目目 录录1 绪论绪论 .1 1.1 课题的背景与研究意义 .1 1.2 国内外现状及发展情况 .2 1.3 渗滤液及其处理技术简介 .3 1.4 本文主要研究内容 .4 2 控制系统工艺流程简介控制系统工艺流程简介 6 2.1 垃圾焚烧炉的选型 7 2.1.1 机械式炉排焚烧炉 7 2.1.2 循环流化床型焚烧炉 7 2.1.3 旋转窑型焚烧炉 8 2.2 本章小结 8 3 分布式监控系统简介及控制系统的总体方案分布式监控系统简介及控制系统的总体方案 9 3.1 分布式监控系统技术 .9 3.1.1 分布式监控系统的定义 93.1.2 DCS 的基本结构 93.1.3 分布式监控系统的特点 113.2 DCS 在我国应用现状 123.3 分布式监控系统的功能与要求 .12 3.4 系统总体方案 .13 3.5 本章小结 13 4 监控系统硬件设计与选型监控系统硬件设计与选型 14 4.1 中央监控机 .14 4.2 液压泵和电动机的选型 .14 4.3 传感器的选型 .16 4.3.1 传感器选型原则 16 4.3.2 温度测量及传感器的选型 16 4.3.3 压力测量及传感器的选型 18 4.3.4 液位测量及传感器的选型 19 4.3.5 流量测量及传感器的选型 194.4 可编程控制器的原理及选型 .204.4.1 可编程控制器概述 20 4.4.2 可编程控制器的组成及工作原理 22 4.4.3 可编程控制器的选型 23 4.5 变频器原理及选型 .25 4.5.1 电机变频技术概述 25 4.5.2 变频调速技术的基本原理和特点 25 4.5.3 通用变频器的基本组成及其控制方式 25 4.5.4 变频器的选型 27 4.6 本章小结 295 监控系统软件的设计监控系统软件的设计 30 5.1 监控系统软件设计概要 .30 5.2 上位机组态软件 .30 5.2.1 组态软件介绍 30 5.2.2 组态软件的选择 31 5.2.3 组态王软件的功能 33 5.2.4 利用组态王建立监控系统的方法 35 5.3 下位机 PLC 软件 .37 5.4 数据库的选择与连接 .37 5.5 串口通信 .39 5.5.1 串口通信概述 395.5.2 RS-232 串行通信概述 405.5.3 RS-485 串行通信概述 405.6 PLC 与组态王的 RS-232 串行通信 .415.6.1PLC 通讯功能概述 415.6.2 PLC 与组态王通讯的实现 .425.7 PLC 与变频器的 RS-485 串行通信 .445.7.1 通讯协议 Modbus 概述 445.7.2 Modbus 的消息帧 .465.7.3 变频器的参数设置 475.7.4 PLC 的通讯参数设置 .485.7.5 PLC 与变频器通讯的实现 .495.8 本章小结 .50 6 温控系统建模温控系统建模 51 6.1 建模原理和方法 .51 6.2 温控系统数学模型 .52 6.3 建模实验 .53 6.3.1 系统响应特性 53 6.3.2 数据处理 53 6.4 本章小结 .557 PIDPID 控制算法的参数整定、仿真及控制算法的参数整定、仿真及选优选优 567.1 PID 控制器的基本原理56 7.2 数字 PID 控制算法 .58 7.2.1 位置式 PID 控制算法 587.2.2 增量式 PID 算法 597.3 PID 参数整定及其意义 .607.4 常规 PID 参数整定方法及其仿真 .61 7.4.1 仿真软件 MATLAB/SIMULINK 介绍.61 7.4.2 常规 PID 参数整定方法 62 7.4.2.1 Ziegler-Nichols 参数整定公式.63 7.4.2.2 改进 Ziegler-Nichols 整定公式(CHR)参数整定公式.65 7.4.2.3 最优 PID 整定公式 .66 7.4.2.4 过渡过程响应法参数整定 .69 7.4.2.5 鲁棒 PID 参数整定法 .70 7.4.3 算法比较选优 70 7.4.3.1 延时环节对各 PID 参数整定方法的影响 .71 7.4.3.2 抗干扰特性比较 .72 7.4.4 系统鲁棒性比较与分析 76 7.5 本章小结 .79 8 组态软件及组态软件及 PIDPID 算法的应用算法的应用 80 8.1 组态软件的具体应用 .808.2 PID 算法的具体应用 .848.3 本章小结 .86 9 结论与展望结论与展望 .87 致谢致谢 .88 参考文献参考文献 .89 攻读硕士学位期间参加科研项目和发表论文情况攻读硕士学位期间参加科研项目和发表论文情况 .951 绪论绪论1.1 课题的背景与研究意义课题的背景与研究意义随着我国经济发展及城市周边卫星城和小城镇的建设，市区范围不断扩 大，城市人口不断增加，城市生活垃圾产量也呈逐年递增趋势。据国家统计 部门调查，我国城市垃圾产生量以每年 10%的速率递增1。我国大中城市年 产垃圾 1 亿吨，绝大部分未经处理，堆积在城郊，堆存量已达到 60 亿吨，侵 占土地面积 5 亿平方米2。城市垃圾已经成为中国最严重的公害之一。如何 即时解决垃圾问题，已引起全社会的广泛关注。 生活垃圾的处理应遵循减量化、无害化、资源化三原则，但国内生活垃 圾热值低、含水量高、成分复杂，在坚持垃圾处理无害化这一基本原则的同 时，如何把有限的资金用来最大限度地解决生活垃圾的“减量化”这一主要矛 盾则是当前面临的最为急迫的问题。 目前国内外广泛采用的城市生活垃圾处理方式主要有卫生填埋、高温堆 肥和焚烧等，这三种主要垃圾处理方式的比例，因地理环境、垃圾成份、经 济发展水平等因素的不同而有所区别。其中卫生填埋技术目前相对比较可靠， 所需的建设投资也较小并可以回收部分沼气用于发电，但是卫生填埋的占地 面积和垃圾的处理量是成正比的，在土地资源越来越宝贵的今天，这成为卫 生填埋法进一步发展的主要障碍之一。另外，填埋处理时产生的渗滤液等有 害物质会对水资源、大气、土壤等造成二次污染。而高温堆肥技术可靠，在 国内的垃圾处理中已有相当的经验，主要问题就是建立一个稳定的堆肥市场 比较困难，而且一些重金属可能随堆肥制品一起对水资源和土壤造成污染。 垃圾焚烧处理相对于卫生填埋法、堆肥法而言，在减量化、无害化、资 源化等方面具有很大优势。焚烧是目前世界各国广泛采用的城市垃圾处理技 术，大型的配备有热能回收与利用装置的垃圾焚烧处理系统，由于顺应了回 收能源的要求，正逐渐上升为焚烧处理的主流。用焚烧方式回收能量的垃圾 处理技术在近20年来得到迅速的发展。国外工业发达国家，特别是日本和西 欧，普遍致力于推进垃圾焚烧技术的应用，并产生了良好的环保效益和经济 效益。国外焚烧技术的广泛应用，除得益于经济发达、投资力强、垃圾热值 高外，主要在于焚烧工艺和设备的成熟、先进。世界上许多著名公司投入力 量开发焚烧技术与设备，且主要设备与附属装置定型配套。目前国外工业发 达国家主要致力于改进原有的各种焚烧装置及开发新型焚烧炉，使之朝着高 效、节能、低造价、低污染的方向发展，自动化程度越来越高3。1.2 国内外垃圾焚烧发电现状及发展情况国内外垃圾焚烧发电现状及发展情况垃圾焚烧发电是指使用特殊的垃圾焚烧设备，以城市工业和生活垃圾为 燃烧介质，在对垃圾进行焚烧处理的同时，利用其产生的能量发电的一种新 型发电方式。它是把各种垃圾收集后，进行分类处理。其中：一是对燃烧值 较高的进行高温焚烧（也彻底消灭了病源性生物和腐蚀性有机要物） ，在高温 焚烧（产生的烟雾经过处理）中产生的热能转化为高温蒸汽，推动涡轮机转 动，使发电机产生电能。二是对不能燃烧的有机物进行发酵、厌氧处理，最 后干燥脱硫，产生一种气体叫甲烷，也叫沼气，再经燃烧，把热能转化为蒸汽，推动涡轮机转动，带动发电机产生电能。由于这种处理方式具有环境与 经济双重效益，已被发达国家广泛采用。 国外最早进行垃圾焚烧发电技术研究开发的是德国，随后英国、法国、 美国、日本等国也积极开展了这方面的研究。德国目前已有50余座从垃圾中 提取能量的装置及十多家垃圾发电厂，并且用于热电联产，有效地对城市进 行采暖或提供工业用气。法国共有垃圾焚烧炉约300台，可将城市垃圾的40 以上进行处理。美国从80年代起，政府投资70亿美元兴建90座焚烧厂，年总 处理能力3OOO万吨。在日本已建1700家垃圾发电厂，在维也纳光市区就有9 家垃圾发电厂。垃圾发电产生了良好的环保效益和经济效益，在国际上已成 为保护资源且拉动环保产业的重要项目4。 我国生活垃圾焚烧技术的研究和应用起步较晚，国内第一座垃圾发电厂 于l988年深圳投产运行，处理垃圾量为450吨/天2。目前，制约我国提高垃圾 焚烧技术的主要有：生活垃圾热值低；国内尚未系统掌握垃圾焚烧技术； 建设投资难度大。我国城市垃圾中所含的可燃物、易燃物相对国外的城市 垃圾要低得多。由于我国总体发展不平衡，城市生活垃圾焚烧发电在短期内 不可能成为全国城市生活垃圾处理的主流。 客观分析近几年我国城市垃圾构成变化，随着中国经济的飞速发展，人 民生活水平的不断提高，城市生活垃圾产量也飞速增长，城市垃圾中可燃物、 易燃物含量明显增加，热值显著增大，一般经过分类、分选等预处理后，垃 圾热值已接近发达国家城市垃圾的热值。因此我国一些城市，尤其是在人口 高度密集、土地资源紧张、垃圾热值较高的大中城市和沿海经济发达地区已 具备了发展焚烧技术的条件。垃圾焚烧处理技术得到了大力发展，北京、深 圳、上海、广州、宁波、温州、杭州、苏州、无锡、天津等经济发达城市已 纷纷开始建设垃圾焚烧厂。国家环保总局在有关城市垃圾处理的文件中也确 定在经济较发达、垃圾热值较高的地区推广焚烧法处理城市生活垃圾。其中 天津双港垃圾焚烧发电厂每年无害处理生活垃圾40多万吨,为全市新增电力1.2 亿千瓦时，其发电量相当于每年节约标准煤4.8万吨5，被建设部定为2003年 我国垃圾发电领域唯一的国家级“科技示范工程”。采用垃圾发电的方式具有 处理速度快、焚烧量大的特点，能节省大量的土地，因此极适合我国国情。 城市生活垃圾焚烧发电将成为生活垃圾处理技术的主要趋势。1.3 渗滤液及其处理技术简介渗滤液及其处理技术简介中国城市生活垃圾的厨余物多、含水率高、热值较低，焚烧法处理垃圾 时必须将新鲜垃圾在垃圾储坑中储存35天进行发酵熟化，以达到渗出水分、 提高热值的目的，将此过程中渗出的水分称为“渗滤液”。 垃圾渗滤液中的成 分比较复杂，主要是有机物污染物、氨氮磷、重金属等，是一种高污染、强 恶臭的呈黄褐色或灰褐色污水，对于环境有极大的破坏力。 国内外垃圾渗滤液的产生量有很大不同。由于国内外生活习惯的差异， 国外垃圾中厨余物含量很少，比利时某垃圾焚烧厂处理能力为1000吨/天，垃 圾渗滤液最大产量约为4吨/天，日常基本不产生渗滤液；而中国城市生活垃 圾中厨余物含量很高，根据中科院广州能源研究所对深圳城市生活垃圾基础 分析报告，深圳的部分垃圾焚烧厂的经熟化堆放排出渗滤液后的垃圾（即进 入焚烧炉进行处理的垃圾）中厨余物含量在40%45%,含水率约50%，因此，中国城市生活垃圾的渗滤液产生量非常高，根据上海、深圳、宁波、珠海、 苏州等不同地域城市统计数据，垃圾渗滤液的产量占垃圾总量的10%20% 左右，平均为15%6。 随着垃圾焚烧技术在中国的逐步推广，为防止焚烧过程中产生的“二次污 染”，垃圾渗滤液必须经过处理达标后才能排放，因此渗滤液的处理技术受到 国内环保界的广泛关注。目前主要的处理技术有6 7： （1）回喷法：将渗滤液回喷到焚烧炉进行高温氧化处理，平时将渗滤液集中 在储存池内，当垃圾热值较高时，用高压泵将渗滤液加压经自动过滤器、回 喷系统喷入焚烧炉进行处理，当垃圾热值较低时则停止。 （2）反渗透法处理：反渗透法在处理高浓度、高盐份污水时已得到广泛应用， 在城市生活垃圾填埋场渗滤液的处理中已有成熟的运行经验。目前国内有公 司尝试引