PLC 在沼氣生產(chǎn)智能增壓系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

周月俠

（衡水職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 衡水053000）

該項(xiàng)目以實(shí)際工程項(xiàng)目為載體，運(yùn)用西門子S7-1200 系列PLC,結(jié)合沼氣生產(chǎn)增壓系統(tǒng)工藝特點(diǎn)，研發(fā)出一套沼氣生產(chǎn)中增壓環(huán)節(jié)的智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可以通過(guò)上位機(jī)對(duì)增壓現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)整個(gè)工藝及生產(chǎn)過(guò)程中壓力、流量、溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的同時(shí)，能自動(dòng)采集信息形成數(shù)據(jù)庫(kù)，且具有安全、消防等系列危險(xiǎn)預(yù)警功能。同時(shí)，通過(guò)上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的控制，調(diào)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)閥門、開關(guān)等實(shí)現(xiàn)壓力、流量的閉環(huán)控制，保證工藝裝置安全、平穩(wěn)生產(chǎn)運(yùn)行。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)要求主要包括實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面功能：

（1）提供輔助電機(jī)控制的就地隔爆操作柱及輔助電機(jī)的馬達(dá)電氣柜，實(shí)現(xiàn)輔助電機(jī)的就地控制；機(jī)組馬達(dá)電氣柜（MCC）實(shí)現(xiàn)輔助電機(jī)的自動(dòng)控制，具備完善可靠的過(guò)電流保護(hù)功能，并將各馬達(dá)的操作和運(yùn)行狀態(tài)傳送至PLC。

（2）機(jī)組需設(shè)置PLC 控制柜，放置于低壓配電室。每套PLC 控制柜包括CPU 處理單元、I/0 模塊、直流電源、觸摸顯示屏、信號(hào)隔離器、外部鏈接端子等。

（3）機(jī)組PLC 控制柜需完成但不僅限于功能如下:機(jī)組的所有過(guò)程數(shù)據(jù)的采集處理；機(jī)組的報(bào)警、聯(lián)鎖邏輯控制;機(jī)組的流量調(diào)節(jié)；機(jī)組的就地激活、停止、緊急停車；控制系統(tǒng)的故障診斷和容錯(cuò)控制；與DCS 實(shí)時(shí)通訊、TCP/IP 通訊協(xié)議；簡(jiǎn)便的人機(jī)操作接口。

1.1 沼氣生產(chǎn)增壓環(huán)節(jié)工藝流程

沼氣增壓工藝流程，首先沼氣反應(yīng)罐產(chǎn)生的沼氣通過(guò)送風(fēng)機(jī)后壓力升至0.2～0.5bar，該沼氣被送至增壓機(jī)的入口前置過(guò)濾器，經(jīng)過(guò)初級(jí)過(guò)濾，氣體進(jìn)入入口分離器，將沼氣中含有的水分初步分離，之后進(jìn)入后置過(guò)濾器，經(jīng)過(guò)再次精密過(guò)濾，進(jìn)入噴油螺桿壓縮機(jī)對(duì)沼氣進(jìn)行增壓，將沼氣壓力增加至8～9bar。增壓后的沼氣進(jìn)入油氣分離器，分離出經(jīng)壓縮后加沼氣的油分后，進(jìn)入換熱器進(jìn)行冷卻。冷卻后的沼氣再通過(guò)氣液分離器將壓縮后沼氣含有的水份再次分離后，進(jìn)入微油精密分離器再次除油。最后進(jìn)入活性炭除油后送入下一步提純工藝。

1.2 系統(tǒng)控制要求

1.2.1 被控對(duì)象壓縮機(jī)技術(shù)參數(shù)

沼氣壓縮機(jī)的排氣壓力1.0MPaG，單臺(tái)機(jī)組額定流量為2625Nm3/h，兩臺(tái)機(jī)組總流量5250Nm3/h。兩臺(tái)沼氣壓縮機(jī)機(jī)組均通過(guò)變頻調(diào)節(jié)流量，即自行在觸摸屏上設(shè)定流量后，兩臺(tái)機(jī)組均能通過(guò)自帶的PLC 系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)過(guò)程,滿足1500～5250Nm3/h總流量調(diào)節(jié)范圍。

1.2.2 安全區(qū)控制柜

1.2.2.1 1 臺(tái)套PLC 控制柜，放置于安全區(qū)低壓配電室，防護(hù)等級(jí)IP54。1.2.2.2 西門子PLC S7-1200 控制系統(tǒng)，預(yù)留上位機(jī)系統(tǒng)以太網(wǎng)接口，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控液晶顯示屏，觸摸屏設(shè)計(jì)。1.2.2.3 壓縮機(jī)所有信號(hào)接入PLC 系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)顯示壓縮機(jī)系統(tǒng)中的進(jìn)氣壓力、排氣壓力、潤(rùn)滑油壓力、排氣溫度、潤(rùn)滑油溫度、電壓、電流、故障、啟停等信息。1.2.2.4 控制按鈕安裝于柜體上，包括啟動(dòng)/停機(jī)、緊急停機(jī)復(fù)位、就地/遠(yuǎn)程選擇開關(guān)。

1.2.3 安全區(qū)變頻啟動(dòng)柜

1.2.3.1 1 臺(tái)套變頻啟動(dòng)柜，控制電機(jī)變頻運(yùn)行，放置于安全區(qū)低壓配電室。1.2.3.2 輔助電機(jī)的自動(dòng)控制，具備完善可靠的過(guò)電流保護(hù)功能，可將電機(jī)的操作和運(yùn)行狀態(tài)傳送至PLC。

1.3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)生物燃?xì)庠鰤涵h(huán)節(jié)生產(chǎn)工藝要求,設(shè)計(jì)其硬件智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由檢測(cè)與執(zhí)行部分、PLC 邏輯程序控制部分、上位機(jī)監(jiān)控三部分。其中上位機(jī)采用工業(yè)計(jì)算機(jī)，用來(lái)監(jiān)控系統(tǒng)增壓過(guò)程中的壓力、溫度、液位等參數(shù)，并根據(jù)檢測(cè)到的參數(shù)向PLC 發(fā)送指令，以控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作；下位機(jī)PLC 邏輯控制部分選用西門子S7-1200 系列產(chǎn)品。根據(jù)設(shè)備的情況和工藝要求，CPU 模塊采用6ES7 215-1AG40-OXBO，AI 模塊采用6ES7 231-4HD32-OXBO，顯示屏采用6AV6 647-OAF11-3AXO，通訊模塊采用CP343-16GK7 277-1AA10-OAA0，與利用以太網(wǎng)通信。需要注意的是考慮到以后系統(tǒng)升級(jí)等需求，在實(shí)際生產(chǎn)中，PLC 輸入、輸出應(yīng)有部分冗余。

1.4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.4.1 啟動(dòng)條件

壓縮機(jī)啟動(dòng)前，必須滿足的兩個(gè)條件：一是沒有報(bào)警出現(xiàn)，二是電機(jī)最小停止延時(shí)時(shí)間（最后一次停止到下一次啟動(dòng)之間有20分鐘延時(shí)）。

1.4.2 起動(dòng)順序

當(dāng)環(huán)境溫度低于30℃時(shí)，油加熱器先預(yù)熱15 分鐘，再起動(dòng)壓縮機(jī)。其流程圖如圖1 所示。控制系統(tǒng)在啟動(dòng)階段要為各種報(bào)警及警告設(shè)置延時(shí)。在延時(shí)時(shí)間內(nèi)各種報(bào)警及警告信號(hào)保持激活狀態(tài)，但不執(zhí)行停機(jī)及警告動(dòng)作，如果到達(dá)延時(shí)時(shí)間，各種報(bào)警及警告仍存在，則采取動(dòng)作。

1.4.3 停機(jī)順序

在收到停止命令后，順序如流程圖如圖2 所示。

1.4.4 變頻器轉(zhuǎn)速和回流閥開度調(diào)節(jié)時(shí)序

當(dāng)壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)，會(huì)以一個(gè)初始啟動(dòng)轉(zhuǎn)速運(yùn)行；啟動(dòng)之后，需要根據(jù)所需排氣壓力調(diào)節(jié)變頻器轉(zhuǎn)速和回流閥開度。如圖3 所示。

圖3 變頻器轉(zhuǎn)速和回流閥開度調(diào)節(jié)時(shí)序圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 下位機(jī)PLC 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)生物燃?xì)庠鰤汗に囂攸c(diǎn)與要求，將系統(tǒng)的PLC 控制程序設(shè)計(jì)成啟動(dòng)順序模塊、報(bào)警模塊、模擬量采集模塊、通訊模塊四個(gè)模塊。

啟動(dòng)順序模塊：設(shè)備啟動(dòng)順序流程設(shè)計(jì)，對(duì)卸載電磁閥、散熱裝置、變頻器進(jìn)行控制。報(bào)警模塊:當(dāng)系統(tǒng)增壓過(guò)程中壓力、溫度等參數(shù)超過(guò)上、下限時(shí),系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒操作人員系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)故障。模擬量采集模塊：分別檢測(cè)增壓系統(tǒng)壓力、溫度、可燃?xì)怏w含量、變頻器轉(zhuǎn)速電流等參數(shù)，將數(shù)據(jù)采集到PLC，通過(guò)操作屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，方便操作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控。通訊模塊：將系統(tǒng)啟?？刂萍安杉降臄?shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。

2.2 上位機(jī)監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選用WinCC 軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控界面的搭建，對(duì)沼氣生產(chǎn)過(guò)程增壓系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)包括起始畫面、狀態(tài)監(jiān)控(一)、狀態(tài)監(jiān)控(二)、參數(shù)設(shè)置及故障信息設(shè)置五個(gè)窗口。其主畫面主要監(jiān)控壓縮機(jī)排氣溫度、壓縮機(jī)潤(rùn)滑油壓力、壓縮機(jī)出口溫度、壓縮機(jī)排氣壓力、壓縮機(jī)潤(rùn)滑溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、壓縮機(jī)啟停狀態(tài)等變量。

具體實(shí)現(xiàn)如下：

2.2.1 創(chuàng)建組態(tài)工程

在組態(tài)環(huán)境下建立名為“沼氣增壓控制系統(tǒng)”的新增應(yīng)用程序。

2.2.2 創(chuàng)建數(shù)據(jù)對(duì)象

在組態(tài)工程中，數(shù)據(jù)對(duì)象是連接每個(gè)環(huán)境的關(guān)鍵。首先，在數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)界面將所有需控制的量創(chuàng)建到工程項(xiàng)目中；其次，定義組態(tài)軟件內(nèi)部的I/O 變量，給每個(gè)變量定義屬性。在使用軟件時(shí)須注意數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)變量并與PLC 設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行連接，該系統(tǒng)中各檢測(cè)點(diǎn)的溫度、壓力、流量、閥門開度等都需要保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。在建立數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，先按照變量類型創(chuàng)建新變量,并設(shè)置其基本參數(shù)、報(bào)警參數(shù)等，然后把已創(chuàng)建的變量與現(xiàn)場(chǎng)的I/O 設(shè)備檢測(cè)到的某一具體數(shù)據(jù)項(xiàng)通過(guò)設(shè)備連接建立關(guān)系。

2.2.3 構(gòu)建監(jiān)控畫面

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求,利用組態(tài)軟件系統(tǒng)圖庫(kù)來(lái)搭建沼氣生產(chǎn)增壓控制系統(tǒng)。通過(guò)變量連接使沼氣增壓系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀況、各傳感器數(shù)據(jù)和控制參數(shù)以動(dòng)畫的形式反映在監(jiān)控屏幕上。同時(shí)，操作人員可根據(jù)生產(chǎn)要求直接控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或修改工藝參數(shù)。

3 結(jié)論

運(yùn)用西門子S7-1200PLC, 設(shè)計(jì)沼氣生產(chǎn)智能增壓控制系統(tǒng)，操控穩(wěn)定、運(yùn)行效果安全、適應(yīng)性強(qiáng)，充分體現(xiàn)出了PLC 可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的特性。此外，該系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控整個(gè)工藝生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀況，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及傳輸、故障報(bào)警等功能。為沼氣生產(chǎn)中增壓系統(tǒng)的良好運(yùn)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(jì)預(yù)期。