摘　要：针对目前控制矿井气热值的方法及程序在实际应用中经常出现死循环等技术问题，分析了基于PID分程控制的控制方案和程序设计。

关键词：矿井气　PID分程控制　控制系统　PLC　掺混　热值调节

Programming of Control System for Mine Gas Supply Device Stable Calorific Value

Abstract：In view of infinite loop and other technical problems in the practical application of methods and programs to control the mine gas calorific：value，the control scheme and programming based on the PID split range control are analyzed．

Key words：mine gas；PID split range control；control system；programmable logic controller(PLC)；blending；calorific value adjustment

目前，控制矿井气热值的方法及程序在实际应用中经常出现死循环等技术问题，无法保证系统的正常运行，严重影响了矿井气的大规模商业应用。因此，该行业急需一种先进而稳定的控制矿井气热值的系统程序来保证正常运行^[1-3]。

1　控制系统程序方案设计

系统根据对原料矿井气热值进行在线监测，判断其属于3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。3种工作状态如下：

①当矿井气的低热值高于19.26MJ／m³时，在矿井气中掺混适量的空气，使混合气热值达到18.84MJ／m³，供用户使用；

②当矿井气的低热值在18.42～19.26MJ／m³范围时，矿井气不做调节，直接供用户使用。

③当矿井气低热值低于l8.42MJ／m³时，在矿井气中掺混适量的天然气，使混合气的热值达到18.84MJ／m³，供用户使用。

针对控制系统的控制要求及现阶段控制程序存在的问题，经过多方调研，决定利用PID分程控制方法设计一套自动化程度高，具有良好的抗干扰性、可扩展性及不存在死循环的控制系统程序。

2　主程序设计

系统软件编程由PLC编程和上位机编程两部分组成，分别采用STEP7V5．3和WINCC6．0软件。

2.1　PID分程控制设计

一般来说，一台控制器的输出仅操作一个控制阀。若一台控制器操纵几个阀门，并且按输出信号的不同区间去操纵不同的阀门，这种控制方式习惯上称为分程控制。

分程控制有两方面的目的：一是扩大控制阀的可调范围，以改善控制系统的品质；二是满足工艺操作上的特殊要求^[3-4]。

同时，为了避免执行机构频繁动作而造成死循环，针对该系统的生产过程被控变量不严格要求控制在给定值上，允许在规定的范围内变化这一特点，决定在该系统中，采用带有不灵敏区(即死区)的PID算式进行分程控制。

2.2　系统的程序设计

控制系统的关键程序一是掺混前的复杂逻辑判断，二是电动比例阀的PID调节。逻辑判断在系统主程序模块中编制，PLC周期性扫描执行该程序。掺混后的气体热值与阀口开度的关系受到矿井气热值、管网压力等因素的影响，没有明确的数学函数关系，是非线型的。为了能使控制目标实现且程序算法计算量小，系统采用了分程控制的方法，对于不同热值范围内矿井气采用分段比例阀控制，即控制对象在某个范围内时，采用对应的PID算法，控制某特定的电动调节阀。若控制对象大范围改变则改变控制回路，同时将其他各个电动调节阀关闭。各个电动调节阀的PID控制器参数不同，执行PID控制程序前需要判断所控制的对象。

同时，采用结构化编程技术编制PID调节阀口开度的子程序，通过调用不同的子程序背景数据块实现控制不同阀的目的。结构化编程将复杂的自动化任务分解为能够反映过程的工艺、功能或可反复使用的小任务，这些任务由相应的程序块来表示，程序运行所需的大量数据和变量储存在数据块中。

具体应用到该系统3种工作状态中的程序控制如下：

当原料气矿井气低热值大于l9.26MJ／m³时，热值不符合输出使用要求，需混合一定比例的空气来降低热值，应用带死区的PID调节空气回路中电动调节阀的开度。由于应用了带有死区的PID控制方法，因此有效避免了死循环控制的出现，使整个掺混过程得以顺利进行。在输出信号发出前再对混合器热值进行一次测量，如符合要求则输出；如不符合要求，则重新进行控制调节，直到最终符合要求后输出。其中符合输出要求的低热值给定位为18.84MJ／m³，误差值为±0.42MJ／m³。

当原料气矿井气的低热值在大于或等于18.42MJ／m³而小于或等于l9.26MJ／m³这一区间时，就认为矿井气质量合格，不需调节，可以直接通过混合器输出。

当原料气矿井气低热值小于l8.42MJ／m³时，热值不符合输出使用要求，需混合一定比例的天然气来提高热值。应用带死区的PID调节天然气回路中电动调节阀的开度。由于应用了带有死区的PID控制方法，因此有效避免了死循环控制的出现，使整个掺混过程得以顺利进行。在输出信号发出前再对混合器热值进行一次测量，如符合要求则输出；如不符合要求则重新进行控制调节，直到最终符合要求后输出。其中符合输出要求的低热值给定值为18.84MJ／m³，误差值为±0.42MJ／m³。

在“误差信号处理”中经过控制死区限定，交由“PID算法”处理，其输出值经过再次线性处理和限幅，以实数形式或模拟量模板认可的形式输出。在处理过程中，还可以选择手动模式，以设定的手动值作为控制器输出。

本装置的控制系统，采用了具有精简指令系统、低成本和高可靠性的PLC，使控制系统简单、实用，用PID分程控制作为调节方式，软件系统采用组件化技术，具备了极好的开放性。该系统本身提供了标准的数据接口，可以与其他应用系统进行对接，为整个应用系统的集成提供了良好的架构。

3　结论

本装置控制系统成功地解决了矿井气的稳定热值供应装置自动控制系统程序死循环控制的问题。采用PID分程控制对电动调节阀进行调节，实现输出热值稳定的燃气。该程序参数整定方便，结构改变灵活，适应性强，稳定性好，可靠性高。

参考文献：

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[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，2004(5)：106-109．

[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，2001(6)：34-38．

[4]胡玉新，李宇成．模糊控制系统的模拟调试[J]．北方工业大学学报，1999(3)：50-54．

本文作者：黎延志  于江华  王运阁  杨旭  徐方  罗兴月

作者单位：安徽省天然气开发股份有限公司

  中交煤气热力研究设计院有限公司

  沈阳鼓风机集团股份有限公司