潘寧，陳祎，劉蔚，張廷軍，馬宗虎

(中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100160)

0 引言

針對(duì)目前生物燃?xì)獍l(fā)電項(xiàng)目的控制方案，全廠控制系統(tǒng)設(shè)1個(gè)或2個(gè)大型的可編程控制器(CPU)，并且此CPU的要求特別高，屬于雙機(jī)熱備的冗余切換。這樣配置的目的在于當(dāng)工作的CPU出現(xiàn)故障時(shí)，可以無干擾的切換到熱備CPU上，控制系統(tǒng)繼續(xù)工作。此方案完全遵循火電廠的控制方式，只是單純的解決了控制系統(tǒng)CPU故障時(shí)的問題，將其放在生物質(zhì)電廠的控制中，很多弊端就暴露了出來，例如：該配置的控制系統(tǒng)價(jià)格非常昂貴，是普通控制系統(tǒng)的數(shù)倍甚至數(shù)十倍；所有控制系統(tǒng)的柜體只能集中放置于中控室內(nèi)；所有的控制電纜只能進(jìn)入中控室；在所有電纜沒有敷設(shè)安裝完成前，無法進(jìn)行上電調(diào)試；在后期的維護(hù)中，只要對(duì)任意部分程序進(jìn)行修改，都能造成對(duì)整個(gè)CPU的影響；該配置的控制系統(tǒng)和其他系統(tǒng)接口非常不便。

基于以上因素，并從生物質(zhì)電廠實(shí)際運(yùn)行情況出發(fā)，提出了“分散控制，集中管理”的控制方式，該方式重點(diǎn)在于控制的分散性、風(fēng)險(xiǎn)的分散性和管理的集中性。

1 分散控制及系統(tǒng)劃分

根據(jù)“分散控制”的思路，將各分系統(tǒng)獨(dú)立控制，單獨(dú)配置CPU，單獨(dú)集成控制柜體，每臺(tái)CPU只負(fù)責(zé)處理本系統(tǒng)內(nèi)的任務(wù)，和其他分系統(tǒng)沒有任何交叉作業(yè)，避免故障的“蔓延”。

綜合目前國(guó)內(nèi)沼氣發(fā)電項(xiàng)目生產(chǎn)工藝考慮，可將沼氣發(fā)電項(xiàng)目劃分為以下幾部分：進(jìn)料系統(tǒng)、發(fā)酵系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、余熱利用系統(tǒng)、化水系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)及固液分離系統(tǒng)等[1]。

1.1 進(jìn)料系統(tǒng)

進(jìn)料系統(tǒng)為沼氣發(fā)電項(xiàng)目生產(chǎn)工藝的最前端，起始點(diǎn)為物料輸送車傾倒點(diǎn)或最前端物料輸送皮帶，截止點(diǎn)為向發(fā)酵罐打入物料的提升泵，工藝路徑參考如圖1所示。

圖1 工藝路徑

系統(tǒng)主要包括進(jìn)料池/收集池、沉砂池、洗砂池等工位。按照設(shè)備類型劃分，主要包括頂置攪拌器、側(cè)壁攪拌器、物料輸送泵、切割機(jī)、出料提升泵、除砂機(jī)等。相對(duì)應(yīng)的控制測(cè)點(diǎn)包括液位計(jì)、溫度計(jì)等。該部分為物料的發(fā)酵做前期的收集準(zhǔn)備工作，可以作為一個(gè)系統(tǒng)來做控制，單獨(dú)設(shè)立CPU。

當(dāng)進(jìn)料系統(tǒng)中進(jìn)料池或者收集池的液位達(dá)到上限時(shí)，系統(tǒng)停止進(jìn)料，進(jìn)料皮帶停止工作或者指示物料輸送車停止進(jìn)料。當(dāng)進(jìn)料系統(tǒng)中進(jìn)料池或者收集池的液位達(dá)到下限時(shí)，系統(tǒng)停止出料，出料泵停止工作。當(dāng)發(fā)酵罐液位達(dá)到上限時(shí)，進(jìn)料系統(tǒng)停止出料，出料泵停止工作。以上邏輯僅簡(jiǎn)要敘述了進(jìn)料系統(tǒng)的控制思想，只為說明該部分設(shè)備完全具備作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)控制的必要性，具體的連鎖關(guān)系還有很多，不在此累述。

1.2 發(fā)酵系統(tǒng)

發(fā)酵系統(tǒng)為沼氣發(fā)電項(xiàng)目沼氣制備的核心部分，該部分相對(duì)獨(dú)立，目前主要的做法采用發(fā)酵罐式。發(fā)酵過程為一個(gè)生化過程，受很多因素制約和影響，因此，需要配置的測(cè)控點(diǎn)較多，如在罐體上、中、下各設(shè)置一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)、一個(gè)pH值測(cè)點(diǎn)，每個(gè)罐體還設(shè)置液位測(cè)點(diǎn)、壓力測(cè)點(diǎn)、沼氣成分(內(nèi)含CH4、HS2、CO2等)分析測(cè)點(diǎn)及發(fā)酵出口沼氣流量等。另外，每個(gè)罐體還配置若干形式的攪拌器，進(jìn)料閥門，內(nèi)循環(huán)泵等設(shè)備。所有的這些測(cè)點(diǎn)及設(shè)備均是為了保證發(fā)酵罐處于一個(gè)有效的發(fā)酵環(huán)境，此過程中需要大量的運(yùn)算，而且此部分和其他工藝相對(duì)獨(dú)立，完全可以單獨(dú)設(shè)立一個(gè)中型的CPU，用來處理這些運(yùn)算和設(shè)備的執(zhí)行。

1.3 凈化系統(tǒng)

凈化系統(tǒng)主要由脫硫、脫水及過濾等設(shè)備組成，控制方面相對(duì)較少，可以設(shè)置一個(gè)小型的CPU即可，用來采集數(shù)據(jù)和進(jìn)行設(shè)備控制。

1.4 增壓系統(tǒng)

增壓系統(tǒng)為整個(gè)生產(chǎn)工藝的增壓環(huán)節(jié)，為后續(xù)工藝提供所需的壓力，不管是用來發(fā)電還是做沼氣提純，都需要穩(wěn)定流速的沼氣。增壓系統(tǒng)起始于凈化系統(tǒng)后，截止于穩(wěn)壓裝置后的排氣閥門，主要由進(jìn)氣閥門、增壓風(fēng)機(jī)、超壓回流閥門、穩(wěn)壓裝置、排氣閥門及增壓前后所需的壓力、流量、溫度等測(cè)控點(diǎn)組成[2]，如圖2所示。該系統(tǒng)的接口為單一輸入、單一輸出，與其他設(shè)備模塊式連接，功能上完全獨(dú)立，可作為一個(gè)系統(tǒng)單獨(dú)控制。另外，該控制系統(tǒng)配置了增壓風(fēng)機(jī)調(diào)速所需的變頻器，集成時(shí)可考慮與控制系統(tǒng)集成到一起，方便于安裝及調(diào)試。該系統(tǒng)的控制思想如圖2所示，當(dāng)啟動(dòng)該系統(tǒng)或系統(tǒng)接收到外部啟動(dòng)指令時(shí)，開啟進(jìn)氣閥門，開啟增壓風(fēng)機(jī)，此時(shí)，回流閥門為全關(guān)狀態(tài)，氣體進(jìn)入到穩(wěn)壓裝置，系統(tǒng)根據(jù)安裝在穩(wěn)壓裝置上的壓力測(cè)點(diǎn)信號(hào)，經(jīng)過調(diào)頻，控制增壓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使穩(wěn)壓裝置內(nèi)的壓力維持在系統(tǒng)設(shè)定的目標(biāo)壓力值左右。當(dāng)壓力穩(wěn)定后，打開排氣閥門，系統(tǒng)輸出穩(wěn)壓壓力的沼氣。當(dāng)后續(xù)工序?qū)φ託獾男枨罅客粶p或者設(shè)備故障，使得穩(wěn)壓裝置內(nèi)的壓力超過設(shè)定的目標(biāo)值，系統(tǒng)按照超值比例適當(dāng)?shù)拇蜷_回流閥門，以保證穩(wěn)壓裝置內(nèi)的氣體壓力維持穩(wěn)定且追隨目標(biāo)值。

圖2 增壓系統(tǒng)主要設(shè)備

1.5 發(fā)電系統(tǒng)及余熱系統(tǒng)

發(fā)電系統(tǒng)及余熱系統(tǒng)目前已經(jīng)有很成熟的技術(shù)及設(shè)備廠家，且設(shè)備均為自帶控制系統(tǒng)。不管是設(shè)備自帶的控制系統(tǒng)，還是另外設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，只需要通過通訊將關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集到主控CPU上即可。

1.6 化水系統(tǒng)

化水系統(tǒng)為整個(gè)生產(chǎn)提供所需的化學(xué)水，主要由供水泵、化學(xué)水制備設(shè)備、軟化水箱及這些設(shè)備配套的流量、壓力、液位等測(cè)點(diǎn)構(gòu)成，如圖3所示。目前沒有明確的控制系統(tǒng)，將各部分設(shè)備分散到其他系統(tǒng)中做控制，或者通過某些智能型儀表代替控制，幾乎為純手動(dòng)操作，需要運(yùn)行人員現(xiàn)場(chǎng)觀察水位來判斷啟、停供水泵。這部分的控制并不復(fù)雜，控制對(duì)象相對(duì)較少，可以作為一個(gè)系統(tǒng)來控制，設(shè)置一個(gè)小型的CPU，集成到一個(gè)小型的壁掛式的控制箱內(nèi)，安裝于設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)，操作及維護(hù)方便。主要控制思想：該系統(tǒng)是否運(yùn)行只取決于軟化水箱的水位，當(dāng)軟化水箱的水位低于下限時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)供水泵，啟動(dòng)化水設(shè)備；當(dāng)軟化水箱的水位處于上限位時(shí)，停止供水泵及化水設(shè)備。

圖3 化水系統(tǒng)主要設(shè)備

1.7 換熱系統(tǒng)

換熱系統(tǒng)是整個(gè)熱力系統(tǒng)重要的組成部分。主要包括板式換熱器、蒸汽換熱器、分氣缸、冷熱水罐及各部分所需的水泵等，如圖4所示。由燃機(jī)高溫水出口處的板式換熱器和余熱鍋爐置換出來的熱量匯集到熱水罐中，供生產(chǎn)生活用。這部分設(shè)備分散在各個(gè)區(qū)域，但是有存在著密切的邏輯關(guān)系。綜合考慮，有必要將這些設(shè)備作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)來控制，由于該系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置大量的溫度、壓力及流量等測(cè)點(diǎn)，可以設(shè)置一個(gè)中型的CPU來處理這些信息及對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。

圖4 換熱單元系統(tǒng)

1.8 固液分離系統(tǒng)

固液分離系統(tǒng)為沼氣項(xiàng)目發(fā)酵后物料處理的環(huán)節(jié)，主要包括進(jìn)料泵及固液分離機(jī)等設(shè)備，如圖5所示。進(jìn)料泵及固液分離機(jī)往往配置為1用1備，故障及檢修時(shí)可以自由切換。這塊設(shè)備相對(duì)獨(dú)立，可以單獨(dú)控制。由于控制點(diǎn)不多，可適當(dāng)配置一個(gè)小型CPU來處理。該部分的控制思想根據(jù)物料方向采用倒序控制，即進(jìn)料泵是否進(jìn)料取決于固液分離機(jī)的狀態(tài)。啟動(dòng)系統(tǒng)或系統(tǒng)接收到外部啟動(dòng)命令時(shí)，先啟動(dòng)固液分離機(jī)，固液分離機(jī)啟動(dòng)后會(huì)返回給控制系統(tǒng)啟動(dòng)完成信號(hào)，控制系統(tǒng)得到該信號(hào)后啟動(dòng)進(jìn)料泵，整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)。當(dāng)固液分離機(jī)處于故障或檢修狀態(tài)時(shí)，無法啟動(dòng)進(jìn)料泵。

圖5 固液分離系統(tǒng)主要設(shè)備

2 集中管理及全廠連鎖

根據(jù)“集中管理”的思路，主控CPU采集各分系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定值及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，主控CPU經(jīng)過運(yùn)算處理，將控制任務(wù)下發(fā)到各分系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠的優(yōu)化控制。即將整個(gè)控制系統(tǒng)按照生產(chǎn)工藝劃分為幾個(gè)單元，例如進(jìn)料系統(tǒng)、發(fā)酵系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)、化水系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)等，每個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立控制，單獨(dú)配置中小型CPU，每個(gè)CPU單獨(dú)處理各系統(tǒng)內(nèi)的控制任務(wù)。另選用一個(gè)大中型的CPU作為主控CPU，通過該主控CPU與各分系統(tǒng)的CPU建立工業(yè)以太網(wǎng)連接，任意讀取分系統(tǒng)內(nèi)的重要信息參數(shù)，統(tǒng)一調(diào)配各分系統(tǒng)的工作，下發(fā)控制指令等[3]。典型生物質(zhì)電廠的控制系統(tǒng)配置如圖6所示。

圖6 典型生物質(zhì)電廠控制系統(tǒng)配置

這樣配置的優(yōu)點(diǎn)在于：任何一個(gè)設(shè)備或CPU的故障只對(duì)本分系統(tǒng)造成影響，不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成影響；各控制系統(tǒng)的柜體或箱體可安裝在中控室內(nèi)，也可安裝在設(shè)備就近方便的位置，不受空間和距離的影響；采用控制系統(tǒng)就地安裝的方式，可大大減少電纜的敷設(shè)量及電纜成本；系統(tǒng)在調(diào)試及維護(hù)階段，只針對(duì)本系統(tǒng)內(nèi)的CPU做處理，不會(huì)影響其他系統(tǒng)的正常運(yùn)行。整個(gè)廠區(qū)可分批投入運(yùn)行，先建設(shè)的部分先調(diào)試生產(chǎn)，后建設(shè)及擴(kuò)建的部分具備條件后隨時(shí)投入運(yùn)行，控制方面，只需將分系統(tǒng)的CPU模塊式的接入主控CPU中即可，不會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)造成影響。主控CPU及分系統(tǒng)的CPU任務(wù)明確，各有分工，分系統(tǒng)的CPU負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)邏輯關(guān)系的判斷及精細(xì)的數(shù)據(jù)處理計(jì)算，主控CPU只負(fù)責(zé)采集分系統(tǒng)CPU處理后的結(jié)果和任務(wù)指令的下發(fā)[4]。

另外，全廠的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)都經(jīng)過分系統(tǒng)的CPU集中匯總到主控CPU上，經(jīng)主控CPU的處理，可實(shí)現(xiàn)全廠的“一鍵式啟?！?，為后續(xù)開發(fā)的“無人值守”模式做基礎(chǔ)。具體思路為：主控CPU采集各分系統(tǒng)中每個(gè)設(shè)備的狀態(tài)信息及各系統(tǒng)中壓力、流量、溫度、液位等測(cè)點(diǎn)信號(hào)，分析數(shù)據(jù)，做出判斷，為每個(gè)分系統(tǒng)下達(dá)任務(wù)指令。同時(shí)，主控CPU讀取各分系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況，尤其是分系統(tǒng)中首末端設(shè)備的運(yùn)行情況，依據(jù)生產(chǎn)工藝，做出連鎖控制，判斷運(yùn)行條件。具體配置為：主控CPU選用中高端型號(hào)，配置RS485、PROFIBUS、工業(yè)Ethernet等常用通訊網(wǎng)卡作為整個(gè)控制的核心部件[5]。選用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、中繼器、光纖(可選)等作為各分系統(tǒng)與主控系統(tǒng)的鏈接橋梁。選用2到3臺(tái)工控機(jī)作為運(yùn)行操作的人機(jī)界面接口。

3 結(jié)束語

“分散控制、集中管理”的控制模式從生物質(zhì)電廠的實(shí)際運(yùn)行情況出發(fā)，綜合考慮各部分單元設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)的模塊化，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況隨意增減，對(duì)于后期的擴(kuò)容及改造靈活方便。另外，主控系統(tǒng)的對(duì)外接口采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)，使得廠區(qū)內(nèi)任何一臺(tái)接入生產(chǎn)內(nèi)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)可以方便地監(jiān)視生產(chǎn)上的數(shù)據(jù)和設(shè)備的狀態(tài)。

[1]顏麗，曾有為.中國(guó)沼氣發(fā)電產(chǎn)業(yè)化可行性分析[J].中國(guó)沼氣(增刊)，2005(23)：233-237.

[2]劉豹主.自動(dòng)調(diào)節(jié)理論基礎(chǔ)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1963.

[3]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京：科學(xué)出版社,2000.

[4]李友善.自動(dòng)控制原理(修訂版)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1989.

[5]崔堅(jiān),李佳,楊光.西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004.