的頻率信號；
TC熱電偶輸入模塊6ES7331-7PF10-0AB02塊 采集1000度以上的煙氣和蒸汽溫度信號；
RTD熱電阻輸入模塊6ES7331-7PF00-0AB02塊采集1000度以下的煙氣和蒸汽溫度信號
AO模擬量輸出模塊6ES7332-5HF00-0AB02塊通過程序的PID自動調節控制風機和加藥裝置的頻率；
三、控制系統構成
1．本項目的硬件設備主要分為三個大部分：PLC部分、現場設備以及模擬屏部分，主要系統結構選用標準拓撲式結構，現場儀表和設備采集數據連接到PLC的輸入模塊、并接收PLC的命令對現場設備進行控制和調節；PLC接收現場設備的數據傳輸給計算機并傳誦計算機下達的控制命令，并內部通過強大的內部運算國內進行PID自動調節，具體組成和選型依據如下：
PLC 選用西門子的S7-300系列PLC，設計為軟冗余系統，PLC本體與遠程I/O通訊為PROFIBUS 協議的串口通訊，PLC與計算機采用以太網，并以以太網作為冗余網絡；中控室計劃設計為兩臺工業計算機模擬屏等設備，與計算機的通訊采用RS232直接串口通訊，軟件選用WINCC.0組態軟件。
現場采集和顯示控制設備，基本選用國產元件，一般選用的測量1200度以上的溫度S分度熱電偶，1200度以下500度以上用S分度熱電偶，500度以下用PT100熱電阻測量，直接與相應的PLC模塊連接，不需要任何的變送器元件；壓力選用壓力差壓變送器把壓力信號變成4-20mA的標準信號送到AI模塊；電機的轉速通過變頻器調節，頻率信號通過AI 模塊輸入，頻率的設定通過AO 模塊輸出4-20mA的標準信號進行控制，啟停控制通過DO模塊控制，設備狀態信號通過DI模塊輸入。
2．附加系統設備主要有變頻器、壓力變送器、溫度傳感器、智能儀表和控制繼電器等，大部分設備與PLC之間全部采用硬連接，硬件配置及網絡結構見下圖：
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3.多種方案的比較
過于系統選型方案的比較，由于以前工程的冗余控制系統一直使用國內的DCS系統或者PLC的硬冗余系統，但從使用效果以及造價成本方面考慮，國外DCS系統價格非常昂貴，國內DCS系統又不是特別穩定；用PLC硬冗余系統也存在價格比較貴的原因；通過比較，決定用價格相對便宜而性能又比較穩定的西門子軟冗余系統嘗試使用。
四、控制系統完成功能
1．本系統的主要工作分以下幾個方面：
軟冗余功能的完成
軟件冗余是西門子公司實現冗余功能的一種低成本解決方案,可以應用于對主備系統切換時間要求不高的控制系統中，節約成本。但在垃圾焚燒項目中對設備的控制要求非常嚴格，也就是說控制設備在冗余切換中絕對不能斷開，所以本人根據西門子公司的軟冗余手冊進行調試和編程，最后效果非常好，絕對不會出現切換設備中斷的現象，所以給下面的工作帶來了巨大信心，具體調試過程在西門子的“軟冗余文章”全部有描述，在此不做過多的描述。
控制功能的完成
本系統的自動控制功能主要分以下幾個部分：
一次風機、二次風機以及引風機的聯動控制
在本系統中，焚燒系統的焚燒爐體轉動的速度、加料電機的轉速、一次風機、二次風機以及引風機的運轉頻率全部聯動控制；當引風機開啟后，一次風機、二次風機才能開啟，根據溫度和煙氣的氧氣含量控制爐體轉動的速度、加料電機的轉速、一次風機、二次風機的頻率進行調速控制，直接利用STEP 7的PID 模塊，直接可通過DB 模塊直接設定設定值以及積分時間，非常簡便；一燃室的煙氣溫度控制到850度，二燃室的煙氣溫度控制到1200度，使之不產生二惡英；一燃室溫度過高時增大進料電機速度，同時減小一次風風機速度，同時要保證煙氣的氧氣含量在19-21之間，反之亦然；二燃室溫度過高時增減小一次風風機速度，同時增加二次風風機速度，同時要保證煙氣的氧氣含量在19-21之間，反之亦然；并且在控制一二次風的時候，必須自動調節引風機速度，保證煙道壓力保證在-150PA左右。
堿液站的自動控制
在除酸噴霧塔中需要噴灑堿液以保證煙氣的酸堿度，同上面一樣直接利用STEP 7的PID 模塊，直接可通過DB 模塊直接設定設定值以及積分時間，非常簡便；
布袋除塵器的自動控制
設定溫度值，利用PLC 內部的比較指令，溫度范圍在130-190度之間時，啟動布袋除塵器，超出范圍時，通過PLC程序啟動旁通閥，保護布袋。
鍋爐給水自動控制
鍋爐汽包水位是確保安全生產和維護正常供汽的主要條件，一般要求水位維持在設計水位的±50mm 范圍內；設定鍋爐給水水位，通過PID 模塊自動調節給水閥門的開度，從而達到控制鍋爐水位的功能。
系統最終檢測結果：
PLC 系統采集正常，數據顯示和動作控制的時間不超過500ms ,數據交換的準確率為100%；
PROFIBUS 傳輸正常，沒有掉落模塊的情況出現；
PLC 數據傳輸精確，模擬量的精確度可以達到13BIT；
冗余系統正常，沒有出現主從系統切換時中斷，切換時一切控制正常，包括控制繼電器不會斷開、模擬量輸出控制變頻器轉速不會丟失等；
模擬屏顯示正常、數據刷新正常，數據刷新速度為1000ms；
2．在本項目的調試過程中，應該說是非常順利的，只是在最開始的時候由于軟冗余系統在深圳比較少用，所以在剛開始調試時比較擔心，但經過西門子公司的技術支持，調試非常順利，在剛開始就確認冗余切換沒問題。
3.工藝及主要設備組態界面
3.1工藝圖界面
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工藝圖界面
3.2 變頻器控制畫面
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變頻器控制畫面
3.3 堿液站控制畫面
 堿液站控制畫面 |
五、結束語
本系統于2005年2月投入使用至今已近20個月，運行順利，用戶非常滿意；目前本系統已經成功推廣到南昌、長沙、成都、青島、大連等地的醫療垃圾處理系統以及廣東番禺綠由工業危險廢物焚燒發電廠中，用戶反映非常良好。
該SIEMENS S7-300軟冗余系統已在生產中得到實際使用，為企業帶來了可觀的經濟效益，在該系統中，PLC系統的應用得到了充分的展示，這種冗余配置廣泛的推廣到其它行業應用提供一定的參考價值。
六、應用體會
本系統自選型以來，經歷了許多困難，因為以前都使用硬冗余的PLC ，比如AB的PLC5系列或者其它品牌的DCS系統，但由于上述系統造價非常昂貴，而部分國產的DCS系統非常不穩定，我們的項目為BOT 項目而且有要求條件不是太高，所以既要降低成本，又要保證性能，所以通過比較，決定“深圳市醫療廢物處置中心”項目實驗，如果可行就進行推廣，目前已經在公司項目正式批量使用，甚感欣慰。
通過上述項目，證實西門子S7-300軟冗余系統完全可以滿足“垃圾焚燒發電廠”的技術要求，基本實現無擾切換。并且通過WINCC6.0開放的OPC接口，完成了與模擬屏的數據通訊，積累了一定的應用經驗。
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