2021.18科学技术创新大型垃圾焚烧发电项目D C S 系统网络结构设计探讨 张会妍
(上海康恒环境股份有限公司，上海200040)
近年来，在“垃圾围城”日益严峻的形势下，垃圾焚烧发电作为“减量化、无害化、资源化”处置生活垃圾的最佳方式，引起国家高度重视与关注。分散控制系统(DCS )作为全厂自动化控制的核心，对整个垃圾焚烧发电项目中焚烧炉、余热锅炉、烟气处理系统、凝汽式汽轮发电机组及其辅助设备进行实时监控，以满足全厂工艺系统监控的需要。DCS 依靠自身的模拟量控制、数据采集、辅机控制、连锁保护、GPS 时钟等功能，对全厂工艺系统在各种工况下进行运算、监控、报警、调整，确保机组安全、高效运行。DCS 系统的稳定性和可靠性是垃圾焚烧发电厂安全、经济运行的重要保证。 本文以浙江杭州某大型垃圾焚烧发电项目为例，分析了原有常规项目DCS 系统设计对于大型垃圾焚烧发电项目的不适用性和网络安全缺陷，而后从全厂各系统工艺设计运行的要求、全厂自动化水平、系统运行的安全性、可靠性、经济性等方面出发，系统的分析了本项目针对大型化垃圾焚烧发电厂的DCS 系统网络结构及安全连锁设计方案。
该垃圾焚烧发电工程包括6台日处理量870t/d 的焚烧炉、6台余热锅炉、6套烟气处理系统和三台额定
功率45MW 的水冷纯凝式汽轮发电机组及其辅助设备。针对此项目，需提供一套包含六炉三机和公用系统的DCS 系统设计方案，满足机电一体化设备的控制要求。
1全厂电子间布置设计方案
常规小型垃圾焚烧发电厂均设置1个电子间，全厂设备大部分由硬接线或者通讯接入本电子间DCS 机柜，但这种布置方式不适用于大型项目。
本项目中根据全厂整体建筑布置及工艺设备布置特点,6条焚烧线南北方向均匀对称布置,3台汽轮机布置在中间部分。设中央控制室，形成集热工控制、电气控制、消防监控、设备维护、生产管理于一体的管控中心，有利于运行和管理的统一。本项目不同与小型垃圾焚烧项目1个电子间的布置方式，设置3个机柜室如图1所示:#1机柜室对应放置#1、#2、#3焚烧线设备控制柜,#2机柜室对应放置#4、#5、#6焚烧线设备控制柜,#3机柜室对应放置#1、#2、#3汽机及全厂公用系统设备控制柜等。
本项目机柜室分散布置更适用于大型垃圾焚烧发电项目，厂区占地面积大，这种布置方式减少了敷设电缆的数量和施工成本，同时减少了信号传输的路径长度，提高了信号质量，现场设备信号汇总后在DCS 系统中整合，统一管理和监控。
图1现场机柜间布置
2网络设置方案讨论
垃圾焚烧发电项目涉及的工艺系统众多，全厂大小有近百个系统。每个系统均独立运行又相互联系，逻辑计算、连锁保护错综复杂，各控制系统均需强大的DCS 系统进行联络和监控，因此可靠的网络设置方案非常重要。
2.1全厂DCS 系统采用一个网段
常规小型垃圾焚烧项目中，硬接线点数一般在10000点以下，通讯系统一般在30个以下，设置一个网段即可满足设计的可靠性要求。DCS 系统围绕一对冗余交换机进行构造，交换机之间采用非屏蔽双绞线进行连接以实现信号传输，如图2所示。两台交换机互为热备用，当一个交换机或者线路出现问题时候，能够保证整个系统不受干扰和影响，提升了系统的可靠性；针对本项目另外再设置3对交换机分别放置在3个机柜室以形成整个DCS 控制网络，各系统之间采用标准的TCP/IP 网络通讯，网络均为冗余网络链路。
图2网络原理图(一个网段)
另外DCS 系统所设置的操作员站、值长站、历史数据站、工
摘要：本文旨在研究大型垃圾焚烧发电项目分散控制系统(DCS )的设计方法。根据DCS 系统特点和功
能，结合大型垃圾焚烧发电厂的工艺系统设计及以往大型项目运行后DCS 系统的缺陷，分别讨论了大型垃圾焚烧发电项目的网络结构设计、锅炉与汽机之间的连锁设计方案，以保证DCS 系统长期稳定运行，提升全厂自动控制系统的安全性和可靠性。
水木年华镜片关键词:DCS ；网络结构；连锁设计；可靠性中图分类号:TM621.6文献标识码:A 文章编号:2096-4390(2021)18-0029-03
作者简介：张会妍(1987,7-)，女，汉族，籍贯：河北滦南，学历：全日制本科，职称：工程师，研究方向：电控技术
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科学技术创新
程师站以及后期与SIS/MIS 系统接口站均在本网段上。网络结构特点:①系统设计了总体的基础网络交换机进行冗余切换，每个机柜间设置了下级交换机，分别进行信号传输和交换。网络链路均为冗余设计，提升了系统的安全性、可靠性。②全厂各系统的监控均在一个网段上，各系统之间数据传输、调用、运算、监控便捷，各系统之间的逻辑连锁搭建方便，不需考虑数据延迟更新的问题。③网络负荷较大，全厂数据点很多，随着运行的深入和控制逻辑的优化，数据引用点、数据调用及数据累计会增多，存在网络满负荷或者超负荷运行的风险。④针对这种大型项目，系统扩容性差，不利于后期新增工艺控制系统。
2.2全厂DCS 系统采用两个网段
伤怀之美
针对本项目的工艺设计特点,6台焚烧炉及烟气系统,3台汽机及公用系统的控制由一套DCS 控制实现较难，上文所述的一个网段网络结构缺点突显严重，不能满足本项目需求。经过设计评估和讨论，采用两套DCS 实现，即DCS 系统采用两个网段。两套DCS 系统操作员站均可对全厂工艺控制系统及监控点进行监控，出于安全考虑DCS 系统设有闭锁控制，防止同时在两处操作。如图3所示:DCS 系统围绕着两对冗余交换机进行设计，两对冗余交换机之间采用核心交换机进行连接并进行数据通信和调用，核心交换机依旧采用冗余配置，实现热备用，保证系统的安全性和可靠性。
图3网络原理图(二网段)并且每个网段均配置有自己的工程师站、历史数据站、接口站及相对应的操作员站，两网段经过交换机连接，实现统一。网络结构特点:2.2.1全厂采用两对冗余的基础交换机，各自监控自己所管辖的工艺控制系统，降低了各自的网络负荷率，系统抵御风险的能力强，全厂投运后,DCS 能够承受一定的技术改造和新增的工艺控制系统需求，存在网络满负荷或者超负荷的可能性极小。
2.2.2两对基础交换机通过核心交换机进行数据传输和交换，形成完整的有机整体。
2.2.3核心交换机进行数据的传输和调用是存才时间间隔，对全厂系统的安全连锁，尤其是锅炉和汽机之间的连锁和保护存才一定的安全风险。2.2.4对比整个项目采用一个网段，增加了一对基础交换机和核心交换机及其它基层交换机。每个网段需有自己相对应的工程师站、历史数据站及其他接口站，增加了建设成本；针对这种大型项目，基于系统的稳定性和后期使用维护因素，建议采用两网段进行控制。2.3全厂公用系统网络配置方案对于全厂公用系统如综合水泵房、空压机系统等距离全厂电子间较远，适合在就地设置控制器，设置方式有以下几种(以空压机系统为例)。
本项目空压机系统共6台空压机(5用1备)。
三维数字化建模2.3.1系统采用PLC 控制，与DCS 系统通讯进行数据交换。系统设置独立的控制柜，控制柜中主要由强大的核心设备PLC 及相应模块组成(如西门子S7-1500，三菱Q25等系列)，控制系统与DCS 采用profibus-DP/MODBUS 通讯进行信号传输，如图4所示。办公自动化系统论文
图4P LC 与D C S 系统通讯网络图
本系统的特点:
a.系统独立，降低了外界的干扰。
b.缩短控制系统的设计和制造工期(针对空压机厂家，控制系统大部分是标准化、模块化设计、整体供
货，技术成熟)。
c.控制系统组态编程
(复杂的逻辑计算)由PLC 独立完成，成套设备集成度高。
d.PLC 作为一个控制装置，在逻辑控制方面较有优势，数据运算中功能没有DCS 强大；运算部分的个别功能，需要设计专门的逻辑功能块来实现。
e.系统现场布置与机柜室较远，一般通讯数据传输较慢，存在信号中断或丢失的风险。
f.系统投运后，系统的维护和检修较为不便,PLC 系统专业
术语较高，对检修维护人员提出了更高的专业技术要求。2.3.2系统设置1个远程IO 站，整个系统控制信号汇总到远程IO 站后传输给DCS 系统。
系统设置远程IO 站，如图5所示。图5远程I O 站与D C S 系统通讯网络图远程IO 控制站中卡件等硬件采用与DCS 系统相同的品牌
和型号，系统搭建完成后能够与DCS 系统无缝连接。a.系统采用与DCS 系统相同的卡件、通讯设备，是DCS 系统的组成部分，融合度100%。
牙买加体系>抚顺市北台小学b.系统的通讯卡件依旧采用冗余配置，互为热备用，增加了安全性。
c.系统的控制逻辑需要空压机厂家指导DCS 厂家完成，增加了DCS 系统的运行负荷；由于现场进行逻辑组态和信号
校
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对，增加了调试时间和成本。
d.由于系统的工艺布置特点，与全厂机房距离较远，系统一般采用光纤进行信号传输，传输速率极高。
e.系统的集成度高，节省了电缆的数量及施工成本费用。
f.存在系统电源故障和通讯网络中断的隐患。系统一旦出现故障或问题，整个系统处于停滞状态，影响全厂设备的运行。2.3.3系统设置2个远程IO站，根据工艺特点，整个系统控制信号分散汇总到远程IO站后传输给DCS系统。
图6远程I O站(两个)与D C S系统通讯网络图针对本项目6台空压机设置2个远程IO站进行分别控制。每个远程IO站分别负责3台空压机的控制。
a.控制系统的设计是基于1个远程IO站为基础,6台空压机均能够安全可靠的运行。
b.当一个远程IO站故障或者通讯中断后，另外3台空压站依旧可以正常运行，增加了系统抗风险的能力，安全性更高。
c.相比于一个远程IO控制站，通讯设备仅增加了通讯电缆及通讯卡件，设备成本增加较少。其它公用系统均可按照此设计方案进行控制系统网络结构设计，提升全厂控制的安全性和稳定性。
3余热锅炉和汽机系统之间的安全连锁设置方案
常规小型垃圾焚烧项目中，采用的是一套DCS系统，不存在操作矛盾之处，可以不考虑预热炉和汽机系统之间的安全连锁设置。本项目按照工艺系统设计，余热锅炉与汽机系统主蒸汽管路采用母管制。6台余热锅炉产生的蒸汽采用母管制分别输送给3台汽机，当某台或几台余热锅炉及汽机检修或故障需停运时，通过相关电动阀门进行选择和调整，确保正常机组的运行来保证经济效益。针对此，余热锅炉、汽机、公用系统的控制需满足余热锅炉与汽机之间的连锁和工艺控制要求。每台余热锅炉和汽机均设置了独立的控制站，分别布置在DCS系统网络结构上。锅炉汽包液位低、一次风机和引风机故障
等连锁条件发生时会影响汽机的运行，汽机的故障同时也会影响焚烧炉、余热锅炉的运行和调整。为了使焚烧炉、余热锅炉、汽机之间安全稳定的运行，当连锁条件发生时，逻辑连锁设计和处理问题的及时性极为重要，从而对DCS系统的设计和运行功能提出了更高的要求。
针对此种工艺设计，余热锅炉和汽机之间的连锁方案如下: 3.1方案一：按照机柜间的布置进行分配，即:#1机柜间和3台汽机布置在1网段上,#2机柜间和公用系统布置在2网段上。
本系统特点:
3.1.1依据全厂机柜间的布置,DCS系统网络结构清晰、简洁，设备布置方便。
3.1.21网段和2网段负荷基本相同，运行时较为合理。
3.1.3#1、#2、#3余热锅炉与3台汽机之间的连锁能够无缝对接，连锁反应及时;#4、#5、#6余热锅炉与3台汽机之间的连锁由于跨网段，连锁条件发生时存才延迟现象，反应相对较滞后。
3.1.4由于3台汽机和公用系统均设置在1个网段上，当某个网段进行检修或者维护时，全厂均需停止运行，没有一条焚烧线、余热锅炉、汽机系统能够完整的进行生产运行，对生产不利。
3.2方案二：依据主蒸汽流量管道布置图进行设计，即:6台余热锅炉设置在1网段,3台汽机和公用系统设置在2网段。3.2.1依据工艺系统的设计网络进行布置，系统设计清晰。
3.2.2由于#1机柜间、#2机柜间布置在1网段，能够节省部分电缆。
3.2.3根据工艺系统的特点,6条焚烧线和余热锅炉的IO点数相比于3台汽机和公用系统的IO点数较多，因此1网段的网络负荷和系统负载比2网段高，存在偏移。
3.2.4每条焚烧线与每台汽机之间的连锁逻辑均存在延迟现象。
3.2.5方案一中所提到的1个网段进行检修或者维护时，全厂均需停止运行，没有一条焚烧线、余热锅炉、汽机系统能够完整的进行生产运行的问题依旧存才。
3.3方案三:#1、#2、#3余热锅炉,#1、#2汽机和部分公用系统(能够至少保证1条焚烧炉、余热锅炉和1台汽机运行的公用系统)为1网段,#4、#5、#6炉和#3汽机和其他公用系统在2网段。
本系统特点:
3.3.1系统网络结构相对方案1和方案2较复杂，系统之间的电缆和通讯设备相对增多。
3.3.2降低了余热锅炉和汽机之间的连锁风险和延迟，只有2#汽机的连锁相对风险较高。
3.3.3公用系统的风险更小，当1个网段检修或者故障时，另一个网段均能至少保证1台焚烧炉、余热锅炉、汽机完整的运行，降低了整个项目运行的风险。
3.3.4两个网段的网络负荷和运行负荷相差较小，后期改造和新增工艺控制系统，从技术可行性方面考虑，更加容易实现。
4结论
针对含有多条焚烧线、余热锅炉、汽机的大型垃圾焚烧发电项目,DCS系统的设计可以参照以上方法进行设计。
4.1DCS系统可以采用两个或以上的网段，以减小各网段的网络负荷。
4.2部分公用系统根据工艺特性可以分别布置在不同的网段，减少风险和故障的影响，提升系统可靠性。
4.3余热锅炉与汽机之间的连锁和逻辑控制应根据工艺特性及全厂经济效益进行设计，满足工艺要求的同时，提升经济效益，避免整个项目全部处于停炉停机的现象发生。
按照本网络结构设计方案，本项目自2020年10月投产以来，安全可靠性良好，系统兼容性和扩展性强大，满足项目使用要求。
参考文献
[1]曾卫东，姜因.垃圾焚烧发电分散控制系统的设计和应用[J].热力发电,2003(8).
[2]王常力，罗安.分布式控制系统(ocs)设计与应用实例[M].北京：电子工业出版社
,2010:31-33.
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