Fisher-Rosemount工厂管理控制体系在垃圾焚烧发电厂的应用
前言：此设计方案作为上海江桥垃圾焚烧发电厂的二期工程（500吨/日）DCS系统设备招标及软硬件的设计依据和指导方针，并在其中对全厂的管理控制网络结构体系，DCS系统的软硬件配置和系统开发环境和设计思路进行了框架式的论述，并对各个子系统机及其单体设备的控制方式和控制要求进行概括和说明，系统开发商应以此为参考结合相应设计标准和设计规范进行具体软硬件和网络设计，以及现场检测和动力系统的设计。
工厂管理控制体系的结构和功能描述：
基于一期工程的设计基础我们仍旧选用Fisher-Rosemount公司基于DeltaV的PlantWeb-工厂管控网。它将过程控制（DCS）与设备管理（AMS）相结合，基于HART协议和F.F现场总线的具有高度集成的总线功能（包括AS-I，Profibus DP，DeviceNet），通过智能现场设备，智能网络通讯和智能过程控制系统，组成了智能化工厂的工厂管控网。DeltaV OPC服务器（过程控制中的对象链接和嵌入式技术）功能可以帮助企业进行设备及备件订货，生产任务安排，任务完成情况统计，库存管理，维修管理，设备优化等管理服务职能，从而实现了将先进的过程自动化控制和设备管理相结合的技术方案：
1.工厂管理控制体系的结构和功能
1)过程控制
PlantWeb工厂管控网基于现场的结构提供了紧密、有效的控制以达到更佳的过程性能，通过与地点无关的控制，增加了新层次的灵活性、规模可变性和可承受性。
基于现场的结构，其设备控制网络（DEVICENET）采用FF现场总线，能够实现与地点无关的控制。像PID等功能块可运行在任何有意义的地点，无论是在控制系统、变送器、阀门或其他设备中。
由于艾默生过程管理的现场总线设备采用一组通用的功能块，无论控制功能是在何处完成的，控制策略的执行都将保持不变。结果是设备拥有异常的灵活性以及规模可变的能力。这样以二期工程的实际需要和费用情况，可以，方便地增加更多的回路或功能－实现系统的扩容。
2)设备管理
利用现场智能设备和系统的功能，设备管理，有助于降低费用和提高生产率。
过程控制包括对过程内容的监控、测量和管理，而设备管理也包括对过程中运行设备进行同样的工作。如阀门、变送器、分析仪和其他现场设备，以及转动设备如泵和电动机等。
3)管理执行
PlantWeb工厂管控网实现了过程控制和业务管理信息之间的无缝集成，覆盖范围从设备级到用于过程优化的工厂和业务系统、维护管理、资源规划和其他企业管理功能。
OPC提供了沟通工厂底层和业务管理之间的有价值的桥梁，并且，随着互联网和易于使用的浏览器功能的完善，在企业任何地方的管理者都能很容易的获得所需信息，从而更好地管理过程、工厂和业务。
管理执行的最大好处之一是将使垃圾焚烧生产线的排放更容易达到法规的要求，利用管理执行上的功能——例如批处理跟踪和执行，以及于满足法规的文档保存来实现，这些都包含在PlantWeb工厂管控网结构之中。
2.PlantWeb工厂管控网的工作方式和设计功能如下：
1)智能化现场设备收集信息；
2)DaltaV自动化系统为过程提供方便的控制、管理和信息；
3)AMS软件处理信息以增加设备管理功能。
4)PlantWeb工厂管控网不同于传统的过程自动化方案，其优势体现在下述几方面：
a.在工程上，PlantWeb工厂管控网的目标是高效地收集和管理来自智能化现场设备的信息资源；
b.在设计上，它是以FF现场总线为基础的；
c.它是网络化的，而不是集中的；
d.它的结构的每个层次都采用标准化技术；
e.它提供管理执行和设备管理，而不仅仅是过程控制。
2. 江桥垃圾焚烧厂的工厂管控网的组成及系统描述
系统组成：
工厂管控网的组态配置按照管控网络图配置，其中二期工程中需要进行3#线的烟气净化系统和锅炉保护系统进行开发设计，各DCS控制单元如下，他们构成工厂管控网的第一层：
1）10＃焚烧线的焚烧炉－锅炉控制系统。
2）20＃焚烧线的焚烧炉－锅炉控制系统。
3）30＃焚烧线的焚烧炉－锅炉控制系统（二期新建）。
4）10＃焚烧线的烟气净化控制系统。
5）20＃焚烧线的烟气净化控制系统。
6）30＃焚烧线的烟气净化控制系统（二期新建）。
7）烟气净化系统的公用辅助设备控制系统
8）焚烧炉－锅炉系统的公用辅助设备控制系统
公用辅助设备控制系统主要包括以下内容：
a.供水供气系统
b.反应生成物（如灰渣，废水）的收集系统
c.电气装置系统，包括：35KV供变电系统
10KV供变电系统
400V低压供配电系统
d.其他辅助系统
如：气轮发电机系统
蒸汽，饲水，冷凝，旁路等系统
垃圾破碎起重系统
各主控单元与其控制的子系统以及辅助公用系统以某种通讯协议和网络结构相互连接构成工厂管控网的第二层：
系统描述：
1）每一个主控单元均通过F.F现场总线与其子系统和辅助系统相连，交换信息，并通过F.F总线送入管理信息系统进行监督管理。
2）所有的控制管理设备均采用冗余的电源，硬件及网络配置。
3）其中烟气净化系统是用来中和酸性污染物（HCI，HF，SO2）和收集灰尘，避免有害气体排入大气中。是全自动的控制系统，当酸性污染物在进入反应塔前超过某一定值，开始中和程序。
4）烟气净化系统在中控室新增的操作站通过工业以太网并入一起原有的工厂管控网，与一期原有系统进行信息交换，从而完成其管理控制功能。
4.DCS集散控制系统（DeltaV）结构组成及系统描述
1）系统配置及描述
江桥二期工程DCS集散控制系统按照业主要求采用与一期相同的控制操作系统美国Fisher-Rosemount公司的DeltaV数据库监控系统的软件和硬件。
整个工艺系统包括焚烧炉炉排系统，锅炉保护系统，振打系统，烟气净化系统，辅助公用系统，MCC供配电系统等子系统。其中烟气净化子系统用一个DeltaV站进行控制，这个站通过通讯适配器挂在快速工业以太网上与其他站及上位机通讯。同时还在中央控制室设有一套工控机通过网卡挂在同一个以太网上，作为人机界面完成垃圾焚烧中烟气净化系统和其他系统的监视和控制，通过F.F现场总线与其子系统的PLC，VVVF，智能仪表等相连。
2）DCS系统设计标准：
1）能够完成整个生产线的工艺流程的控制功能和过程监测
2）采用双冗余以太网络和F.F总线系统，确保系统安全可靠运行。
3）具有焚烧炉，锅炉，汽轮机发电，烟气处理等系统和及系统内设备间以及单体设备的保护和安全连锁。
4）具有事故记忆和系统仿真功能
5）具有中英文操作显示系统界面和报表打印系统
6）采用鼠标和键盘由操作人员进行远程操作（如手动，半自动，全自动等操作方式）
3）DCS控制功能包括：
a. 信号采集，调节，处理，输出和指示
b. 闭环回路控制
c. 开环回路控制
d. 警报处置及预警
e. 事件发生顺序记录
f. 自动/手动/半自动操作及切换
g. 数据实时计算记录
h. 历史趋势图和即时趋势图
i. 工艺流程图形显示
j. 管理报表生成
k. 系统故障的诊断和监视
l. 数据采集和数据处理，以及历史数据分析
m. 系统间和设备间的软件保护联锁
4）硬件配置及描述：
烟气回收自动化控制系统的硬件包括：
1）主站控制柜一台，内置1个DeltaV主站包括：
2个电源模块、
2个CPU模块
存储器电池（一用一备）
2个通讯接口模块（双网配置）--串行接口（2口）RS232/RS485，MODUS主从可编程
10个模拟量输入模块（8点）--4－20Ma，1～5VDC 带HART
1个模拟量输出模块（8点）--4－20Ma，1～5VDC带HART
8个开关量输入模块（32点）--24VDC隔离的干接点
2个开关量输出模块（32点）--24VDC隔离的干接点
注：以上配置均为1：1冗余配置；
另配有24V稳压开关电源两台，主电源开关一只，及现场设备电源开关（24VDC，220VAC），盘内设备电源（如风扇，照明），以及备用电源开关，具体数量待定。
2）接线控制柜一台
包括：开关量信号分配器
模拟量信号分配器
开关量信号隔离器（输入，输出）
输入输出信号接线端子
动力电源，控制电源接线端子
电源母排，接地母排
注：数量以现场设备实际输入输出点数量由设备承包商确定。
3）中央控制室增设以下设备：
1套Dell工业微机；（包括显示器，键盘，鼠标，工作站主机，外置扬声器）
2个高速以太网卡（10BaseT）—基金会现场总线2口
两台集线器（主，副）
彩色打印机一台
操作台一个
4）系统配置说明：
现场控制站具有32位微处理器和备用微处理器，包括了所有需要的工艺流程控制功能，即使没有操作人员参与或者通信网络出现故障，也能维持工艺过程的控制功能。
5）软件配置及描述
a. 软件配置说明：
操作系统选用美国Microsoft微软公司Windows NT中文版操作系统作为工作平台，工作站选用DeltaV工程开发软件包，它的数据库、画图、显示、历史趋势、报警等功能紧密结合，不但可以模拟出现场的实际工艺流程，还能将现场工艺状态数据快速显示在屏幕上；由操作员在屏幕上完成对现场设备的操作和监视；它能完成庞大的逻辑控制和复杂的调节控制；它的功能块图（FBD）、顺序控制功能图（SFC）相结合的编程思想可以随心所欲地实现各种控制要求；它在控制程序和操作画面之间快速切换功能便于开发人员和操作人员进行组态，维护和操作监控。
b. 软件功能：
支持简单的即插即用
OPC集成
嵌入式F.F现场总线
批量处理
先进控制技术
c.软件配置：?
Windows NT4.中文版操作系统：用作DeltaV系统的操作平台
ProfessionalPLUS超级工程师站软件包： 用于组态、操作和诊断系统，并且维护系统数据库。只有一台超级工程师站。Operator 操作员站软件包： 提供操作员界面 。
6）数据通讯：
双重高速通讯网络保证各个现场控制站与中央控制室的操作站之间的可靠通讯所有需要的异常诊断，在现场控制站和操作站上均有报警指示，双重系统高速通讯网路分开设置，每一条网路都能管理全厂，任何一条发生故障都能自动切换到另一条网路，以保持全厂的正常运行。
这里的数据通讯包括
1) 通过高速以太网的通讯实现Plant-Web 的管理控制功能
2) 通过F.F基金会现场总线与袋收尘PLC，飞灰PLC的通讯
3) 通过高速以太网与操作站之间的通讯
4) 通过HART总线与现场智能仪表之间的通讯
5) 通过H1 Fieldbus或高速以太网与其他控制站的通讯
5.DCS软件系统的设计
下位机系统设计：
1) 闭环控制回路：
a. 单闭环控制如：模拟量调节控制；
b. 偏差控制如：旋转雾化器转速控制；活性炭计量螺旋转速控制
c. 串级前馈控制如：反应塔出口温度和工艺水流量的串级前馈控制；反应塔石灰浆流量和烟囱出口HCL含量的控制
2） 开环应用于所有电机的与驱动器（包括阀门）的单向或双向驱动控制逻辑和标准软件组。
3） 顺序控制功能如：石灰浆系统和活性炭系统工艺管路上的设备的顺序启动和停车的实现，以完成生产和冲洗等工艺要求
4） 远程控制：
远程组群控制：将烟气净化系统设备依工艺流程编为几个组群如：石灰浆供应系统；工艺水系统；石灰浆制备系统；活性炭系统；喷雾反应塔系统；灰渣收集系统；袋收尘系统：灰渣储存和运输系统；烟囱和排放系统等。
远程单体设备控制：分为远程自动，远程半自动，远程手动。
5） 警报警示系统：报警信号的存取设定合适的延时时间，以便于记录报告这些报警。
6） PLC控制：对于隶属于主要流程的小系统采用分离式控制系统如：
袋除尘系统采用美国A-B公司的SLC5/03控制器硬件配置和SLC-500组态软件进行控制逻辑的软件设计。
灰渣输送系统采用在原有美国A-B公司的SLC5/04控制系统的软硬件基础上进行扩容对灰渣系统新增设备进行逻辑控制。
7） 联锁保护：对于烟气净化系统与锅炉保护系统采用软件联锁；
对于系统内设备之间采用软件连锁
对于重要设备采用独立于DCS之外的硬件联锁电路
8） 操作站－上位机系统设计：利用系统已经做好的操作员面板，详细的显示画面，和过程设备的模板，利用下位机已经做好的控制策略模块进行工艺流程显示画面，操作员操作面板，高级报警管理，实时趋势和连续的历史趋势以及报表打印输出等功能设计。
上位机系统设计：
系统概貌：
在系统概貌操作画面中总的概括了整个烟气净化系统的工艺流程，该画面中有主要设备的参数显示和状态显示。在画面的最上面有操作菜单，点击他们可以打开相应的功能窗口，它门分别是：当前用户登录的显示窗口、当前报警显示窗口、趋势显示窗口，设备操作窗口。并能够从主画面或某一子画面进入其他画面。以及报警记录、静音、生产报表、返回、紧急停车等按钮。
登录： 当点击登录会出现登录对话框，上边是用户名称，下边是用户密码，输入完毕后点击确定系统便把用户登录到系统。用户可以利用自有的权限访问相应的画面，并修改相应的参数。
退出登录： 如果关闭操作系统则您所登录的用户在系统中取消，即丧失自有的权限。
工艺流程图形显示：显示工艺流程总画面，及所有子系统的流程画面，并动态的显示电机，阀门的工作状态和现场检测仪表的工艺参数。
设计原则：a.对于一个总系统有一个工艺流程图
b.对于每一个子系统有一个工艺流程图
c.对于较为复杂的功能群单独设置一个工艺流程图
功能组显示：(即DeltaV Operate操作界面： 一个标准的、高效的图形操作界面，允许操作员参与系统过程控制)。
a.工艺流程变量，设定值和控制输出用条形图显示
f. 工艺流程变量，设定值用工程单位数字显示（液位，阀门开度用百分比显示）
g. 数字量输入输出的状态显示
d. 每个驱动控制回路的控制方式显示
e. 每一回路的报警状态显示
f. 回路显示：包括回路的组态，控制信号，控制参数，参数范围，报警值的设定，输入输出极限，相应的控制逻辑图，当设备运行时还可以在屏幕上设定，调整或改变控制参数。
趋势图：（Process History View过程历史显示： 提供历史趋势和表格记录，记录工厂中发生的事件）包括历史趋势画面和即时趋势画面，可以提供多工艺流程变量在同一趋势图上显示，每一个工艺流程变量用不同的颜色显示，历史趋势允许用手动选择显示周期
访问报警和生产报表：（即Excel Add-in数据嵌入：嵌入实时数据 到Microsoft Excel表格，用以产生报表和进行数据分析。）报警访问可以对报警数据进行分析判断，生产报表可以察看相应的生产记录
返回和前进：点击返回或前进可以返回或前进到前一视图画面。
紧急停车：点击紧急停车弹出紧急停车控制画面，按“确定”可以对某一系统或某一设备进行紧急停车操作。
Diagnostics诊断： 提供关于系统设备和节点状态及完整性的信息。
Alarm Management报警管理：所有产生的报警按时间先后列出分别指出发生的时间，内容，和状态，没有被确认的报警用红色或闪烁警示来分辨。
6.控制原理与检测控制设备：
1）温度测量装置：
a：远距离温度测量，超过500℃的工艺测点采用热电偶（包括补偿导线），其信号变送器－毫伏/毫安转换器可与一次检测元件一体化，也可分开，或集成于DCS的AI模板中。
b.不到500℃的工艺测点以及电机线圈轴承的温度，冷却水和其他低温测量均采用热电阻测量，并按三线制原理接线，其信号变送器－电阻/毫安转换器可与一次检测元件一体化，也可分开，或集成于DCS的AI模板中。
h.对于不需要远传和远程监控的温度信号，只在现场设置温度显示仪表（采用压力式指示温度计）。
i.所有变送器输出信号均采用两线制（DC24V电源线，和4～20mA信号线）送入DCS的AI模板。
2）压力/差压测量：
a.对于远距离压力或差压测量均采用电容膜片式压力或差压变送器（包括带排泄阀，取压阀，均压阀的五阀或三阀支管），同时带现场压力指示。
b.对于不需要远传和远程监控的压力测点 ，采用现场压力指示表。
c.所有压力或差压变送器输出信号均采用两线制（DC24V电源线，和4～20mA信号线）送入DCS的AI模板.
d.对于不需要连续监控的压力测点，只需对其进行上下限报警检测，故选用压力开关，其报警接点送入DCS的DI模板。
3）流量测量：
a.对于系统主要工艺介质的流量进行监控如：石灰浆和工艺水，冲洗水等的流量，建议对于一般形介质采用差压流量计，对于可导电介质采用电磁式流量计，
b.流量计采用四线制接线，（AC220V电源，4～20mA标准信号），电源取自仪表电源柜，信号送入DCS的AI模板。
c.对于不需要连续监控的流量测点，只需对其进行上下限报警检测，故选用流量开关，其报警接点送入DCS的DI模板。
4）物位测量：
a.液位测量：对于石灰浆和工艺水容器的液位采用超声波液位计进行非接触式测量。
b.对于反应塔，除尘器等的料仓或灰斗料位采用电容式料位开关进行测量。
5）电力参数测量：在MCC中分别设有主回路和各子回路的电流互感器和压力互感器，以及功率变送器，其输出信号转换为标准的4~20mA信号送入DCS的AI模板（转换器装于MCC内），以便向工厂管控网传送电力管理报告。
6）悬浮微粒浓度和烟雾密度的测量：在袋式除尘器出口的烟囱排放处设有烟尘浓度检测仪。
7）有害气体检测：在袋式除尘器出口的烟囱排放处设有气体成分检测的多组分分析仪，进行HCL，HS，SO2等气体成分的在线检测和控制。在中央控制室设有独立的上位机进行气体分析装置的现场控制站的工作状态的组态和监控如：测量，吹扫和效验，以及数据记录趋势显示，和报表打印输出。
8）技术要求：所有变送器除非有特殊要求，尽量选用电子式，两线制，DC24V供电，标准4～20mA信号，现场报警接点统一为常开点闭合报警。
7.动力系统：
1）供电系统：
a.DCS及监控管理系统的电源取自UPS，并采用双路供电。
b.每个系统或设备都设有独立的供电及保护回路，，互相之间不受影响
c.在电气室设有MCC－马达控制中心，对全部烟气净化系统的电机进行控制和供电其状态和控制信号与DCS相连，每台电机回路基本上有如下几个信号点：DI-备妥，DI-应答，DI-故障，DI-跳闸，DO-驱动控制，
d.旋转雾化器和活性炭计量螺旋，采用变频调速控制，其变频器设置于MCC相应的控制回路内，除了具有以上几个信号点外，还具有AI-速度输入，AI-电流输入，AO-速度输出等信号点。
e.对于用电量不超过30W的用电设备如电磁阀，气动球阀等均采用24VDC电源供电，由DCS直接驱动。
f.对于用电量超过30W的用电设备如电机等其控制电源取自MCC的控制回路，AC220V
g.MCC系统主电源采用UPS双路电源供电。
h.对于工艺上自成体系，并由设备商整体供货的设备：如预加热风机及其电加热系统；袋除尘，反应塔和输灰系统的电伴热系统，由设备商提供的电气控制柜置于现场其状态和报警信号送入DCS进行远程监控。
2）接地系统：
接地系统设计技术要求：
a.DCS检测控制装置设置单独的接地系统，不能并入其他接地系统
b.DCS检测控制装置的系统接地电阻应不大于1欧姆
c.钢结构和围栏等金属必须有单独的接地系统。
d.中控室操作站包括其交流电源也需要有良好的接地系统
e.所有的动力和控制柜的柜体均应接地并由一单独接地点。
f.低压供电系统接地与高压供电系统接地应分开。
g.DCS即DeltaV系统和所有检测仪表应有一低阻抗，高质量的接地系统，以保证系统的稳定工作。
接地系统描述：
a.AC接地，DC接地，以及屏蔽地应分开，三种接地互相隔离，各自有单独的接地体，分别作为DeltaV系统的交流电源，直流电源，以及仪表的屏蔽等的保护接地。
b.柜体接地：所有的柜体都应接地并同交流接地系统，直流接地系统，以及屏蔽接地系统分开。
c.接地电缆：接地母排将各接地系统内不同柜各的接地线汇总于接地母排上，在通过专用接地电缆与接地体相连。
d.现场和控制室的控制柜的接地应就近相连后接入DC接地系统。
e.接地标志：所有接地母排，接地线，接地体均用绿色或者黄色和绿色混合标志进行标识。
3)动力和控制元件：
系统的动力设备－电机均由操作员进行远程起停操作，并由DCS自动执行相关的保护和联锁功能，每台电机均在现场设置一现场操作箱，以便于检修和维护时进行现场操作。
a.系统的最终控制元件采用电磁阀和气动球阀，启动装置由电动操作，当发生停电或故障时保持或回复在原先位置，或是移动到对流程安全的位置。
b.所有的气动球阀均带开关限位装置以便将阀门的开关状态送入DCS进行监控。
c.喷雾反应塔的石灰浆和工艺水流量控制采用连续流量调节阀，并配置开关限位，气源三联件，I/P转换器，以及位置反馈器和现场开度指示。
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