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)可以通過上位機(jī)對增壓現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測，對整個(gè)工藝及生產(chǎn)過程中壓力、流量、溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的同時(shí)，能自動(dòng)采集信息形成數(shù)據(jù)庫，且具有安全、消防等系列危險(xiǎn)預(yù)警功能。同時(shí)，通過上位機(jī)對下位機(jī)的控制，調(diào)節(jié)現(xiàn)場閥門、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)的入口前置過濾器，經(jīng)過初級(jí)過濾，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)入后置過濾器，經(jīng)過再次精密過濾，進(jìn)入噴油螺桿壓縮機(jī)對沼氣進(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)組均能通過自帶的PLC 系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)過程,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、潤滑油壓力、排氣溫度、潤滑油溫度、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)，用來監(jiān)控系統(tǒng)增壓過程中的壓力、溫度、液位等參數(shù)，并根據(jù)檢測到的參數(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)增壓過程中壓力、溫度等參數(shù)超過上、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)啟停控制及采集到的數(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，對沼氣生產(chǎn)過程增壓系統(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)對象

在組態(tài)工程中，數(shù)據(jù)對象是連接每個(gè)環(huán)境的關(guān)鍵。首先，在數(shù)據(jù)庫組態(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)庫的建立，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫變量并與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)庫中。在建立數(shù)據(jù)庫時(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)場的I/O 設(shè)備檢測到的某一具體數(shù)據(jù)項(xiàng)通過設(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)圖庫來搭建沼氣生產(chǎn)增壓控制系統(tǒng)。通過變量連接使沼氣增壓系統(tǒng)現(xiàn)場設(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。