基于PLC的煤炭地下氣化過程測控系統①

劉兆峰, 杜旭明, 王作棠, 王亞冬, 路峰迎, 李廣鵬

1(山東建筑大學 信息與電氣工程學院, 濟南 250101)

2(中國礦業大學, 徐州 221008)

3(山東商業職業技術學院, 濟南 250101)

引言

我國具有豐富的煤炭資源, 多年以來我國經濟與社會的發展所需要的能源主要來自于煤炭資源[1]. 但是, 隨著我國發展越來越迅速, 對煤炭的直接燃燒所產生的問題逐漸暴露出來. 燃燒效率低下、環境污染大等問題使對改變能源來源的需求變的刻不容緩, 尤其在國內各大城市紛紛禁止燃煤的政策下, 使清潔能源的發展更加迅速[2]. 但是在國內, 如何將傳統的煤炭資源變為清潔能源的研究較少, 相較而言國外在此方面有較多的研究. 煤炭地下氣化(Underground Coal Gasification, UCG)將煤炭在地下燃燒并經過一系列氧化還原反應后直接輸送到地面, 使煤炭資源的使用更為高效、清潔, 延長礦井的服務年限, 提高生產安全性,具有良好的發展前景.

由于煤炭地下氣化系統中需監測的點位較多且分布范圍廣, 環境較為惡劣, 因此測控系統的設計尤為重要. 在國內, 對于煤炭地下氣化測控系統的研究較少,且現有的測控系統難以適應多粉塵、強干擾、潮濕、多數據、高實時的復雜作業環境. 西門子S7-300系列的PLC可靠性高、適應范圍廣、具有良好的通信功能、結構模塊化[3], 能在各種復雜環境中穩定運行, 很適合在煤炭地下氣化系統中使用. 與貴州盤江精煤股份有限公司山腳樹礦煤層氣地下氣化關鍵技術及產業化示范研究相結合, 設計了基于西門子S7-300系列PLC的煤炭地下氣化實時測控系統.

1 總體方案設計

1.1 地下氣化的工藝流程

煤炭地下氣化的工藝流程如圖1所示. 其中, 空氣來自于兩臺由變頻器控制的羅茨風機, 通過注氣管道經過注氣孔注入地下料塔;氧氣來自于制氧車間, 通過注氣管道經過注氣孔注入地下料塔;水蒸氣來自于洗煤廠, 通過蒸汽管道經過蒸汽孔注入地下料塔. 在地下料塔中將氧氣、空氣、水蒸氣混合后送入點火巷, 并且使用點火器點燃點火巷中的煤層, 所產生的粗煤氣(主要包含氫氣、甲烷、氧氣、一氧化碳、二氧化碳,含有少量焦油等其他雜質)通過粗煤氣管道送至地面,經過地上排氣孔之后使用循環水進行冷卻, 冷卻后的氣體送入粗煤氣罐. 將粗煤氣罐中的粗煤氣進行除焦油、干燥、脫硫等操作后凈化為干凈的煤氣, 將煤氣取一小部分送入煤氣組分分析裝置中, 剩余煤氣在有其他用戶購買之前考慮火炬放空.

圖1 地下氣化工藝流程圖

1.2 監測需求分析

地下氣化實時監測系統應具有過程控制(連續控制和離散控制)、操作、顯示記錄、報警、制表打印、信息管理、與上位機通訊、系統組態以及自診斷、WEB發布等基本功能. 在不同的工況下根據煤氣的組分自動分析并提示操作人員改變送風量、注氣含氧量及注蒸汽量等特殊功能.

具體包括以下參數:

(1) 模擬量輸入:51路K型熱電偶溫度信號(4～20 mA電流信號), 7路PT100型熱電阻溫度信號(4～20 mA信號), 2路GJC4型礦用甲烷濃度檢測儀氣體濃度信號(4～20 mA電流信號), 2路QT22-GTH礦用一氧化碳濃度檢測儀氣體濃度信號(4～20 mA電流信號),3路GUY5型液位傳感器液位信號(4～20 mA電流信號), 5路3051DP型智能微差壓變送器(4～20 mA電流信號), 9路標準型孔板流量計流量信號(4～20 mA電流信號), 5路氣體分析儀氣體組分信號(4～20 mA電流信號), 2路變頻器反饋頻率信號(4～20 mA電流信號).

(2) 模擬量輸出:2路模擬量輸出信號(4～20 mA電流信號), 用于控制變頻器的輸出頻率, 從而改變羅茨風機的轉速.

(3) 數字量輸入:19路24VDC, 用于監測點火器與氣動閥門的狀態.

(4) 數字量輸出:19路24VDC, 用于控制點火器與氣動閥門的開關.

(5) 上位機動態畫面監視, 具有點火器控制、氣動閥門控制、手動與自動控制切換、顯示記錄、報警、制表打印、信息管理等功能.

(6) 廠區及礦井內關鍵地點有視頻實時監控.

1.3 總體方案與硬件設計

通過對監測需求的分析, 測控系統用三層拓撲結構構成:設備層、控制層、監控層.

設備層包括51個K型熱電偶, 測量范圍為0～1100 ℃;7 個 PT100 熱電阻, 測量范圍為–200～650 ℃;2個甲烷濃度檢測儀, 測量范圍為0%～4%;2個一氧化碳分析儀, 測量范圍為0%～4%;3個GUY5型液位傳感器, 測量范圍0～5米;5個壓力變送器, 測量范圍0～1 MPa;一臺氣體分析儀, 共輸出5路氣體組分信號, 分別為氧氣濃度(0%～25%)、二氧化碳濃度(0%～50%)、氫氣濃度(0%～60%)、一氧化碳濃度(0%～50%)、甲烷濃度(0%～10%);9個孔板流量計(帶變送器), 測量范圍0～5000 m3/h;2臺西門子MM430變頻器(控制羅茨風機的輸出功率);18個網絡高清攝像頭. 以上模擬量所用傳輸信號均為4～20 mA, 均使用帶屏蔽層的雙絞線連接, 可以有效減少不必要的干擾, 保證信號傳輸準確[4,5].網絡高清攝像頭使用工業以太網和光纖將畫面實時傳輸至監控系統.

控制層包括兩個西門子S7-300系列PLC站,CPU均為CPU314C-PN/DP, 一個站位于地面作為主站, 另一個站位于井下作為從站, 由于兩個站距離較遠故采用工業以太網和光纖進行通訊. 兩個站將所采集的數據實時上傳至上位機, 同時兩個站可以根據所采集的數據對變頻器的輸出頻率進行自動控制, 實現系統的自動運行. 在手動控制變頻器狀態下, 兩個PLC站均可單獨實現對變頻器的控制, 主站通過模擬量輸出信號設置變頻器頻率, 從站通過工業以太網和PROFIBUS總線實現對變頻器的控制, 這樣可以構成雙CPU軟冗余系統[6], 保證當其中一個PLC站出現故障時可保障點火巷的穩定送風.

監控層配備兩臺工控機, 其中一臺留作備用, 構成雙機冗余系統, 實現對數據實時監控顯示、視頻畫面實時監控顯示、歷史數據存儲、故障診斷等工作.

1.4 雙機冗余系統設計

在操作員站中, 配備兩臺工控機, 其中一臺為默認主機, 另一臺為冗余主機. 兩臺主機具有相同的功能和權限, 并且可以相互無關聯的獨立工作. 在熱備冗余模式下, 兩臺主機之間相互監控, 各自擁有獨立的數據庫,PLC主站與從站的數據同時發送到兩臺主機中, 兩臺主機獨自對數據進行相應處理. 當其中一臺主機出現故障時, 另外一臺主機仍可以進行全部的工作, 并執行報警, 從而確保數據的完整性. 當出現故障的主機恢復正常后, 未出現故障的主機將自動把所有的數據傳輸至故障主機上, 將故障主機的空白數據補充完整, 至此系統恢復至正常工作狀態[7].

2 軟件設計

2.1 PLC程序設計

西門子S7-300系列PLC使用STEP7 V5.5的編程環境, 采用模塊化的編程思想, 將不同功能的程序段分別存放在不同的FC塊中, 提升程序的可讀性.

主站程序結構主要包括主循環程序OB1, 模擬量輸入功能塊FC1, 變頻器控制塊OB35和0B100, 數字量輸出功能塊FC2, 與從站通訊功能塊FC3, 模擬量輸出功能塊FC4, 主站模擬量數據存放數據塊DB1, 從站模擬量數據存放數據塊DB2, 各個需采集的工程量上限、下限、極性存放在數據塊DB3. 其中, 由于需要采集的模擬量數量較多, 故在FC1塊中使用STL語言編寫, 使用循環指令實現讀取AI地址時的自動輸入地址的操作. 在STEP7中, 4～20 mA的電流信號對應的數字為0～27648, 轉換為工程量的公式為

式中:

OUT:采集到的實際工程量.

IN:輸入4～20 mA信號對應數字值.

HI_LIM:工程量的上限.

LO_LIM:工程量的下限.

單極性時

K1=0.0

K2=+27648.0雙極性時

相比多次調用FC105模塊的傳統方式, 使用循環語句極大的減少了程序段的長度. 在其他模塊中, 為了簡便均采用梯形圖作為編程語言. OB100中設置PID的初始化參數, OB35中根據從站采集的點火巷溫度、主站采集的送風管道流量實現對變頻器輸出頻率的雙閉環PID控制, 以使得羅茨風機工作在合理的功率[8]. 點火巷溫度低、送風管道流量小時, 提高變頻器輸出頻率;點火巷溫度過高、送風管道流量過大時適當降低變頻器輸出頻率. 同時通過主站采集的送風管道壓力來控制變頻器的輸出頻率, 當送風管道壓力過高時, 逐步減小變頻器輸出頻率, 適當減少送風量以減少管道壓力;若送風管道壓力過低, 則應排查管道是否有漏風. 由送風管道壓力來控制的變頻器輸出頻率優先級高于由PID控制的變頻器輸出頻率優先級, 這樣可以實現對管道以及羅茨風機的保護, 防止出現意外.FC2中控制變頻器的啟動和停止以及手動控制與自動控制之間的切換. FC3中實現與從站的數據傳輸功能,獲得點火巷的溫度值用于對變頻器輸出頻率的PID控制.

相比PID控制, 模糊PID具有調節迅速的優點, 所以在FC4中控制輸氧管道和蒸汽管道的閥門開度時選用模糊PID控制, 實現對送風管道中氧氣濃度和水蒸氣含量的控制, 反饋信號為注氣管道中對氧氣濃度和水蒸氣含量的檢測信號[9].

從站程序結構主要包括主循環程序OB1, 模擬量輸入功能塊FC1, 變頻器控制塊OB35和0B100, 數字量輸出功能塊FC2, 與從站通訊功能塊FC3, 主站模擬量數據存放數據塊DB1, 從站模擬量數據存放數據塊DB2, 各個需采集的工程量上限、下限、極性存放在數據塊DB3. 其中, FC1與主站程序及原理相同, 在此不再贅述. FC2中實現對點火器和氣動閥門的開關控制. FC3中實現與主站及變頻器的通訊功能.

2.2 上位機監控設計

根據設計需求, 上位機應實現對數據的實時顯示、報警、制表打印、信息管理功能, 以及對變頻器、點火器、氣動閥門的控制等功能. 由北京亞控科技發展有限公司開發的組態王軟件可以滿足項目需求,故使用組態王實現上位機監控.

組態王可以通過工控機的以太網接口通過工業以太網實現與PLC的物理層連接, 利用OPC技術實現與兩個PLC站的通訊. OPC技術以COM技術為基礎, 具有強抗干擾能力, 傳輸速率高, 傳輸距離遠, 便于系統的組態與數據傳輸[10]. 煤炭地下氣化上位機監控系統包含自保護功能、用戶管理功能、與下位機通信功能、實時顯示攝像頭拍攝畫面、數據處理顯示與處理功能、自動報警功能、數據存儲功能、連接SQL數據庫功能、數據打印功能、Web發布功能等. 將監控畫面設置為開機自啟動, 軟件啟動之后屏蔽Windows鍵、ALT+F4組合鍵及任務管理器等, 可以保障監控畫面一直在前臺運行狀態, 防止誤操作將監控系統退出.

在監控系統中的用戶管理功能中, 建立一個工程師賬戶, 擁有包括組態在內的所有權限;建立一個管理員賬戶, 擁有除修改組態之外的所有權限, 可以方便的對系統進行管理并防止對組態的誤修改, 保障系統可靠運行;建立多個操作員賬戶, 擁有查看監控數據、打印數據、查看視頻監控畫面、對變頻器的操作權限,沒有關閉系統、停止系統運行的權限;建立多個觀察員賬戶, 僅用于查看系統數據的權限, 防止對系統誤動作而造成不必要的損失.

在與下位機的通訊功能中, 經過測試發現通訊延遲低、無丟包, 通訊質量良好, 滿足系統對實時性、可靠性、穩定性的要求.

在組態王中, 通過使用外部擴展插件的形式, 插入OCX通用控件, 將網絡高清攝像頭拍攝的畫面通過以太網及OPC技術在組態王的畫面中實時顯示出來無須需使用另外的軟件, 使其融合為一個監控系統, 取消傳統視頻顯示終端電視墻和解碼設備以及矩陣, 使視頻的顯示不再需要獨立的顯示終端[11], 從而降低成本,提高工控機運行效率. 系統數據實時顯示功能將數據實時、動態的顯示在監控畫面上, 并對異常數據高亮、變色、閃爍顯示, 以引起監控人員的注意, 從而及時采取相應的措施. 上位機還可以自動存儲采集到的所有數據, 生成歷史數據曲線, 方便直觀地查看數據變化趨勢. 連接SQL數據庫功能使數據可以自動導出到數據庫, 實現對歷史數據的安全有效存儲, 并可以對數據利用數學方法自動進行分析, 使數據反映的信息更為直觀. 在對數據進行監控的同時, 可以通過操作員站配置的打印機將實時數據、歷史數據曲線、監控畫面打印出來, 方便將紙質版數據資料進行存檔保留.

系統采用了ADSL數據服務功能, 通過寬帶實現與廣域網的連接, 可以自動將數據通過Web發布的形式上傳至云端進行存儲, 防止意外故障導致本地數據丟失, 使數據存儲更為安全. 與此同時, 可以在任何地方通過對云端的訪問, 在得到系統權限的情況下實現對數據的監控, 而不是只有在操作員站通過工控機才可以獲取實時數據, 使得在某些情況下對數據的獲取更為方便、快捷.

2.3 SQL數據庫設計

測控系統采用Navicat Premium數據庫管理軟件,可以將采集的氧氣濃度、水蒸氣流量以及產出煤氣的各氣體組分濃度分別保存到數據庫, 實現對數據的快速處理. 在數據庫中使用雙因子有交互作用方差分析統計模型, 可以更加直觀的得到送風管道中不同氧氣和水蒸氣的含量對所產生煤氣氣體組分的影響, 大大提高了測控系統處理分析數據的能力. 數據庫部分采用SQL語言對數據庫進行操作.

2.3.1 數據庫建表設計框圖

表O2結構、H2O結構和GAS結構如圖2、3、4:

圖2 O2建表結構圖

圖3 H2O建表結構圖

圖4 GAS建表結構圖

2.3.2 數據處理與數學模型

因送風管道氧氣和水蒸氣含量不同, 所產生的粗煤氣氣體組分不同, 故處理數據時使用雙因子有交互作用方差分析統計模型[12]. 研究因素中有氧氣(記為A)和水蒸氣(記為B)兩個可控因素,A因素可以有a個不同的濃度水平, 記為A1,A2, …,Aa;B因素有b個流量水平, 記作B1,B2, …,Bb;A和B不同水平的組合記為AiBj, (i=1, 2, …,a;j=1, 2, …,b), 共ab個, 每個組合第k次實驗觀測值記為Xijk, 結果記錄如表1所示.μ表示所有期望值的平均值, 水平Ai和Bj對實驗結果的效應記為αi=μi·–μ和βj=μ·j–μ, 實驗誤差記為εij=Xij–μij, 則可建模為

表1 實驗結果示意表

通過檢驗以下假設是否成立可以判斷因素A,B,A×B對實驗結果的影響情況:

分析情況見表2, 其中

根據上述數學模型, 在上位機畫面中輸入送風管道中不同的氧氣濃度和水蒸氣含量的組合, 系統就可以自動的記錄并處理數據, 在對同一水平的氧氣濃度和水蒸氣含量進行三到四次測試后, 可將數據分析結果記錄在數據庫中并反饋至上位機. 當再次需要相同氣體組分的煤氣時, 輸入相應組分參數后系統可自動配置氧氣濃度和水蒸氣含量, 使產生的煤氣組分更為精確.

表2 有重復的雙因素試驗方差分析表

3 結語

現在, 清潔能源的使用越來越廣泛, 煤炭地下氣化技術的發展與推廣將會越來越迅速. 在貴州盤江精煤股份有限公司的山腳樹礦煤層氣地下氣化關鍵技術及產業化示范研究中所設計的基于西門子S7-300系列PLC的測控系統, 其可靠性高, 抗干擾能力強, 能適應多粉塵、潮濕等惡劣作業環境. 在近半年多的實際運行中表明, 測控系統采集數據準確、控制功能可靠, 能對所有的數據進行實時采集、備份、處理、發布到云端, 可以對所生產的煤氣氣體組分進行精確的控制, 在具有相應權限的情況下可實現遠程數據監測, 具有高度的穩定性, 可以滿足煤炭地下測控系統的測控要求,具有較大的推廣和使用價值. 本設計已經成功在隸屬于貴州盤江精煤股份有限公司的山腳樹礦成功運行近一年時間.