基于PLC控制的煤层气发电电气系统设计优化

戚子羿

摘要：煤层气也就是常说的瓦斯，这种气体是在煤层开采时释放出来或者是伴随着产生的一种气体，主要的成分为甲烷气体、氮气还有参杂着一定量的氧气[1]。随着利用煤层气来进行发电的优势越来越明显，许多煤矿企业采用这一技术。本文当中分析了煤层预处理系统的基于PLC的电气控制系统，通过利用加压风机控制进行优化，实现采用PID参数控制的电气控制系统，并强调了可能出现的问题。

关键词：煤层气 PLC PID 电气控制

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：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

煤层气也就是常说的瓦斯，长期以来这些煤层气体都是直接排放到空气中的。发现这样的处理方法会对空气产生污染而且造成大量的有效资源的浪费。近些年来研究发现，可以将这些气体进行发电来提供能源，这样做不但能够降低污染还能够充分的利用资源，提高企业的效益，对于社会都是有利的。

1 煤层预处理系统

随着利用瓦斯来进行发电的优势越来越明显，许多煤矿企业采用这一技术。这种技术的实施是通过利用内燃机来将瓦斯燃烧的热量转化为机械能，进而再将机械能转化为电能的过程。具体的过程是通过将煤层开采时的煤层气进行预处理也就是过滤、冷却、增压处理，然后将干净的煤层气作为燃料注入到内燃机的燃料供给系统，以内燃机为原动机，进行热能到机械能的转化，最后通过机械能在到电能的转化。这一过程中的预处系统是由几种不同的系统部分组成，比如用来进行气体净化的过滤系统，用来进行压力增加的增压系统，用来进行脱水处理的制冷系统还有用来进行控制的电气控制系统[2]。其中电气系统是基于PLC控制的电气控制系统。这一系统能够有效的对整个预处理系统进行控制比如进行数据处理、设备的管理以及命令的发布等[3]。

2 电气控制系统组成与性能

2.1 系统组成

从图1中可以看到整个控制系统的示意图，其中包括两套控制系统。这两套控制系统通过一个以太网交换机连接在一起。第一套PLC控制系统包含的部分为1#主控站、1#分布式I/O站1#工控机。第二套PLC控制系统包含的部分为2#主控站、2#分布式I/O站、2#工控机。之所以会选择两套控制系统就是为了预防在一个系统发生故障时而导致整个系统的瘫痪。1#主控站为主系统，一旦主系统的某个部分造成主系统不能用就切换到2#主控站，这时的2#主控站为主系统反而1#主控站为辅系统。另外这种切换是以整个系统切换的，因为这样不会造成因为系统的混用而丢失数据和造成数据混乱的发生。

工控机的控制系统在主系统运行时跟随主系统而运行，当切换到辅系统时，两个工控机同时都切换到到跟随辅系统运行。并且二者没有主从都是互为另一个的辅工控机。由于二者同时获得同样的数据，相当于进行了备份，一旦一个工控机出现故障，可以在另外一台上进行运行。

2.2 控制系统性能

两套系统之间，一旦一个系统发生了故障就要将系统从主控制系统切换到辅助控制系统，而这之间的切换时间也就在3～5s之间，这么短的时间是不会引起整个控制系统的停机的。两套工控机之间也是这种情况，切换时间很短不会对数据的采集以及记录产生影响，尤其对于某些重要的数据的丢失更不会发生，比如CDM数据。另外在系统运行的过程中预处理的显示界面上会主要的显示的是主系统的工作状况，这一系统在设计是考虑到了方便性的因素设计了手动切换模式，方便了操作人员进行手动的切换主辅预处理系统。发电机组在工作时是相互并联的当一台发生故障时预处理系统能够保证其他的发电机组不受到影响。

2.3 加压风机的控制

为了避免因为一个或者几个发动机发生跳机时引起整个发电机组的跳机，可以增强对后续的流量追踪，把循环电磁阀换成电动的[4]。通过这种方法，发现对于气压的调节性能有显著的效果。详细的情况可以参考下面的图2。在正常运行的时候，3结构的电动循环阀开开一个较小的口子，这个口子能够卸掉一部分气体，可是一旦系统出现故障的时候电动再循环阀的开口减小使得气体不能够排掉，此时压力就会上升。控制系统就会控制电动再循环阀再次打开口子来排泄掉因为故障造成的滞留气体，使出口的气体压力维持在一个稳定的较低的水平。

随着加压风机的频率的变化系统出口的压力会出现较大的波动，这个时候预处理系统处于不稳定状态。通过一定的分析可以找到稳定时的函数并且利用调整3个不同的PID参数进行编程的处理方式大大简化频繁修改的过程，是的达到最佳的稳定状态。通过修改以后，再循环阀的调节不单单只是进行气体的放散，还能够利用PID控制进行定量的控制，这时电机的频率与压力的关系不是反比例关系而成为了线性的关系。通过实例进行的控制量可以参考下面的表1。

为了能够对系统的控制量进行控制，需要设置系统数据采集装置。例如温度表、压力表、浓度表、流量表等仪表进行数据的采集。出口部分也需要设置这些仪表的安装。系统对这些采集的数据进行一定量的处理，然后再通过这些分析进行调节。由于瓦斯气体属于危险性比较强的气体，如果浓度达到一定程度就会出现危险。为了避免这种情况的发生对厂房的屋顶要有一定的要求，安装瓦斯报警仪。这一装置用来测试瓦斯气体的量是否达到限值，如果达到限制，控制系统会强制系统立即停止运行。

3 需要注意的问题

要实现对预处理系统的控制，就要对系统的设备要有一个全面的管理与了解，并且最好能够符合实际的情况。以下几个方面在研究问题是需要注意的：（1）在实际中为了避免利用不充分以及压力过于大，管道的流量一般要设定限值，一般取为15m/s。（2）系统的入口处要有一定的压力，并且是微正压。（3）预处理系统处理完以后系统会产生水的排出，在实际生产中要检验是否能自动排出。

总的来说控制好了预处理系统的控制，就对整个系统的资源的充分利用以及整个生产的效益产生最大化的意义。

参考文献

[1]袁亮，秦勇，程远平，等.我国煤层气矿井中—长期抽采规模情景预测[J].煤炭学报，2013，38（4）：25-27.

[2]潘芳伟.采煤机电气控制系统应用研究[J].煤炭技术，2012（3）：46-47.

[3]魏巍.煤矿工业中PLC控制系统的综合设计研究[J].煤炭技术，2010（4）：35-38.

[4]杨明法，孙君，王宝刚.梁家煤矿副井压风机的改造及自动化控制[J].山东煤炭科技，2011（1）：220-221.