PLC在移動式膜法提純沼氣生產生物天然氣工程中的應用

張松林+劉鐵生+田海軍+李葉青+張云龍+周紅軍

摘要：指出了隨著當代自動、智能化的發展，自動化控制技術已廣泛應用于各個行業。其中，在移動式膜法提純沼氣生產生物天然氣工程中的應用將成新的亮點。分析了傳統的沼氣提純工藝的不足，而用PLC控制生產裝置，能大幅提高生產及安全生產效率。同時對比了移動式膜法提純沼氣生產生物天然氣工程裝置的優勢：采用模塊化、智能化設計，具有易安裝、易操作、易監控的特點，提純裝置控制系統可以在各種檢測傳感器的配合下對沼氣提純生產過程進行實時監測，并依據所檢測數據對各工藝設備進行控制；系統通過PROFIBUS現場總線實現PLC與自動控制系統設備及各模塊單元通訊，采用MPI、Modous RTU協議實現PLC與上位機系統之間的通訊。

關鍵詞：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示范裝置，并且已成功開發出不同處理量、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設計、工藝包開發、裝置加工集成及自動化控制領域等的全方位服務。

項目運用西門子S7-300系列PLC，結合膜法提純沼氣工藝特點，開發出移動式膜法提純沼氣生產生物天然氣工業裝置監控系統，此系統可以對裝置生產現場進行上位機監測，對整個工藝及生產過程中壓力、溫度、流量及生產現場危險氣體泄露安全濃度進行實時監測，自動采集信息形成數據庫，且具有安全、消防等系列危險預警功能；同時，通過上位機控制下位機，調節現場閥門、開關等可實現溫度、壓力的閉環控制，保證工藝裝置安全、平穩生產運行。

2 移動式膜法提純沼氣生產生物天然氣工藝及裝置概況

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

該項目開發移動式膜法提純沼氣生產生物天然氣工藝及工業示范裝置，旨在實現一套提純設備能為不同氣源、不同產氣量服務的功能，節能降耗，提高設備及資源利用率。膜法沼氣凈化提純工藝主要由沼氣脫硫系統、沼氣壓縮系統、膜前預處理系統、膜分離系統等模塊組成，其工藝流程如圖1所示。

工作原理是原料氣脫硫后，通過壓縮系統增壓，達到適合膜組件工作的工作壓力，經過膜前預處理系統除去氣體中氧、硫、水、油、固體顆粒物等雜質后，進入膜分離系統進行CH4和CO2分離，使產品氣CH4含量≥95%，即滿足CNG標準或管網天然氣標準。

該裝置生產運行工藝參數與雜質含量要求見表1，各設備組件都集成在標準集裝箱內，這樣既節省了空間也便于運輸，操作調試靈活及穩定性也更高，這是其他沼氣提純工藝所不能比擬的優點（圖2）。

3 移動式膜法提純沼氣生產生物天然氣裝置PLC控制系統開發

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

（1）該項目用于生產生物天然氣，屬于易燃易爆、高壓生產裝置，安全生產要求極高，因而確定該裝置PLC控制系統按照石化行業標準進行設計施工。

（2）根據該工藝裝置運行特點及監控需求，系統地分析、整理出工藝過程中影響產品氣質量的因素，統計、分類監控現場的數據量、模擬量信號，運用S7-300PLC，設計相應的控制路線，集成PLC控制系統控制柜。

（3）根據計算機監控系統應滿足的各項功能要求，使用Wincc組態軟件，設計上位機監控系統，實現數據采集、顯示、報警、記錄、形成數據庫等功能。

3.1 硬件設計

該項目控制系統采用上位機控制下位機的模式，上下位機之間的通訊采用專用的隔離電纜。其中下位機PLC主要進行硬件開關量I/O的控制和模擬信號的采集與調節，上位機進行工藝過程中工藝數據在線監測、參數修改與設定、危險報警顯示、數據信息存儲與查詢等工作。控制系統整體框圖如圖3所示。

3.1.1 上位機硬件配置

上位機選用操作站，Intel 四核CPU，主頻不小于3 GHz，12 MB三級高速緩存，4 GB內存，500 GB硬盤，2個以太網口，獨立顯卡，windows 7操作系統下采

用SIMATIC WinCCV7.3 作為監控軟件。配置工業交換機，通過交換機進行上、下位機數據通訊傳輸，可實現移動終端數據傳輸及遠程診斷服務。上位機配備打印機及鍵盤等硬件設施，進行數據錄入及輸出[1]。

3.1.2 下位機硬件配置

下位機控制系統選用了SIEMENS的S7-300系列可編程控制器進行設計，選用S7-200PLC實現系統與其他成套設備通訊，以完成整個工藝控制系統的連續模擬量控制與離散數字量控制的要求，保證系統穩定、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，由拓展機架、I/O模塊、接口模塊、電源模塊、S7-200PLC等構成控制系統硬件骨架[2]，該機集成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數字量I/O點，連接8個擴展I/O模塊。SM321為模擬量輸入模塊，接受系統從現場搜集的溫度、壓力、流量、氣體組成、pH值等數據并發送給CPU，通過與系統值進行比較發出指令；SM332為模擬量輸出模塊，通過CPU的輸出指令調節現場各氣動/電磁調節閥閥門位置，從而達到監控現場設備運行狀態的功能[7]。下位機I/O模塊配置圖如圖4所示。

控制系統的I/O模塊通道數按照設計需求數量并加以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。

由于應用場合要求本質安全，控制系統為每個AI、AO信號點都配有相應型號的安全柵，使系統與現場予以安全隔離。DO卡件可以完成電氣設備開關控制，DI卡件可以監測電氣設備的狀態信息。

3.2 軟件設計

軟件平臺采用Windows7操作系統，選用西門子下位機編程軟件STEP7以及上位機開發軟件Wincc進行控制系統軟件設計。

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標準中8種編程語言中的6種（STL，LAD，FBD，CFC，SFC和SCL）進行編程。CFC、SFC和SCL作為主要的組態工具，用于完成傳統DCS中連續過程控制任務的組態。如果在一個項目中，有很多離散過程如聯鎖控制等，則可采用STEP7中其它幾種編程語言，很方便地進行編程。這是對傳統DCS系統處理離散控制任務能力不強的一個補充。該系統采用LAD梯形圖編程語言進行下位機系統編程[3]。

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

3.2.2 上位機畫面設計

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

3.2.3 數據庫建立

數據庫是整個監控軟件的核心，創建數據庫點并進行數據庫點與PLC設備的數據連接，實時數據庫系實時數據庫將組態數統由管理器和運行系統組成，實時數據庫將組態數據、實時數據、歷史數據等以一定的組織形式存儲在介質上。

該系統中各檢測點的溫度、壓力、流量、閥門開度等都需要保存在數據庫中。在建立數據庫時，首先按照點類型（模擬點、數字點、累計點、控制點或運算點）創建新點，對其參數進行設置，包括基本參數和報警參數，并且進行量程轉換，然后把已創建的點和點參數與現場的I/O設備檢測到的某一具體數據項建立映射關系，當這一關系建立以后，數據庫中的點和點參數才與來自I/O設備的數據源建立連接[8～10]。

3.2.4 配置I/O設備

西門子WinCC組態軟件通過I/O驅動程序從I/O設備獲得實時數據，對數據進行必要處理后，一方面實時數據以數字方式直觀顯示在計算機屏幕上，另一方面按照組態要求和操作人員的指令將控制數據送給I/O設備，對執行機構實施控制或調整控制參數[5]。該系統采用PLCI/O驅動程序的設置，設備地址與PLC中設置的MPI地址一一對應，即可完成了I/O設備驅動連接。

3.3 系統通訊

系統通訊是通過PROFIBUS現場總線來實現的。此控制系統運用MPI通訊協議實現上位機與下位機及S7-300PLC與其他成套設備中的S7-200PLC之間的通訊，由此增強了系統的擴展能力[6]；運用Modbus通訊協議把在線分析儀、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信息集中送入AI模塊，再通過CPU進行數據分析處理，發出控制動作信號，實現監測及控制設備，從而實現整個通訊系統控制功能。

此外，系統通過二次開發升級，將借助移動通訊網絡進行聯網和數據傳輸，通過開發網頁及移動客戶端APP，以網頁及APP登錄或者信息收發的形式，實現對操作現場的遠程監控。

4 移動式膜法提純沼氣生產生物天然氣裝置PLC監控系統功能

WinCC組態軟件通過I/O驅動程序從現場I/O設備獲得實時數據，接收的數據一方面以圖形的方式直觀地顯示在計算機屏幕上，另一方面按照組態要求和操作人員的指令將控制數據送給I/O設備，對執行機構實施控制或調整控制參數，對要求存儲的采集量存儲歷史數據，對歷史數據檢索請示給予響應。當有異常情況發生時，系統會發出報警來提示工作人員進行相應的措施。由WinCC組態軟件結合西門子S7-300設備，可以在WinCC組態界面下完成以下幾方面的任務。

（1）參數設定和通信功能。包括控制參數設定、間接參數計算及離線參數輸入等的設定，實現上位機與下位機之間數據傳輸的通訊功能。

（2）實時運行參數監測及顯示。組態軟件實時采集生產過程中設備運行狀態及參數，采用圖形、報表的形式顯示系統的實時運行情況。當前管道壓力值、溫度值、膜內壓力值、流量值等動態的顯示在WinCC組態界面上，便于監控生產，查看生產現場的實時數據和流程畫面，實現了生產過程的實時管理和系統的可視化，為優化工藝控制提供理論支撐。

（3）監督報警功能。當實際測量值超出其用戶設定的限值范圍時，自動給出報警信息。

（4）實時過程控制。設置好系統的各個參數，系統自動完成過程控制，或由操作員根據實際環境的情況來加以控制。在保證系統的控制自動化的同時，應保留手動控制以備用及進行調試該控制系統。

（5）查詢、打印任意時間段的歷史數據。WinCC組態軟件將實時監測數據存儲于實時數據數據庫中，結合圖形界面提供瀏覽各個歷史曲線顯示功能，并生成歷史生產報表可隨時打印。

5 結語

鑒于移動式膜法提純沼氣生產生物天然氣工業裝置特點及石化領域行業標準，運用西門子S7-300PLC，設計移動式膜法提純沼氣生產生物天然氣裝置PLC控制系統，操控穩定、運行效果安全、適應性強。另外還很好地實現了監控整個工藝生產現場運行狀況，進行數據采集及傳輸，實現故障報警的功能，為工藝裝置的運行提供完善的數據支撐和系統保障，達到了設計預期。

參考文獻：

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[10]陶永華.新型PID控制及其應用[M].北京：機械工業出版社，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