基于PLC 的煤層氣混配控制系統(tǒng)

吳軍

（山西蘭花大寧發(fā)電有限公司，山西 晉城 048000）

煤層氣是與煤伴生、共生的氣體資源，指儲(chǔ)存在煤層中的烴類氣體，以甲烷為主要成分，屬于非常規(guī)天然氣。煤層氣以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主，部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體，是煤的伴生礦產(chǎn)資源，是近些年在國(guó)際上崛起的潔凈、優(yōu)質(zhì)能源和化工原料。煤層氣俗稱“瓦斯”，熱值高于通用煤的1～4 倍，1 m3純煤層氣的熱值相當(dāng)于1.13 kg 汽油、1.21 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，其熱值與天然氣相當(dāng)，可以與天然氣混輸混用，而且燃燒后很潔凈，幾乎不產(chǎn)生任何廢氣，是上好的工業(yè)、化工、發(fā)電和居民生活燃料。由于開(kāi)采上來(lái)的煤層氣體積分?jǐn)?shù)不同，在瓦斯利用和化工合成等相關(guān)領(lǐng)域，為了充分利用低體積分?jǐn)?shù)的煤層氣，有時(shí)候需要將2 種或2 種以上不同體積分?jǐn)?shù)的煤層氣進(jìn)行混合，配成一種新體積分?jǐn)?shù)的煤層氣供使用。要求混配后的氣體體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定，壓力波動(dòng)小。但是現(xiàn)有的技術(shù)方案大多停留在手動(dòng)控制階段，使得氣體在混合過(guò)程中存在壓力損失過(guò)大、精度控制不穩(wěn)等問(wèn)題。因此需要一種更加可靠、能自動(dòng)控制的氣體混配控制系統(tǒng)來(lái)控制氣體混合過(guò)程，使得混配后的氣體體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定，壓力損失更小。

1 煤層氣混配控制系統(tǒng)簡(jiǎn)述

本文所述的煤層氣混配控制系統(tǒng)主要是將2 種不同體積分?jǐn)?shù)的煤層氣進(jìn)行混配，一種為煤層氣體積分?jǐn)?shù)大于80%、壓力為100～400 kPa 的高體積分?jǐn)?shù)煤層氣；一種為煤層氣體積分?jǐn)?shù)為20%～30%、壓力為20～30 kPa 的低體積分?jǐn)?shù)煤層氣，要求混配后的氣體體積分?jǐn)?shù)為（40±5）%，壓力為15～20 kPa。

1.1 工藝思路

高體積分?jǐn)?shù)煤層氣與低體積分?jǐn)?shù)煤層氣混合，在盡量節(jié)省成本的情況下，采用控制2 種不同體積分?jǐn)?shù)氣體調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使氣體在管道中直接進(jìn)行混合，混合后的氣體管道盡量長(zhǎng)一些，使它能充分混合。通過(guò)電動(dòng)蝶閥來(lái)控制混合后氣體母管的壓力值不超限，使它滿足用戶要求。

1.2 系統(tǒng)組成

煤層氣混配[1]控制系統(tǒng)主要由煤層氣管道、低濃氣調(diào)節(jié)閥、高濃氣調(diào)節(jié)閥、安全閥、電動(dòng)蝶閥、手動(dòng)蝶閥、壓力表、壓力變送器、瓦斯體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)儀、流量計(jì)、差壓變送器、PLC 控制柜以及PC 電腦等組成，如圖1所示，其中CT 為瓦斯（甲烷）體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)儀，PⅠ為就地壓力表，PT 為壓力變送器，F(xiàn)T 為流量計(jì)及差壓變送器。

圖1 煤層氣混配系統(tǒng)示意圖

1.3 控制系統(tǒng)原理

煤層氣混配控制系統(tǒng)是將2 種不同體積分?jǐn)?shù)的氣體進(jìn)行混合，使得混合后的氣體成為一種新體積分?jǐn)?shù)的氣體供用戶使用。其主要原理是在高、低體積分?jǐn)?shù)煤層氣管道上各安裝一臺(tái)模擬量調(diào)節(jié)閥，將其信號(hào)接至PLC 控制柜，通過(guò)PC 電腦來(lái)控制，再將2 條管道連接至混氣母管。為了防止混合后氣體壓力太高，在混氣母管上安裝一個(gè)手動(dòng)蝶閥和一個(gè)電動(dòng)蝶閥。手動(dòng)蝶閥保持常開(kāi)狀態(tài)，將電動(dòng)蝶閥的信號(hào)接至PLC 控制柜，通過(guò)PC 電腦設(shè)定一個(gè)保護(hù)值來(lái)控制電動(dòng)蝶閥開(kāi)啟泄壓。為了防止電動(dòng)蝶閥因故障而不能正常打開(kāi)的情況發(fā)生，在混氣母管上再安裝一臺(tái)安全閥，設(shè)定一個(gè)壓力值，作為電動(dòng)蝶閥無(wú)法正常打開(kāi)的一種后備保護(hù)手段。

為了方便監(jiān)測(cè)混氣母管的瓦斯體積分?jǐn)?shù)、壓力及流量數(shù)據(jù)，在混氣母管上安裝一臺(tái)瓦斯體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)儀、一塊就地壓力表、一臺(tái)壓力變送器、一臺(tái)錐形流量計(jì)和一臺(tái)差壓變送器。將所有遠(yuǎn)傳儀表的信號(hào)都接至PLC 控制柜，使它能在PC 電腦上顯示。

2 煤層氣混配控制系統(tǒng)組態(tài)

煤層氣混配控制系統(tǒng)組態(tài)包括硬件組態(tài)和軟件組態(tài)2 個(gè)部分。硬件組態(tài)主要是將低濃氣調(diào)節(jié)閥、高濃氣調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)蝶閥、壓力變送器、瓦斯體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)儀、差壓變送器、PLC 控制柜及PC 電腦通過(guò)電纜連接起來(lái)。軟件組態(tài)主要是通過(guò)PC 電腦在PLC 中對(duì)連接的設(shè)備進(jìn)行配置，使它能夠正常使用。

2.1 硬件選型

煤層氣混配控制系統(tǒng)硬件主要由煤層氣管道、高濃氣調(diào)節(jié)閥、低濃氣調(diào)節(jié)閥、安全閥、電動(dòng)蝶閥、手動(dòng)蝶閥、壓力表、壓力變送器、瓦斯體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)儀、流量計(jì)、差壓變送器、PLC 控制柜及PC 電腦等組成。

煤層氣管道根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇管徑，高、低濃氣調(diào)節(jié)閥閥門(mén)規(guī)格選型時(shí)與氣體管道相匹配，執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇模擬量控制，輸入信號(hào)為4～20 mA，閥位反饋信號(hào)為4～20 mA，電源為AC380 V、50 Hz。

安全閥規(guī)格選型時(shí)與混氣母管相匹配，壓力保護(hù)值根據(jù)用戶需求來(lái)進(jìn)行整定。電動(dòng)蝶閥和手動(dòng)蝶閥規(guī)格選型時(shí)與混氣母管相匹配，電動(dòng)蝶閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇開(kāi)關(guān)量控制，反饋信號(hào)為行程開(kāi)關(guān)，電源為AC380 V、50 Hz。

壓力表選型時(shí)，考慮是室外安裝，選擇不銹鋼膜盒壓力表，型號(hào)為YF-100，0～60 kPa。壓力變送器選型為0～60 kPa 的電容式壓力變送器，二線制，電源為24VDC。瓦斯體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)儀選型為英國(guó)愛(ài)丁堡生產(chǎn)的型號(hào)為97460 的Guardian NG，電源為AC220 V、50 Hz。流量計(jì)選型為上?？暇S斯生產(chǎn)的KV 錐形流量計(jì)，型號(hào)為KVW28ⅠⅠKG23FWN，差壓變送器選型為羅斯蒙特生產(chǎn)的3051 系列0～60 kPa 的電容式差壓變送器，帶HART 協(xié)議，可以連通手操器。

PLC 設(shè)備選型為西門(mén)子S7-200 設(shè)備，主要有型號(hào)為CPU214 CN 的CPU 模塊、型號(hào)為EM231 的8 通道模擬量輸入模塊、型號(hào)為EM232 的2 通道模塊量輸出模塊和型號(hào)為CP243-1 的以太網(wǎng)通訊模塊。

2.2 硬件安裝

煤層氣高、低濃管道通過(guò)焊接與煤層氣母管連接在一起，若規(guī)格不一致，則需要變徑。將低濃氣調(diào)節(jié)閥安裝于低體積分?jǐn)?shù)的煤層氣管道上，執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)電纜與PLC 柜相連接，具體為：在PLC 控制柜內(nèi)安裝一個(gè)3P 16 A 的空氣開(kāi)關(guān)，定義為FS1，作為低濃氣調(diào)節(jié)閥電源開(kāi)關(guān)，用KRVVP 4×2.5 mm2的電纜將FS1開(kāi)關(guān)與低濃氣調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)電源相連接。然后用KRVVP 4×1.5 mm2的電纜將PLC 的AO1、AⅠ1 接口分別與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模擬量輸入接口和信號(hào)反饋接口相連接，連接時(shí)注意正負(fù)極。

將高濃氣調(diào)節(jié)閥安裝于高體積分?jǐn)?shù)的煤層氣管道上，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)電纜與PLC 柜相連接。具體為：在PLC 控制柜內(nèi)安裝一個(gè)3P 16 A 的空氣開(kāi)關(guān)，定義為FS2，作為高濃氣調(diào)節(jié)閥電源開(kāi)關(guān)，用KRVVP 4×2.5 mm2的電纜將FS2 開(kāi)關(guān)與高濃氣調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)電源相連接。然后用KRVVP 4×1.5 mm2的電纜將PLC的AO2、AⅠ2 接口分別與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模擬量輸入接口和信號(hào)反饋接口相連接，連接時(shí)注意正負(fù)極。

將安全閥、手動(dòng)蝶閥和電動(dòng)蝶閥安裝于混氣母管上，中間用相匹配的法蘭進(jìn)行連接。閥門(mén)安裝好后，將電動(dòng)蝶閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)用電纜與PLC 控制柜相連接。具體為：在PLC 控制柜內(nèi)安裝一個(gè)3P 16 A 的空氣開(kāi)關(guān)，定義為FS3，作為電動(dòng)蝶閥的電源開(kāi)關(guān)，用KRVVP 4×2.5 mm2的電纜將執(zhí)行機(jī)構(gòu)電源與PLC 柜內(nèi)熱繼電器FR 的出口相連接。電動(dòng)蝶閥主電路如圖2所示。電動(dòng)蝶閥的控制由PLC 完成，中間通過(guò)繼電器、接觸器實(shí)現(xiàn)開(kāi)閥、關(guān)閥操作。

圖2 電動(dòng)蝶閥主電路圖

將瓦斯體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)儀安裝于室外，需安裝一面不銹鋼材質(zhì)的儀表保溫箱，將它安裝于混氣母管旁。然后將瓦斯體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)儀安裝于儀表保溫箱內(nèi)，在混氣母管上開(kāi)一個(gè)直徑為16 mm 的孔，安裝一個(gè)針型閥，用8×5 mm 的塑料軟管將瓦斯體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)儀的進(jìn)口與針型閥相連接。在PLC 控制柜內(nèi)安裝一個(gè)2P 6 A 的空氣開(kāi)關(guān)，定義為FS4，作為瓦斯體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)儀的電源，用KRVVP 2×1.5 mm2的電纜將FS4開(kāi)關(guān)與瓦斯體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)儀的電源接口連接起來(lái)，為瓦斯體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)儀提供交流電源。再用電纜將瓦斯體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)儀的模擬量輸出口與PLC 柜的AⅠ3 接口相連接，連接時(shí)注意正負(fù)極不能接反。

將壓力表安裝于混氣母管上，在混氣母管上開(kāi)一個(gè)直徑為16 mm 的孔，安裝一個(gè)針型閥，再安裝一個(gè)壓力表緩沖管，將壓力表安裝于緩沖管接口上。壓力變送器的安裝與壓力表類似，直接將壓力變送器安裝于針型閥出口上，中間用對(duì)絲連接。然后用KRVVP 1×2×1 mm2的電纜將變送器與PLC 的AⅠ4 接口相連接，連接時(shí)注意將信號(hào)的正極與RC 端短接。

將KV 錐形流量計(jì)安裝于混氣母管出口處，中間用法蘭相連接。差壓變送器安裝于流量計(jì)的H、L 接口上，中間用三通閥組相連接，注意高低壓側(cè)不能接反。差壓變送器安裝好后，用KRVVP 1×2×1 mm2的電纜將變送器與PLC 的AⅠ5 接口相連接，連接時(shí)注意將信號(hào)的正極與RC 端短接。

將PLC 設(shè)備安裝在控制室內(nèi)，將PLC 設(shè)備安裝于一面尺寸為600 mm×800 mm×2 100 mm（長(zhǎng)×寬×高）的控制柜內(nèi)。在PLC 柜內(nèi)安裝一個(gè)2P 20 A 的空氣開(kāi)關(guān)，定義為FS5，作為PLC 設(shè)備的電源，然后再安裝一個(gè)24 V 電源，為PLC 提供24 V 直流電。PC 電腦與PLC 的以太網(wǎng)通信模塊用超五類雙絞線連接起來(lái)，與PLC 設(shè)備通信。

2.3 軟件組態(tài)

軟件組態(tài)主要是對(duì)安裝好的硬件進(jìn)行配置，使它能正常工作。本系統(tǒng)要進(jìn)行軟件組態(tài)的主要有高濃氣調(diào)節(jié)閥、低濃氣調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)蝶閥、瓦斯體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)儀、壓力變送器和差壓變送器。

高濃氣調(diào)節(jié)閥、低濃氣調(diào)節(jié)閥控制信號(hào)分別由PLC 的EM232 模塊的AO2、AO1 通道提供，將AO2、AO1 通道配置為4～20 mA 的電流信號(hào)。閥位反饋信號(hào)均為4～20 mA 的電流信號(hào)，將PLC 的EM231 模塊的AⅠ2、AⅠ1 通道配置為4～20 mA 的電流信號(hào)。電動(dòng)蝶閥的控制為開(kāi)關(guān)量控制，在CPU214 CN 中將Q0.0、Q0.1 分別配置為電動(dòng)蝶閥的開(kāi)、關(guān)指令信號(hào)，電動(dòng)蝶閥的開(kāi)到位和關(guān)到位反饋信號(hào)也為開(kāi)關(guān)量信號(hào)，在CPU214 CN 中將Ⅰ0.0、Ⅰ0.1 分別配置為電動(dòng)蝶閥的開(kāi)到位和關(guān)到位反饋信號(hào)。瓦斯體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)儀、壓力變送器和差壓變送器的信號(hào)類型均為4～20 mA 電流信號(hào)，在PLC 的EM231 模塊中將AⅠ3、AⅠ4 和AⅠ5 通道配置為4～20 mA 的電流信號(hào)即可。

2.4 控制邏輯

低濃氣調(diào)節(jié)閥、高濃氣調(diào)節(jié)閥自動(dòng)運(yùn)行邏輯。當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打到自動(dòng)時(shí)，低濃氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)85%，高濃氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)15%。當(dāng)混合后的瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于40%時(shí)，通過(guò)高濃氣調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)，直至混合后的瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到40%。低濃氣調(diào)節(jié)閥初始開(kāi)度為85%，并且在自動(dòng)狀態(tài)下，此變量在畫(huà)面中做成可以由運(yùn)行人員設(shè)定的。總體思路是將低體積分?jǐn)?shù)調(diào)節(jié)閥設(shè)定到一個(gè)開(kāi)度，通過(guò)調(diào)節(jié)高濃氣調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度來(lái)使混合后的瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到40%。當(dāng)退出自動(dòng)時(shí)，也可以手動(dòng)控制2 個(gè)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度。

電動(dòng)蝶閥動(dòng)作邏輯：當(dāng)混氣母壓力高于15 kPa 時(shí)，電動(dòng)蝶閥自動(dòng)打開(kāi)，當(dāng)壓力低于10 kPa 時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。壓力高于15 kPa，此壓力值在實(shí)際使用中不一定合適，因此，此壓力在程序中可以由運(yùn)行人員給定，即在畫(huà)面中可以修改此壓力給定值。當(dāng)退出自動(dòng)時(shí)，也可以手動(dòng)控制開(kāi)閥、關(guān)閥。

2.5 混配控制程序

煤層氣混配控制主要采用自動(dòng)控制，當(dāng)系統(tǒng)為自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)PⅠD[2]算法來(lái)控制混配過(guò)程。主要思路為：當(dāng)響應(yīng)曲線振蕩頻繁、系統(tǒng)穩(wěn)定度不夠時(shí)，需加大比例度；當(dāng)系統(tǒng)偏差大，并且趨于非周期過(guò)程，需減小比例度。當(dāng)曲線波動(dòng)大，需增加積分時(shí)間以消除余差；當(dāng)曲線振蕩頻繁、穩(wěn)定度低且曲線偏離給定值后長(zhǎng)時(shí)間不回來(lái)，需減少積分時(shí)間。當(dāng)曲線最大偏差大且衰減慢，需增加微分時(shí)間；當(dāng)曲線振蕩頻繁，可以適當(dāng)減少微分時(shí)間。

簡(jiǎn)單說(shuō)，就是先調(diào)比例參數(shù)，缺省值是-1。比例參數(shù)主要調(diào)PⅠD 的反應(yīng)速度，積分參數(shù)主要調(diào)PⅠD 的振蕩幅度。本系統(tǒng)采用2 個(gè)PⅠD 來(lái)調(diào)節(jié)，PⅠD0 中的積分參數(shù)設(shè)定是5，主要通過(guò)調(diào)節(jié)高濃氣調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度大小來(lái)調(diào)整混合后的瓦斯氣體的體積分?jǐn)?shù)；PⅠD1 中的積分參數(shù)設(shè)定是10，主要是通過(guò)調(diào)節(jié)低濃氣調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度大小來(lái)調(diào)整混合后的氣體的壓力，微分參數(shù)本系統(tǒng)設(shè)置為0。

3 結(jié)束語(yǔ)

煤層氣混配控制系統(tǒng)采用西門(mén)子PLC，通過(guò)2 個(gè)PⅠD 子程序分別來(lái)控制高濃氣調(diào)節(jié)閥和低濃氣調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，從而來(lái)控制混配過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體體積分?jǐn)?shù)及壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)。說(shuō)明采用PLC 來(lái)控制煤層氣混配過(guò)程，能有效控制混合后氣體的體積分?jǐn)?shù)和壓力，減少混配過(guò)程中的壓力損失和波動(dòng)。