（工程热物理专业论文）医疗垃圾焚烧炉计算机监控系统的研究开发.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 湖州市医疗垃圾焚烧处理系统是浙江大学热能工程研究所研制的回转窑+ 循环流化床多段医疗垃圾热解焚烧技术的实际应用示范项目，为了保障该示范项 目的正常运行，需要为其配备一套安全、稳定的计算机监控系统。根据医疗垃圾 焚烧处理系统的实际情况，借鉴国内外一些先进技术和经验，对小型热工监控系 统的应用进行了深入的研究。本文的研究工作正是围绕着湖州医疗垃圾焚烧炉计 算机热工监控系统的研制而展开的，重点是监控系统软件、硬件设计和自动控制 功能的实现。 本项研究中采用可编程控制器( p l c ) 作为下位机、工业控制计算机( p c ) 作为上位机与各种热工参数传感器、变送器、操作控制器等组成一个集散控制系 统( d c s ) ，自动监测医疗垃圾焚烧炉的各项运行参数，并对医疗垃圾焚烧炉实行 自动控制与调节。监控系统包括自动检测与远程自动控制两大部分，p l c 负责完 成数据采集及远程自动控制调节，建立上位机p c 机与下位机p l c 的通讯，操作 人员通过p c 机蠊视医疗垃圾焚烧系统各运行参数监视和控制，实现人机对话， 保证焚烧系统“安全、经济、稳定”的运行。 本文的研究工作还包括上位机( p c ) 和下位机( p l c ) 的软件开发。上位机 软件在通用组态软件“组态王”的开发平台上研制开发，具有强大的监测和控制 功能和友好的用户界面，实现了运行参数的列表显示、流程图模拟显示与趋势显 示、报警提示、历史查询、工作报表等功能。下位机软件由西门子s t e p 一7 软件 包开发，完成监控系统的数据采集、控制回路和控制算法等功能，采用了带死区 的三段式智能p i d 控制原理设计焚烧处理系统各控制回路的自动控制。 通过本课题的研究工作，希望能为开发性能怠好的小型实时热工监控系统提 供一条有效的参考途径。 关键词：医疗垃圾焚烧炉，可编程控制器，热工监控系统，集散控制系统 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em e d i c a lg a r b a g ei n c i n e r a t o ri nh u z h o uc i t yi sad e m o n s t r a t i v ep r o j e c t ， w h i c hi sd e v e l o p e db yt h ei n s t i t u t eo ft h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n go fz h e j i a n g u n i v e r s i t y t oe n s u r et h ef e a s i b i l i t yo fm e d i c a lg a r b a g ei n c i n e r a t o rs y s t e m ，as t e a d y a n dd e p e n d a b l em o m t o f i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mi sv e r yn e c e s s a r y a c c o r d i n gt o s i t u a t i o n so ft h em e d i c a lg a r b a g ei n c i n e r a t o r , t h i sp a p e rd o e sd e e p l yr e s e a r c ho nt h e t h e r m a lm o n i t o r i n g - c o n t r o l l i n gs y s t e m ，w h i l ec o n s i d e r i n go fa d v a n c e dt e c h n o l o g y a n de x p e r i e n c ed o m e s t i c a l l ya n da b r o a d t h ek e yp o i n t so ft h i sp a p e ri n c l u d et h e d e s i g no fs o r w a r ea n dh a r d w a r eo ft h es y s t e m ，a n dt h er e a l i z a t i o no fa u t o m a t i c g o n t r o lf u n c t i o n t h em o n i t o r i n g - c o n t r o l l i n gs y s t e ma d o p t sat o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) c o n s t i t u t e db yap r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) ，ac o m p u t e r ( p c ) a n d t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n gs i g n a ls e n s o r s , s e n d e r s ，c o n t r o l l e r s , c t c t h i ss y s t e mc a n m o n i t o rt h e r m a lp a r a m e t e r sa n dp e r f o r ma u t o m a t i cc o n t r 0 1 t h ep l ci su s e dt o c o l l e c tt h e r m a lp a r a m e t e r s d a t aa n da c h i 州a u t o m a t i cc o n t r 0 1 w h i l et h ep ci s a d o p t e dt om o n i t o rt h eo p e r a t i o np r o c e s sa n dd a t ap r o c e s sb yc o m m u n i c a t i n g j l r i t l l p l c t h i ss y s t e me n a b l e st h ec o n t r o ls y s t e mt ob eo p e r a t e ds a f e l ya n dr e l i a b l y , a n d t h e nb r i n g sm a n yc o n v e n i e n c e st ot h eo p e r a t o r t h i sp a p e rc o n t e n t ss o f t w a r ed e v e l o p m e n to fp l ca n dp c t h es o f t w a r ef o rp c i sd e v e l o p e db y k i n gv i e wt ob ee f f e c t i v ea n d f r i e n d l yt oo p e r a t o r s ，w h i c hc a nr e a l i z e m a n yf u n c t i o n ss u c ha sl i s t - d i s p l a yo ft h e r m a lp a r a m e t e r s ，p r o c e s sd i s p l a y , a l a r m i n g ， h i s t o r yq u e r y i n g ，a n da u t o m a t i cs e t t i n g ，c t c t h es o f b , v a r ef o rp l ci sp r o g r a m m e db y s t e p - tw h i c hc o m p l e t e sd a t at r a n s f e r r i n ga n da u t o - c o n t r o lf u n c t i o n s w h a t sm o r e , t h i sc o n t r o ls y s t e mu s e si n t e l l i g e n tp i dc o n t r o l l e rt od e s i g na l la u t o m a t i cc o n t r o l l o o p s t h r o u g ht h i sp r o j e c t ，ih o p et os u p p l yag o o dw a yf o rb u i l d i n gag o o ds m a l l r e a l - t i m et h e r m a le n g i n e e r i n gm o n i t o r i n g c o n t r o l l i n gs y s t e m k e yw o r d s ：m e d i c a lg a r b a g ei n c i n e r a t o r p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r t h e r m a le n g i n e e r i n gm o n i t o r i n g - c o n t r o l l i n gs y s t e m t o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 学号2 旦主里墨旦2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 一虢平半一叭。6 年多月9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权逝江盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲督导牟 签字日期：2 们( ) 年弓月，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字目期： 彩年弓月9 日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 本课题主要通过研究小型热工监控系统的组成和功能，结合浙江大学热能工 程研究所湖州医疗垃圾焚烧炉的计算机热工监控系统项目特点和开发过程，研究 探讨基于通用组态软件平台的小型热工监控系统的设计、开发、调试的一般方法。 1 1 医疗垃圾处理技术综述 随着医学科学的发展，高新科技仪器在临床上应用及一次性医疗用品的普及 使用，必然造成医疗废弃物不断增加，如何处理好医疗废弃物，是一项至关重要 的事情，已经引起各级部门和人们的高度重视医院的医疗垃圾与生活垃圾有很 大的区别，医疗垃圾是指接触了病人的血液、分泌物、捧泄物等或医院产生出来 的污染性垃圾。如使用后的棉签、棉球、纱布、一次性医疗器械、术后废弃品、 过期药品、过期溶剂、放射性核素污染的固体或液体等由于医疗垃圾具有全空 问污染，急性传染和潜伏性污染等特征，其病毒、病菌的危害性是普通生活垃圾 的几十，几百甚至上千倍，如果处理不当，会成为医院感染和社会环境的公害源， 更严重可成为疫病流行的疫情源头l l - 3 1 1 1 我国医疗垃圾处理现状 医疗垃圾由于携带病毒、病毒的数量巨大、种类繁多，具有极强的传染性、 生物毒性和腐蚀性，是 9 9 9 ，保证粉尘捧放达标 为防止启动时温度低而造成滤袋表面结露现象，布袋除尘装置带有旁路系统 和电热系统，在布袋除尘器上灰仓上设置了仓壁振动器，防止飞灰板结。 1 2 国内外电厂热工监控系统应用发展现状 应用计算机对电厂生产过程进行监视和控制，提高电厂的安全和经济性，一 直以来是国内外电力系统所研究探讨的重要课题，也是其他热工监控系统开发过 程不可缺少的参考，如本课题所研制的湖州市医疗垃圾焚烧炉计算机热工监控系 统。 1 2 1 国外发展情况 在生产和科学技术的发展过程中，工业自动控制起着至关重要的作用，目前 各种自动控制系统已经广泛的用于石油、化工、电力、城市交通等社会各个方面， 发挥着巨大的作用 国外最早于1 9 5 8 年开始研究用计算机进行生产过程的监视和测量。并且获 得了初步成功。在电厂自动化方面，美国是最早应用计算机的。1 9 5 8 年9 月， 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 在美国l o u i s i n a 公司的s t e r l i n g 电厂安装了第一台计算机监视系统。日本于 1 9 6 1 年开始在北海道泷川电厂设置计算机，但由于当时硬件和计算机元件制造 技术方面的缺陷，整个计算机系统达不到生产应用的水平此后，日本也开始进 行计算机控制在电厂方面的研究。欧洲及前苏联在之后的l 2 年。也开始了相 应的研究l j 引“。 电厂热工自动控制的发展，经历了以下几个阶尉1 1 3 1 ： n 初级阶段：2 0 世纪5 0 年代前后，热工生产过程主要是凭生产实践经验， 局限于一般的控制元件和机电式控制仪器，采用比较笨重的基地式仪表实现机、 炉、电各自独立的分散的局部自动控制。各控制系统之间没有或很少有联系。过 程控制的目的主要式几种热工参数，如温度、压力、流量几液位的定值控制，以 保证电力生产的稳定，所应用的理论为古典控制理论 o 仪表化阶段：2 0 世纪5 0 年代末及以后十年问，先后出现了电动单元仪 表和巡回监测装置，因而实现了把机、炉作为一单元整体来进行集中控制，仪表 盘装在一起监视，从而使机、炉启停更为协调，对提高设备效率和强化生产过程 有所促进，适应了工业生产设备日益大型化于连续化的需要。此时所用的仪表有 电动及组装仪表，所应用的理论依然为古典控制理论 臼合自动化阶段：2 0 世纪7 0 年代至今，由于集成电路及计算机技术的飞 速发展，由分散的机组或车间控制，向全车问甚至全企业的综合发展，实现了过 程控制最优化与管理调度自动化相结合的分散计算机控制对电厂而言，则是把 火电厂的生产过程( 包括主、辅机，全厂个辅助车间) 作为一个整体来进行控制， 此时所用的仪表有气动仪表、电动组合仪表、组装仪表及计算机，所用理论大多 为古典控制理论，少量为现代控制理论 随着计算机技术的迅速发展，电厂计算机过程控制又经历了以下几个发展阶 段： 集中型计算机控制；它是用一台计算机对整个生产过程进行整体控制， 因而对计算机的可靠性要求很高，一旦计算机出现故障，将使整个生产受到影响。 分散型计算机控制：随着微机的大批生产，成本的不断下降，逐渐把集 中控制改为用微机进行局部控制，克服了集中控制的一些缺点，但此时个系统之 间很难协调起来。 集散型计算机：它把各系统之间、厂级管理、调度等用一台功能很强的 计算机进行上位管理；而把各子系统用微机管理，充分发挥了集中控制和分散控 制各自的优点，是一种比较合理的新型计算机控制系统 集散型计算机控制系统( t o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ，简记t d c s 或d c s ) 也有称为分布式计算机控制系统( d i s t r i b u t e dc o m p u t e rc o n t r o l s y s t e m s ，简记d c c s ) 的，是计算机( c o m p u t e r ) 技术、通信( c o m m u n i c a t i o n ) 技术、 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 阴极射线管( c r t ) 显示技术和控制( c o n t r 0 1 ) 技术的结合。集散型计算机控制系统 能够完成直接数字控制、顺序控制，批量控制，数据采集与处理、多变量解耦控 制以及最优控制等功能，在先进的集散型控制系统中，还包含有生产的指挥、调 度和管理的功能i l 6 】。 到了二十世纪九十年代，为了尽量满足应用需要，d c s 系统正逐渐与管理信 息系统( m i s ) 结合。构成管理控制一体化的计算机集成过程系统( c i p s ) 。同时 也发展缩小化的微型集散控制系统( m i c r od c s ) ，以满足中小企业的应用。c i p s 系统着重于信息的集成及信息的共享，即通过网络连接和数据库把生产过程中分 散的各种计算机结合所形成的各个孤立系统( 如过程控制系统d c s 、p l s 等，计 算机辅助工程c a e ，管理信息系统m i s ，决策支持系统d s s 等) 集成起来，称为 相互协调，总体优化的集成系统，是c i p s 长期稳定于最优状态下运行，具备充 分的柔性和应变能力。d c s 系统向着集成化、综合化和智能化的方向发展 国外d c s 系统经过几十年的发展，计算机集散控制系统已被广泛应用于包 括电厂在内的诸多工业部门。目前，世界上约有4 0 多家公司生产近百种简单控 制系统的商业产品比较有名的，如美国的a b b 、h o n e y w e l l 、t a y l e r 、f o x b o r o ： 以及目本的横河北辰、日立、东芝；德国的s i e m e n s 等多家跨国公司 1 2 2 国内发展情况 我国电厂热工自动化方面的计算机应用起步于1 9 6 4 年，比国外晚了两年时 间。从一开始在国外引进机组上采用d c s 系统，到在个别大型机组上试点。再到 3 0 0 m w 以及3 0 0 m w 以上大型火电机组上普遍采用，可以说是取得了巨大的发展 d c s 完全依赖进口的局面正在改变。国内自动化仪表制造行业和电厂自动化研究 单位通过引进技术或合资生产，在工程实践中逐渐积累了丰富的经验，特别是在 应用软件方面取得了较大进步，已经能够独立承担d c s 系统组态，应用软件设计， 现场测试和培训工作。 近十几年来，d c s 系统在我国火电厂的广泛应用，极大提高了火电厂自动化 水平，主要表现在以下几个方面： d c s 在机组分部试运行和整机启动调试过程中已能发挥作用，加快了机组安装调 试的进程，并且机组正式移交生产时保护和控制系统的主要功能均已能投入使 用。 ( 鼽运行人员已经熟悉c r t 键盘操作方式，逐步摆脱对常规仪表和控制设备 的依赖。3 0 0 m w 及以上火电机组均实现了单元集中控制；在单元控制室里实现对 机组正常运行的监视和控制：在就地配合下，完成机组的启停操作和事故处理， 为逐步过渡到机炉电统一操作创造了条件。 4 - 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 电厂辅助生产车间和辅助生产系统均采用微机型可编程序控制器，实现 顺序控制。 但是，与发达国家相比，我国电厂自动化水平还存在以下几方面明显的差距； 1 ) 我国的i ) c s 系统在使用中硬件故障率高，死机现象、冗余切换故障等时 有发生。d c s 系统中的某些功能，如性能计算、机组自动启停、组级顺控逻辑， 操作指导等，在许多电厂还未投入由于缺乏切实可行的测试方式和手段，有些 d c s 性能指标无法进行考核和验收，许多性能指标远没达到。 2 ) 现在已经投运的比较好的d c s 系统主要依靠进口，国产化进程跟不上其 发展和更新的速度。由于i ) c s 系统市场激烈，价格被压得很低，使d c s 系统供应 商在工程设计和应用软件开发上不可能有较大的投入，从而造成i ) c s 系统的性能 不断提高而应用软件停滞不前、先进控制软件不能推广应用的局面 3 ) 国内大专院校和科研单位，在先进控制软件和优化软件开发方面取得了 一些成果。但是，由于没有同d c s 系统制造厂密切结合，未能及时将研究成果产 业化。 4 ) 我国电厂自动化设计工作水平比较低，远远跟不上i ) c s 系统和控制技术 的发展由于电厂采用1 ) c s 之后，控制逻辑均由计算机软件完成，控制系统逻辑 设计的大部分工作从电力设计院转移至d c s 制造厂。这意味着d c s 制造厂应对控 制系统性能负主要责任，电力设计院仅承担编制技术规范书、提高基础资料和控 制要求，确认d c s 制造厂图纸文件及安装接线设计等工作设计院往往忙于安装 接线设计，忽视对于控制逻辑图的确认和控制策略的研究，加上较少深入参与系 统验收和调试，久而久之，电力设计院在控制系统设计方面的技能和专长逐渐衰 退，也无法对d c s 技术有更深入的认识，不能及时解决) c s 调试和投运过程中遇 到的问题。多年来i ) c s 技术规范书一直未能作过实质性的修改和更新。 在国内早期投运的中小型热电厂中，热工自动控制一般仍采用n ) z - i i 或 d i ) z 一型电动单元组合仪表来控制热工设备，也有用单回路调节器的。其控制方 式都是典型的传统控制。由于设备老化，及其自身的缺陷等各种原因，至今自动 投入率低，燃烧控制系统投入更是罕见，这已成为影响我国小型热电厂自动化水 平提高的难题。 国内现在热工过程自动化研究的一个重要方面为中小型，主要是进行生产实 时热工监控系统的开发和研究。如山东电力实验研究所、南京南瑞自动化公司、 浙大中控、北京和时利公司等均与各电厂合作开发了各具特色生产实时监控系 统。但是长期连续投入自动控制的系统不是很多，国内的热工自动化还在不断完 善中，实际的控制效果不明显，没有创造很好的效益其中主要存在的问题有： 1 ) 电厂锅炉工作现场环境十分恶劣，系统长期连续稳定运行比较困难。 2 ) 由于我国电厂主要燃烧劣质煤，煤种煤质太差，湿度太大、含灰量大且 浙江大学硕十学位论文 第一章绪论 发热量低。当蒸汽负荷变化比较大时，锅炉的燃烧过程不能正常进行，常出现脱 火与失控现象，致使系统无法投入自动控制，极大的影响了d c s 系统的工作效率。 3 ) 现场仪表、执行器和调节阀等部件质量不过关或者选型不合理导致了系 统无法正常工作。 1 2 - 3 可编程控制器( p l c ) 在现代工业控制中的应用现状 可编程控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) ，简称p c ，因早期主要应用于 开关量的逻辑控制，因此也称为p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，即可 编程逻辑控制器。现代可编程控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、 自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积 小、功能强、灵活通用与维护方便等一系列的优点。特别是它的高可靠性与较强 的适应恶劣环境的能力，受到用户的青睐因而在电力，冶金、化工、交通等领 域获得了广泛的应用l l 刀。 可编程控制器是1 9 6 9 年美国数字设备公司( d e c ) 研制成功的，并在通用公 司( g e ) 汽车生产线上应用，获得成功从此，可编程控制器技术就迅速发展起 来1 9 7 1 年日本从美国引进了这项新技术，很快研制成了日本第一台可编程控 制器d c s _ - 8 1 9 7 3 年，西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器我国从 1 9 7 4 年开始研制，1 9 7 7 年开始工业应用 可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用 而设计的工业控制器。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑 运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入 和输出，控制各种类型机械的生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按 易于与工业系统联成一个整体、面向用户的“自然语言”编程；是一种简单易懂、 操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。 目前，p l c 在国内外已广泛应用于电力、钢铁，石油、化工、建材、机械制 造、汽车、轻纺、环保以及文化娱乐等各行各业。随着p l c 性能价格比的不断提 高，其应用会越来越广。 p l c 与集散控制系统在发展过程中，始终是相互渗透互为补充它们分别由 两个不同的古典控制设备发展而来。p l c 是由继电器逻辑控制系统发展而来，初 期主要侧重于开关量顺序控制集散控制系统( d c s ) 是由单回路仪表控制系统 发展而来的，初期主要侧重于回路调节功能。这两种设备都随着微电子技术、大 规模集成电路技术、计算机技术、通信技术等的发展而发展，同时都向对方扩展 自己的技术功能。p l c 在6 0 年代问世以后，于7 0 年代进入了实用化阶段，1 6 位，3 2 位微处理器和各种位片式处理器的应用，使它在技术和功能上发生了飞 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 跃，在初期的逻辑运算功能的基础上，增加了数值计算、闭环调节等功能，其运 算速度提高，输入输出范围与规模扩大。p l c 与上位计算机之间相互连成网络， 构成以可编程控制器为主要部件的初级控制系统。 现代可编程控制器的模拟量功能很强，多数都配备了各种智能模块，以适应 现场的多种特殊要求，具备了p i b 调节功能和构成网络系统组成分级控制的功 能以及集散控制系统所完成功能。集散控制系统既有单回路控制系统，也有多回 路控制系统，同时也具有顺序控制功能。到目前为止，p l e 与集散控制系统的发 展越来越接近，很多工业生产过程既可以用p l c ，也可以用集散控制系统实现其 控制功能i l ”。 目前，p l c 在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品。用p l e 设计 自动控制系统也成为世界潮流。 尽管可编程控制器在功能上与d c s 控制系统已经相差无几，但由于p l c 自逻 辑控制发展而来，而热工控制中模拟量居多，所以其在电厂自动控制中的应用并 不多见，电厂辅助系统较多的应用p l c 1 3 医疗垃圾焚烧炉热工监控系统的必要性 本课题主要是为湖州医疗垃圾焚烧炉研制出一套安全、稳定、可靠的计算机 热工监控系统保证医疗垃圾焚烧炉在焚烧处理医疗垃圾的过程中，操作人员能 时刻方便地监视焚烧炉的燃烧状态，并且能够根据不同的情况迅速做出相应的调 整，完成对医疗垃圾的焚烧处理工作【1 9 1 随着计算机技术的迅猛发展，运用计算机热工监控系统对医疗垃圾焚烧炉进 行监视和控制，对提高医疗垃圾的处理水平和医疗垃圾焚烧系统的自动化水平起 着非常重要的作用。 计算机有很强的信息处理能力，它除了能高速地进行计算外，还具有分析系 统的运行参数，对系统进行改进和完善的功能，如果配合合适的外部设备和过程 输入通道，再加上丰富的软件系统的支持，计算机监视系统便能根据各种需要， 实现自动监视。计算机监视系统与常规仪表监视系统相比有以下几个优点【1 3 - 2 0 , 2 i 】 计算机运算速度快，且具有分时操作功能，所以一台计算机能代替多台 常规仪表。 计算机的监视方法比较灵活，对于常规仪表难以达到的监视质量，计算 机监视系统却很容易达到。 由于计算机具有记忆和判断功能，所以在过程参数发生变化时，能及时 综合各方面情况，而对此，常规仪表不能胜任。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 计算机监视系统c r t 显示终端，可以实现多种参数的集中显示，同时还 可以显示各种画面，相关图形，给分析问题和操作控制带来很大的方便。 计算机监控系统利用计算机采集存储的数据进行性能计算、经济指标的 计算分析和统计报表的自动生成等，为分析系统运行情况提供了方便， 减轻了实验运行人员的工作量。 计算机监控系统通过所积累的大量统计资料，可以为监控系统的改进提 供依据。 综上所述，为湖州医疗垃圾焚烧炉研制出一套计算机热工监控系统是十分有 必要的。 1 4 本课题热工监控系统的特点 通过借鉴国内外热工监控系统成功的经验，在热能所多年来热工监控系统开 发的基础上，尝试使用通用组态软件作为开发平台，缩短软件开发的周期，提高 软件质量，得到功能强大、稳定可靠、界面友好的热工监控系统埘】其主要实 现的功能有数据采集和处理、界面显示、界面组态和自动控制等 本课题为了使湖州垃圾焚烧炉具有先进的监测和控制水平，确保安全、经济、 稳定的运行，把可编程控制器( p l c ) 、工控机( p c ) 结合起来，把系统硬件高可 靠性与软件功能的完善性相结合，组态灵活，价格低廉，性价比高，可以保证医 疗垃圾焚烧炉监控系统长期稳定可靠运行 焚烧炉的计算机监控系统上位机软件是使用北京亚控科技发展有限公司提 供的组态王k i n gv i e w 开发的，它有界面友好，开发方便、通讯能力强等优点， 它可以连接各种不同的标准化p l c 进行数据采集，组态王与设备通讯时，调用相 应设备的动态连接库程序，实现了组态王与设备通讯程序间的无缝连接。 湖州医疗垃圾焚烧炉热工监控系统使用了西门子$ 7 - 3 0 0 系列的p l c ，下位机 软件用s t e p - 7 语言编辑器编写，上位机( 工控机) 与下位机( p l c ) 之间是通过 m p i 卡进行通讯的。运行数据的存储、显示、报警、查询和打印报表等都是有工 控机来完成，p l c 负责系统运行的数据采集和控制工作。 本课题开发和研制的监控系统是针对小型热工系统的，使用“组态王”软件 作为开发平台，充分利用了工业自动化通用组态软件的优越性，提高了热工系统 运行的安全性和稳定性，并使其技术管理和运行管理体制更加完善 湖州医疗垃圾焚烧炉计算机监控系统实现过程监视、数据记录和报表打印、 报警功能、趋势变化展示等功能，控制焚烧炉整个系统的安全、稳定、经济的运 行。 浙江大学硕士学位论文 第二章湖州医疗垃圾焚烧炉热工监控系统总体设计 第二章湖州医疗垃圾焚烧炉热工监控系统总体设计 2 1 热工监控系统概述 计算机控制系统根据对象的不同控制要求，所实现的控制功能和基本特点， 可以分为下列四种类型：数据采集和处理系统；直接数字控制系统；计算机监督 控制系统和集散型控制系统【2 5 硐。 计算机数据采集与处理系统 计算机数据采集与处理系统( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 。d a s ) 又称计算 机监视系统，是以计算机为核心对生产过程进行智能化、全工况开环监视与控制 的系统，其主要功能包括：信息输入、信息处理、报警处理、操作指导、人机联 系与信息输出等，缺点是不直接参与设备的控制，没有充分发挥计算机控制系统 的能力，其系统构成如图2 - 1 所示 传感信号 被 输 计 一黧 控入 算 对通 机 象道 图2 - 1 计算机数据采集与处理系统 直接数字控制系统 直接数字控制( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l 。d d c ) 系统的构成如图2 - 2 所示。 被计 设定值 控算 f 对机 象 图2 - 2 计算机直接数字控制系统 d d c 由计算机直接对生产过程进行控制，计算机取代模拟调节器作为生产过 程的控制装置，对控制规律进行数值计算，经过程输出通道( d a 和d o ) 直接控 制生产过程。d d c 是计算机应用于过程控制的典型系统，现常用来泛指计算机控 制系统。 计算机监督控制系统 计算机监督控制系统( s u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r o l ，s c c ) ，由计算机 浙江大学硕士学位论文 第二章湖州医疗垃圾焚烧炉热工监控系统总体设计 根据生产过程工艺参数和数学模型，计算出最佳设定值和相应的控制指令，送给 模拟调节器或d d c 计算机。由模拟调节器或d d c 计算机控制生产过程，使其处于 最优工况。s c c 系统不仅可以进行顺序控制、最优控制及自适应控制等，它是d a s 和d d c 系统的综合和发展。其系统原理图如图2 - 3 所示。 被 一篓型数字l 计 控 卜一雠懦r 算 对 输入参数 象 机 图2 3 计算机监督控制系统 集散型控制系统 集散型控制系统( t o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，t d c s 或9 c s ) 又称 为整分布式计算机控制系统，是以多台微型计算机为基础，采用数据通信和c r t ( 阴极射线显示器) 显示技术，对生产过程进行分散控制、集中操作、分级管理、 分而自治和综合协调的系统其基本组成如图2 - 4 所示 集散控制系统是以微处理器为基础的集中分散型控制系统自2 0 世纪7 0 年代中期第一套d c s 问世以来，集散控制系统已经在工业控制领域得到了广泛的 应用，越来越多的仪表和控制工程师已经认识到集散控制系统必将成为过程工业 自动控制的主流，在计算机集成制造系统c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs r s t e m ) 或计算机集成作业系统c i p s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e d p r o d u c t i o ns y s t e m ) 中集散控制系统将成为主角。 d c s 的主要特征是它的集中管理和分散控制。随着计算机技术的发展。网络 技术已经使集散控制系统不仅主要用于分散控制而且向着集成管理的方向发展， 系统的开放不仅使不同制造厂商的集散控制系统产品可以互相连接，而起可以方 便地进行数据交换，系统的开放也使第三方的软件可以方便地在现有地集散控制 系统上应用。因此，集散控制系统早已在原有的概念上有了新的含义 2 7 , 2 8 1 图2 4 计算机集散型控制系统 浙江大学顾士学位论文 第二章湖州医疗垃圾焚烧炉热工监控系统总体设计 集散控制系统一般有以下三大基本部分： 一、分散过程控制装置 分散过程控制装置是集散控制系统与生产过程间的界面，生产过程的各种过 程变量通过分散过程控制装置转化为操作监视的数据，而操作的各种信息也通过 分散过程控制装置送到执行机构。在分散过程控制装置内，进行模拟量与数字量 的相互转换，完成控制算法的各种运算，对输入与输出量进行有关的软件滤波及 其他的一些运算。 = 、操作管理装置 操作管理装置是操作人员与集散控制系统间的界面，操作人员通过操作管理 装置了解生产过程的运行状况，并通过它发送指令给生产过程。生产过程的各种 参数在操作管理装置上显示，以便于操作人员监视和操作 三、通讯系统 分散过程控制系统装置与操作之间需要有一个桥梁来完成数据之间的传递 和交换，这就是通讯系统。 集散控制系统能被广泛应用的原因是因为具有优良的特性与模拟电动仪表 比较，它具有连接方便、采用软连接的方法连接容易更改、显示方式灵活、显示 内容多样、数据存储量大等优点；与计算机集中控制系统比较，它具有操作监督 方便、危险分散、功能分散等优点。因此，在各行业各个领域得到了应用 2 2 焚烧炉热工监控系统总体结构设计 不同的计算机热工监控系统应依据系统的设计原则和用户的实际情况及要 求区别对待在了解、掌握具体热工流程和焚烧炉运行过程的静态和动态特性的 基础上，应用理论对整个控制系统进行分析和综合，最后采用适宜的技术手段加 以实现。 2 2 1 热工监控系统总体设计依据 根据以往实践经验，工程具体情况对监控系统的运行要求是多方面的，不过 般大的可以分三项要求，即安全性、经济性和稳定性。 安全性、 安全性是指在整个系统运行过程中，确保运行人员和设备的安全，这是最重 要的也是最基本的要求。一般系统采用参数越限报警、事故报警和联锁保护等措 施加以保证。 经济性 企业生产肯定要考虑运行费用问题，在保证安全有效的前提下，需考虑到系 浙江大学硕士学位论文 第二章湖州医疗垃圾焚烧炉热工监控系统总体设计 统的设计成本和运行成本好的监控系统必须考虑能保持安全高效长时运行，以 减少维护费用和不必要的生产损失 稳定性 稳定性是衡量一套监控系统性能的重要指标在设计中，我们必须根据运行 环境考虑选用相应的软硬件，保证系统整体上具有抑制外部干扰的能力 因此，在进行系统总体设计时，我们必须对生产的整个运行环境、生产经济 性等进行综合考察，列出可能影响系统准确稳定运行的因素和相应保证方法，以 便系统运行投产后能按要求运行。 根据以往经验，应用于一般生产现场的热工监控系统具备如下特点：能够在 环境温度一5 一“，相对湿度不大于9 5 ，有少量粉尘、震动、电磁场、腐 蚀性气体等干扰因素的环境下工作；控制实时性好，即信息的输入、处理、运算、 判断和输出都要在一定的时间内完成：具备完善的人机联系方式，在生产过程或 监控系统出现异常时，运行人员能手动操作生产过程或者采取紧急措施；注重软 件的丰富完备性，因为生产过程中系统是由随机的一些外部事件驱动的，除了满 足实时性，系统一般还要求有较好的操作系统、文件管理系统和数据管理系统 上述是系统总体设计时的一般依据当然涉及具体项目还需要具体分析 2 2 2 焚烧炉热工自动监测功能 焚烧炉热工监控系统中的自动监测系统是整个焚烧炉的信息与操作中心，负 责自动检查和测量焚烧炉在焚烧医疗垃圾过程中的各种热工参数( 如温度、压力、 流速、流量等) 以及焚烧炉各个系统的工作状态，以监视焚烧处理过程的进行情 况和趋势。它的主要功能有： 1 数据的采集和处理 焚烧炉自动检测系统最基本、最核心的功能是数据的采集和处理。 数据采集和处理将整个焚烧炉各种模拟量参数、开关量参数( 包括开关、阀 门位置) 以及设备运行方式( 启、停、联锁等) 进行周期性的采样或者中断请求 采集。计算机监控系统的输入输出( i 0 ) 信号分为模拟量，开关量两类。这些 参量都是由焚烧炉的各种参数转化而来，温度，压力、流量、流速等都属于模拟 量；设备的“启”、“停”状态和阀门的。开”、。关”状态等，用“0 ”、“1 ”来表 示，属于开关量。模拟量与开关量信号从现场采集到p l c 的模拟量输入与开关量 输入模块内，p l c 则根据预定的计算程序( 数学模型和算法) 进行计算，其计算 结果通过模拟量和开关量的输出通道变成现场所需的控制信号，实现自动控制。 数据采集周期就是计算机按照预定的采样周期，对全部模拟量、开关量等输 入信号进行巡回检查。实时数据的采集周期要符合温度、压力和流量等参数变化 频率，以动态的反映焚烧炉运行的状态和满足累计量计算的需要以最快的采样 浙江大学硕士学位论文第二章湖州医疗垃圾焚烧炉热丁监控系统总体设计 频率，可以满足事故处理的需要，目前大型系统只能达到每秒采样一次的水平 一般而言，热工参数通常取2 秒钟左右的刷新率就可以满足运行监视的需要本 焚烧炉设定的采样频率为1 5 秒1 次，c r t 刷新周期为1 秒 数据处理可分为一次处理和二次处理两种。一次参数处理是把采样输入转化 为过程变量以及对过程量的处理。过程变量可以是采样输入的一次参数、二次参 数或派生参数( 问接测量参数，如风量等) 以及设备运行状态。过程变量的处理 包括对模拟量进行数据滤波、正确性判断、修正计算以及工程量变换等；以及对 开关量的状态、动作确认、动作时问记录和相应处理。这部分功能可以由p l c 的软、硬件结构及上位机编程实现。二次参数处理是指利用一次参数的累计进行 累计值的计算、平均值的计算、差值的计算、参数变化率的计算、报警值的计算 以及性能计算等等。二次参数处理的功能主要由上位机p c 软件中相应的程序实 现。 经过数据处理后所得的数据，赋予采样时间均以同一规定形式存放在数据库 中，以供其他功能块调用或者历史数据查询检索使用 2 c l 玎屏幕显示操作 自动监测系统在显示屏( c r t ) 画面上可以把过程变量，设定值、控制参数、 报警状态、变化趋势等信息用文字、数字以及图形的形式清楚形象的显示出来 画面可以通过类似w i n d o w s 操作( 如菜单，工具栏、快捷菜单等) 方式调用，使 用十分方便 c r t 屏幕显示形式是多种多样的，具体包括：模拟流程图显示，实时跟踪曲 线显示，历史趋势曲线显示，成组参数列表显示，以及各种软手操、人机对话画 面等 3 报警监视 自动检测系统可以对任一过程变量进行限值检查，一旦越限，即在c r t 上显 示，并可以在打印机上打印。报警限值可以是：上限值报警，下限值报警、变化 率限值报警。 报警的显示方式有：改变模拟图中相应参数的显示颜色或者背景颜色；设置 报警栏；报警列表：报警按钮显示等。值得注意的是，一旦有参数报警，屏幕状 态栏上即出现该参数的报警提示，同时有语音提示直到该参数回复正常或者按下 报警确认按钮或报警确认快捷键。 报警参数查询可显示报警参数名称、越限值大小、越限开始时间、越限恢复 时间、以及越限总时问。 4 控制参数设置功能 控制系统控制回路品质的优劣决定于系统设计是否成功，系统克服外界扰动 的能力通过控制参数设置功能可以对控制回路的p i d 控制参数进行整定，获取 浙江大学硕士学位论文第二章湖州医疗垃圾焚烧炉热工监控系统总体设计 各项最佳控制参数，得到最佳控制效果。 5 操作指导 为了方便指导运行人员规范操作监控系统，焚烧炉计算机监控系统帮助文 档、监控系统使用说明书以及焚烧炉运行操作指导的编写是十分必要的。并且需 要把这些操作规程嵌入流程显示画面中，方便操作人员随时查看，丽不需要退出 监视画面。 6 系统安全管理功能 此外系统还要具备监控系统的安全保护。进入退出程序的密码保护，修改 重要参数设置的权限密码保护，以及监控系统源程序的密码保护等。 2 2 3 焚烧炉自动控制功能 由于湖州医疗垃圾焚烧炉是一项的工程试验项目，因此，为了方便操作人员， 本系统分为手动控制和自动控制两种控制方式，操作运行人员可以根据实际情况 选择 自动调节要求自动地维持焚烧过程在规定的工况下进行在实际的运行过程 中焚烧炉往往受到各种干扰而偏离正常工况，特别是医疗垃圾存在发热量不均 匀，给料量有可能有波动，可能存在暴燃现象，这样就更加容易偏离正常工况， 这就要求在设计自动控制系统时，充分考虑各种可能发生的故障，对焚烧炉进行 启停控制和联锁保护，以简化和减少运行人员的操作，确保焚烧炉系统的安全、 稳定。它包括运行参数自动控制和安全保护系统两个部分 焚烧炉的运行参数自动控制系统