PLC在移動式膜法提純沼氣生產(chǎn)生物天然氣工程中的應(yīng)用

張松林+劉鐵生+田海軍+李葉青+張云龍+周紅軍

摘要：指出了隨著當(dāng)代自動、智能化的發(fā)展，自動化控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。其中，在移動式膜法提純沼氣生產(chǎn)生物天然氣工程中的應(yīng)用將成新的亮點。分析了傳統(tǒng)的沼氣提純工藝的不足，而用PLC控制生產(chǎn)裝置，能大幅提高生產(chǎn)及安全生產(chǎn)效率。同時對比了移動式膜法提純沼氣生產(chǎn)生物天然氣工程裝置的優(yōu)勢：采用模塊化、智能化設(shè)計，具有易安裝、易操作、易監(jiān)控的特點，提純裝置控制系統(tǒng)可以在各種檢測傳感器的配合下對沼氣提純生產(chǎn)過程進(jìn)行實時監(jiān)測，并依據(jù)所檢測數(shù)據(jù)對各工藝設(shè)備進(jìn)行控制；系統(tǒng)通過PROFIBUS現(xiàn)場總線實現(xiàn)PLC與自動控制系統(tǒng)設(shè)備及各模塊單元通訊，采用MPI、Modous RTU協(xié)議實現(xiàn)PLC與上位機(jī)系統(tǒng)之間的通訊。

關(guān)鍵詞：沼氣提純；膜分離法；可編程邏輯控制器；移動式裝置；生物天然氣

1 引言

該項目以垃圾填埋氣為原料，研發(fā)出一套適用于處理量240m3/h，工作壓力2MPa的膜法沼氣提純工業(yè)示范裝置，并且已成功開發(fā)出不同處理量、不同工作壓力下膜法凈化提純沼氣裝置系列化工藝包，能夠為不同客戶需求，提供膜法提純沼氣工程裝備的詳細(xì)設(shè)計、工藝包開發(fā)、裝置加工集成及自動化控制領(lǐng)域等的全方位服務(wù)。

項目運用西門子S7-300系列PLC，結(jié)合膜法提純沼氣工藝特點，開發(fā)出移動式膜法提純沼氣生產(chǎn)生物天然氣工業(yè)裝置監(jiān)控系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以對裝置生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)測，對整個工藝及生產(chǎn)過程中壓力、溫度、流量及生產(chǎn)現(xiàn)場危險氣體泄露安全濃度進(jìn)行實時監(jiān)測，自動采集信息形成數(shù)據(jù)庫，且具有安全、消防等系列危險預(yù)警功能；同時，通過上位機(jī)控制下位機(jī)，調(diào)節(jié)現(xiàn)場閥門、開關(guān)等可實現(xiàn)溫度、壓力的閉環(huán)控制，保證工藝裝置安全、平穩(wěn)生產(chǎn)運行。

2 移動式膜法提純沼氣生產(chǎn)生物天然氣工藝及裝置概況

該項目氣源來自垃圾填埋氣，組成復(fù)雜，雜質(zhì)較多，膜法工藝對沼氣預(yù)處理要求較高，其中H2S、油污及水氣會對管道、設(shè)備和膜產(chǎn)生腐蝕。同時，沼氣中的顆粒物會堵塞膜通道，進(jìn)而對膜分離的性能產(chǎn)生影響。所以原料沼氣必須進(jìn)行預(yù)處理，將這些雜質(zhì)除去，保證原料氣進(jìn)入膜分離系統(tǒng)的工藝要求即氣體只為CO2和CH4。

該項目開發(fā)移動式膜法提純沼氣生產(chǎn)生物天然氣工藝及工業(yè)示范裝置，旨在實現(xiàn)一套提純設(shè)備能為不同氣源、不同產(chǎn)氣量服務(wù)的功能，節(jié)能降耗，提高設(shè)備及資源利用率。膜法沼氣凈化提純工藝主要由沼氣脫硫系統(tǒng)、沼氣壓縮系統(tǒng)、膜前預(yù)處理系統(tǒng)、膜分離系統(tǒng)等模塊組成，其工藝流程如圖1所示。

工作原理是原料氣脫硫后，通過壓縮系統(tǒng)增壓，達(dá)到適合膜組件工作的工作壓力，經(jīng)過膜前預(yù)處理系統(tǒng)除去氣體中氧、硫、水、油、固體顆粒物等雜質(zhì)后，進(jìn)入膜分離系統(tǒng)進(jìn)行CH4和CO2分離，使產(chǎn)品氣CH4含量≥95%，即滿足CNG標(biāo)準(zhǔn)或管網(wǎng)天然氣標(biāo)準(zhǔn)。

該裝置生產(chǎn)運行工藝參數(shù)與雜質(zhì)含量要求見表1，各設(shè)備組件都集成在標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)，這樣既節(jié)省了空間也便于運輸，操作調(diào)試靈活及穩(wěn)定性也更高，這是其他沼氣提純工藝所不能比擬的優(yōu)點（圖2）。

3 移動式膜法提純沼氣生產(chǎn)生物天然氣裝置PLC控制系統(tǒng)開發(fā)

根據(jù)可移動式膜法提純沼氣生產(chǎn)生物天然氣工藝裝置的控制需求及原料氣、產(chǎn)品氣易燃易爆的特性，項目在設(shè)計工藝裝置自動控制系統(tǒng)過程中主要進(jìn)行以下幾方面工作。

（1）該項目用于生產(chǎn)生物天然氣，屬于易燃易爆、高壓生產(chǎn)裝置，安全生產(chǎn)要求極高，因而確定該裝置PLC控制系統(tǒng)按照石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計施工。

（2）根據(jù)該工藝裝置運行特點及監(jiān)控需求，系統(tǒng)地分析、整理出工藝過程中影響產(chǎn)品氣質(zhì)量的因素，統(tǒng)計、分類監(jiān)控現(xiàn)場的數(shù)據(jù)量、模擬量信號，運用S7-300PLC，設(shè)計相應(yīng)的控制路線，集成PLC控制系統(tǒng)控制柜。

（3）根據(jù)計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)滿足的各項功能要求，使用Wincc組態(tài)軟件，設(shè)計上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、顯示、報警、記錄、形成數(shù)據(jù)庫等功能。

3.1 硬件設(shè)計

該項目控制系統(tǒng)采用上位機(jī)控制下位機(jī)的模式，上下位機(jī)之間的通訊采用專用的隔離電纜。其中下位機(jī)PLC主要進(jìn)行硬件開關(guān)量I/O的控制和模擬信號的采集與調(diào)節(jié)，上位機(jī)進(jìn)行工藝過程中工藝數(shù)據(jù)在線監(jiān)測、參數(shù)修改與設(shè)定、危險報警顯示、數(shù)據(jù)信息存儲與查詢等工作。控制系統(tǒng)整體框圖如圖3所示。

3.1.1 上位機(jī)硬件配置

上位機(jī)選用操作站，Intel 四核CPU，主頻不小于3 GHz，12 MB三級高速緩存，4 GB內(nèi)存，500 GB硬盤，2個以太網(wǎng)口，獨立顯卡，windows 7操作系統(tǒng)下采

用SIMATIC WinCCV7.3 作為監(jiān)控軟件。配置工業(yè)交換機(jī)，通過交換機(jī)進(jìn)行上、下位機(jī)數(shù)據(jù)通訊傳輸，可實現(xiàn)移動終端數(shù)據(jù)傳輸及遠(yuǎn)程診斷服務(wù)。上位機(jī)配備打印機(jī)及鍵盤等硬件設(shè)施，進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入及輸出[1]。

3.1.2 下位機(jī)硬件配置

下位機(jī)控制系統(tǒng)選用了SIEMENS的S7-300系列可編程控制器進(jìn)行設(shè)計，選用S7-200PLC實現(xiàn)系統(tǒng)與其他成套設(shè)備通訊，以完成整個工藝控制系統(tǒng)的連續(xù)模擬量控制與離散數(shù)字量控制的要求，保證系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、可靠運行。

采用SIEMENS的S7-300系列可編程控制器，CPU模塊（315-2DP/PN）作為主機(jī)，由拓展機(jī)架、I/O模塊、接口模塊、電源模塊、S7-200PLC等構(gòu)成控制系統(tǒng)硬件骨架[2]，該機(jī)集成34路輸入、6路輸出共40路模擬量I/O點及10路輸入、7路輸出共17數(shù)字量I/O點，連接8個擴(kuò)展I/O模塊。SM321為模擬量輸入模塊，接受系統(tǒng)從現(xiàn)場搜集的溫度、壓力、流量、氣體組成、pH值等數(shù)據(jù)并發(fā)送給CPU，通過與系統(tǒng)值進(jìn)行比較發(fā)出指令；SM332為模擬量輸出模塊，通過CPU的輸出指令調(diào)節(jié)現(xiàn)場各氣動/電磁調(diào)節(jié)閥閥門位置，從而達(dá)到監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)的功能[7]。下位機(jī)I/O模塊配置圖如圖4所示。

控制系統(tǒng)的I/O模塊通道數(shù)按照設(shè)計需求數(shù)量并加以20%的余量配置而成。AI卡件可以點點隔離并能向變送器供電及向外供電。

由于應(yīng)用場合要求本質(zhì)安全，控制系統(tǒng)為每個AI、AO信號點都配有相應(yīng)型號的安全柵，使系統(tǒng)與現(xiàn)場予以安全隔離。DO卡件可以完成電氣設(shè)備開關(guān)控制，DI卡件可以監(jiān)測電氣設(shè)備的狀態(tài)信息。

3.2 軟件設(shè)計

軟件平臺采用Windows7操作系統(tǒng)，選用西門子下位機(jī)編程軟件STEP7以及上位機(jī)開發(fā)軟件Wincc進(jìn)行控制系統(tǒng)軟件設(shè)計。

3.2.1 軟件簡介

STEP7是SIMATICS7系列編程語言，主要用來處理離散量邏輯控制。STEP7可以用IEC-61131-3標(biāo)準(zhǔn)中8種編程語言中的6種（STL，LAD，F(xiàn)BD，CFC，SFC和SCL）進(jìn)行編程。CFC、SFC和SCL作為主要的組態(tài)工具，用于完成傳統(tǒng)DCS中連續(xù)過程控制任務(wù)的組態(tài)。如果在一個項目中，有很多離散過程如聯(lián)鎖控制等，則可采用STEP7中其它幾種編程語言，很方便地進(jìn)行編程。這是對傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)處理離散控制任務(wù)能力不強的一個補充。該系統(tǒng)采用LAD梯形圖編程語言進(jìn)行下位機(jī)系統(tǒng)編程[3]。

WinCC是西門子公司在自動化領(lǐng)域采用最先進(jìn)的技術(shù)與微軟公司正在共同開發(fā)的居于世界領(lǐng)先地位的工控軟件。WinCC即WINDOWS_CONTROL_CERTER（視窗控制中心），是一個強大的全面開放的監(jiān)控系統(tǒng)，既可以用來完成小規(guī)模的簡單的過程監(jiān)控應(yīng)用，也可以用來完成復(fù)雜的應(yīng)用。任何情況下WinCC都可以生成漂亮而便捷的人機(jī)對話接口，使操作員能夠清晰地管理和優(yōu)化生產(chǎn)過程[4]。

3.2.2 上位機(jī)畫面設(shè)計

利用WinCC組態(tài)軟件做成主控界面“移動式膜法提純沼氣生產(chǎn)生物天然氣PLC控制系統(tǒng)”如圖5所示。

3.2.3 數(shù)據(jù)庫建立

數(shù)據(jù)庫是整個監(jiān)控軟件的核心，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫點并進(jìn)行數(shù)據(jù)庫點與PLC設(shè)備的數(shù)據(jù)連接，實時數(shù)據(jù)庫系實時數(shù)據(jù)庫將組態(tài)數(shù)統(tǒng)由管理器和運行系統(tǒng)組成，實時數(shù)據(jù)庫將組態(tài)數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等以一定的組織形式存儲在介質(zhì)上。

該系統(tǒng)中各檢測點的溫度、壓力、流量、閥門開度等都需要保存在數(shù)據(jù)庫中。在建立數(shù)據(jù)庫時，首先按照點類型（模擬點、數(shù)字點、累計點、控制點或運算點）創(chuàng)建新點，對其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括基本參數(shù)和報警參數(shù)，并且進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換，然后把已創(chuàng)建的點和點參數(shù)與現(xiàn)場的I/O設(shè)備檢測到的某一具體數(shù)據(jù)項建立映射關(guān)系，當(dāng)這一關(guān)系建立以后，數(shù)據(jù)庫中的點和點參數(shù)才與來自I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)源建立連接[8～10]。

3.2.4 配置I/O設(shè)備

西門子WinCC組態(tài)軟件通過I/O驅(qū)動程序從I/O設(shè)備獲得實時數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要處理后，一方面實時數(shù)據(jù)以數(shù)字方式直觀顯示在計算機(jī)屏幕上，另一方面按照組態(tài)要求和操作人員的指令將控制數(shù)據(jù)送給I/O設(shè)備，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)實施控制或調(diào)整控制參數(shù)[5]。該系統(tǒng)采用PLCI/O驅(qū)動程序的設(shè)置，設(shè)備地址與PLC中設(shè)置的MPI地址一一對應(yīng)，即可完成了I/O設(shè)備驅(qū)動連接。

3.3 系統(tǒng)通訊

系統(tǒng)通訊是通過PROFIBUS現(xiàn)場總線來實現(xiàn)的。此控制系統(tǒng)運用MPI通訊協(xié)議實現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)及S7-300PLC與其他成套設(shè)備中的S7-200PLC之間的通訊，由此增強了系統(tǒng)的擴(kuò)展能力[6]；運用Modbus通訊協(xié)議把在線分析儀、氣體報警器、溫度傳感器、壓力傳感器、氣體流量計等其他控制器的有關(guān)信息集中送入AI模塊，再通過CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，發(fā)出控制動作信號，實現(xiàn)監(jiān)測及控制設(shè)備，從而實現(xiàn)整個通訊系統(tǒng)控制功能。

此外，系統(tǒng)通過二次開發(fā)升級，將借助移動通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸，通過開發(fā)網(wǎng)頁及移動客戶端APP，以網(wǎng)頁及APP登錄或者信息收發(fā)的形式，實現(xiàn)對操作現(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4 移動式膜法提純沼氣生產(chǎn)生物天然氣裝置PLC監(jiān)控系統(tǒng)功能

WinCC組態(tài)軟件通過I/O驅(qū)動程序從現(xiàn)場I/O設(shè)備獲得實時數(shù)據(jù)，接收的數(shù)據(jù)一方面以圖形的方式直觀地顯示在計算機(jī)屏幕上，另一方面按照組態(tài)要求和操作人員的指令將控制數(shù)據(jù)送給I/O設(shè)備，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)實施控制或調(diào)整控制參數(shù)，對要求存儲的采集量存儲歷史數(shù)據(jù)，對歷史數(shù)據(jù)檢索請示給予響應(yīng)。當(dāng)有異常情況發(fā)生時，系統(tǒng)會發(fā)出報警來提示工作人員進(jìn)行相應(yīng)的措施。由WinCC組態(tài)軟件結(jié)合西門子S7-300設(shè)備，可以在WinCC組態(tài)界面下完成以下幾方面的任務(wù)。

（1）參數(shù)設(shè)定和通信功能。包括控制參數(shù)設(shè)定、間接參數(shù)計算及離線參數(shù)輸入等的設(shè)定，實現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ嵐δ堋?/p>

（2）實時運行參數(shù)監(jiān)測及顯示。組態(tài)軟件實時采集生產(chǎn)過程中設(shè)備運行狀態(tài)及參數(shù)，采用圖形、報表的形式顯示系統(tǒng)的實時運行情況。當(dāng)前管道壓力值、溫度值、膜內(nèi)壓力值、流量值等動態(tài)的顯示在WinCC組態(tài)界面上，便于監(jiān)控生產(chǎn)，查看生產(chǎn)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)和流程畫面，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的實時管理和系統(tǒng)的可視化，為優(yōu)化工藝控制提供理論支撐。

（3）監(jiān)督報警功能。當(dāng)實際測量值超出其用戶設(shè)定的限值范圍時，自動給出報警信息。

（4）實時過程控制。設(shè)置好系統(tǒng)的各個參數(shù)，系統(tǒng)自動完成過程控制，或由操作員根據(jù)實際環(huán)境的情況來加以控制。在保證系統(tǒng)的控制自動化的同時，應(yīng)保留手動控制以備用及進(jìn)行調(diào)試該控制系統(tǒng)。

（5）查詢、打印任意時間段的歷史數(shù)據(jù)。WinCC組態(tài)軟件將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲于實時數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫中，結(jié)合圖形界面提供瀏覽各個歷史曲線顯示功能，并生成歷史生產(chǎn)報表可隨時打印。

5 結(jié)語

鑒于移動式膜法提純沼氣生產(chǎn)生物天然氣工業(yè)裝置特點及石化領(lǐng)域行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，運用西門子S7-300PLC，設(shè)計移動式膜法提純沼氣生產(chǎn)生物天然氣裝置PLC控制系統(tǒng)，操控穩(wěn)定、運行效果安全、適應(yīng)性強。另外還很好地實現(xiàn)了監(jiān)控整個工藝生產(chǎn)現(xiàn)場運行狀況，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及傳輸，實現(xiàn)故障報警的功能，為工藝裝置的運行提供完善的數(shù)據(jù)支撐和系統(tǒng)保障，達(dá)到了設(shè)計預(yù)期。

參考文獻(xiàn)：

[1]邊春元，任雙艷，滿永奎，等.S7-300/400PLC實用開發(fā)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：472～473.

[2]西門子.西門子S7-300可編程控制器選型手冊[EB/OL].西門子官網(wǎng)，2011.

[3]西門子.西門子S7-300可編程控制器編程手冊[EB/OL].西門子官網(wǎng)，2013.

[4]西門子.西門子Wincc編程手冊[EB/OL].西門子官網(wǎng)，2010.

[5]鄭 晟.現(xiàn)代可編程序控制器原理與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

[6]胡 健.西門子S7-300PLC應(yīng)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：23～49.

[7]廖常初.PLC編程及應(yīng)用[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[8]傅成華，王 軍.自動控制原理[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2003.

[9]劉元揚.自動檢測和過程控制[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

[10]陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

Application of PLC in Biogas Purification with Mobile Membrane

Methodin Natural Gas Engineering

Zhang Songlin1，2，Liu Tiesheng3，Tan Haijun3，Li Yeqing2，4，Zhang Yunlong1，Zhou Hongjun2，4

（1.China University of Petroleum - Beijing Institute of New Energy Co.， Ltd.，Beijing 102200，China；

2.Beijing Key Laboratory of Biogas High Value Utilization， Beijing 102249，China；

3.Beijing Junshilanda Technology Co.，Ltd.Beijing 102200，China；

4.China University of Petroleum， Beijing 102249，China）

Abstract： With the development of automatic and intelligence， automation control technology has been applied in various industries. Among them， the automatic control system using in the application of membrane biogas purification device will become a new bright spot. Traditional biogas purification process has a low production efficiency and production safety coefficient， and production device with PLC control， can greatly improve the efficiency of production and safety in production. Therefore， mobile membrane biogas purification device which produces natural gasis designed to be modular and intelligent is easy to install， operate and monitor. Purification device control system can be in cooperation with various detection sensor for real-time monitoring of biogas purification process and on the basis of the testing data to control the process equipment； System throughPROFIBUS field bus to realize PLC unit communications equipment and automatic control system and the module of communication， using MPI， Modous RTU communication protocol implementation of PLC and PC communications system.

Key words： biogas purification； membrane separation； PLC； mobile device；biological gas