煤层气智能混配控制设计

煤层气智能混配控制设计

甘海龙

1、瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037； 2、中煤科工集团重庆研究院有限公司　瓦斯研究分院，重庆 400037

摘要：控制系统是煤层气智能混配的主要组成部分，通过设计控制系统的智能控制程序，安全控制程序，远程通讯程序，实现煤层气混配的智能化，代替手动调节方式，减少手动调节的反应时间，提高煤层气智能混配的安全性和实效性，通过远程控制程序，实现远程操作、远程监控、远程故障诊断等功能；进而实现煤层气利用的智能化与无人化。

关键词：瓦斯；智能；安全；混配；远程

引言：

煤层气是煤矿开采的副产物，根据甲烷浓度的不同，煤层气分为高浓度煤层气和低浓度煤层气，在煤层气发电和蓄热氧化应用中，需要将高浓度煤层气和低浓度煤层气进行混合，以达到设计要求值。

控制系统是煤层气混配必不可少的系统，主要的监控功能包括：数据采集及处理；参数显示( 压力、温度、流量等)；控制系统及设备运行状态显示；试验系统有序管理。当允许条件满足时，程序控制试验系统的启动和停止以及保持其稳定运行。当允许条件不满足时，执行预先设计的保护逻辑，对试验系统实施必要的保护性措施，以确保人员、设备的安全。

1.控制系统构架

控制系统主要有设备层、控制层、管理层构成，其构架如图1-1：

图1-1 控制系统构架

管理层主要包括：Web服务器，Web客户端等。

控制层主要包括：工程师站、I/O接口、RS485接口等。

设备层主要包括：压力、温度、流量、浓度传感器，调节阀等。

PLC控制柜设计触摸屏操作, 通过总线传输方式或IO点与传感器、控制器进行实时通讯，控制柜将采集到的实时数据通过以太网传输平台传给中心站软件，通过4G网络传输给远程客户端或移动端APP实现远程监测监控。控制柜具备参数设置、参数整定、手/自动切换、数据上传等功能，当混配前瓦斯浓度或混配后瓦斯浓度超出预先设置值时，传感器可就地进行报警，启动安全保障装备，实现排空、断电、急停等。

通过有线以太网平台与上位机软件进行通讯^[1]，实现设备运行状态、混配效果远程可视化、设备故障远程诊断、软件系统远程升级维护、瓦斯抽采计量，历史数据查询及报表输出等功能。

上位机软件主要完成数据显示、存储、各种报表输出、曲线、柱状图绘制、系统参数设置、远程手自动切换、远程手动调节、系统故障诊断、PID参数整定等功能。

远程客户端实现中心站软件监测控制查询等基本功能，并具备现场设备PLC程序升级维护功能。

2.常规控制设计

（1）正常工作时，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制^[2]，又称PID调节。其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

（2）正常停机：首先关闭阀进气阀，保证风机1正常工作2min后再停止工作。

（3）浓度超限：当掺混后浓度高于1.25%，执行紧急停机。迅速关闭进气调节阀，关闭利用进气阀，同时全开排空阀门，风机1持续工作2min后，关闭风机1。

3.混配安全控制设计

（1）自动控制连锁设计:为了提高安全性，采用相关连锁设计^[3]。具体连锁控制如下：

瓦斯浓度超限连锁控制:当混气后瓦斯浓度超限时，迅速关闭瓦斯切断阀与调节阀，打开排空阀。

缺水连锁：关风机，迅速关闭阀利用端进气阀，全开阀排空阀，关闭抽采瓦斯进气阀。

其他连锁控制:在装置同时出现3个以上重大设备失灵的情况，迅速关闭阀进气阀，关闭利用进气阀，全开排空阀。

（2）报警设计

瓦斯气体浓度上限报警，控制系统故障报警，设备故障报警。

（3）控制方式

根据工艺要求，采用现场手动控制 ( 机侧操作柱) 和自动控制 ( 控制系统 )两种方式。

手动模式：PLC操作界面上的“手动/自动”开关选择“手动”方式时，可通过PLC柜的HMI触摸屏操作界面上的按钮实现对单个设备的“运行”或“停止”操作，也可通过现场操作柱进行必要的手动控制，同时可满足装置设备检修及维护的需要。

自动模式：PLC操作界面上的“手动/自动”开关选择“自动”方式时，系统设备由PLC根据系统的工况及控制要求来完成对整套设备或单个设备的“运行”或“停止”控制，而不需要人工干预，减少人员配置，为装置的经济运行提供保证。

控制级别由高到低为：现场手动控制、远程手动控制、自动控制。不同控制级别的设置可以确保系统运行及设备维护时的人员及设备的安全、可靠。

4．通讯设计

（1）PLC控制柜通过 Modbus 协议通信^[4], 实现即时读取浓度、流量，通过IO模块读取和控制阀门、风机及其他设备状态。

（2）PLC控制柜与上位机通讯采用以太网通讯，采用标准TCP/IP协议，可与其它系统复用工业以太网的信息传输平台，无须铺设独立的通讯线路，网络结构简单，可靠性高。

（3）系统使用物联网卡通过4G无线通讯网络和云平台，实现基于互联网及移动端APP的远程监测控制、控制系统程序软件远程维护等功能，有效减少现场值守。

5.远程控制软件设计

远程控制系统软件依托物联网模块实现，物联网模块采集PLC数据上传至网关，网关将数据存到云服务器，用户通过web远程客户端对PLC测点进行读写操作。

具备的主要功能为：混配效果实现远程可视化，设备运行状态、设备故障实现远程诊断，系统故障和报警信息主动以语音、短信、邮件等方式通知值班人员，PLC软件远程升级维护。能与蓄热氧化系统实现集成控制。

6.结论

通过设计煤层气智能混配控制系统，可以代替传统的手动调节方式，减少手动调节的反应时间，提高煤层气智能混配的安全性和实效性，并且能够通过远程控制程序，实现远程操作、远程监控、远程故障诊断等功能；同时能够减少操作人员的数量，节省生产企业的劳动成本，进而实现煤层气利用的智能化与无人化。

参考文献:

[1] 柯艳, 李杰, 孔祥雷,等. 基于USB2.0的多路数据采集系统上位机软件设计[J]. 测试技术学报, 2010, 24(4):6.

[2] 王蕾, 宋文忠. PID控制[J]. 自动化仪表, 2004, 25(4):6.

[3] 董新. 城镇民用燃气安全联锁设计[J]. 电子设计工程, 2011, 19(6):3.

[4] 白焰, 钟艳辉, 秦宇飞. 基于VC的Modbus协议通信测试软件的实现——M0dbus串口通信与Modbus/TCP通信[J]. 现代电力, 2008, 25(6):5.

[5] Xiao, L., Chen, J. Experimental study on heat transfer caused by feed gas concentration fluctuation in low concentration CBM utilization unit. Heat Mass Transfer (2021)

[6] Xiao, L.; Chen, J. Experimental Study on Distillation Column Parameters for Liquefaction Device of Low Concentration Coalbed Methane. Processes 2021, 9, 606.