摘　要：針對目前控制礦井氣熱值的方法及程序在實際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)死循環(huán)等技術(shù)問題，分析了基于PID分程控制的控制方案和程序設(shè)計。

關(guān)鍵詞：礦井氣　PID分程控制　控制系統(tǒng)　PLC　摻混　熱值調(diào)節(jié)

Programming of Control System for Mine Gas Supply Device Stable Calorific Value

Abstract：In view of infinite loop and other technical problems in the practical application of methods and programs to control the mine gas calorific：value，the control scheme and programming based on the PID split range control are analyzed．

Key words：mine gas；PID split range control；control system；programmable logic controller(PLC)；blending；calorific value adjustment

目前，控制礦井氣熱值的方法及程序在實際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)死循環(huán)等技術(shù)問題，無法保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，嚴(yán)重影響了礦井氣的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。因此，該行業(yè)急需一種先進(jìn)而穩(wěn)定的控制礦井氣熱值的系統(tǒng)程序來保證正常運(yùn)行^[1-3]。

1　控制系統(tǒng)程序方案設(shè)計

系統(tǒng)根據(jù)對原料礦井氣熱值進(jìn)行在線監(jiān)測，判斷其屬于3種工作狀態(tài)中的哪一種，然后開啟相應(yīng)的回路進(jìn)行自動調(diào)控。3種工作狀態(tài)如下：

①當(dāng)?shù)V井氣的低熱值高于19.26MJ／m³時，在礦井氣中摻混適量的空氣，使混合氣熱值達(dá)到18.84MJ／m³，供用戶使用；

②當(dāng)?shù)V井氣的低熱值在18.42～19.26MJ／m³范圍時，礦井氣不做調(diào)節(jié)，直接供用戶使用。

③當(dāng)?shù)V井氣低熱值低于l8.42MJ／m³時，在礦井氣中摻混適量的天然氣，使混合氣的熱值達(dá)到18.84MJ／m³，供用戶使用。

針對控制系統(tǒng)的控制要求及現(xiàn)階段控制程序存在的問題，經(jīng)過多方調(diào)研，決定利用PID分程控制方法設(shè)計一套自動化程度高，具有良好的抗干擾性、可擴(kuò)展性及不存在死循環(huán)的控制系統(tǒng)程序。

2　主程序設(shè)計

系統(tǒng)軟件編程由PLC編程和上位機(jī)編程兩部分組成，分別采用STEP7V5．3和WINCC6．0軟件。

2.1　PID分程控制設(shè)計

一般來說，一臺控制器的輸出僅操作一個控制閥。若一臺控制器操縱幾個閥門，并且按輸出信號的不同區(qū)間去操縱不同的閥門，這種控制方式習(xí)慣上稱為分程控制。

分程控制有兩方面的目的：一是擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍，以改善控制系統(tǒng)的品質(zhì)；二是滿足工藝操作上的特殊要求^[3-4]。

同時，為了避免執(zhí)行機(jī)構(gòu)頻繁動作而造成死循環(huán)，針對該系統(tǒng)的生產(chǎn)過程被控變量不嚴(yán)格要求控制在給定值上，允許在規(guī)定的范圍內(nèi)變化這一特點(diǎn)，決定在該系統(tǒng)中，采用帶有不靈敏區(qū)(即死區(qū))的PID算式進(jìn)行分程控制。

2.2　系統(tǒng)的程序設(shè)計

控制系統(tǒng)的關(guān)鍵程序一是摻混前的復(fù)雜邏輯判斷，二是電動比例閥的PID調(diào)節(jié)。邏輯判斷在系統(tǒng)主程序模塊中編制，PLC周期性掃描執(zhí)行該程序。摻混后的氣體熱值與閥口開度的關(guān)系受到礦井氣熱值、管網(wǎng)壓力等因素的影響，沒有明確的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系，是非線型的。為了能使控制目標(biāo)實現(xiàn)且程序算法計算量小，系統(tǒng)采用了分程控制的方法，對于不同熱值范圍內(nèi)礦井氣采用分段比例閥控制，即控制對象在某個范圍內(nèi)時，采用對應(yīng)的PID算法，控制某特定的電動調(diào)節(jié)閥。若控制對象大范圍改變則改變控制回路，同時將其他各個電動調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。各個電動調(diào)節(jié)閥的PID控制器參數(shù)不同，執(zhí)行PID控制程序前需要判斷所控制的對象。

同時，采用結(jié)構(gòu)化編程技術(shù)編制PID調(diào)節(jié)閥口開度的子程序，通過調(diào)用不同的子程序背景數(shù)據(jù)塊實現(xiàn)控制不同閥的目的。結(jié)構(gòu)化編程將復(fù)雜的自動化任務(wù)分解為能夠反映過程的工藝、功能或可反復(fù)使用的小任務(wù)，這些任務(wù)由相應(yīng)的程序塊來表示，程序運(yùn)行所需的大量數(shù)據(jù)和變量儲存在數(shù)據(jù)塊中。

具體應(yīng)用到該系統(tǒng)3種工作狀態(tài)中的程序控制如下：

當(dāng)原料氣礦井氣低熱值大于l9.26MJ／m³時，熱值不符合輸出使用要求，需混合一定比例的空氣來降低熱值，應(yīng)用帶死區(qū)的PID調(diào)節(jié)空氣回路中電動調(diào)節(jié)閥的開度。由于應(yīng)用了帶有死區(qū)的PID控制方法，因此有效避免了死循環(huán)控制的出現(xiàn)，使整個摻混過程得以順利進(jìn)行。在輸出信號發(fā)出前再對混合器熱值進(jìn)行一次測量，如符合要求則輸出；如不符合要求，則重新進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，直到最終符合要求后輸出。其中符合輸出要求的低熱值給定位為18.84MJ／m³，誤差值為±0.42MJ／m³。

當(dāng)原料氣礦井氣的低熱值在大于或等于18.42MJ／m³而小于或等于l9.26MJ／m³這一區(qū)間時，就認(rèn)為礦井氣質(zhì)量合格，不需調(diào)節(jié)，可以直接通過混合器輸出。

當(dāng)原料氣礦井氣低熱值小于l8.42MJ／m³時，熱值不符合輸出使用要求，需混合一定比例的天然氣來提高熱值。應(yīng)用帶死區(qū)的PID調(diào)節(jié)天然氣回路中電動調(diào)節(jié)閥的開度。由于應(yīng)用了帶有死區(qū)的PID控制方法，因此有效避免了死循環(huán)控制的出現(xiàn)，使整個摻混過程得以順利進(jìn)行。在輸出信號發(fā)出前再對混合器熱值進(jìn)行一次測量，如符合要求則輸出；如不符合要求則重新進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，直到最終符合要求后輸出。其中符合輸出要求的低熱值給定值為18.84MJ／m³，誤差值為±0.42MJ／m³。

在“誤差信號處理”中經(jīng)過控制死區(qū)限定，交由“PID算法”處理，其輸出值經(jīng)過再次線性處理和限幅，以實數(shù)形式或模擬量模板認(rèn)可的形式輸出。在處理過程中，還可以選擇手動模式，以設(shè)定的手動值作為控制器輸出。

本裝置的控制系統(tǒng)，采用了具有精簡指令系統(tǒng)、低成本和高可靠性的PLC，使控制系統(tǒng)簡單、實用，用PID分程控制作為調(diào)節(jié)方式，軟件系統(tǒng)采用組件化技術(shù)，具備了極好的開放性。該系統(tǒng)本身提供了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，可以與其他應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行對接，為整個應(yīng)用系統(tǒng)的集成提供了良好的架構(gòu)。

3　結(jié)論

本裝置控制系統(tǒng)成功地解決了礦井氣的穩(wěn)定熱值供應(yīng)裝置自動控制系統(tǒng)程序死循環(huán)控制的問題。采用PID分程控制對電動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)輸出熱值穩(wěn)定的燃?xì)?。該程序參?shù)整定方便，結(jié)構(gòu)改變靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，可靠性高。

參考文獻(xiàn)：

[1]范根慶，萬大培，彭貴銀．天府礦務(wù)局瓦斯資源和利用[J]．煤氣與熱力，1994，14(9)：66-72．

[2]劉坤，王愛華，張延軍，等．低壓瓦斯氣回收系統(tǒng)自動控制方案[J]．石油化工自動化，2004(5)：106-109．

[3]陳楫國，李秀芝．煉廠瓦斯氣的回收利用及自動控制[J]．節(jié)能，2001(6)：34-38．

[4]胡玉新，李宇成．模糊控制系統(tǒng)的模擬調(diào)試[J]．北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1999(3)：50-54．

本文作者：黎延志  于江華  王運(yùn)閣  楊旭  徐方  羅興月

作者單位：安徽省天然氣開發(fā)股份有限公司

  中交煤氣熱力研究設(shè)計院有限公司

  沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司