基于PLC的低浓度瓦斯预掺混输送监控系统的设计

李勇（中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆400039）

基于PLC的低浓度瓦斯预掺混输送监控系统的设计

李勇
（中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆400039）

摘要：提出了一种基于PLC的低浓度瓦斯预掺混输送监控系统的设计，根据预掺混输送系统的工艺要求，介绍了监控系统结构、功能、上位机组态软件的实现。在保障低浓度瓦斯安全输送的同时，采用PID算法自动调节掺混风量，使低浓瓦斯气体在安全输送的同时通过掺混满足蓄热式热氧化炉(RTO)的供气要求，该监控系统在山西潞安五阳煤矿应用安全可靠，且掺混效果达到预定目标。

关键词：PLC；瓦斯掺混；自动控制；PID；变频器

0引言

煤矿瓦斯抽放泵站排出的低浓度瓦斯主要成份为甲烷，是矿井生产中的副产品，也是一种清洁能源，但目前低浓瓦斯利用途径较少，大部分直接排入大气中，其温室气体效应比二氧化碳高21倍。

如果通过再生蓄热式热氧化炉（RTO）内部的高温环境氧化瓦斯泵站排放的低浓度甲烷，使之转化为二氧化碳和水，产生高温烟气，高温烟气产生的蒸汽再推动蒸汽轮机发电，将通风瓦斯和瓦斯泵站排放的低浓度瓦斯变废为宝，既节约了能源，又实现了低热值燃料资源的综合利用，同时在利用过程中不会形成二次污染，具有明显的经济效益和环保效益。

要将瓦斯抽放站排放的低浓度瓦斯送入RTO中进行氧化，需要将低浓度瓦斯气体进行输送和掺混，以满足RTO的供气要求，然而抽放泵站排出的低浓度瓦斯其浓度值一般为5%～15%，恰好在瓦斯爆炸极限范围内，使得气体输送及掺混变得复杂和危险。所以为其建立一套在线实时监控系统保障低浓度瓦斯掺混输送安全是非常必要的。

1监控系统组成

系统由管理层、控制层、设备层三层网络结构组成。管理层主要负责管理整个瓦斯掺混系统的数据监测、设备控制、报表统计、数据存储、动态显示、查询打印、网络通讯等任务，主要由计算机、交换机和打印机等设备组成。控制层主要负责采集现场各类传感器数据，通过对数据的运算、处理、显示，对现场设备进行参数超限报警及自动开关电动阀、气动阀等设备控制操作，并将整理的数据上传至管理层，接受管理层下发的控制命令，由触摸屏和PLC组成。设备层主要负责采集掺混系统中的各种现场参数，将现场的物理量变换为可以检测的电信号，供控制层进行采集，由电控止回阀、气动阀、变频器、电动阀、流量传感器、瓦斯浓度传感器、压力传感器、火焰传感器等组成。

2监控系统功能

系统是为了保障掺混系统的可靠、稳定、安全运行而设计，系统主要有参数监测、参数超限报警、自动控制和自动调节等功能。

2.1参数监测功能

系统在线监测管道中气体流量、温度、压力、火焰，电动阀到位状态及开度，气动阀状态，变频器电压、电流、功率、给定频率、运行频率等参数，当参数超限时，进行声光报警。

流量检测采用基于皮托管原理的威力巴流量计，同时可测量气体温度、压力、流量等多个参数，通过RS485总线与PLC进行通讯。

气体浓度检测采用国际最新的“非色散红外”（NDIR）气体检测技术，实现0%CH4～100%CH4范围内瓦斯气体的准确连续监测和显示。

2.2控制功能

掺混监控系统分为现场集中控制和远程控制，现场集控采用西门子的触摸屏TP700作为人机交互界面，通过PROFINET网络与S7-300系列PLC进行通讯，远程控制采用西门子的Wincc组态软件。

PLC根据采集到的压力、浓度、火焰等传感器数据，经过PLC的运算和处理，自动打开或关闭电动阀、气动阀、电控止回阀、电动阻爆阀门等设备。

系统在掺混浓度调节上采用PID算法，其浓度PID控制框图如图1所示，根据掺混后瓦斯浓度采样反馈，通过PID调节器自动调节变频器，从而改变风机风量，使空气与低浓度瓦斯气体在掺混器中进行掺混，始终保证气体浓度始终保持在蓄热式热氧化炉的要求范围内。

图1浓度PID控制框图

3上位机软件实现

上位监控软件采用组态软件，系统通过工业以太网TCP/IP协议与西门子S7-300系列PLC进行数据交互。组态界面采用二次开发，修改和维护方便，在线动态显示工艺流程、设备的运行状态和运行参数。

监控系统软件采用B/S模式，操作员在调度室或操作站局域网内可在线浏览和访问系统运行状态和参数，减少了操作人员现场巡检次数，提高了工作效率。

4结论

低浓度瓦斯掺混输送监控系统设计完成后在现场的实际应用，充分保证了数据测量的准确性、传输的可靠性和控制的实时性，掺混后的气体满足了蓄热式热氧化炉的供气要求，保障了掺混系统安全、可靠、高效的运行。在低浓度瓦斯输送和掺混系统中具有良好的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]廖常初.PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社，2005.

[2]刘善增.PLC控制系统的可靠性设计[M].工业控制计算机，2004(17).

[3]李强，龙伍见，霍春秀.矿井乏风瓦斯氧化发电技术研究进展[J].矿业环保与安全，2012,39(4)：81-84.

[4]崔坚.西门子工业网络通信指南[M].北京：机械工业出版社，2004.

基金项目：中煤科工集团重庆研究院有限公司课题项目：煤矿管道气体流量处理装备及工艺研究（CQ1508）。

作者简介：李勇(1982-)，男，重庆人，助理工程师，主要从事:煤矿瓦斯抽放监控系统、系统集成、自动控制、流量计量等研究。