矿井气稳定热值供应装置控制系统设计.pdf

第 3 4卷第 1 期 2 0 1 4年 1月 煤 气 与 热 力 GAS＆ HEAT Vo 1 ． 3 4 No． 1 J a n ．2 0 1 4 矿井气稳定热值供应装置控制系统设计 于江华 ， 杨旭 1 ． 中交煤气热力研究设计院有限公司，辽宁 沈阳 1 1 0 0 2 6 ； 2 ．沈阳鼓风机 集团股份有限公 司，辽宁 沈阳 1 1 0 8 6 9 摘要 论述矿 井气稳定热值供应装置控制 系统的控制要求、 系统结构及功能。 关键词 矿井气； 热值调节 ； P I D控制； 控制 系统 ； 可编程控制器 P L C； 掺混 中图分类号 T U 9 9 6 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 0 4 4 1 6 2 0 1 4 0 1 0 A 0 90 3 作者简介 于江华 1 9 7 8一 ， 男， 辽宁沈阳人， 工程 师， 硕士， 主要从事城镇燃气工艺及压力容器科研设计工 作。 1 概述 矿井气为煤矿采煤伴生的可燃气体， 矿井气抽 放的浓度是变化的， 而城市燃气必须保证燃烧设备 的稳定燃烧， 保证燃气热值稳定是城市燃气最基本 的要求 。在 国内利用矿井气作为城市燃气气源 ， 开 发较好的矿区有抚顺 、 阳泉 、 铁法等煤矿 ， 稳定燃气 热值 问题解决较好的是铁法矿 ， 其利用 了 日本援助 贷款 ， 采用 了 日本技术⋯ 。但 是 ， 这套 日本设备 只 适用于矿井气在 甲烷含量较高时的处理 ， 而 甲烷含 量较低时该套设备便没有解决办法 J 。其他地方 基本上采用间歇性测量、 人工测量， 当浓度超标时， 收稿日期 2 0 1 3 0 8 0 7 ； 修回日期 2 0 1 31 1 2 7 手动调节阀门进行调节或放散 。技术落后已严重影 响了矿井气 的大规模商业运作 。因此该行业急需一 种切实有效 的 自动化程度高的稳定热值供应系 统 。 2 控制方案设计 2 ． 1 系统控制要求 ①实现自动控制， 对原料矿井气热值进行在 线监测 、 判断 ， 决定其属 于三种 工作状态 中的哪一 种 ， 然后开启相应 的回路进行 自动调控。三种工作 状态如下 a ． 当矿井气低热值低于 1 8 ． 4 2 M J ／ m 时 ， 在矿 井气 中掺 昆 适量的天然气 ， 使混合气的低热值升高 到 1 8 ． 8 4 MJ ／ m 。 ， 供用户使用 ； b ． 当矿井气的低热值高于 1 9 ． 2 6 M J ／ m 时， 在 矿井气中掺混适量空气， 使混合气低热值 降低到 1 8 ． 8 4 MJ ／ m。 ，供用户使用； c ． 当矿井气 的低热值在 1 8 ． 4 2～1 9 ． 2 6 M J ／ m 范围时， 矿井气不做调节， 直接供用户使用。 ②主机能对工作 中的各项工作状态进行记录 显示， 保证操作人员随时监控到系统的工作状态， 保 证系统能正常、 安全运行。 ③对系统进行温度、 压力、 流量、 热值等参数 的监控与控制 。 ④通过工控机 ， 操作人员能设置相关参数 ， 能 保证手动对系统进行操作。 A 0 9 第3 4 卷第 l 期 煤 气 与 热 力 ⑤能根据检测到的信号进行报警分析， 做出 相应的报警处理 ， 如停止相应部分工作 ， 危险报警时 停止全机工作 如压力过高 、 流量过大等 。 2 ． 2 控制方案选择 ①控制方案的设计原则 a ． 技术 的可行性 技术上要 比较成熟且有一定 的先进性 。 b ． 生产的便利性 控制器结构尽可能简单 ， 元器 件来源有很好 的市场供应渠道， 便于产品生产 、 设备 调试和今后的维护保养 。 c ． 设备运行 的稳定性 设备运行是否稳定 、 性能 是否可靠是产 品能否立足于市场的重要 因素之一 。 d ． 产品的经济效益 在满足技术指标的前提下 ， 生产成本尽可能低 。 e ． 功能的可扩展性 从发展 的角度考虑 ， 产 品应 具备良好的可扩展性， 以适应不同的需求。 ②控制方案的确定 矿井气用量不断增大 ， 对成品气 的指标要求越 来越严格， 对自动化程度要求越来越高， 系统越来越 复杂。运行中， 特别是启停机及事故处理过程中， 需 要根据设备参数及运行条件 的判断进行复杂 的操 作 ， 因此对供气系统的 自动化程度 提出了更高的要 求。 目前在工业中使用的控制装置主要有两种 间 歇性仪表测 量控制 、 人工测量控 制 即当浓度 超标 时 ， 手动调节阀门进行调节或放散 。 经过多方调研 ， 决定利用可编程控制器设计一 套自动化程度高、 具有良好的抗干扰性和功能可扩 展性的 P L C控制系统。 3 P L C控 制方案的设计 矿井气稳定热值供应装置控制系统的合理设计 能提高系统 的稳定性 、 可靠性 、 易维护性 。该系统的 结构见图 1 。 图1 系统结构 该系统中现场仪表及控制设备通过 P L C通信 将实时情况反馈给上位机 ， 并在上位机显示相关数 据。上位机通过 P L C通信将指令发送到现场控制 设备， 对其进行自动控制。 3 ． 1 上位 机 考虑到系统 的规模 、 功能 ， 上位机选用工控机 。 本系统 的工控机主要完成人机交互和对系统中各类 参数的设置 、 监视 、 数据保存等操作以及显示流程图 画面 、 设备生产运行情 况。可以在流程 图画面上对 现场设备进行手动操作， 发出控制指令。生产过程 的运行数据可以进行历史储存 。程序实现了各参数 的显示 、 按钮操作 、 图线统计 、 数据报表等功能 ， 从而 实现对整个系统的控制。 3 ． 2 P L C 完成全部现场工艺参数 开关量 和模 拟量 信 号 的采集和控制 。由 C P U、 电源及 D I 、 D O、 A I 、 A O 模块等组成 ， 在进行系统组态和搭建时 ， 要求能方便 地进行扩充和操作维护。其输入模块的信号类型可 由程序进行选择 ， 输出模块具有直接功率输出功能 ， 能完成各种常规及复杂的控制回路。P L C输 出用继 电器或接触器进行隔离， P L C本身配有通信接 口以 便于与上位机联系L s J 。P L C柜上还装有急停按钮 ， 用于在紧急状况下 的停机操作。 3 ． 3 现场仪表及现场控制设备 本系统的现场仪表及控制设备包括输入仪表和 输出控制设备。输入仪表有在线监测热值仪、 温度 变送器 、 压力变送器、 流量变送器 、 电动调节 阀等 ， 这 些设备主要输 出 4～2 0 mA的电流信 号， 实现对参 数的监控； 另外还包括起限位和报警作用的温度开 关 、 压力开关 、 电动调节 阀开关等 ， 这些检测元件输 出开关量信号给 P L C控制器。系统的输出设备主 要有电磁 阀、 电动阀等。 3 ． 4 人机交互界面设计 工控机 P L C系统是 目前工业设备 的人机界面 发展方向， 以高可靠性和 良好人性化界面得到广泛 应用， 能实现以下功能 ①控制系统的过程 ， 实现 自动化 ； ②监测系统的过程信息 温度、 压力、 流量、 热值等 ； ⑧动画图形显示系统各执行机构的状态 ； ④记录生产过程中的重要信息； ⑤报警信息记录和输出。 本系统用户可 以通过工控机的人机界面随时了 A l 0 于江华， 等 矿井气稳定热值供应装置控制系统设计 第3 4卷第 1期 解 、 观察并掌握整个控制系统的工作状态 ， 必要时还 可以通过人机界 面向控制系统发 出故障报警 ， 进行 人工干预。 本系统工控机与 P L C交互的数据主要分为 四 组。第一组是 C P U的命令数据区， 这些数据与工控 机的各个命令按钮对应， 包括开机、 停机、 设置热值、 电动阀的开度等命令。第二组是仪表数据区， 主要 指各热值仪、 温度和压力变送器的测量值， 工控机可 以对这些数据进行处理 ， 绘制 日运行 曲线和年运行 曲线。第三组是系统参数数据区 ， 包括各 P I D参数 、 报警限值 、 程序参数等的设定 。用户可 以通过工控 机修改这些数据， 合理的设定参数可以提高控制的 效果和系统的工作效率。第 四组是报警数据 区， 它 对应着各种报警信息， 比如停电记录、 压力过高或过 低报警、 温度过高报警、 漏气报警、 进 口气体压力过 低或过高报警 、 流量过大报警等 。出现报警记录时 ， 工控机储存与异常现象对应的报警值 ， 与该报警值 一 起储存的还有报警发生的时间， 以方便用户查阅。 4 结 论 本控制系统成功地解决矿井气的稳定热值供应 装置的自动控制问题。采用先进 的工业生产过程检 测和控制系统 ， 对空气或高热值气 的掺混量进行计 算； 对掺混量进行调节； 通过采集在线式热值仪的输 出信号 模拟量 4～ 2 0 m A 和矿井气流量 通信方 式 实现双 回路控制 ， 对电动调节阀进行 P I D调节 ， 以实现输出热值稳定的燃气。 参考文献 [ 1 ] 范根庆 ， 万天培， 彭贵银．天府矿务局瓦斯资源和利用 [ J ] ．煤气与热力 ， 1 9 9 4， 1 4 增刊 6 6 7 1 ． [ 2 ] 刘坤 ， 王爱华， 张延军， 等．低压瓦斯气 回收系统 自动 控制方案[ J ] ．石油化工 自动化 ， 2 0 0 4 5 1 0 61 0 9 ． [ 3 ] 陈楫国， 李秀芝．炼厂瓦斯气的回收利用及 自动控制 [ J ] ．节能， 2 0 0 1 6 3 4 3 8 ． [ 4 ] 黎延志， 于江华 ， 王运阁， 等．矿井气稳定热值供应装 置控制 系统 程序设计 [ J ] ．煤 气 与热力 ， 2 0 1 3 ， 3 3 1 1 B 1 7一 B 1 8 ． [ 5 ] 张海林 ， 李伟．西门子 s 7系列 P L C在自控系统中的应 用[ J ] ．内蒙古石油化工， 2 0 0 4 1 3 7 4 1 ． De s i g n o f Co n t r o l S y s t e m f o r Su pp l y De v i c e o f M i ne Ga s wi t h S t a b l e Ca l o r i fic Va l ue Y U J i a n g h u a．YAN G Xu Abs t r a c tTh e c o n t r o l r e q u i r e me n t s， s y s t e m s t r u c t ur e a n d f u n c t i o n s o f c o n t r o l s y s t e m f o r s u pp l y d e v i c e o f mi n e g a s wi t h s t a b l e c a l o r i fic p o we r a r e d i s ． c us s e d． Ke y w o r d s m i n e g a s ；c a l o r i f i c v a l u e a d j u s t - me n t ；PI D c o n t r o l ；c o n t r o l s y s t e m ；p r o g r a mma b l e l o g i c c o n t r o l l e r P L C ； b l e n d i n g 启事 煤气与热力 杂志2 0 1 4年专栏征稿启事 煤 气与热力 杂志将于 2 0 1 4年开辟 4个专栏， 各专栏拟定刊登期次， 稿件只要在指定截止 E l 期前修改 完毕且符合要求， 均可如期刊登， 仅向作者收取 1 2 0 0元／ 篇的版面费 1 2 0 0元／ 篇为一般排序发表的版面 费 ， 免加急费用 ， 望广大作者踊跃投稿 。各专栏的名称、 完成修 改稿截止 日期和拟刊登期次见下表。 2 0 1 4年 煤气与热力 专栏一览 专栏名称 完成修改稿截止日期 拟刊登期次 C N G压力能的利用 2 0 1 4 0 2一l 0 2 0 1 4年第 4期 L N G动力船舶和水上加气站 2 0 1 4 0 31 0 2 0 1 4年第 5期 高压燃气管道和设施的抗震 2 0 1 4 0 81 0 2 0 1 4年第 1 0期 燃气、 热力行业的互联网思维 2 0 1 4 0 91 0 2 0 1 4年第 1 1 期 A 1 1