基于PLC控制的煤層氣發(fā)電電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

戚子羿

摘要：煤層氣也就是常說的瓦斯，這種氣體是在煤層開采時(shí)釋放出來或者是伴隨著產(chǎn)生的一種氣體，主要的成分為甲烷氣體、氮?dú)膺€有參雜著一定量的氧氣[1]。隨著利用煤層氣來進(jìn)行發(fā)電的優(yōu)勢(shì)越來越明顯，許多煤礦企業(yè)采用這一技術(shù)。本文當(dāng)中分析了煤層預(yù)處理系統(tǒng)的基于PLC的電氣控制系統(tǒng)，通過利用加壓風(fēng)機(jī)控制進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)采用PID參數(shù)控制的電氣控制系統(tǒng)，并強(qiáng)調(diào)了可能出現(xiàn)的問題。

關(guān)鍵詞：煤層氣 PLC PID 電氣控制

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）12-0008-02

Abstract：With the utilization of coal-bed methane to generate electricity advantage more and more obvious， many of the coal mine enterprises to adopt this technology. This paper analyzes the electrical control system based on PLC coal pretreatment system， through the use of booster fan control is optimized， the electrical control system adopts PID control parameters， and emphasizes the problems that may arise.

Key Words：Coalbed gas； PLC； PID； electrical control

煤層氣也就是常說的瓦斯，長(zhǎng)期以來這些煤層氣體都是直接排放到空氣中的。發(fā)現(xiàn)這樣的處理方法會(huì)對(duì)空氣產(chǎn)生污染而且造成大量的有效資源的浪費(fèi)。近些年來研究發(fā)現(xiàn)，可以將這些氣體進(jìn)行發(fā)電來提供能源，這樣做不但能夠降低污染還能夠充分的利用資源，提高企業(yè)的效益，對(duì)于社會(huì)都是有利的。

1 煤層預(yù)處理系統(tǒng)

隨著利用瓦斯來進(jìn)行發(fā)電的優(yōu)勢(shì)越來越明顯，許多煤礦企業(yè)采用這一技術(shù)。這種技術(shù)的實(shí)施是通過利用內(nèi)燃機(jī)來將瓦斯燃燒的熱量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過程。具體的過程是通過將煤層開采時(shí)的煤層氣進(jìn)行預(yù)處理也就是過濾、冷卻、增壓處理，然后將干凈的煤層氣作為燃料注入到內(nèi)燃機(jī)的燃料供給系統(tǒng)，以內(nèi)燃機(jī)為原動(dòng)機(jī)，進(jìn)行熱能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，最后通過機(jī)械能在到電能的轉(zhuǎn)化。這一過程中的預(yù)處系統(tǒng)是由幾種不同的系統(tǒng)部分組成，比如用來進(jìn)行氣體凈化的過濾系統(tǒng)，用來進(jìn)行壓力增加的增壓系統(tǒng)，用來進(jìn)行脫水處理的制冷系統(tǒng)還有用來進(jìn)行控制的電氣控制系統(tǒng)[2]。其中電氣系統(tǒng)是基于PLC控制的電氣控制系統(tǒng)。這一系統(tǒng)能夠有效的對(duì)整個(gè)預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行控制比如進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、設(shè)備的管理以及命令的發(fā)布等[3]。

2 電氣控制系統(tǒng)組成與性能

2.1 系統(tǒng)組成

從圖1中可以看到整個(gè)控制系統(tǒng)的示意圖，其中包括兩套控制系統(tǒng)。這兩套控制系統(tǒng)通過一個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)連接在一起。第一套PLC控制系統(tǒng)包含的部分為1#主控站、1#分布式I/O站1#工控機(jī)。第二套PLC控制系統(tǒng)包含的部分為2#主控站、2#分布式I/O站、2#工控機(jī)。之所以會(huì)選擇兩套控制系統(tǒng)就是為了預(yù)防在一個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。1#主控站為主系統(tǒng)，一旦主系統(tǒng)的某個(gè)部分造成主系統(tǒng)不能用就切換到2#主控站，這時(shí)的2#主控站為主系統(tǒng)反而1#主控站為輔系統(tǒng)。另外這種切換是以整個(gè)系統(tǒng)切換的，因?yàn)檫@樣不會(huì)造成因?yàn)橄到y(tǒng)的混用而丟失數(shù)據(jù)和造成數(shù)據(jù)混亂的發(fā)生。

工控機(jī)的控制系統(tǒng)在主系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)跟隨主系統(tǒng)而運(yùn)行，當(dāng)切換到輔系統(tǒng)時(shí)，兩個(gè)工控機(jī)同時(shí)都切換到到跟隨輔系統(tǒng)運(yùn)行。并且二者沒有主從都是互為另一個(gè)的輔工控機(jī)。由于二者同時(shí)獲得同樣的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于進(jìn)行了備份，一旦一個(gè)工控機(jī)出現(xiàn)故障，可以在另外一臺(tái)上進(jìn)行運(yùn)行。

2.2 控制系統(tǒng)性能

兩套系統(tǒng)之間，一旦一個(gè)系統(tǒng)發(fā)生了故障就要將系統(tǒng)從主控制系統(tǒng)切換到輔助控制系統(tǒng)，而這之間的切換時(shí)間也就在3～5s之間，這么短的時(shí)間是不會(huì)引起整個(gè)控制系統(tǒng)的停機(jī)的。兩套工控機(jī)之間也是這種情況，切換時(shí)間很短不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的采集以及記錄產(chǎn)生影響，尤其對(duì)于某些重要的數(shù)據(jù)的丟失更不會(huì)發(fā)生，比如CDM數(shù)據(jù)。另外在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中預(yù)處理的顯示界面上會(huì)主要的顯示的是主系統(tǒng)的工作狀況，這一系統(tǒng)在設(shè)計(jì)是考慮到了方便性的因素設(shè)計(jì)了手動(dòng)切換模式，方便了操作人員進(jìn)行手動(dòng)的切換主輔預(yù)處理系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)組在工作時(shí)是相互并聯(lián)的當(dāng)一臺(tái)發(fā)生故障時(shí)預(yù)處理系統(tǒng)能夠保證其他的發(fā)電機(jī)組不受到影響。

2.3 加壓風(fēng)機(jī)的控制

為了避免因?yàn)橐粋€(gè)或者幾個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生跳機(jī)時(shí)引起整個(gè)發(fā)電機(jī)組的跳機(jī)，可以增強(qiáng)對(duì)后續(xù)的流量追蹤，把循環(huán)電磁閥換成電動(dòng)的[4]。通過這種方法，發(fā)現(xiàn)對(duì)于氣壓的調(diào)節(jié)性能有顯著的效果。詳細(xì)的情況可以參考下面的圖2。在正常運(yùn)行的時(shí)候，3結(jié)構(gòu)的電動(dòng)循環(huán)閥開開一個(gè)較小的口子，這個(gè)口子能夠卸掉一部分氣體，可是一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時(shí)候電動(dòng)再循環(huán)閥的開口減小使得氣體不能夠排掉，此時(shí)壓力就會(huì)上升。控制系統(tǒng)就會(huì)控制電動(dòng)再循環(huán)閥再次打開口子來排泄掉因?yàn)楣收显斐傻臏魵怏w，使出口的氣體壓力維持在一個(gè)穩(wěn)定的較低的水平。

隨著加壓風(fēng)機(jī)的頻率的變化系統(tǒng)出口的壓力會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，這個(gè)時(shí)候預(yù)處理系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。通過一定的分析可以找到穩(wěn)定時(shí)的函數(shù)并且利用調(diào)整3個(gè)不同的PID參數(shù)進(jìn)行編程的處理方式大大簡(jiǎn)化頻繁修改的過程，是的達(dá)到最佳的穩(wěn)定狀態(tài)。通過修改以后，再循環(huán)閥的調(diào)節(jié)不單單只是進(jìn)行氣體的放散，還能夠利用PID控制進(jìn)行定量的控制，這時(shí)電機(jī)的頻率與壓力的關(guān)系不是反比例關(guān)系而成為了線性的關(guān)系。通過實(shí)例進(jìn)行的控制量可以參考下面的表1。

為了能夠?qū)ο到y(tǒng)的控制量進(jìn)行控制，需要設(shè)置系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集裝置。例如溫度表、壓力表、濃度表、流量表等儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。出口部分也需要設(shè)置這些儀表的安裝。系統(tǒng)對(duì)這些采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定量的處理，然后再通過這些分析進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于瓦斯氣體屬于危險(xiǎn)性比較強(qiáng)的氣體，如果濃度達(dá)到一定程度就會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)。為了避免這種情況的發(fā)生對(duì)廠房的屋頂要有一定的要求，安裝瓦斯報(bào)警儀。這一裝置用來測(cè)試瓦斯氣體的量是否達(dá)到限值，如果達(dá)到限制，控制系統(tǒng)會(huì)強(qiáng)制系統(tǒng)立即停止運(yùn)行。

3 需要注意的問題

要實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)處理系統(tǒng)的控制，就要對(duì)系統(tǒng)的設(shè)備要有一個(gè)全面的管理與了解，并且最好能夠符合實(shí)際的情況。以下幾個(gè)方面在研究問題是需要注意的：（1）在實(shí)際中為了避免利用不充分以及壓力過于大，管道的流量一般要設(shè)定限值，一般取為15m/s。（2）系統(tǒng)的入口處要有一定的壓力，并且是微正壓。（3）預(yù)處理系統(tǒng)處理完以后系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生水的排出，在實(shí)際生產(chǎn)中要檢驗(yàn)是否能自動(dòng)排出。

總的來說控制好了預(yù)處理系統(tǒng)的控制，就對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的資源的充分利用以及整個(gè)生產(chǎn)的效益產(chǎn)生最大化的意義。

參考文獻(xiàn)

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[4]楊明法，孫君，王寶剛.梁家煤礦副井壓風(fēng)機(jī)的改造及自動(dòng)化控制[J].山東煤炭科技，2011（1）：220-221.