基于西门子PLC的煤气回收控制系统

　 1 引言
　　焦炉煤气回收系统主要由煤气柜和减压站组成，在实现了焦炉煤气的回收再利用的同时，还对节能环保及稳定用户管网压力起到了重要作用。基于西门子PLC的回收控制系统主要包括气柜的油泵控制、柜内压力控制、柜容控制、活塞速度控制、减压站的自动减压、工艺参数显示等功能。
　　2 硬件配置
　　2.1 控制站
　　气柜控制站选用siemens s7-400h plc冗余控制系统。包括两个414-4hcpu，2块冗余电源模板，2块冗余cp443网卡。正常运行时一台cpu（主）参与控制，另一台cpu（备）通过同步模块与之同步，当检测到主cpu、机架、电源、通讯等故障发生时，备cpu立即投入控制而不影响生产控制的连续性。
　　气柜控制站采用了远程i/o模式www.cechina.cn，根据i/o点的实际数量配置了2个et200m智能远程i/o站，远程智能i/o站与控制器采用冗余profibus总线通讯。减压控制站选用siemens s7-200 plc控制系统，并安装人机界面用于本地操作和设置相关参数。减压控制站使用em277与气柜控制站实现网络通讯，气柜控制站为系统主站。
　　2.2 系统网络
　　整个系统网络分为现场级、控制级、监控级三级，系统网络结构如图1。现场级使用profibus dp冗余现场总线进行通讯，主要实现s7-400h主站和远程智能从站之间的数据传输，采用西门子双绞线传输速率高达12mbps。控制级实现s7-400 plc和s7-200plc之间数据交换，使用profibus dp总线进行通信，s7-400 plc冗余profibus dp总线与s7-200plc单总线使用y-link转换模块进行总线自动转换，总线使用光纤介质传输，通讯速率快。监控级采用西门子sclancs交换机构成冗余的工业以太网环网，实现工程师站（es）、操作员站（os）与现场控制站（as）的连接通讯，通讯速率可达100mbps，2台操作站与as站共形成4条冗余iso协议连接，提高了系统网络可靠性。

　　2.3 hmi
　　hmi（人机接口）是生产操作人员对生产过程实施监控的窗口。本例使用两台热备方式的操作员站，其中一台同时作为工程师站，操作员站的热备提高了系统的可靠性。hmi硬件系统采用研华工控机并配置了具有数据冗余功能的cp1613网卡，软件使用西门子wincc组态软件。hmi实现了对工艺参数的集中显示、故障报警、数据记录、设备操作。
　　3 控制系统原理
　　3.1 设计方案
　　本系统采用step7 v5.3和micro -win step7软件在windows 2000平台下开发，编程灵活方便。软件采用模块化编程结构，整个控制系统包括煤气柜控制和减压站控制两大部分。煤气柜控制部分分别完成油泵、煤气管道电动蝶阀与煤气放散阀、煤气调节阀等设备的控制与联锁保护、工艺参数检测与报警功能。受控设备设计为现场手动和集中控制两种控制方式。集中控制包括设备单动和设备联动自动两种控制方式，在集中控制方式下操作人员在hmi画面上进行单动操作和联动自动方式选择。减压站控制通过调节三台压力调节阀，实现压力降压稳压功能，主要有手动、自动、远控三种操作模式。
　　3.2 进气调节阀pid控制
　　在煤气管道上设有一煤气调节阀，通过调节进气量实现对活塞速度的调节。本例的pid控制逻辑采用step7软件集成的系统块fb41实现。实践中以活塞速度为控制值以阀门开度为控制对象加以适当地调整p、i参数即可。
　　3.3 油泵控制
　　该煤气柜设有8台油泵用于密封油的循环。8台油泵分为4组，每组2台（1主1辅可选）。每台泵控制要求相同。在单动方式下CONTROL ENGINEERING China版权所有，油泵的启停控制是操作员在hmi画面上完成的。在联动方式下，油泵的启停控制与油箱油位联锁，而无需操作员干预。图2示出在集控方式下油泵的控制逻辑。

　　3.4 降压稳压自动调节
　　降压稳压自动调节起保证管网煤气压力稳定和将高压煤气转为低压煤气的作用。该功能使用s7-200plc完成，系统使用分程的pid自动调节，系统pid具有自整定功能。分程的pid对三台调节阀进行控制，根据工况三台调节阀按顺序开关。采用分程调节扩大了系统调节范围，提高了调节精度。
　　3.5 柜高自动调节
　　柜高自动调节主要起保障煤气柜在安全高度范围运行。系统采用模糊控制算法通过控制减压站的压力稳定值进行控制。模糊控制根据实际专家经验进行推导算出不同工况下的压力设定值，减压站根据模糊算法结果进行变参数pid调节。煤气柜柜体压力设计为11kpa，气柜高75米，气柜柜高正常控制在50米，此时远程站调压设定压力为11kpa。当煤气用户的煤气用量增大时，气柜柜高就会下降，当气柜高度下降到45米时CONTROL ENGINEERING China版权所有，主站就会将设定压力改为11.6kpa，此时气柜高度就会随着管网压力的上升而上升。当气柜高度上升到50米时，主站就会将设定压力改为11kpa。当气柜高度继续上升到55米时，主站就会将设定压力改为10.5kpa，此时气柜高度就会随着管网压力的下降而下降。这样，柜高自动调节采用模糊控制既保证了煤气管网压力，使用户得到了基本稳定的煤气压力；又保证了煤气柜的柜高控制工程网版权所有，使煤气气源不充足的时候，短时间缓解管网煤气量。这种控制有效的保证了生产的安全性。
　　3.6 数据组织与报警
　　系统实现了包括co浓度、压力、温度、柜容、柜高、管网压力等模拟量的数据转化与显示；油泵运行、阀位状态、油箱液位开关状态等数字量的采集与显示；与其他控制系统的通讯数据组织；重要参数声光报警；重要数据的历史（实时）趋势。
　　4 结束语
　　本控制系统以plc为核心，实现了煤气回收生产工艺的自动控制。该系统经过调试运行证明，系统自动化程度高，控制稳定可靠，操作直观方便www.cechina.cn，得到了用户的一致好评。具有很好的应用前景。