摘　要：論述礦井氣穩定熱值供應裝置控制系統的控制要求、系統結構及功能。

關鍵詞：礦井氣  熱值調節　PID控制  控制系統  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定燃燒，保證燃氣熱值穩定是城市燃氣最基本的要求。在國內利用礦井氣作為城市燃氣氣源，開發較好的礦區有撫順、陽泉、鐵法等煤礦，穩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，手動調節閥門進行調節或放散。技術落后已嚴重影響了礦井氣的大規模商業運作。因此該行業急需一種切實有效的自動化程度高的穩定熱值供應系統^[3]。

2　控制方案設計

2．1　系統控制要求

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

a．當礦井氣低熱值低于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．當礦井氣的低熱值高于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．當礦井氣的低熱值在18.42～l9.26MJ／m³范圍時，礦井氣不做調節，直接供用戶使用。

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

③對系統進行溫度、壓力、流量、熱值等參數的監控與控制。

④通過工控機，操作人員能設置相關參數，能保證手動對系統進行操作。

⑤能根據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，便于產品生產、設備調試和今后的維護保養。

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

d．產品的經濟效益：在滿足技術指標的前提下，生產成本盡可能低。

e．功能的可擴展性：從發展的角度考慮，產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，需要根據設備參數及運行條件的判斷進行復雜的操作，因此對供氣系統的自動化程度提出了更高的要求。

目前在工業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，手動調節閥門進行調節或放散)。

經過多方調研，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。

3　PLC控制方案的設計

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

該系統中現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據。上位機通過PLC通信將指令發送到現場控制設備，對其進行自動控制。

3．1　上位機

考慮劍系統的規模、功能，上位機選用工控機。本系統的工控機主要完成人機交互和對系統中各類參數的設置、監視、數據保存等操作以及顯示流程圖畫面、設備生產運行情況。可以在流程圖畫面上對現場設備進行手動操作，發出控制指令。生產過程的運行數據可以進行歷史儲存。程序實現了各參數的顯示、按鈕操作、圖線統計、數據報表等功能，從而實現對整個系統的控制。

3．2　PLC

完成全部現場工藝參數(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，在進行系統組態和搭建時，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　現場儀表及現場控制設備

本系統的現場儀表及控制設備包括輸入儀表和輸出控制設備。輸入儀表有在線監測熱值儀、溫度變送器、壓力變送器、流量變送器、電動調節閥等，這些設備主要輸出4～20mA的電流信號，實現對參數的監控；另外還包括起限位和報警作用的溫度開關、壓力開關、電動調節閥開關等，這些檢測元件輸出開關量信號給PLC控制器。系統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系統是目前工業設備的人機界面發展方向，以高可靠性和良好人性化界面得到廣泛應用，能實現以下功能：

①控制系統的過程，實現自動化；

②監測系統的過程信息(溫度、壓力、流量、熱值等)；

③動畫圖形顯示系統各執行機構的狀態；

④記錄生產過程中的重要信息；

⑤報警信息記錄和輸出。

本系統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的T作狀態，必要時還可以通過人機界面向控制系統發出故障報警，進行人工干預。

本系統工控機與PLC交互的數據主要分為四組。第一組是CPU的命令數據區，這些數據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。第二組是儀表數據區，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據進行處理，繪制日運行曲線和年運行曲線。第三組是系統參數數據區，包括各PID參數、報警限值、程序參數等的設定。用戶可以通過工控機修改這些數據，合理的設定參數可以提高控制的效果和系統的工作效率。第四組是報警數據區，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。出現報警記錄時，工控機儲存與異常現象對應的報警值，與該報警值一起儲存的還有報警發生的時間，以方便用戶查閱。

4　結論

本控制系統成功地解決礦井氣的穩定熱值供應裝置的自動控制問題。采用先進的工業生產過程檢測和控制系統，對空氣或高熱值氣的摻混量進行計算；對摻混量進行調節；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)實現雙回路控制，對電動調節閥進行PID調節，以實現輸出熱值穩定的燃氣。

參考文獻：

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[2]劉坤，王愛華，張延軍，等．低壓瓦斯氣回收系統自動控制方案[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]．節能，2001(6)：34-38．

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[5]張海林，李偉．西門子s7系列PLC在白控系統中的應用[J]．內蒙古石油化工，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

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