基于PLC 的煤層氣混配控制系統

吳軍

（山西蘭花大寧發電有限公司，山西 晉城 048000）

煤層氣是與煤伴生、共生的氣體資源，指儲存在煤層中的烴類氣體，以甲烷為主要成分，屬于非常規天然氣。煤層氣以吸附在煤基質顆粒表面為主，部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體，是煤的伴生礦產資源，是近些年在國際上崛起的潔凈、優質能源和化工原料。煤層氣俗稱“瓦斯”，熱值高于通用煤的1～4 倍，1 m3純煤層氣的熱值相當于1.13 kg 汽油、1.21 kg標準煤，其熱值與天然氣相當，可以與天然氣混輸混用，而且燃燒后很潔凈，幾乎不產生任何廢氣，是上好的工業、化工、發電和居民生活燃料。由于開采上來的煤層氣體積分數不同，在瓦斯利用和化工合成等相關領域，為了充分利用低體積分數的煤層氣，有時候需要將2 種或2 種以上不同體積分數的煤層氣進行混合，配成一種新體積分數的煤層氣供使用。要求混配后的氣體體積分數穩定，壓力波動小。但是現有的技術方案大多停留在手動控制階段，使得氣體在混合過程中存在壓力損失過大、精度控制不穩等問題。因此需要一種更加可靠、能自動控制的氣體混配控制系統來控制氣體混合過程，使得混配后的氣體體積分數穩定，壓力損失更小。

1 煤層氣混配控制系統簡述

本文所述的煤層氣混配控制系統主要是將2 種不同體積分數的煤層氣進行混配，一種為煤層氣體積分數大于80%、壓力為100～400 kPa 的高體積分數煤層氣；一種為煤層氣體積分數為20%～30%、壓力為20～30 kPa 的低體積分數煤層氣，要求混配后的氣體體積分數為（40±5）%，壓力為15～20 kPa。

1.1 工藝思路

高體積分數煤層氣與低體積分數煤層氣混合，在盡量節省成本的情況下，采用控制2 種不同體積分數氣體調節閥的開度，使氣體在管道中直接進行混合，混合后的氣體管道盡量長一些，使它能充分混合。通過電動蝶閥來控制混合后氣體母管的壓力值不超限，使它滿足用戶要求。

1.2 系統組成

煤層氣混配[1]控制系統主要由煤層氣管道、低濃氣調節閥、高濃氣調節閥、安全閥、電動蝶閥、手動蝶閥、壓力表、壓力變送器、瓦斯體積分數檢測儀、流量計、差壓變送器、PLC 控制柜以及PC 電腦等組成，如圖1所示，其中CT 為瓦斯（甲烷）體積分數檢測儀，PⅠ為就地壓力表，PT 為壓力變送器，FT 為流量計及差壓變送器。

圖1 煤層氣混配系統示意圖

1.3 控制系統原理

煤層氣混配控制系統是將2 種不同體積分數的氣體進行混合，使得混合后的氣體成為一種新體積分數的氣體供用戶使用。其主要原理是在高、低體積分數煤層氣管道上各安裝一臺模擬量調節閥，將其信號接至PLC 控制柜，通過PC 電腦來控制，再將2 條管道連接至混氣母管。為了防止混合后氣體壓力太高，在混氣母管上安裝一個手動蝶閥和一個電動蝶閥。手動蝶閥保持常開狀態，將電動蝶閥的信號接至PLC 控制柜，通過PC 電腦設定一個保護值來控制電動蝶閥開啟泄壓。為了防止電動蝶閥因故障而不能正常打開的情況發生，在混氣母管上再安裝一臺安全閥，設定一個壓力值，作為電動蝶閥無法正常打開的一種后備保護手段。

為了方便監測混氣母管的瓦斯體積分數、壓力及流量數據，在混氣母管上安裝一臺瓦斯體積分數檢測儀、一塊就地壓力表、一臺壓力變送器、一臺錐形流量計和一臺差壓變送器。將所有遠傳儀表的信號都接至PLC 控制柜，使它能在PC 電腦上顯示。

2 煤層氣混配控制系統組態

煤層氣混配控制系統組態包括硬件組態和軟件組態2 個部分。硬件組態主要是將低濃氣調節閥、高濃氣調節閥、電動蝶閥、壓力變送器、瓦斯體積分數檢測儀、差壓變送器、PLC 控制柜及PC 電腦通過電纜連接起來。軟件組態主要是通過PC 電腦在PLC 中對連接的設備進行配置，使它能夠正常使用。

2.1 硬件選型

煤層氣混配控制系統硬件主要由煤層氣管道、高濃氣調節閥、低濃氣調節閥、安全閥、電動蝶閥、手動蝶閥、壓力表、壓力變送器、瓦斯體積分數檢測儀、流量計、差壓變送器、PLC 控制柜及PC 電腦等組成。

煤層氣管道根據實際情況來選擇管徑，高、低濃氣調節閥閥門規格選型時與氣體管道相匹配，執行機構選擇模擬量控制，輸入信號為4～20 mA，閥位反饋信號為4～20 mA，電源為AC380 V、50 Hz。

安全閥規格選型時與混氣母管相匹配，壓力保護值根據用戶需求來進行整定。電動蝶閥和手動蝶閥規格選型時與混氣母管相匹配，電動蝶閥執行機構選擇開關量控制，反饋信號為行程開關，電源為AC380 V、50 Hz。

壓力表選型時，考慮是室外安裝，選擇不銹鋼膜盒壓力表，型號為YF-100，0～60 kPa。壓力變送器選型為0～60 kPa 的電容式壓力變送器，二線制，電源為24VDC。瓦斯體積分數檢測儀選型為英國愛丁堡生產的型號為97460 的Guardian NG，電源為AC220 V、50 Hz。流量計選型為上海肯維斯生產的KV 錐形流量計，型號為KVW28ⅠⅠKG23FWN，差壓變送器選型為羅斯蒙特生產的3051 系列0～60 kPa 的電容式差壓變送器，帶HART 協議，可以連通手操器。

PLC 設備選型為西門子S7-200 設備，主要有型號為CPU214 CN 的CPU 模塊、型號為EM231 的8 通道模擬量輸入模塊、型號為EM232 的2 通道模塊量輸出模塊和型號為CP243-1 的以太網通訊模塊。

2.2 硬件安裝

煤層氣高、低濃管道通過焊接與煤層氣母管連接在一起，若規格不一致，則需要變徑。將低濃氣調節閥安裝于低體積分數的煤層氣管道上，執行機構通過電纜與PLC 柜相連接，具體為：在PLC 控制柜內安裝一個3P 16 A 的空氣開關，定義為FS1，作為低濃氣調節閥電源開關，用KRVVP 4×2.5 mm2的電纜將FS1開關與低濃氣調節閥執行機構電源相連接。然后用KRVVP 4×1.5 mm2的電纜將PLC 的AO1、AⅠ1 接口分別與執行機構的模擬量輸入接口和信號反饋接口相連接，連接時注意正負極。

將高濃氣調節閥安裝于高體積分數的煤層氣管道上，將執行機構通過電纜與PLC 柜相連接。具體為：在PLC 控制柜內安裝一個3P 16 A 的空氣開關，定義為FS2，作為高濃氣調節閥電源開關，用KRVVP 4×2.5 mm2的電纜將FS2 開關與高濃氣調節閥執行機構電源相連接。然后用KRVVP 4×1.5 mm2的電纜將PLC的AO2、AⅠ2 接口分別與執行機構的模擬量輸入接口和信號反饋接口相連接，連接時注意正負極。

將安全閥、手動蝶閥和電動蝶閥安裝于混氣母管上，中間用相匹配的法蘭進行連接。閥門安裝好后，將電動蝶閥的執行機構用電纜與PLC 控制柜相連接。具體為：在PLC 控制柜內安裝一個3P 16 A 的空氣開關，定義為FS3，作為電動蝶閥的電源開關，用KRVVP 4×2.5 mm2的電纜將執行機構電源與PLC 柜內熱繼電器FR 的出口相連接。電動蝶閥主電路如圖2所示。電動蝶閥的控制由PLC 完成，中間通過繼電器、接觸器實現開閥、關閥操作。

圖2 電動蝶閥主電路圖

將瓦斯體積分數檢測儀安裝于室外，需安裝一面不銹鋼材質的儀表保溫箱，將它安裝于混氣母管旁。然后將瓦斯體積分數檢測儀安裝于儀表保溫箱內，在混氣母管上開一個直徑為16 mm 的孔，安裝一個針型閥，用8×5 mm 的塑料軟管將瓦斯體積分數檢測儀的進口與針型閥相連接。在PLC 控制柜內安裝一個2P 6 A 的空氣開關，定義為FS4，作為瓦斯體積分數檢測儀的電源，用KRVVP 2×1.5 mm2的電纜將FS4開關與瓦斯體積分數檢測儀的電源接口連接起來，為瓦斯體積分數檢測儀提供交流電源。再用電纜將瓦斯體積分數檢測儀的模擬量輸出口與PLC 柜的AⅠ3 接口相連接，連接時注意正負極不能接反。

將壓力表安裝于混氣母管上，在混氣母管上開一個直徑為16 mm 的孔，安裝一個針型閥，再安裝一個壓力表緩沖管，將壓力表安裝于緩沖管接口上。壓力變送器的安裝與壓力表類似，直接將壓力變送器安裝于針型閥出口上，中間用對絲連接。然后用KRVVP 1×2×1 mm2的電纜將變送器與PLC 的AⅠ4 接口相連接，連接時注意將信號的正極與RC 端短接。

將KV 錐形流量計安裝于混氣母管出口處，中間用法蘭相連接。差壓變送器安裝于流量計的H、L 接口上，中間用三通閥組相連接，注意高低壓側不能接反。差壓變送器安裝好后，用KRVVP 1×2×1 mm2的電纜將變送器與PLC 的AⅠ5 接口相連接，連接時注意將信號的正極與RC 端短接。

將PLC 設備安裝在控制室內，將PLC 設備安裝于一面尺寸為600 mm×800 mm×2 100 mm（長×寬×高）的控制柜內。在PLC 柜內安裝一個2P 20 A 的空氣開關，定義為FS5，作為PLC 設備的電源，然后再安裝一個24 V 電源，為PLC 提供24 V 直流電。PC 電腦與PLC 的以太網通信模塊用超五類雙絞線連接起來，與PLC 設備通信。

2.3 軟件組態

軟件組態主要是對安裝好的硬件進行配置，使它能正常工作。本系統要進行軟件組態的主要有高濃氣調節閥、低濃氣調節閥、電動蝶閥、瓦斯體積分數檢測儀、壓力變送器和差壓變送器。

高濃氣調節閥、低濃氣調節閥控制信號分別由PLC 的EM232 模塊的AO2、AO1 通道提供，將AO2、AO1 通道配置為4～20 mA 的電流信號。閥位反饋信號均為4～20 mA 的電流信號，將PLC 的EM231 模塊的AⅠ2、AⅠ1 通道配置為4～20 mA 的電流信號。電動蝶閥的控制為開關量控制，在CPU214 CN 中將Q0.0、Q0.1 分別配置為電動蝶閥的開、關指令信號，電動蝶閥的開到位和關到位反饋信號也為開關量信號，在CPU214 CN 中將Ⅰ0.0、Ⅰ0.1 分別配置為電動蝶閥的開到位和關到位反饋信號。瓦斯體積分數檢測儀、壓力變送器和差壓變送器的信號類型均為4～20 mA 電流信號，在PLC 的EM231 模塊中將AⅠ3、AⅠ4 和AⅠ5 通道配置為4～20 mA 的電流信號即可。

2.4 控制邏輯

低濃氣調節閥、高濃氣調節閥自動運行邏輯。當轉換開關打到自動時，低濃氣調節閥開85%，高濃氣調節閥開15%。當混合后的瓦斯體積分數低于40%時，通過高濃氣調節閥來調節，直至混合后的瓦斯體積分數達到40%。低濃氣調節閥初始開度為85%，并且在自動狀態下，此變量在畫面中做成可以由運行人員設定的?？傮w思路是將低體積分數調節閥設定到一個開度，通過調節高濃氣調節閥的開度來使混合后的瓦斯體積分數達到40%。當退出自動時，也可以手動控制2 個調節閥開度。

電動蝶閥動作邏輯：當混氣母壓力高于15 kPa 時，電動蝶閥自動打開，當壓力低于10 kPa 時自動關閉。壓力高于15 kPa，此壓力值在實際使用中不一定合適，因此，此壓力在程序中可以由運行人員給定，即在畫面中可以修改此壓力給定值。當退出自動時，也可以手動控制開閥、關閥。

2.5 混配控制程序

煤層氣混配控制主要采用自動控制，當系統為自動運行時，通過PⅠD[2]算法來控制混配過程。主要思路為：當響應曲線振蕩頻繁、系統穩定度不夠時，需加大比例度；當系統偏差大，并且趨于非周期過程，需減小比例度。當曲線波動大，需增加積分時間以消除余差；當曲線振蕩頻繁、穩定度低且曲線偏離給定值后長時間不回來，需減少積分時間。當曲線最大偏差大且衰減慢，需增加微分時間；當曲線振蕩頻繁，可以適當減少微分時間。

簡單說，就是先調比例參數，缺省值是-1。比例參數主要調PⅠD 的反應速度，積分參數主要調PⅠD 的振蕩幅度。本系統采用2 個PⅠD 來調節，PⅠD0 中的積分參數設定是5，主要通過調節高濃氣調節閥的開度大小來調整混合后的瓦斯氣體的體積分數；PⅠD1 中的積分參數設定是10，主要是通過調節低濃氣調節閥的開度大小來調整混合后的氣體的壓力，微分參數本系統設置為0。

3 結束語

煤層氣混配控制系統采用西門子PLC，通過2 個PⅠD 子程序分別來控制高濃氣調節閥和低濃氣調節閥的開度，從而來控制混配過程，實現對氣體體積分數及壓力的自動調節。說明采用PLC 來控制煤層氣混配過程，能有效控制混合后氣體的體積分數和壓力，減少混配過程中的壓力損失和波動。