摘　要：論述礦井氣穩(wěn)定熱值供應裝置控制系統(tǒng)的控制要求、系統(tǒng)結構及功能。

關鍵詞：礦井氣  熱值調節(jié)　PID控制  控制系統(tǒng)  可編程控制器PLC  摻混

Design of Control System for Supply Device of Mine Gas with Stable Calorific Value

Abstract：The control requirements，system structure and functions of control system for supply device of mine gas with stable calorific power are discussed．

Keywords：mine gas；calorific value adjustment；PID control；control system；programmable logic controller(PLC)；blending

1　概述

礦井氣為煤礦采煤伴生的可燃氣體，礦井氣抽放的濃度是變化的，而城市燃氣必須保證燃燒設備的穩(wěn)定燃燒，保證燃氣熱值穩(wěn)定是城市燃氣最基本的要求。在國內(nèi)利用礦井氣作為城市燃氣氣源，開發(fā)較好的礦區(qū)有撫順、陽泉、鐵法等煤礦，穩(wěn)定燃氣熱值問題解決較好的是鐵法礦，其利用了日本援助貸款，采用了日本技術^[1]。但是，這套日本設備只適用于礦井氣在甲烷含量較高時的處理，而甲烷含量較低時該套設備便沒有解決辦法^[2]。其他地方基本上采用間歇性測量、人工測量，當濃度超標時，手動調節(jié)閥門進行調節(jié)或放散。技術落后已嚴重影響了礦井氣的大規(guī)模商業(yè)運作。因此該行業(yè)急需一種切實有效的自動化程度高的穩(wěn)定熱值供應系統(tǒng)^[3]。

2　控制方案設計

2．1　系統(tǒng)控制要求

①實現(xiàn)自動控制，對原料礦井氣熱值進行在線監(jiān)測、判斷，決定其屬于三種工作狀態(tài)中的哪一種，然后開啟相應的回路進行自動調控。三種工作狀態(tài)如下^[4]：

a．當?shù)V井氣低熱值低于l8.42MJ／m³時，在礦井氣中摻混適量的天然氣，使混合氣的低熱值升高到18.84MJ／m³，供用戶使用；

b．當?shù)V井氣的低熱值高于19.26MJ／m³時，在礦井氣中摻混適量空氣，使混合氣低熱值降低到18.84MJ／m³，供用戶使用；

c．當?shù)V井氣的低熱值在18.42～l9.26MJ／m³范圍時，礦井氣不做調節(jié)，直接供用戶使用。

②主機能對工作中的各項工作狀態(tài)進行記錄顯示，保證操作人員隨時監(jiān)控到系統(tǒng)的工作狀態(tài)，保證系統(tǒng)能正常、安全運行。

③對系統(tǒng)進行溫度、壓力、流量、熱值等參數(shù)的監(jiān)控與控制。

④通過工控機，操作人員能設置相關參數(shù)，能保證手動對系統(tǒng)進行操作。

⑤能根據(jù)檢測到的信號進行報警分析，做出相應的報警處理，如停止相應部分工作，危險報警時停止全機工作(如壓力過高、流量過大等)。

2．2　控制方案選擇

①控制方案的設計原則

a．技術的可行性：技術上要比較成熟且有一定的先進性。

b．生產(chǎn)的便利性：控制器結構盡可能簡單，元器件來源有很好的市場供應渠道，便于產(chǎn)品生產(chǎn)、設備調試和今后的維護保養(yǎng)。

c．設備運行的穩(wěn)定性：設備運行是否穩(wěn)定、性能是否可靠是產(chǎn)品能否立足于市場的重要因素之一。

d．產(chǎn)品的經(jīng)濟效益：在滿足技術指標的前提下，生產(chǎn)成本盡可能低。

e．功能的可擴展性：從發(fā)展的角度考慮，產(chǎn)品應具備良好的可擴展性，以適應不同的需求。

②控制方案的確定

礦井氣用量不斷增大，對成品氣的指標要求越來越嚴格，對自動化程度要求越來越高，系統(tǒng)越來越復雜。運行中，特別是啟停機及事故處理過程中，需要根據(jù)設備參數(shù)及運行條件的判斷進行復雜的操作，因此對供氣系統(tǒng)的自動化程度提出了更高的要求。

目前在工業(yè)中使用的控制裝置主要有兩種：間歇性儀表測量控制、人工測量控制(即當濃度超標時，手動調節(jié)閥門進行調節(jié)或放散)。

經(jīng)過多方調研，決定利用可編程控制器設計一套自動化程度高、具有良好的抗干擾性和功能可擴展性的PLC控制系統(tǒng)。

3　PLC控制方案的設計

礦井氣穩(wěn)定熱值供應裝置控制系統(tǒng)的合理設計能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、易維護性。該系統(tǒng)的結構見圖l。

該系統(tǒng)中現(xiàn)場儀表及控制設備通過PLC通信將實時情況反饋給上位機，并在上位機顯示相關數(shù)據(jù)。上位機通過PLC通信將指令發(fā)送到現(xiàn)場控制設備，對其進行自動控制。

3．1　上位機

考慮劍系統(tǒng)的規(guī)模、功能，上位機選用工控機。本系統(tǒng)的工控機主要完成人機交互和對系統(tǒng)中各類參數(shù)的設置、監(jiān)視、數(shù)據(jù)保存等操作以及顯示流程圖畫面、設備生產(chǎn)運行情況?？梢栽诹鞒虉D畫面上對現(xiàn)場設備進行手動操作，發(fā)出控制指令。生產(chǎn)過程的運行數(shù)據(jù)可以進行歷史儲存。程序實現(xiàn)了各參數(shù)的顯示、按鈕操作、圖線統(tǒng)計、數(shù)據(jù)報表等功能，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。

3．2　PLC

完成全部現(xiàn)場工藝參數(shù)(開關量和模擬量)信號的采集和控制。由CPU、電源及DI、DO、AI、AO模塊等組成，在進行系統(tǒng)組態(tài)和搭建時，要求能方便地進行擴充和操作維護。其輸入模塊的信號類型可由程序進行選擇，輸出模塊具有直接功率輸出功能，能完成各種常規(guī)及復雜的控制回路。PLC輸出用繼電器或接觸器進行隔離，PLC本身配有通信接口以便于與上位機聯(lián)系^[5]。PLC柜上還裝有急停按鈕，用于在緊急狀況下的停機操作。

3．3　現(xiàn)場儀表及現(xiàn)場控制設備

本系統(tǒng)的現(xiàn)場儀表及控制設備包括輸入儀表和輸出控制設備。輸入儀表有在線監(jiān)測熱值儀、溫度變送器、壓力變送器、流量變送器、電動調節(jié)閥等，這些設備主要輸出4～20mA的電流信號，實現(xiàn)對參數(shù)的監(jiān)控；另外還包括起限位和報警作用的溫度開關、壓力開關、電動調節(jié)閥開關等，這些檢測元件輸出開關量信號給PLC控制器。系統(tǒng)的輸出沒備主要有電磁閥、電動閥等。

3．4　人機交互界面設計

工控機PLC系統(tǒng)是目前工業(yè)設備的人機界面發(fā)展方向，以高可靠性和良好人性化界面得到廣泛應用，能實現(xiàn)以下功能：

①控制系統(tǒng)的過程，實現(xiàn)自動化；

②監(jiān)測系統(tǒng)的過程信息(溫度、壓力、流量、熱值等)；

③動畫圖形顯示系統(tǒng)各執(zhí)行機構的狀態(tài)；

④記錄生產(chǎn)過程中的重要信息；

⑤報警信息記錄和輸出。

本系統(tǒng)用戶可以通過工控機的人機界面隨時了解、觀察并掌握整個控制系統(tǒng)的T作狀態(tài)，必要時還可以通過人機界面向控制系統(tǒng)發(fā)出故障報警，進行人工干預。

本系統(tǒng)工控機與PLC交互的數(shù)據(jù)主要分為四組。第一組是CPU的命令數(shù)據(jù)區(qū)，這些數(shù)據(jù)與工控機的各個命令按鈕對應，包括開機、停機、設置熱值、電動閥的開度等命令。第二組是儀表數(shù)據(jù)區(qū)，主要指各熱值儀、溫度和壓力變送器的測量值，工控機可以對這些數(shù)據(jù)進行處理，繪制日運行曲線和年運行曲線。第三組是系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)區(qū)，包括各PID參數(shù)、報警限值、程序參數(shù)等的設定。用戶可以通過工控機修改這些數(shù)據(jù)，合理的設定參數(shù)可以提高控制的效果和系統(tǒng)的工作效率。第四組是報警數(shù)據(jù)區(qū)，它對應著各種報警信息，比如停電記錄、壓力過高或過低報警、溫度過高報警、漏氣報警、進口氣體壓力過低或過高報警、流量過大報警等。出現(xiàn)報警記錄時，工控機儲存與異常現(xiàn)象對應的報警值，與該報警值一起儲存的還有報警發(fā)生的時間，以方便用戶查閱。

4　結論

本控制系統(tǒng)成功地解決礦井氣的穩(wěn)定熱值供應裝置的自動控制問題。采用先進的工業(yè)生產(chǎn)過程檢測和控制系統(tǒng)，對空氣或高熱值氣的摻混量進行計算；對摻混量進行調節(jié)；通過采集在線式熱值儀的輸出信號(模擬量4～20mA)和礦井氣流量(通信方式)實現(xiàn)雙回路控制，對電動調節(jié)閥進行PID調節(jié)，以實現(xiàn)輸出熱值穩(wěn)定的燃氣。

參考文獻：

[1]范根慶，萬天培，彭貴銀．天府礦務局瓦斯資源和利用[J]．煤氣與熱力，1994，14(增刊)：66-71．

[2]劉坤，王愛華，張延軍，等．低壓瓦斯氣回收系統(tǒng)自動控制方案[J]．石油化工自動化，2004(5)：106-109．

[3]陳楫國，李秀芝．煉廠瓦斯氣的回收利用及自動控制[J]．節(jié)能，2001(6)：34-38．

[4]黎延志，于江華，王運閣，等．礦井氣穩(wěn)定熱值供應裝置控制系統(tǒng)程序設計[J]．煤氣與熱力，2013，33(11)：Bl7-Bl8．

[5]張海林，李偉．西門子s7系列PLC在白控系統(tǒng)中的應用[J]．內(nèi)蒙古石油化工，2004(1)：37-41．

本文作者：于江華  楊旭

作者單位：中交煤氣熱力研究設計院有限公司

  沈陽鼓風機集團股份有限公司