摘　要：論述礦井氣穩(wěn)定熱值供應(yīng)裝置控制系統(tǒng)的控制要求、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能。

關(guān)鍵詞：礦井氣  熱值調(diào)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?xì)怏w，礦井氣抽放的濃度是變化的，而城市燃?xì)獗仨毐ＷC燃燒設(shè)備的穩(wěn)定燃燒，保證燃?xì)鉄嶂捣€(wěn)定是城市燃?xì)庾罨镜囊?。在?guó)內(nèi)利用礦井氣作為城市燃?xì)鈿庠?，開發(fā)較好的礦區(qū)有撫順、陽(yáng)泉、鐵法等煤礦，穩(wěn)定燃?xì)鉄嶂祮?wèn)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(shù)^[1]。但是，這套日本設(shè)備只適用于礦井氣在甲烷含量較高時(shí)的處理，而甲烷含量較低時(shí)該套設(shè)備便沒(méi)有解決辦法^[2]。其他地方基本上采用間歇性測(cè)量、人工測(cè)量，當(dāng)濃度超標(biāo)時(shí)，手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)或放散。技術(shù)落后已嚴(yán)重影響了礦井氣的大規(guī)模商業(yè)運(yùn)作。因此該行業(yè)急需一種切實(shí)有效的自動(dòng)化程度高的穩(wěn)定熱值供應(yīng)系統(tǒng)^[3]。

2　控制方案設(shè)計(jì)

2．1　系統(tǒng)控制要求

①實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，對(duì)原料礦井氣熱值進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)、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(yīng)的回路進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控。三種工作狀態(tài)如下^[4]：

a．當(dāng)?shù)V井氣低熱值低于l8.42MJ／m³時(shí)，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(dāng)?shù)V井氣的低熱值高于19.26MJ／m³時(shí)，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(dāng)?shù)V井氣的低熱值在18.42～l9.26MJ／m³范圍時(shí)，礦井氣不做調(diào)節(jié)，直接供用戶使用。

②主機(jī)能對(duì)工作中的各項(xiàng)工作狀態(tài)進(jìn)行記錄顯示，保證操作人員隨時(shí)監(jiān)控到系統(tǒng)的工作狀態(tài)，保證系統(tǒng)能正常、安全運(yùn)行。

③對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行溫度、壓力、流量、熱值等參數(shù)的監(jiān)控與控制。

④通過(guò)工控機(jī)，操作人員能設(shè)置相關(guān)參數(shù)，能保證手動(dòng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作。

⑤能根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行報(bào)警分析，做出相應(yīng)的報(bào)警處理，如停止相應(yīng)部分工作，危險(xiǎn)報(bào)警時(shí)停止全機(jī)工作(如壓力過(guò)高、流量過(guò)大等)。

2．2　控制方案選擇

①控制方案的設(shè)計(jì)原則

a．技術(shù)的可行性：技術(shù)上要比較成熟且有一定的先進(jìn)性。

b．生產(chǎn)的便利性：控制器結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單，元器件來(lái)源有很好的市場(chǎng)供應(yīng)渠道，便于產(chǎn)品生產(chǎn)、設(shè)備調(diào)試和今后的維護(hù)保養(yǎng)。

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

d．產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益：在滿足技術(shù)指標(biāo)的前提下，生產(chǎn)成本盡可能低。

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

②控制方案的確定

礦井氣用量不斷增大，對(duì)成品氣的指標(biāo)要求越來(lái)越嚴(yán)格，對(duì)自動(dòng)化程度要求越來(lái)越高，系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜。運(yùn)行中，特別是啟停機(jī)及事故處理過(guò)程中，需要根據(jù)設(shè)備參數(shù)及運(yùn)行條件的判斷進(jìn)行復(fù)雜的操作，因此對(duì)供氣系統(tǒng)的自動(dòng)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(cè)量控制、人工測(cè)量控制(即當(dāng)濃度超標(biāo)時(shí)，手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)或放散)。

經(jīng)過(guò)多方調(diào)研，決定利用可編程控制器設(shè)計(jì)一套自動(dòng)化程度高、具有良好的抗干擾性和功能可擴(kuò)展性的PLC控制系統(tǒng)。

3　PLC控制方案的設(shè)計(jì)

礦井氣穩(wěn)定熱值供應(yīng)裝置控制系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、易維護(hù)性。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖l。

該系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)儀表及控制設(shè)備通過(guò)PLC通信將實(shí)時(shí)情況反饋給上位機(jī)，并在上位機(jī)顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。上位機(jī)通過(guò)PLC通信將指令發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)控制。

3．1　上位機(jī)

考慮劍系統(tǒng)的規(guī)模、功能，上位機(jī)選用工控機(jī)。本系統(tǒng)的工控機(jī)主要完成人機(jī)交互和對(duì)系統(tǒng)中各類參數(shù)的設(shè)置、監(jiān)視、數(shù)據(jù)保存等操作以及顯示流程圖畫面、設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行情況?？梢栽诹鞒虉D畫面上對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)操作，發(fā)出控制指令。生產(chǎn)過(guò)程的運(yùn)行數(shù)據(jù)可以進(jìn)行歷史儲(chǔ)存。程序?qū)崿F(xiàn)了各參數(shù)的顯示、按鈕操作、圖線統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)報(bào)表等功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。

3．2　PLC

完成全部現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)(開關(guān)量和模擬量)信號(hào)的采集和控制。由CPU、電源及DI、DO、AI、AO模塊等組成，在進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)和搭建時(shí)，要求能方便地進(jìn)行擴(kuò)充和操作維護(hù)。其輸入模塊的信號(hào)類型可由程序進(jìn)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(fù)雜的控制回路。PLC輸出用繼電器或接觸器進(jìn)行隔離，PLC本身配有通信接口以便于與上位機(jī)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(jī)操作。

3．3　現(xiàn)場(chǎng)儀表及現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備

本系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)儀表及控制設(shè)備包括輸入儀表和輸出控制設(shè)備。輸入儀表有在線監(jiān)測(cè)熱值儀、溫度變送器、壓力變送器、流量變送器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等，這些設(shè)備主要輸出4～20mA的電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的監(jiān)控；另外還包括起限位和報(bào)警作用的溫度開關(guān)、壓力開關(guān)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開關(guān)等，這些檢測(cè)元件輸出開關(guān)量信號(hào)給PLC控制器。系統(tǒng)的輸出沒(méi)備主要有電磁閥、電動(dòng)閥等。

3．4　人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

工控機(jī)PLC系統(tǒng)是目前工業(yè)設(shè)備的人機(jī)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(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)以下功能：

①控制系統(tǒng)的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；

②監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的過(guò)程信息(溫度、壓力、流量、熱值等)；

③動(dòng)畫圖形顯示系統(tǒng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)；

④記錄生產(chǎn)過(guò)程中的重要信息；

⑤報(bào)警信息記錄和輸出。

本系統(tǒng)用戶可以通過(guò)工控機(jī)的人機(jī)界面隨時(shí)了解、觀察并掌握整個(gè)控制系統(tǒng)的T作狀態(tài)，必要時(shí)還可以通過(guò)人機(jī)界面向控制系統(tǒng)發(fā)出故障報(bào)警，進(jìn)行人工干預(yù)。

本系統(tǒng)工控機(jī)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(jī)的各個(gè)命令按鈕對(duì)應(yīng)，包括開機(jī)、停機(jī)、設(shè)置熱值、電動(dòng)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(cè)量值，工控機(jī)可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制日運(yùn)行曲線和年運(yùn)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(bào)警限值、程序參數(shù)等的設(shè)定。用戶可以通過(guò)工控機(jī)修改這些數(shù)據(jù)，合理的設(shè)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(bào)警數(shù)據(jù)區(qū)，它對(duì)應(yīng)著各種報(bào)警信息，比如停電記錄、壓力過(guò)高或過(guò)低報(bào)警、溫度過(guò)高報(bào)警、漏氣報(bào)警、進(jìn)口氣體壓力過(guò)低或過(guò)高報(bào)警、流量過(guò)大報(bào)警等。出現(xiàn)報(bào)警記錄時(shí)，工控機(jī)儲(chǔ)存與異常現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的報(bào)警值，與該報(bào)警值一起儲(chǔ)存的還有報(bào)警發(fā)生的時(shí)間，以方便用戶查閱。

4　結(jié)論

本控制系統(tǒng)成功地解決礦井氣的穩(wěn)定熱值供應(yīng)裝置的自動(dòng)控制問(wèn)題。采用先進(jìn)的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)和控制系統(tǒng)，對(duì)空氣或高熱值氣的摻混量進(jìn)行計(jì)算；對(duì)摻混量進(jìn)行調(diào)節(jié)；通過(guò)采集在線式熱值儀的輸出信號(hào)(模擬量4～20mA)和礦井氣流量(通信方式)實(shí)現(xiàn)雙回路控制，對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)輸出熱值穩(wěn)定的燃?xì)狻?span lang="EN-US">

參考文獻(xiàn)：

[1]范根慶，萬(wàn)天培，彭貴銀．天府礦務(wù)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(ài)華，張延軍，等．低壓瓦斯氣回收系統(tǒng)自動(dòng)控制方案[J]．石油化工自動(dòng)化，2004(5)：106-109．

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

[4]黎延志，于江華，王運(yùn)閣，等．礦井氣穩(wěn)定熱值供應(yīng)裝置控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)[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(yīng)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(shè)計(jì)院有限公司

  沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司