Fisher-Rosemount工廠管理控制體系在垃圾焚燒發電廠的應用
前言：此設計方案作為上海江橋垃圾焚燒發電廠的二期工程（500噸/日）DCS系統設備招標及軟硬件的設計依據和指導方針，并在其中對全廠的管理控制網絡結構體系，DCS系統的軟硬件配置和系統開發環境和設計思路進行了框架式的論述，并對各個子系統機及其單體設備的控制方式和控制要求進行概括和說明，系統開發商應以此為參考結合相應設計標準和設計規范進行具體軟硬件和網絡設計，以及現場檢測和動力系統的設計。
工廠管理控制體系的結構和功能描述：
基于一期工程的設計基礎我們仍舊選用Fisher-Rosemount公司基于DeltaV的PlantWeb-工廠管控網。它將過程控制（DCS）與設備管理（AMS）相結合，基于HART協議和F.F現場總線的具有高度集成的總線功能（包括AS-I，Profibus DP，DeviceNet），通過智能現場設備，智能網絡通訊和智能過程控制系統，組成了智能化工廠的工廠管控網。DeltaV OPC服務器（過程控制中的對象鏈接和嵌入式技術）功能可以幫助企業進行設備及備件訂貨，生產任務安排，任務完成情況統計，庫存管理，維修管理，設備優化等管理服務職能，從而實現了將先進的過程自動化控制和設備管理相結合的技術方案：
1.工廠管理控制體系的結構和功能
1)過程控制
PlantWeb工廠管控網基于現場的結構提供了緊密、有效的控制以達到更佳的過程性能，通過與地點無關的控制，增加了新層次的靈活性、規模可變性和可承受性。
基于現場的結構，其設備控制網絡（DEVICENET）采用FF現場總線，能夠實現與地點無關的控制。像PID等功能塊可運行在任何有意義的地點，無論是在控制系統、變送器、閥門或其他設備中。
由于艾默生過程管理的現場總線設備采用一組通用的功能塊，無論控制功能是在何處完成的，控制策略的執行都將保持不變。結果是設備擁有異常的靈活性以及規模可變的能力。這樣以二期工程的實際需要和費用情況，可以，方便地增加更多的回路或功能－實現系統的擴容。
2)設備管理
利用現場智能設備和系統的功能，設備管理，有助于降低費用和提高生產率。
過程控制包括對過程內容的監控、測量和管理，而設備管理也包括對過程中運行設備進行同樣的工作。如閥門、變送器、分析儀和其他現場設備，以及轉動設備如泵和電動機等。
3)管理執行
PlantWeb工廠管控網實現了過程控制和業務管理信息之間的無縫集成，覆蓋范圍從設備級到用于過程優化的工廠和業務系統、維護管理、資源規劃和其他企業管理功能。
OPC提供了溝通工廠底層和業務管理之間的有價值的橋梁，并且，隨著互聯網和易于使用的瀏覽器功能的完善，在企業任何地方的管理者都能很容易的獲得所需信息，從而更好地管理過程、工廠和業務。
管理執行的最大好處之一是將使垃圾焚燒生產線的排放更容易達到法規的要求，利用管理執行上的功能——例如批處理跟蹤和執行，以及于滿足法規的文檔保存來實現，這些都包含在PlantWeb工廠管控網結構之中。
2.PlantWeb工廠管控網的工作方式和設計功能如下：
1)智能化現場設備收集信息；
2)DaltaV自動化系統為過程提供方便的控制、管理和信息；
3)AMS軟件處理信息以增加設備管理功能。
4)PlantWeb工廠管控網不同于傳統的過程自動化方案，其優勢體現在下述幾方面：
a.在工程上，PlantWeb工廠管控網的目標是高效地收集和管理來自智能化現場設備的信息資源；
b.在設計上，它是以FF現場總線為基礎的；
c.它是網絡化的，而不是集中的；
d.它的結構的每個層次都采用標準化技術；
e.它提供管理執行和設備管理，而不僅僅是過程控制。
2. 江橋垃圾焚燒廠的工廠管控網的組成及系統描述
系統組成：
工廠管控網的組態配置按照管控網絡圖配置，其中二期工程中需要進行3#線的煙氣凈化系統和鍋爐保護系統進行開發設計，各DCS控制單元如下，他們構成工廠管控網的第一層：
1）10＃焚燒線的焚燒爐－鍋爐控制系統。
2）20＃焚燒線的焚燒爐－鍋爐控制系統。
3）30＃焚燒線的焚燒爐－鍋爐控制系統（二期新建）。
4）10＃焚燒線的煙氣凈化控制系統。
5）20＃焚燒線的煙氣凈化控制系統。
6）30＃焚燒線的煙氣凈化控制系統（二期新建）。
7）煙氣凈化系統的公用輔助設備控制系統
8）焚燒爐－鍋爐系統的公用輔助設備控制系統
公用輔助設備控制系統主要包括以下內容：
a.供水供氣系統
b.反應生成物（如灰渣，廢水）的收集系統
c.電氣裝置系統，包括：35KV供變電系統
10KV供變電系統
400V低壓供配電系統
d.其他輔助系統
如：氣輪發電機系統
蒸汽，飼水，冷凝，旁路等系統
垃圾破碎起重系統
各主控單元與其控制的子系統以及輔助公用系統以某種通訊協議和網絡結構相互連接構成工廠管控網的第二層：
系統描述：
1）每一個主控單元均通過F.F現場總線與其子系統和輔助系統相連，交換信息，并通過F.F總線送入管理信息系統進行監督管理。
2）所有的控制管理設備均采用冗余的電源，硬件及網絡配置。
3）其中煙氣凈化系統是用來中和酸性污染物（HCI，HF，SO2）和收集灰塵，避免有害氣體排入大氣中。是全自動的控制系統，當酸性污染物在進入反應塔前超過某一定值，開始中和程序。
4）煙氣凈化系統在中控室新增的操作站通過工業以太網并入一起原有的工廠管控網，與一期原有系統進行信息交換，從而完成其管理控制功能。
4.DCS集散控制系統（DeltaV）結構組成及系統描述
1）系統配置及描述
江橋二期工程DCS集散控制系統按照業主要求采用與一期相同的控制操作系統美國Fisher-Rosemount公司的DeltaV數據庫監控系統的軟件和硬件。
整個工藝系統包括焚燒爐爐排系統，鍋爐保護系統，振打系統，煙氣凈化系統，輔助公用系統，MCC供配電系統等子系統。其中煙氣凈化子系統用一個DeltaV站進行控制，這個站通過通訊適配器掛在快速工業以太網上與其他站及上位機通訊。同時還在中央控制室設有一套工控機通過網卡掛在同一個以太網上，作為人機界面完成垃圾焚燒中煙氣凈化系統和其他系統的監視和控制，通過F.F現場總線與其子系統的PLC，VVVF，智能儀表等相連。
2）DCS系統設計標準：
1）能夠完成整個生產線的工藝流程的控制功能和過程監測
2）采用雙冗余以太網絡和F.F總線系統，確保系統安全可靠運行。
3）具有焚燒爐，鍋爐，汽輪機發電，煙氣處理等系統和及系統內設備間以及單體設備的保護和安全連鎖。
4）具有事故記憶和系統仿真功能
5）具有中英文操作顯示系統界面和報表打印系統
6）采用鼠標和鍵盤由操作人員進行遠程操作（如手動，半自動，全自動等操作方式）
3）DCS控制功能包括：
a. 信號采集，調節，處理，輸出和指示
b. 閉環回路控制
c. 開環回路控制
d. 警報處置及預警
e. 事件發生順序記錄
f. 自動/手動/半自動操作及切換
g. 數據實時計算記錄
h. 歷史趨勢圖和即時趨勢圖
i. 工藝流程圖形顯示
j. 管理報表生成
k. 系統故障的診斷和監視
l. 數據采集和數據處理，以及歷史數據分析
m. 系統間和設備間的軟件保護聯鎖
4）硬件配置及描述：
煙氣回收自動化控制系統的硬件包括：
1）主站控制柜一臺，內置1個DeltaV主站包括：
2個電源模塊、
2個CPU模塊
存儲器電池（一用一備）
2個通訊接口模塊（雙網配置）--串行接口（2口）RS232/RS485，MODUS主從可編程
10個模擬量輸入模塊（8點）--4－20Ma，1～5VDC 帶HART
1個模擬量輸出模塊（8點）--4－20Ma，1～5VDC帶HART
8個開關量輸入模塊（32點）--24VDC隔離的干接點
2個開關量輸出模塊（32點）--24VDC隔離的干接點
注：以上配置均為1：1冗余配置；
另配有24V穩壓開關電源兩臺，主電源開關一只，及現場設備電源開關（24VDC，220VAC），盤內設備電源（如風扇，照明），以及備用電源開關，具體數量待定。
2）接線控制柜一臺
包括：開關量信號分配器
模擬量信號分配器
開關量信號隔離器（輸入，輸出）
輸入輸出信號接線端子
動力電源，控制電源接線端子
電源母排，接地母排
注：數量以現場設備實際輸入輸出點數量由設備承包商確定。
3）中央控制室增設以下設備：
1套Dell工業微機；（包括顯示器，鍵盤，鼠標，工作站主機，外置揚聲器）
2個高速以太網卡（10BaseT）—基金會現場總線2口
兩臺集線器（主，副）
彩色打印機一臺
操作臺一個
4）系統配置說明：
現場控制站具有32位微處理器和備用微處理器，包括了所有需要的工藝流程控制功能，即使沒有操作人員參與或者通信網絡出現故障，也能維持工藝過程的控制功能。
5）軟件配置及描述
a. 軟件配置說明：
操作系統選用美國Microsoft微軟公司Windows NT中文版操作系統作為工作平臺，工作站選用DeltaV工程開發軟件包，它的數據庫、畫圖、顯示、歷史趨勢、報警等功能緊密結合，不但可以模擬出現場的實際工藝流程，還能將現場工藝狀態數據快速顯示在屏幕上；由操作員在屏幕上完成對現場設備的操作和監視；它能完成龐大的邏輯控制和復雜的調節控制；它的功能塊圖（FBD）、順序控制功能圖（SFC）相結合的編程思想可以隨心所欲地實現各種控制要求；它在控制程序和操作畫面之間快速切換功能便于開發人員和操作人員進行組態，維護和操作監控。
b. 軟件功能：
支持簡單的即插即用
OPC集成
嵌入式F.F現場總線
批量處理
先進控制技術
c.軟件配置：?
Windows NT4.中文版操作系統：用作DeltaV系統的操作平臺
ProfessionalPLUS超級工程師站軟件包： 用于組態、操作和診斷系統，并且維護系統數據庫。只有一臺超級工程師站。Operator 操作員站軟件包： 提供操作員界面 。
6）數據通訊：
雙重高速通訊網絡保證各個現場控制站與中央控制室的操作站之間的可靠通訊所有需要的異常診斷，在現場控制站和操作站上均有報警指示，雙重系統高速通訊網路分開設置，每一條網路都能管理全廠，任何一條發生故障都能自動切換到另一條網路，以保持全廠的正常運行。
這里的數據通訊包括
1) 通過高速以太網的通訊實現Plant-Web 的管理控制功能
2) 通過F.F基金會現場總線與袋收塵PLC，飛灰PLC的通訊
3) 通過高速以太網與操作站之間的通訊
4) 通過HART總線與現場智能儀表之間的通訊
5) 通過H1 Fieldbus或高速以太網與其他控制站的通訊
5.DCS軟件系統的設計
下位機系統設計：
1) 閉環控制回路：
a. 單閉環控制如：模擬量調節控制；
b. 偏差控制如：旋轉霧化器轉速控制；活性炭計量螺旋轉速控制
c. 串級前饋控制如：反應塔出口溫度和工藝水流量的串級前饋控制；反應塔石灰漿流量和煙囪出口HCL含量的控制
2） 開環應用于所有電機的與驅動器（包括閥門）的單向或雙向驅動控制邏輯和標準軟件組。
3） 順序控制功能如：石灰漿系統和活性炭系統工藝管路上的設備的順序啟動和停車的實現，以完成生產和沖洗等工藝要求
4） 遠程控制：
遠程組群控制：將煙氣凈化系統設備依工藝流程編為幾個組群如：石灰漿供應系統；工藝水系統；石灰漿制備系統；活性炭系統；噴霧反應塔系統；灰渣收集系統；袋收塵系統：灰渣儲存和運輸系統；煙囪和排放系統等。
遠程單體設備控制：分為遠程自動，遠程半自動，遠程手動。
5） 警報警示系統：報警信號的存取設定合適的延時時間，以便于記錄報告這些報警。
6） PLC控制：對于隸屬于主要流程的小系統采用分離式控制系統如：
袋除塵系統采用美國A-B公司的SLC5/03控制器硬件配置和SLC-500組態軟件進行控制邏輯的軟件設計。
灰渣輸送系統采用在原有美國A-B公司的SLC5/04控制系統的軟硬件基礎上進行擴容對灰渣系統新增設備進行邏輯控制。
7） 聯鎖保護：對于煙氣凈化系統與鍋爐保護系統采用軟件聯鎖；
對于系統內設備之間采用軟件連鎖
對于重要設備采用獨立于DCS之外的硬件聯鎖電路
8） 操作站－上位機系統設計：利用系統已經做好的操作員面板，詳細的顯示畫面，和過程設備的模板，利用下位機已經做好的控制策略模塊進行工藝流程顯示畫面，操作員操作面板，高級報警管理，實時趨勢和連續的歷史趨勢以及報表打印輸出等功能設計。
上位機系統設計：
系統概貌：
在系統概貌操作畫面中總的概括了整個煙氣凈化系統的工藝流程，該畫面中有主要設備的參數顯示和狀態顯示。在畫面的最上面有操作菜單，點擊他們可以打開相應的功能窗口，它門分別是：當前用戶登錄的顯示窗口、當前報警顯示窗口、趨勢顯示窗口，設備操作窗口。并能夠從主畫面或某一子畫面進入其他畫面。以及報警記錄、靜音、生產報表、返回、緊急停車等按鈕。
登錄： 當點擊登錄會出現登錄對話框，上邊是用戶名稱，下邊是用戶密碼，輸入完畢后點擊確定系統便把用戶登錄到系統。用戶可以利用自有的權限訪問相應的畫面，并修改相應的參數。
退出登錄： 如果關閉操作系統則您所登錄的用戶在系統中取消，即喪失自有的權限。
工藝流程圖形顯示：顯示工藝流程總畫面，及所有子系統的流程畫面，并動態的顯示電機，閥門的工作狀態和現場檢測儀表的工藝參數。
設計原則：a.對于一個總系統有一個工藝流程圖
b.對于每一個子系統有一個工藝流程圖
c.對于較為復雜的功能群單獨設置一個工藝流程圖
功能組顯示：(即DeltaV Operate操作界面： 一個標準的、高效的圖形操作界面，允許操作員參與系統過程控制)。
a.工藝流程變量，設定值和控制輸出用條形圖顯示
f. 工藝流程變量，設定值用工程單位數字顯示（液位，閥門開度用百分比顯示）
g. 數字量輸入輸出的狀態顯示
d. 每個驅動控制回路的控制方式顯示
e. 每一回路的報警狀態顯示
f. 回路顯示：包括回路的組態，控制信號，控制參數，參數范圍，報警值的設定，輸入輸出極限，相應的控制邏輯圖，當設備運行時還可以在屏幕上設定，調整或改變控制參數。
趨勢圖：（Process History View過程歷史顯示： 提供歷史趨勢和表格記錄，記錄工廠中發生的事件）包括歷史趨勢畫面和即時趨勢畫面，可以提供多工藝流程變量在同一趨勢圖上顯示，每一個工藝流程變量用不同的顏色顯示，歷史趨勢允許用手動選擇顯示周期
訪問報警和生產報表：（即Excel Add-in數據嵌入：嵌入實時數據 到Microsoft Excel表格，用以產生報表和進行數據分析。）報警訪問可以對報警數據進行分析判斷，生產報表可以察看相應的生產記錄
返回和前進：點擊返回或前進可以返回或前進到前一視圖畫面。
緊急停車：點擊緊急停車彈出緊急停車控制畫面，按“確定”可以對某一系統或某一設備進行緊急停車操作。
Diagnostics診斷： 提供關于系統設備和節點狀態及完整性的信息。
Alarm Management報警管理：所有產生的報警按時間先后列出分別指出發生的時間，內容，和狀態，沒有被確認的報警用紅色或閃爍警示來分辨。
6.控制原理與檢測控制設備：
1）溫度測量裝置：
a：遠距離溫度測量，超過500℃的工藝測點采用熱電偶（包括補償導線），其信號變送器－毫伏/毫安轉換器可與一次檢測元件一體化，也可分開，或集成于DCS的AI模板中。
b.不到500℃的工藝測點以及電機線圈軸承的溫度，冷卻水和其他低溫測量均采用熱電阻測量，并按三線制原理接線，其信號變送器－電阻/毫安轉換器可與一次檢測元件一體化，也可分開，或集成于DCS的AI模板中。
h.對于不需要遠傳和遠程監控的溫度信號，只在現場設置溫度顯示儀表（采用壓力式指示溫度計）。
i.所有變送器輸出信號均采用兩線制（DC24V電源線，和4～20mA信號線）送入DCS的AI模板。
2）壓力/差壓測量：
a.對于遠距離壓力或差壓測量均采用電容膜片式壓力或差壓變送器（包括帶排泄閥，取壓閥，均壓閥的五閥或三閥支管），同時帶現場壓力指示。
b.對于不需要遠傳和遠程監控的壓力測點 ，采用現場壓力指示表。
c.所有壓力或差壓變送器輸出信號均采用兩線制（DC24V電源線，和4～20mA信號線）送入DCS的AI模板.
d.對于不需要連續監控的壓力測點，只需對其進行上下限報警檢測，故選用壓力開關，其報警接點送入DCS的DI模板。
3）流量測量：
a.對于系統主要工藝介質的流量進行監控如：石灰漿和工藝水，沖洗水等的流量，建議對于一般形介質采用差壓流量計，對于可導電介質采用電磁式流量計，
b.流量計采用四線制接線，（AC220V電源，4～20mA標準信號），電源取自儀表電源柜，信號送入DCS的AI模板。
c.對于不需要連續監控的流量測點，只需對其進行上下限報警檢測，故選用流量開關，其報警接點送入DCS的DI模板。
4）物位測量：
a.液位測量：對于石灰漿和工藝水容器的液位采用超聲波液位計進行非接觸式測量。
b.對于反應塔，除塵器等的料倉或灰斗料位采用電容式料位開關進行測量。
5）電力參數測量：在MCC中分別設有主回路和各子回路的電流互感器和壓力互感器，以及功率變送器，其輸出信號轉換為標準的4~20mA信號送入DCS的AI模板（轉換器裝于MCC內），以便向工廠管控網傳送電力管理報告。
6）懸浮微粒濃度和煙霧密度的測量：在袋式除塵器出口的煙囪排放處設有煙塵濃度檢測儀。
7）有害氣體檢測：在袋式除塵器出口的煙囪排放處設有氣體成分檢測的多組分分析儀，進行HCL，HS，SO2等氣體成分的在線檢測和控制。在中央控制室設有獨立的上位機進行氣體分析裝置的現場控制站的工作狀態的組態和監控如：測量，吹掃和效驗，以及數據記錄趨勢顯示，和報表打印輸出。
8）技術要求：所有變送器除非有特殊要求，盡量選用電子式，兩線制，DC24V供電，標準4～20mA信號，現場報警接點統一為常開點閉合報警。
7.動力系統：
1）供電系統：
a.DCS及監控管理系統的電源取自UPS，并采用雙路供電。
b.每個系統或設備都設有獨立的供電及保護回路，，互相之間不受影響
c.在電氣室設有MCC－馬達控制中心，對全部煙氣凈化系統的電機進行控制和供電其狀態和控制信號與DCS相連，每臺電機回路基本上有如下幾個信號點：DI-備妥，DI-應答，DI-故障，DI-跳閘，DO-驅動控制，
d.旋轉霧化器和活性炭計量螺旋，采用變頻調速控制，其變頻器設置于MCC相應的控制回路內，除了具有以上幾個信號點外，還具有AI-速度輸入，AI-電流輸入，AO-速度輸出等信號點。
e.對于用電量不超過30W的用電設備如電磁閥，氣動球閥等均采用24VDC電源供電，由DCS直接驅動。
f.對于用電量超過30W的用電設備如電機等其控制電源取自MCC的控制回路，AC220V
g.MCC系統主電源采用UPS雙路電源供電。
h.對于工藝上自成體系，并由設備商整體供貨的設備：如預加熱風機及其電加熱系統；袋除塵，反應塔和輸灰系統的電伴熱系統，由設備商提供的電氣控制柜置于現場其狀態和報警信號送入DCS進行遠程監控。
2）接地系統：
接地系統設計技術要求：
a.DCS檢測控制裝置設置單獨的接地系統，不能并入其他接地系統
b.DCS檢測控制裝置的系統接地電阻應不大于1歐姆
c.鋼結構和圍欄等金屬必須有單獨的接地系統。
d.中控室操作站包括其交流電源也需要有良好的接地系統
e.所有的動力和控制柜的柜體均應接地并由一單獨接地點。
f.低壓供電系統接地與高壓供電系統接地應分開。
g.DCS即DeltaV系統和所有檢測儀表應有一低阻抗，高質量的接地系統，以保證系統的穩定工作。
接地系統描述：
a.AC接地，DC接地，以及屏蔽地應分開，三種接地互相隔離，各自有單獨的接地體，分別作為DeltaV系統的交流電源，直流電源，以及儀表的屏蔽等的保護接地。
b.柜體接地：所有的柜體都應接地并同交流接地系統，直流接地系統，以及屏蔽接地系統分開。
c.接地電纜：接地母排將各接地系統內不同柜各的接地線匯總于接地母排上，在通過專用接地電纜與接地體相連。
d.現場和控制室的控制柜的接地應就近相連后接入DC接地系統。
e.接地標志：所有接地母排，接地線，接地體均用綠色或者黃色和綠色混合標志進行標識。
3)動力和控制元件：
系統的動力設備－電機均由操作員進行遠程起停操作，并由DCS自動執行相關的保護和聯鎖功能，每臺電機均在現場設置一現場操作箱，以便于檢修和維護時進行現場操作。
a.系統的最終控制元件采用電磁閥和氣動球閥，啟動裝置由電動操作，當發生停電或故障時保持或回復在原先位置，或是移動到對流程安全的位置。
b.所有的氣動球閥均帶開關限位裝置以便將閥門的開關狀態送入DCS進行監控。
c.噴霧反應塔的石灰漿和工藝水流量控制采用連續流量調節閥，并配置開關限位，氣源三聯件，I/P轉換器，以及位置反饋器和現場開度指示。
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