李勇（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶400039）

基于PLC的低濃度瓦斯預(yù)摻混輸送監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李勇
（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶400039）

摘要：提出了一種基于PLC的低濃度瓦斯預(yù)摻混輸送監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，根據(jù)預(yù)摻混輸送系統(tǒng)的工藝要求，介紹了監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、上位機(jī)組態(tài)軟件的實(shí)現(xiàn)。在保障低濃度瓦斯安全輸送的同時(shí)，采用PID算法自動(dòng)調(diào)節(jié)摻混風(fēng)量，使低濃瓦斯氣體在安全輸送的同時(shí)通過摻混滿足蓄熱式熱氧化爐(RTO)的供氣要求，該監(jiān)控系統(tǒng)在山西潞安五陽(yáng)煤礦應(yīng)用安全可靠，且摻混效果達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：PLC；瓦斯摻混；自動(dòng)控制；PID；變頻器

0引言

煤礦瓦斯抽放泵站排出的低濃度瓦斯主要成份為甲烷，是礦井生產(chǎn)中的副產(chǎn)品，也是一種清潔能源，但目前低濃瓦斯利用途徑較少，大部分直接排入大氣中，其溫室氣體效應(yīng)比二氧化碳高21倍。

如果通過再生蓄熱式熱氧化爐（RTO）內(nèi)部的高溫環(huán)境氧化瓦斯泵站排放的低濃度甲烷，使之轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，產(chǎn)生高溫?zé)煔猓邷責(zé)煔猱a(chǎn)生的蒸汽再推動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電，將通風(fēng)瓦斯和瓦斯泵站排放的低濃度瓦斯變廢為寶，既節(jié)約了能源，又實(shí)現(xiàn)了低熱值燃料資源的綜合利用，同時(shí)在利用過程中不會(huì)形成二次污染，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

要將瓦斯抽放站排放的低濃度瓦斯送入RTO中進(jìn)行氧化，需要將低濃度瓦斯氣體進(jìn)行輸送和摻混，以滿足RTO的供氣要求，然而抽放泵站排出的低濃度瓦斯其濃度值一般為5%～15%，恰好在瓦斯爆炸極限范圍內(nèi)，使得氣體輸送及摻混變得復(fù)雜和危險(xiǎn)。所以為其建立一套在線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)保障低濃度瓦斯摻混輸送安全是非常必要的。

1監(jiān)控系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由管理層、控制層、設(shè)備層三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成。管理層主要負(fù)責(zé)管理整個(gè)瓦斯摻混系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、設(shè)備控制、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、動(dòng)態(tài)顯示、查詢打印、網(wǎng)絡(luò)通訊等任務(wù)，主要由計(jì)算機(jī)、交換機(jī)和打印機(jī)等設(shè)備組成。控制層主要負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)各類傳感器數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、處理、顯示，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)超限報(bào)警及自動(dòng)開關(guān)電動(dòng)閥、氣動(dòng)閥等設(shè)備控制操作，并將整理的數(shù)據(jù)上傳至管理層，接受管理層下發(fā)的控制命令，由觸摸屏和PLC組成。設(shè)備層主要負(fù)責(zé)采集摻混系統(tǒng)中的各種現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)的物理量變換為可以檢測(cè)的電信號(hào)，供控制層進(jìn)行采集，由電控止回閥、氣動(dòng)閥、變頻器、電動(dòng)閥、流量傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、壓力傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯冉M成。

2監(jiān)控系統(tǒng)功能

系統(tǒng)是為了保障摻混系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定、安全運(yùn)行而設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要有參數(shù)監(jiān)測(cè)、參數(shù)超限報(bào)警、自動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)等功能。

2.1參數(shù)監(jiān)測(cè)功能

系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)管道中氣體流量、溫度、壓力、火焰，電動(dòng)閥到位狀態(tài)及開度，氣動(dòng)閥狀態(tài)，變頻器電壓、電流、功率、給定頻率、運(yùn)行頻率等參數(shù)，當(dāng)參數(shù)超限時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警。

流量檢測(cè)采用基于皮托管原理的威力巴流量計(jì)，同時(shí)可測(cè)量氣體溫度、壓力、流量等多個(gè)參數(shù)，通過RS485總線與PLC進(jìn)行通訊。

氣體濃度檢測(cè)采用國(guó)際最新的“非色散紅外”（NDIR）氣體檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)0%CH4～100%CH4范圍內(nèi)瓦斯氣體的準(zhǔn)確連續(xù)監(jiān)測(cè)和顯示。

2.2控制功能

摻混監(jiān)控系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)集中控制和遠(yuǎn)程控制，現(xiàn)場(chǎng)集控采用西門子的觸摸屏TP700作為人機(jī)交互界面，通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)與S7-300系列PLC進(jìn)行通訊，遠(yuǎn)程控制采用西門子的Wincc組態(tài)軟件。

PLC根據(jù)采集到的壓力、濃度、火焰等傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)過PLC的運(yùn)算和處理，自動(dòng)打開或關(guān)閉電動(dòng)閥、氣動(dòng)閥、電控止回閥、電動(dòng)阻爆閥門等設(shè)備。

系統(tǒng)在摻混濃度調(diào)節(jié)上采用PID算法，其濃度PID控制框圖如圖1所示，根據(jù)摻混后瓦斯?jié)舛炔蓸臃答?，通過PID調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器，從而改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量，使空氣與低濃度瓦斯氣體在摻混器中進(jìn)行摻混，始終保證氣體濃度始終保持在蓄熱式熱氧化爐的要求范圍內(nèi)。

圖1濃度PID控制框圖

3上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)

上位監(jiān)控軟件采用組態(tài)軟件，系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議與西門子S7-300系列PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。組態(tài)界面采用二次開發(fā)，修改和維護(hù)方便，在線動(dòng)態(tài)顯示工藝流程、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)。

監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用B/S模式，操作員在調(diào)度室或操作站局域網(wǎng)內(nèi)可在線瀏覽和訪問系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，減少了操作人員現(xiàn)場(chǎng)巡檢次數(shù)，提高了工作效率。

4結(jié)論

低濃度瓦斯摻混輸送監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用，充分保證了數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性、傳輸?shù)目煽啃院涂刂频膶?shí)時(shí)性，摻混后的氣體滿足了蓄熱式熱氧化爐的供氣要求，保障了摻混系統(tǒng)安全、可靠、高效的運(yùn)行。在低濃度瓦斯輸送和摻混系統(tǒng)中具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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基金項(xiàng)目：中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司課題項(xiàng)目：煤礦管道氣體流量處理裝備及工藝研究（CQ1508）。

作者簡(jiǎn)介：李勇(1982-)，男，重慶人，助理工程師，主要從事:煤礦瓦斯抽放監(jiān)控系統(tǒng)、系統(tǒng)集成、自動(dòng)控制、流量計(jì)量等研究。