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　PID控制  控制系统  可编程控制器PLC  掺混

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

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^[1]。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^[2]。其他地方基本上采用间歇性测量、人工测量，当浓度超标时，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^[3]。

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^[4]：

a．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，使混合气的低热值升高到18.84MJ／m³，供用户使用；

b．当矿井气的低热值高于19.26MJ／m³时，在矿井气中掺混适量空气，使混合气低热值降低到18.84MJ／m³，供用户使用；

c．当矿井气的低热值在18.42～l9.26MJ／m³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。

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PLC控制系统。

3　PLC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l。

该系统中现场仪表及控制设备通过PLC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PLC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

考虑剑系统的规模、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　PLC

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CPU、电源及DI、DO、AI、AO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。PLC输出用继电器或接触器进行隔离，PLC本身配有通信接口以便于与上位机联系^[5]。PLC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4～20mA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PLC控制器。系统的输出没备主要有电磁阀、电动阀等。

3．4　人机交互界面设计

工控机PLC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)；

③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解、观察并掌握整个控制系统的T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PLC交互的数据主要分为四组。第一组是CPU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PID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4～20mA)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PID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，1994，14(增刊)：66-71．

[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]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，2013，33(11)：Bl7-Bl8．

[5]张海林，李伟．西门子s7系列PLC在白控系统中的应用[J]．内蒙古石油化工，2004(1)：37-41．

本文作者：于江华  杨旭

作者单位：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