周月俠

（衡水職業(yè)技術學院，河北 衡水053000）

該項目以實際工程項目為載體，運用西門子S7-1200 系列PLC,結合沼氣生產增壓系統(tǒng)工藝特點，研發(fā)出一套沼氣生產中增壓環(huán)節(jié)的智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可以通過上位機對增壓現(xiàn)場進行監(jiān)測，對整個工藝及生產過程中壓力、流量、溫度等進行實時監(jiān)測的同時，能自動采集信息形成數(shù)據庫，且具有安全、消防等系列危險預警功能。同時，通過上位機對下位機的控制，調節(jié)現(xiàn)場閥門、開關等實現(xiàn)壓力、流量的閉環(huán)控制，保證工藝裝置安全、平穩(wěn)生產運行。

1 系統(tǒng)整體設計

系統(tǒng)整體設計要求主要包括實現(xiàn)以下幾個方面功能：

（1）提供輔助電機控制的就地隔爆操作柱及輔助電機的馬達電氣柜，實現(xiàn)輔助電機的就地控制；機組馬達電氣柜（MCC）實現(xiàn)輔助電機的自動控制，具備完善可靠的過電流保護功能，并將各馬達的操作和運行狀態(tài)傳送至PLC。

（2）機組需設置PLC 控制柜，放置于低壓配電室。每套PLC 控制柜包括CPU 處理單元、I/0 模塊、直流電源、觸摸顯示屏、信號隔離器、外部鏈接端子等。

（3）機組PLC 控制柜需完成但不僅限于功能如下:機組的所有過程數(shù)據的采集處理；機組的報警、聯(lián)鎖邏輯控制;機組的流量調節(jié)；機組的就地激活、停止、緊急停車；控制系統(tǒng)的故障診斷和容錯控制；與DCS 實時通訊、TCP/IP 通訊協(xié)議；簡便的人機操作接口。

1.1 沼氣生產增壓環(huán)節(jié)工藝流程

沼氣增壓工藝流程，首先沼氣反應罐產生的沼氣通過送風機后壓力升至0.2～0.5bar，該沼氣被送至增壓機的入口前置過濾器，經過初級過濾，氣體進入入口分離器，將沼氣中含有的水分初步分離，之后進入后置過濾器，經過再次精密過濾，進入噴油螺桿壓縮機對沼氣進行增壓，將沼氣壓力增加至8～9bar。增壓后的沼氣進入油氣分離器，分離出經壓縮后加沼氣的油分后，進入換熱器進行冷卻。冷卻后的沼氣再通過氣液分離器將壓縮后沼氣含有的水份再次分離后，進入微油精密分離器再次除油。最后進入活性炭除油后送入下一步提純工藝。

1.2 系統(tǒng)控制要求

1.2.1 被控對象壓縮機技術參數(shù)

沼氣壓縮機的排氣壓力1.0MPaG，單臺機組額定流量為2625Nm3/h，兩臺機組總流量5250Nm3/h。兩臺沼氣壓縮機機組均通過變頻調節(jié)流量，即自行在觸摸屏上設定流量后，兩臺機組均能通過自帶的PLC 系統(tǒng)自動實現(xiàn)變頻調節(jié)過程,滿足1500～5250Nm3/h總流量調節(jié)范圍。

1.2.2 安全區(qū)控制柜

1.2.2.1 1 臺套PLC 控制柜，放置于安全區(qū)低壓配電室，防護等級IP54。1.2.2.2 西門子PLC S7-1200 控制系統(tǒng)，預留上位機系統(tǒng)以太網接口，可實現(xiàn)遠程監(jiān)控液晶顯示屏，觸摸屏設計。1.2.2.3 壓縮機所有信號接入PLC 系統(tǒng)中，實時顯示壓縮機系統(tǒng)中的進氣壓力、排氣壓力、潤滑油壓力、排氣溫度、潤滑油溫度、電壓、電流、故障、啟停等信息。1.2.2.4 控制按鈕安裝于柜體上，包括啟動/停機、緊急停機復位、就地/遠程選擇開關。

1.2.3 安全區(qū)變頻啟動柜

1.2.3.1 1 臺套變頻啟動柜，控制電機變頻運行，放置于安全區(qū)低壓配電室。1.2.3.2 輔助電機的自動控制，具備完善可靠的過電流保護功能，可將電機的操作和運行狀態(tài)傳送至PLC。

1.3 控制系統(tǒng)硬件設計

根據生物燃氣增壓環(huán)節(jié)生產工藝要求,設計其硬件智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由檢測與執(zhí)行部分、PLC 邏輯程序控制部分、上位機監(jiān)控三部分。其中上位機采用工業(yè)計算機，用來監(jiān)控系統(tǒng)增壓過程中的壓力、溫度、液位等參數(shù)，并根據檢測到的參數(shù)向PLC 發(fā)送指令，以控制相應的執(zhí)行機構動作；下位機PLC 邏輯控制部分選用西門子S7-1200 系列產品。根據設備的情況和工藝要求，CPU 模塊采用6ES7 215-1AG40-OXBO，AI 模塊采用6ES7 231-4HD32-OXBO，顯示屏采用6AV6 647-OAF11-3AXO，通訊模塊采用CP343-16GK7 277-1AA10-OAA0，與利用以太網通信。需要注意的是考慮到以后系統(tǒng)升級等需求，在實際生產中，PLC 輸入、輸出應有部分冗余。

1.4 控制系統(tǒng)軟件設計

1.4.1 啟動條件

壓縮機啟動前，必須滿足的兩個條件：一是沒有報警出現(xiàn)，二是電機最小停止延時時間（最后一次停止到下一次啟動之間有20分鐘延時）。

1.4.2 起動順序

當環(huán)境溫度低于30℃時，油加熱器先預熱15 分鐘，再起動壓縮機。其流程圖如圖1 所示?？刂葡到y(tǒng)在啟動階段要為各種報警及警告設置延時。在延時時間內各種報警及警告信號保持激活狀態(tài)，但不執(zhí)行停機及警告動作，如果到達延時時間，各種報警及警告仍存在，則采取動作。

1.4.3 停機順序

在收到停止命令后，順序如流程圖如圖2 所示。

1.4.4 變頻器轉速和回流閥開度調節(jié)時序

當壓縮機啟動時，會以一個初始啟動轉速運行；啟動之后，需要根據所需排氣壓力調節(jié)變頻器轉速和回流閥開度。如圖3 所示。

圖3 變頻器轉速和回流閥開度調節(jié)時序圖

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 下位機PLC 程序設計

根據生物燃氣增壓工藝特點與要求，將系統(tǒng)的PLC 控制程序設計成啟動順序模塊、報警模塊、模擬量采集模塊、通訊模塊四個模塊。

啟動順序模塊：設備啟動順序流程設計，對卸載電磁閥、散熱裝置、變頻器進行控制。報警模塊:當系統(tǒng)增壓過程中壓力、溫度等參數(shù)超過上、下限時,系統(tǒng)將發(fā)出報警信號，提醒操作人員系統(tǒng)設備出現(xiàn)故障。模擬量采集模塊：分別檢測增壓系統(tǒng)壓力、溫度、可燃氣體含量、變頻器轉速電流等參數(shù)，將數(shù)據采集到PLC，通過操作屏進行數(shù)據顯示，方便操作人員進行數(shù)據監(jiān)控。通訊模塊：將系統(tǒng)啟?？刂萍安杉降臄?shù)據上傳到上位機。

2.2 上位機監(jiān)控界面實現(xiàn)

在系統(tǒng)設計中，選用WinCC 軟件實現(xiàn)系統(tǒng)上位機監(jiān)控界面的搭建，對沼氣生產過程增壓系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。整個監(jiān)控系統(tǒng)包括起始畫面、狀態(tài)監(jiān)控(一)、狀態(tài)監(jiān)控(二)、參數(shù)設置及故障信息設置五個窗口。其主畫面主要監(jiān)控壓縮機排氣溫度、壓縮機潤滑油壓力、壓縮機出口溫度、壓縮機排氣壓力、壓縮機潤滑溫度、電機轉速、壓縮機啟停狀態(tài)等變量。

具體實現(xiàn)如下：

2.2.1 創(chuàng)建組態(tài)工程

在組態(tài)環(huán)境下建立名為“沼氣增壓控制系統(tǒng)”的新增應用程序。

2.2.2 創(chuàng)建數(shù)據對象

在組態(tài)工程中，數(shù)據對象是連接每個環(huán)境的關鍵。首先，在數(shù)據庫組態(tài)界面將所有需控制的量創(chuàng)建到工程項目中；其次，定義組態(tài)軟件內部的I/O 變量，給每個變量定義屬性。在使用軟件時須注意數(shù)據庫的建立，創(chuàng)建數(shù)據庫變量并與PLC 設備數(shù)據進行連接，該系統(tǒng)中各檢測點的溫度、壓力、流量、閥門開度等都需要保存在數(shù)據庫中。在建立數(shù)據庫時，先按照變量類型創(chuàng)建新變量,并設置其基本參數(shù)、報警參數(shù)等，然后把已創(chuàng)建的變量與現(xiàn)場的I/O 設備檢測到的某一具體數(shù)據項通過設備連接建立關系。

2.2.3 構建監(jiān)控畫面

根據系統(tǒng)的控制要求,利用組態(tài)軟件系統(tǒng)圖庫來搭建沼氣生產增壓控制系統(tǒng)。通過變量連接使沼氣增壓系統(tǒng)現(xiàn)場設備的工作狀況、各傳感器數(shù)據和控制參數(shù)以動畫的形式反映在監(jiān)控屏幕上。同時，操作人員可根據生產要求直接控制現(xiàn)場設備或修改工藝參數(shù)。

3 結論

運用西門子S7-1200PLC, 設計沼氣生產智能增壓控制系統(tǒng)，操控穩(wěn)定、運行效果安全、適應性強，充分體現(xiàn)出了PLC 可靠性高、抗干擾能力強的特性。此外，該系統(tǒng)還可實現(xiàn)監(jiān)控整個工藝生產現(xiàn)場運行狀況，進行數(shù)據采集及傳輸、故障報警等功能。為沼氣生產中增壓系統(tǒng)的良好運行提供完善的數(shù)據支撐和系統(tǒng)保障，達到了設計預期。