引言

我国具有丰富的煤炭资源, 多年以来我国经济与社会的发展所需要的能源主要来自于煤炭资源^[1]. 但是, 随着我国发展越来越迅速, 对煤炭的直接燃烧所产生的问题逐渐暴露出来. 燃烧效率低下、环境污染大等问题使对改变能源来源的需求变的刻不容缓, 尤其在国内各大城市纷纷禁止燃煤的政策下, 使清洁能源的发展更加迅速^[2]. 但是在国内, 如何将传统的煤炭资源变为清洁能源的研究较少, 相较而言国外在此方面有较多的研究. 煤炭地下气化(Underground Coal Gasification, UCG)将煤炭在地下燃烧并经过一系列氧化还原反应后直接输送到地面, 使煤炭资源的使用更为高效、清洁, 延长矿井的服务年限, 提高生产安全性, 具有良好的发展前景.

由于煤炭地下气化系统中需监测的点位较多且分布范围广, 环境较为恶劣, 因此测控系统的设计尤为重要. 在国内, 对于煤炭地下气化测控系统的研究较少, 且现有的测控系统难以适应多粉尘、强干扰、潮湿、多数据、高实时的复杂作业环境. 西门子S7-300系列的PLC可靠性高、适应范围广、具有良好的通信功能、结构模块化^[3], 能在各种复杂环境中稳定运行, 很适合在煤炭地下气化系统中使用. 与贵州盘江精煤股份有限公司山脚树矿煤层气地下气化关键技术及产业化示范研究相结合, 设计了基于西门子S7-300系列PLC的煤炭地下气化实时测控系统.

1 总体方案设计 1.1 地下气化的工艺流程

煤炭地下气化的工艺流程如图1所示. 其中, 空气来自于两台由变频器控制的罗茨风机, 通过注气管道经过注气孔注入地下料塔; 氧气来自于制氧车间, 通过注气管道经过注气孔注入地下料塔; 水蒸气来自于洗煤厂, 通过蒸汽管道经过蒸汽孔注入地下料塔. 在地下料塔中将氧气、空气、水蒸气混合后送入点火巷, 并且使用点火器点燃点火巷中的煤层, 所产生的粗煤气(主要包含氢气、甲烷、氧气、一氧化碳、二氧化碳, 含有少量焦油等其他杂质)通过粗煤气管道送至地面, 经过地上排气孔之后使用循环水进行冷却, 冷却后的气体送入粗煤气罐. 将粗煤气罐中的粗煤气进行除焦油、干燥、脱硫等操作后净化为干净的煤气, 将煤气取一小部分送入煤气组分分析装置中, 剩余煤气在有其他用户购买之前考虑火炬放空.

1.2 监测需求分析

地下气化实时监测系统应具有过程控制(连续控制和离散控制)、操作、显示记录、报警、制表打印、信息管理、与上位机通讯、系统组态以及自诊断、WEB发布等基本功能. 在不同的工况下根据煤气的组分自动分析并提示操作人员改变送风量、注气含氧量及注蒸汽量等特殊功能.

具体包括以下参数:

(1) 模拟量输入: 51路K型热电偶温度信号(4~20 mA电流信号), 7路PT100型热电阻温度信号(4~20 mA信号), 2路GJC4型矿用甲烷浓度检测仪气体浓度信号(4~20 mA电流信号), 2路QT22-GTH矿用一氧化碳浓度检测仪气体浓度信号(4~20 mA电流信号), 3路GUY5型液位传感器液位信号(4~20 mA电流信号), 5路3051DP型智能微差压变送器(4~20 mA电流信号), 9路标准型孔板流量计流量信号(4~20 mA电流信号), 5路气体分析仪气体组分信号(4~20 mA电流信号), 2路变频器反馈频率信号(4~20 mA电流信号).

(2) 模拟量输出: 2路模拟量输出信号(4~20 mA电流信号), 用于控制变频器的输出频率, 从而改变罗茨风机的转速.

(3) 数字量输入: 19路24VDC, 用于监测点火器与气动阀门的状态.

(4) 数字量输出: 19路24VDC, 用于控制点火器与气动阀门的开关.

(5) 上位机动态画面监视, 具有点火器控制、气动阀门控制、手动与自动控制切换、显示记录、报警、制表打印、信息管理等功能.

(6) 厂区及矿井内关键地点有视频实时监控.

1.3 总体方案与硬件设计

通过对监测需求的分析, 测控系统用三层拓扑结构构成: 设备层、控制层、监控层.

设备层包括51个K型热电偶, 测量范围为0~1100 ℃; 7个PT100热电阻, 测量范围为–200~650 ℃; 2个甲烷浓度检测仪, 测量范围为0%~4%; 2个一氧化碳分析仪, 测量范围为0%~4%; 3个GUY5型液位传感器, 测量范围0~5米; 5个压力变送器, 测量范围0~1 MPa; 一台气体分析仪, 共输出5路气体组分信号, 分别为氧气浓度(0%~25%)、二氧化碳浓度(0%~50%)、氢气浓度(0%~60%)、一氧化碳浓度(0%~50%)、甲烷浓度(0%~10%); 9个孔板流量计(带变送器), 测量范围0~5000 m3/h; 2台西门子MM430变频器(控制罗茨风机的输出功率); 18个网络高清摄像头. 以上模拟量所用传输信号均为4~20 mA, 均使用带屏蔽层的双绞线连接, 可以有效减少不必要的干扰, 保证信号传输准确^{[4, 5]}. 网络高清摄像头使用工业以太网和光纤将画面实时传输至监控系统.

控制层包括两个西门子S7-300系列PLC站, CPU均为CPU314C-PN/DP, 一个站位于地面作为主站, 另一个站位于井下作为从站, 由于两个站距离较远故采用工业以太网和光纤进行通讯. 两个站将所采集的数据实时上传至上位机, 同时两个站可以根据所采集的数据对变频器的输出频率进行自动控制, 实现系统的自动运行. 在手动控制变频器状态下, 两个PLC站均可单独实现对变频器的控制, 主站通过模拟量输出信号设置变频器频率, 从站通过工业以太网和PROFIBUS总线实现对变频器的控制, 这样可以构成双CPU软冗余系统^[6], 保证当其中一个PLC站出现故障时可保障点火巷的稳定送风.

监控层配备两台工控机, 其中一台留作备用, 构成双机冗余系统, 实现对数据实时监控显示、视频画面实时监控显示、历史数据存储、故障诊断等工作.

1.4 双机冗余系统设计

在操作员站中, 配备两台工控机, 其中一台为默认主机, 另一台为冗余主机. 两台主机具有相同的功能和权限, 并且可以相互无关联的独立工作. 在热备冗余模式下, 两台主机之间相互监控, 各自拥有独立的数据库, PLC主站与从站的数据同时发送到两台主机中, 两台主机独自对数据进行相应处理. 当其中一台主机出现故障时, 另外一台主机仍可以进行全部的工作, 并执行报警, 从而确保数据的完整性. 当出现故障的主机恢复正常后, 未出现故障的主机将自动把所有的数据传输至故障主机上, 将故障主机的空白数据补充完整, 至此系统恢复至正常工作状态^[7].

2 软件设计 2.1 PLC程序设计

西门子S7-300系列PLC使用STEP7 V5.5的编程环境, 采用模块化的编程思想, 将不同功能的程序段分别存放在不同的FC块中, 提升程序的可读性.

主站程序结构主要包括主循环程序OB1, 模拟量输入功能块FC1, 变频器控制块OB35和0B100, 数字量输出功能块FC2, 与从站通讯功能块FC3, 模拟量输出功能块FC4, 主站模拟量数据存放数据块DB1, 从站模拟量数据存放数据块DB2, 各个需采集的工程量上限、下限、极性存放在数据块DB3. 其中, 由于需要采集的模拟量数量较多, 故在FC1块中使用STL语言编写, 使用循环指令实现读取AI地址时的自动输入地址的操作. 在STEP7中, 4~20 mA的电流信号对应的数字为0~27648, 转换为工程量的公式为

$OUT = \left [\frac{{IN - {K_1}}}{{{K_2} - {K_1}}}*(HI\_LIM - LO\_LIM)\right] + LO\_LIM $

(1)

式中:

OUT: 采集到的实际工程量.

IN: 输入4~20 mA信号对应数字值.

HI_LIM: 工程量的上限.

LO_LIM: 工程量的下限.

单极性时

K₁=0.0

K₂=+27648.0

双极性时

K₁= –27648.0

K₂= +27648.0

相比多次调用FC105模块的传统方式, 使用循环语句极大的减少了程序段的长度. 在其他模块中, 为了简便均采用梯形图作为编程语言. OB100中设置PID的初始化参数, OB35中根据从站采集的点火巷温度、主站采集的送风管道流量实现对变频器输出频率的双闭环PID控制, 以使得罗茨风机工作在合理的功率^[8]. 点火巷温度低、送风管道流量小时, 提高变频器输出频率; 点火巷温度过高、送风管道流量过大时适当降低变频器输出频率. 同时通过主站采集的送风管道压力来控制变频器的输出频率, 当送风管道压力过高时, 逐步减小变频器输出频率, 适当减少送风量以减少管道压力; 若送风管道压力过低, 则应排查管道是否有漏风. 由送风管道压力来控制的变频器输出频率优先级高于由PID控制的变频器输出频率优先级, 这样可以实现对管道以及罗茨风机的保护, 防止出现意外. FC2中控制变频器的启动和停止以及手动控制与自动控制之间的切换. FC3中实现与从站的数据传输功能, 获得点火巷的温度值用于对变频器输出频率的PID控制.

相比PID控制, 模糊PID具有调节迅速的优点, 所以在FC4中控制输氧管道和蒸汽管道的阀门开度时选用模糊PID控制, 实现对送风管道中氧气浓度和水蒸气含量的控制, 反馈信号为注气管道中对氧气浓度和水蒸气含量的检测信号^[9].

从站程序结构主要包括主循环程序OB1, 模拟量输入功能块FC1, 变频器控制块OB35和0B100, 数字量输出功能块FC2, 与从站通讯功能块FC3, 主站模拟量数据存放数据块DB1, 从站模拟量数据存放数据块DB2, 各个需采集的工程量上限、下限、极性存放在数据块DB3. 其中, FC1与主站程序及原理相同, 在此不再赘述. FC2中实现对点火器和气动阀门的开关控制. FC3中实现与主站及变频器的通讯功能.

2.2 上位机监控设计

根据设计需求, 上位机应实现对数据的实时显示、报警、制表打印、信息管理功能, 以及对变频器、点火器、气动阀门的控制等功能. 由北京亚控科技发展有限公司开发的组态王软件可以满足项目需求, 故使用组态王实现上位机监控.

组态王可以通过工控机的以太网接口通过工业以太网实现与PLC的物理层连接, 利用OPC技术实现与两个PLC站的通讯. OPC技术以COM技术为基础, 具有强抗干扰能力, 传输速率高, 传输距离远, 便于系统的组态与数据传输^[10]. 煤炭地下气化上位机监控系统包含自保护功能、用户管理功能、与下位机通信功能、实时显示摄像头拍摄画面、数据处理显示与处理功能、自动报警功能、数据存储功能、连接SQL数据库功能、数据打印功能、Web发布功能等. 将监控画面设置为开机自启动, 软件启动之后屏蔽Windows键、ALT+F4组合键及任务管理器等, 可以保障监控画面一直在前台运行状态, 防止误操作将监控系统退出.

在监控系统中的用户管理功能中, 建立一个工程师账户, 拥有包括组态在内的所有权限; 建立一个管理员账户, 拥有除修改组态之外的所有权限, 可以方便的对系统进行管理并防止对组态的误修改, 保障系统可靠运行; 建立多个操作员账户, 拥有查看监控数据、打印数据、查看视频监控画面、对变频器的操作权限, 没有关闭系统、停止系统运行的权限; 建立多个观察员账户, 仅用于查看系统数据的权限, 防止对系统误动作而造成不必要的损失.

在与下位机的通讯功能中, 经过测试发现通讯延迟低、无丢包, 通讯质量良好, 满足系统对实时性、可靠性、稳定性的要求.

在组态王中, 通过使用外部扩展插件的形式, 插入OCX通用控件, 将网络高清摄像头拍摄的画面通过以太网及OPC技术在组态王的画面中实时显示出来无须需使用另外的软件, 使其融合为一个监控系统, 取消传统视频显示终端电视墙和解码设备以及矩阵, 使视频的显示不再需要独立的显示终端^[11], 从而降低成本, 提高工控机运行效率. 系统数据实时显示功能将数据实时、动态的显示在监控画面上, 并对异常数据高亮、变色、闪烁显示, 以引起监控人员的注意, 从而及时采取相应的措施. 上位机还可以自动存储采集到的所有数据, 生成历史数据曲线, 方便直观地查看数据变化趋势. 连接SQL数据库功能使数据可以自动导出到数据库, 实现对历史数据的安全有效存储, 并可以对数据利用数学方法自动进行分析, 使数据反映的信息更为直观. 在对数据进行监控的同时, 可以通过操作员站配置的打印机将实时数据、历史数据曲线、监控画面打印出来, 方便将纸质版数据资料进行存档保留.

系统采用了ADSL数据服务功能, 通过宽带实现与广域网的连接, 可以自动将数据通过Web发布的形式上传至云端进行存储, 防止意外故障导致本地数据丢失, 使数据存储更为安全. 与此同时, 可以在任何地方通过对云端的访问, 在得到系统权限的情况下实现对数据的监控, 而不是只有在操作员站通过工控机才可以获取实时数据, 使得在某些情况下对数据的获取更为方便、快捷.

2.3 SQL数据库设计

测控系统采用Navicat Premium数据库管理软件, 可以将采集的氧气浓度、水蒸气流量以及产出煤气的各气体组分浓度分别保存到数据库, 实现对数据的快速处理. 在数据库中使用双因子有交互作用方差分析统计模型, 可以更加直观的得到送风管道中不同氧气和水蒸气的含量对所产生煤气气体组分的影响, 大大提高了测控系统处理分析数据的能力. 数据库部分采用SQL语言对数据库进行操作.

2.3.1 数据库建表设计框图

表O₂结构、H₂O结构和GAS结构如图2、3、4:

2.3.2 数据处理与数学模型

因送风管道氧气和水蒸气含量不同, 所产生的粗煤气气体组分不同, 故处理数据时使用双因子有交互作用方差分析统计模型^[12]. 研究因素中有氧气(记为A)和水蒸气(记为B)两个可控因素, A因素可以有a个不同的浓度水平, 记为A₁, A₂, …, A_a; B因素有b个流量水平, 记作B₁, B₂, …, B_b; A和B不同水平的组合记为A_iB_j, (i=1, 2, …, a;j=1, 2, …, b), 共ab个, 每个组合第k次实验观测值记为X_ijk, 结果记录如表1所示. μ表示所有期望值的平均值, 水平A_i和B_j对实验结果的效应记为α_i=μ_i·–μ 和β_j=μ_·j–μ , 实验误差记为ε_ij=X_ij–μ_ij, 则可建模为

$\begin{split} & {X_{ijk}} = \mu + {\alpha _i} + {\beta _j} + {(\alpha \beta )_{ik}} + {\varepsilon _{ijk}};\mu = \frac{1}{{ab}}\sum\limits_{i = 1}^a {\sum\limits_{j = 1}^b {{\mu _{ij}}} } \\& \sum\limits_{i = 1}^a {{\alpha _i}} = 0;\sum\limits_{j = 1}^b {{\beta _j}} = 0;\sum\limits_{i = 1}^a {{{(\alpha \beta )}_{ij}}} = 0;\sum\limits_{j = 1}^b {{{(\alpha \beta )}_{ij}}} = 0; \\& {\varepsilon _{ijk}} \sim N(0, {\sigma ^2}) \end{split} $

(2)

通过检验以下假设是否成立可以判断因素A, B, A×B对实验结果的影响情况:

H₀₁: α₁ = α₂ = … = α_a = 0;

H₀₂: β₁ = β₂ = … = β_b=0;

H₀₃: (αβ)_ij = 0 (i = 1, 2, …, a; j = 1, 2, …, b).

分析情况见表2, 其中

$\left\{\begin{split}& {S_E} = {\sum\limits_{i = 0}^n {\sum\limits_{j = 0}^n {\sum\limits_{k = 0}^n {({X_{ijk}} - {{\overline X }_i}_{j \bullet })^2} } } } \\& {S_A} = {\sum\limits_{i = 0}^n {\sum\limits_{j = 0}^n {\sum\limits_{k = 0}^n {({{\overline X }_{i \bullet \bullet }} - \overline X )^2} } } } \\& {S_B} = {\sum\limits_{i = 0}^n {\sum\limits_{j = 0}^n {\sum\limits_{k = 0}^n {({{\overline X }_{ \bullet j \bullet }} - \overline X )^2} } } } \\& {S_{A \times B}} = {\sum\limits_{i = 0}^n {\sum\limits_{j = 0}^n {\sum\limits_{k = 0}^n {({{\overline X }_{ij \bullet }} - {{\overline X }_{i \bullet \bullet }} - {{\overline X }_{ \bullet j \bullet }} + \overline X )^2} } } } \end{split}\right. $

(3)

根据上述数学模型, 在上位机画面中输入送风管道中不同的氧气浓度和水蒸气含量的组合, 系统就可以自动的记录并处理数据, 在对同一水平的氧气浓度和水蒸气含量进行三到四次测试后, 可将数据分析结果记录在数据库中并反馈至上位机. 当再次需要相同气体组分的煤气时, 输入相应组分参数后系统可自动配置氧气浓度和水蒸气含量, 使产生的煤气组分更为精确.

3 结语

现在, 清洁能源的使用越来越广泛, 煤炭地下气化技术的发展与推广将会越来越迅速. 在贵州盘江精煤股份有限公司的山脚树矿煤层气地下气化关键技术及产业化示范研究中所设计的基于西门子S7-300系列PLC的测控系统, 其可靠性高, 抗干扰能力强, 能适应多粉尘、潮湿等恶劣作业环境. 在近半年多的实际运行中表明, 测控系统采集数据准确、控制功能可靠, 能对所有的数据进行实时采集、备份、处理、发布到云端, 可以对所生产的煤气气体组分进行精确的控制, 在具有相应权限的情况下可实现远程数据监测, 具有高度的稳定性, 可以满足煤炭地下测控系统的测控要求, 具有较大的推广和使用价值. 本设计已经成功在隶属于贵州盘江精煤股份有限公司的山脚树矿成功运行近一年时间.