摘要：针对尾气焚烧系统的工艺特点，利用西门子S7-300PLC及各采样仪表，通过编程实现对燃烧系统、风机、电机等的控制，实现焚烧控制要求。
关键词：尾气焚烧；西门子S7-300PLC
引言
尾气焚烧系统是通过焚烧炉装置，对工厂产生的可燃有害气体进行焚烧，使其反应达到排放标准。本文就化工厂尾气处理，研究及设计了一套基于西门子S7-300PLC的尾气焚烧自动控制系统。
1工艺概述
整个工艺设备主要由焚烧炉、锅炉、省煤器及烟囱四个部分组成，主要辅助运行设备为泵、风机及其他运行设备。厂区生产产生的尾气进入尾气储罐，打开阀门进入焚烧炉高温焚烧，经焚烧工艺处理后的烟气可达到排放标准，然后进入锅炉对余热进行回收利用（锅炉产生的蒸汽进入厂区蒸汽管网，在发生紧急情况需要为焚烧炉灭火时也可开启蒸汽灭火阀进行灭火）。再经省煤器，通过烟囱排出。因工艺要求尾气燃烧时需向烟囱排放，不允许逆向流出，故整个焚烧系统需保持微负压状态，在尾气进入焚烧炉焚烧时，由鼓风机鼓风并补充氧气，在系统末端，由引风机向烟囱吸引。
2控制系统及PLC程序设计
自动控制系统硬件选用了西门子S7-300系列PLC，该模块内集成背板总线，网络连接支持多点接口（MPI）、PROFIBUS或工业以太网等，具有良好的兼容性，可对焚烧装置生产实施过程检测、数据处理、过程控制等，满足各种运行工况的要求，确保焚烧系统安全、高效运行。本项目控制站采用了西门子CPU-315-2DP控制器作为硬件控制，同时机架上安装了一块CP343-1以太网通讯模板，用于实现与组态软件的连接。通过PROFIBUS-DP现场总线拓展连接了部分I/O模块。根据工艺控制要求，选用了各类远传仪表，采集各种控制环节的温度、压力、流量、液位等信号。同时通过PLC采集了各运行设备的运行、停止、故障等状态信号，通过编程与相关仪表采集数据联锁进行自动控制。典型的连锁控制设计有以下几种：
2.1焚烧炉负压自动控制
为防止炉内烟气的返流及外溢，整体焚烧系统要求在微负压（-20～-40Pa）下运行，在炉体上安装炉内压力监测装置，通过采集压力变送器信号，利用PLC模块处理后通过模拟量输出到引风机变频器，通过变频器自带PID控制模块调节引风机转速，使炉膛压力保持在设定范围。图3是引风机控制的PLC程序，通过启/停按钮、远程/就地信号及故障信号等进行启动控制，如失去运行信号通过延时器停止输出。
2.2焚烧炉炉膛温度控制
根据焚烧工艺要求调节控制焚烧炉温度，依照燃烧器或者燃料喷枪数量设置相应多级温度控制点，与实际测量温度值进行比较，控制尾气管路喷枪及燃烧器喷枪上的气动阀进行相应开关动作。应设计炉膛温度超温报警程序，通过设定报警温度值与实际测量温度比较，如超过设定温度则在上位机界面发出声光报警信号。
2.3甲醇储罐液位自动控制
甲醇储罐液位自动控制，因本例甲醇燃烧器管道使用了电动调节阀，故通过仪表采集储罐液位数据，利用西门子PLC自带的FB41功能块，使用该控制器作为PID固定设定值控制器。该控制器的功能基于使用模拟信号的采样控制器的PID控制算法，为使用成比例执行机构的两个或三个步骤控制器生成脉冲持续时间调制输出信号。实际使用中管道电动调节阀可以通过组态界面直接给定开度，也可按照工况要求使能FB41上的PID调节功能，通过调节模块上的GAIN、TI、TD值来进行比例积分微分调节，逐渐整定出满足实际要求的参数，利用输出控制电动调节阀开度，达到液位的自动控制，另外需设有液位高低位报警等，避免发生紧急情况。如工况未使用可连续调节开度的阀门或者变频电机，可以通过设定高低液位点控制电机或阀门的启停来控制液位。
2.4尾气排气自动控制
尾气需在炉膛工况满足焚烧条件时打开控制阀进行焚烧，可通过观察组态画面，满足焚烧条件时开启阀门进行焚烧，另外应注意需设置故障信号、停电信号等紧急状况点与尾气进气阀、排气阀连锁，在突发故障情况下可以通过程序及时关断进气阀，同时打开紧急排气阀，使废气排入应急储罐，避免发生尾气泄露事故。
2.5炉内氧含量调节
要保障尾气焚烧达到排放标准，必须使其燃烧充分，根据焚烧工艺设定的氧含量值，利用氧化锆仪表采集炉内实时氧含量数据，依据设定值与测量值的偏差，利用PLC及变频器调节鼓风机转速，本例中由于鼓风机为变频器控制，其控制原理与前述引风机类似，可通过模拟量输出给定变频器，利用其自带算法进行控制，如本身不带调节功能也可利用PLC自带FB41模块进行设计。
3组态界面设计
组态软件是数据采集监控系统的软件平台工具，方便实现人机交互功能，可以对工业控制系统中的各种资源（设备、标签量、画面等）进行配置和编辑，处理数据报警及系统报警；生成各类报表；储存历史数据并支持历史数据的查询，等等。组态软件产品可选择性较多如西门子的产品WINCC以及各平台通用的组态王等，本项目选择了组态王软件进行界面设计。组态王与西门子S7-300CPU可以通过多种方式通讯，如MPI、Profibus、以太网等，本项目中组态王软件通过100M工业以太网与S7-300的通讯扩展模块CP343连接。通过与PLC的通讯，就可将程序中定义的各数据信息采集到组态软件中。
3.1画面设计
组态画面设计可以根据功能的不同区分设计各类画面，如主工艺流程画面、设备操作画面、报表画面等。工艺流程画面是将实际工艺流程直观地绘制于工控机界面，主要目的是监测实时工况。设计时需将整个工艺设备添加到画面中，通过与PLC通讯，读取其设定的各变量信息，就可以实时显示水泵、电机等的运行状态，燃烧器的点火情况，温度、压力、液位等仪表数据的实时显示等，需注意的是各管道颜色应按照规范选择。其余的画面可根据使用需求设定，如设备操作画面是将需远程操控的设备集中到画面中，画面布置要方便具体操作，每个操作模块分隔合适距离避免出现误操作；另外还可根据需求设计仪表状态显示画面、报警画面、报表画面等等。
3.2功能权限设计
组态设计可以根据实际控制需求，配置不同功能权限，本项目设计了1台工程师站、1台操作员站。工程师站用于对整体DCS系统进行组态，包括组态硬件和现场设备、组态通讯网络、组态连续的和顺序的工艺要求、传输过程变量到操作员监控级、设计操作员监控画面、编制曲线和报表、编制报警和归档、历史数据的编辑等。操作员站主要完成操作和监视功能，包括接收来自操作员的鼠标、键盘等输入信息，可以进行画面的显示切换，或输入操作员的命令和参数，修改系统的运行参数，如远程调整参数、控制设备动作等。
4结语
本文简要介绍了一种尾气焚烧系统的控制设计思路，硬件部分使用了工控机、西门子S7-300PLC以及各设备及控制仪表等，软件部分利用了组态王及STEP7软件，就工艺主要设备的控制思路进行了简要介绍，实际设计过程仍有较多细节并未详细阐述。依据实际使用经验，该焚烧系统使用反馈良好，可作为类似系统的解决方案参考。
作者:白雪 单位:山西白求恩医院