基于S7-300 PLC的煤地下气化过程监控系统设计

黎 冠，李文军，魏家骏

(华北科技学院，北京 东燕郊 101601)

基于S7-300 PLC的煤地下气化过程监控系统设计

黎 冠，李文军，魏家骏

(华北科技学院，北京 东燕郊 101601)

为了实时监测煤地下气化生产过程中各种参数的实际运行情况，利用S7-300PLC和FameView组态软件，设计了煤地下气化实时测控系统。为保障系统安全可靠，现场监控主机采用双机冗余配置，通信网络采用了工业以太网和PROFIBUS-DP现场总线，对供风机和引风机实现了PID控制。实际运行结果表明，该系统能够对煤地下气化生产参数进行有效的实时监测和控制。

煤地下气化；S7-300；PROFIBUS-DP；双机冗余；Web发布

0 引言

煤地下气化(Underground Coal Gasification ，UCG)是一种新型能源采集方式，通过人为的将地下的煤进行有控制的燃烧，通过热化学作用，在地下产生可燃气体，并输送到地面上采集利用[1]。地下气化产生的煤气不仅可作为燃气用来发电和直接民用，而且还可以用于作为合成油、二甲醚、氨、甲醇的原料气或者用于提取纯氢。因此，UCG技术大大提高了煤炭资源的利用率和利用水平，经济效益和环境效益有着较好的前景，对于我国洁净煤技术研究领域是一个重要研究和发展的方向[2]。

煤地下气化系统中被测参数的种类和数量较多、测点分布广，因此测控任务繁重。当前国外已经有对煤地下气化监控系统的研究[3]，国内煤地下气化生产监控领域研究较少，而且目前国内的测控系统已不能满足当前高度集成的工业化要求。西门子S7-300 PLC使用方便、编程简单，同时网络控制功能稳定、抗干扰能力强、可靠性高，能适应各种恶劣的运行环境[4-5]，非常适用于UCG测控系统。结合华北科技学院煤地下气化实验中心建设项目，设计基于西门子S7-300的煤地下气化远程实时测控系统。

1 总体方案设计

1.1 煤地下气化工艺流程

煤地下气化实验基地生产工艺[6]如图1所示，氧气瓶中的O2进入氧气缓冲罐，CO2气瓶中的CO2进入CO2缓冲罐，两种气体各自经流量计计量后进入雾化器，雾化器通入自来水，经底部的加热器加热后形成水蒸气，水蒸气与O2、CO2在雾化器内混合后，作为气化剂注入煤地下气化炉，产生的粗煤气经空喷塔和填料塔的洗涤后除去大部分的焦油，无焦油的煤气进入干燥塔干燥，干燥后的煤气再进入脱硫塔A和B进行含硫物质的脱除，净化后的煤气进入煤气缓冲罐，这时已得到干净的煤气。净煤气经过水封后由鼓风机提升至适当压力，再经水封后进入CO变换塔，调整CO和H2的比例，调整后的煤气进入甲烷化塔，合成甲烷，生成的甲烷经脱碳塔脱除CO2并经水封后进行后期处理。

图1 煤地下气化系统工艺流程图

1.2 监控需求分析

煤地下实时测控系统的主要任务是对煤地下气化各种运行参数的监测和现场设备控制，具体包括以下参数：(1)模拟量输入信号： 32路气化工作面K型热电偶温度信号，16路热电阻温度传感器，18路压力传感器，6路流量传感器，5路液位传感器。上述传感器除了热电偶温度信号外，其余的传感器均采用标准电流信号。(2)模拟量输出信号：8路模拟量输出，用来控制控制阀门，输出信号类型为4～20 mA电路信号。(3)数字量输入: 24VDC, 28路。(4)数字量输出：24VDC, 22路。(5)控制系统动态画面显示、工艺参数设定、关键参数越限报警和报表打印。(6)数据现场监控的同时，也要同时传送至华北科技学院煤地下气化实验中心，为高校实验室进行煤气化科学研究提供实时数据。

1.3 总体方案及硬件设计

通过煤地下气化系统监控需求的分析，测控系统采用3层星型拓扑结构：现场监控层、控制层和设备层。测控系统结构如图2 所示。现场监控层配置两台工控机，构成双机冗余系统，对整个系统的监测、数据存储和故障诊断等工作。同时将数据进行Web发布和数据远传至华北科技学院煤地下气化实验中心数据服务器。控制层由1台西门子S7-300 PLC CPU 315-PN/DP作为主站。 CPU315-PN/DP在整个系统中处于核心地位，与上位监控主机的通信采用工业以太网。CPU315-PN/DP一方面采集各从站的压力、温度信号和其他参数数据，实时反馈给上位机；另一方面还要将上位机反馈来的数据输出给各DP从站。三台S7-200PLC扩展EM277模块和三台变频器扩展DP面板作为DP从站，气化炉内热电偶温度信号连接至热电偶模块EM231，模拟量输入信号连接至8路模拟量模块，模拟量输出控制模块采用EM232。设备层包括现场的阀门执行器、风机、变频器等设备。监控主机和控制主站PLC采用以太网通信，主站和从站通信采用PROFIBUS-DP协议，保障系统的数据稳定快速的通信。

图2 煤地下气化实时测控系统结构框图

2 系统软件设计

2.1 PLC软件设计

在编程软件STEP7 V5.5环境中对CPU315-PN/DP进行编程。控制软件采用模块化编程思想[7]，将控制要求分解为几个功能块，功能块之间既有独立的功能，又有一定的联系。程序块结构主要有主循环程序OB1，通信模块FC1 ，FC2和FC3，数据转换模块FC105和FC106，报警模块FC202等。

对于S7-200PLC，采用编程软件STEP7 MicroWin V4.0，利用梯形图语言编程，编程重点是模拟量的采集程序[8]。对于气化面的热电偶传感器，采用热电偶模块，进行数据采集。热电偶模块具有滤波和自动转换的功能，实际采样值是实际温度的十倍，转换算法比较简单，此处不再详述。系统采集的其他模拟量信号：温度、压力、液位、流量和浓度等，都是通过相应的变送器获得4～20 mA标准模拟电流信号。这些标准电流信号送入PLC扩展模块EM231进行AD转换，通过标度转换就可得到实际测量值。由于所选传感器的测试参量、量程、精度不尽相同，而且采集的数量很多，为了简化信号采集模块的设计，系统将EM23l统一配置为电流输入形式。对应的数据字范围为0-32000。对4-20 mA的标准电流信号，其相应的数据字范围即为6 400～32 000。电流信号标度转换公式为式(1)。

(1)

式中：X——实际测量值；

D——输入经AD转换后的数字量；

H——变送器的测量上限；

L——变送器的测量下限。

根据上述转换公式，编写通用电流信号标度转换子程序，可大大提高程序的复用性和编程效率。

2.2 MM440 PID控制

CPU315-PN/DP对变频器MM440的控制，通过PROFIBUS-DP总线来实现。即MM440通过DP通讯面板6SE400-1PB00-0AA0和主站通讯。调试时首先配备DP通讯面板变频器智能从站挂接在DP总线上，然后设置变频器参数，将变频器设定为闭环PID调节模式。DP主站通过STEP7组态MM440的通讯区，通过读写通信控制字，控制变频器的准备启动和停止、设定压力设定值、读取压力反馈值、变频器实际输出频率、读取变频器故障字，通过PID控制模块，控制变频器实际输出电压，从而实现地下气化过程中供气和引风的恒压控制。

3 上位机监控软件设计

上位机监控软件负责UCG系统的监控画面显示、数据的处理和存储、实时曲线和历史曲线显示等功能。FameView组态软件能够完全兼容西门子PLC的各种通信协议，可以使用普通网卡实现与西门子PLC的以太网通信，通过工控机以太网口直接与S7-300 CPU以太网通信，软件可靠性高、开发灵活，驱动设置简单，可以在较短时间内开发出界面友好，操作方便的上位机监控系统。

煤地下气化上位机监控系统采用模块化设计，主要有: 用户管理模块、设备通信模块、数据处理模块、显示和存储模块以及运行数据库几部分组成。其中用户管理模块负责设置用户的权限，通过通信模块驱动程序完成对PLC 的通信组态，实现工控机与PLC 之间的数据传输；数据处理、显示和存储模块主要工作是对PLC 上传来的数据进行处理、显示、存储和历史数据查询；数据库选择SQL-Server 2000数据库，保障系统运行数据的安全稳定。系统监控主画面如图3所示。

3.1 双机冗余

为了保障系统安全性和数据的完整性，上位机监控系统设置成双机冗余模式，一台工作，另一台热备(备用)。两台冗余监控主机通过局域网相连，IP地址设置在一个网段内，系统将自行判断A/B计算机IP地址，先启动的计算机为工作机(A)，另一台为备用机(B)。双击冗余启动后，会自动将工作机收到的数据自动同步到备用机上，当工作机故障时，系统自动切换到备用机，保障监控系统的正常运行。

3.2 数据Web发布和异地传输

监控软件开发了Web发布功能，将监控画面以网页的形式发布，用户可以通过网页浏览的方式，远程访问监控主机，实现数据远程查询和远程操作。另外，为了能够在华北科技学院煤地下气化实验中心监测到外地气化现场的数据，设计中采用了ADSL/GPRS数据服务功能，即通过当地的ADSL宽带或者GPRS通信模块，将现场数据实时传送至华北科技学院煤地下气化数据监控服务器，数据保存的同时，也能够监控气化现场的数据及画面，可使高校相关科研人员及时高效的了解煤地下气化现场的动态，为下一步制定有效的控制策略提供了有效的途径。如图4所示为煤气化还原过程部分温度数据曲线,结果表明，能够从本地和远程客户端同时监控到煤地下气化过程的各种参数数据。

4 结论

根据煤地下气化技术的发展需要, 在满足系统可靠性、先进性、可扩展性的前提下，在华北科技学院煤地下气化实验室煤气化实验平台，设计开发了基于S7-300 PLC和FameView组态软件的煤地下气化实时测控系统。经过近一年的运行

图3 煤地下气化监控系统主画面

图4 还原带温度实时监控曲线

结果表明，系统采集数据准确及时而且精度高，监控系统安全可靠，能够对气化现场的数据进行实时采集，通过PID控制保证恒压供气，能够提供安全报警，同时支持Web发布以及数据远程传输，满足煤地下气化生产监控的需求，具有较大的推广价值。

[1] 朱铭，徐道一，孙文鹏，等. 国外煤炭地下气化技术发展历史与现状[J].煤炭科学技术,2013,41(5):4-9，15.

[2] 余力.我国废弃煤炭资源的利用——推动煤炭地下气化技术发展煤炭科学技术[J].煤炭科学技术,2013,41(5)：1-3.

[3] Kacur,J.,Laciak, M., Durdan, M. Remote monitoring and control of the UCG process[C].Carpathian Control Conference (ICCC), 2011 12th International：176-180.

[4] 徐海，刘波.基于PLC的主排水泵远程监控系统的研究与应用[J].煤矿安全,2012,43(1)：73-76.

[5] 徐维维，胡亚非，李解.基于S7-300和Wincc的矿井通风机监测监控系统[J].煤矿安全,2012,42(7)：73-76.

[6] 赵克孝，上官科峰，卢熹.低碳经济背景下的煤炭地下气化技术[J].洁净煤技术，2011,17(6):1-3.

[7] 吉顺平,孙承志,路明.西门子PLC与工业网络技术[M]. 北京:机械工业出版社,2008：222-227.

[8] 向晓汉,刘摇摇.西门子S7-200PLC完全精通教程[M]. 北京:化学工业出版社,2012：229-239.

Monitoring and control system of UCG process based on S7-300 PLC

LI Guan，LI Wen-jun，WEI Jia-jun

(NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao，101601,China)

For monitoring operating parameters of the production process of UCG in real-time, Underground Coal Gasification remote monitoring and control system was designed, based on S7-300 PLC and configuration software. In order to guarantee the security and reliability of the system, monitoring host used dual redundancy. Ethernet and PROFIBUS-DP fieldbus were used in communication and PID is used in fans control. Running result shows the effectiveness of underground coal gasification real-time monitoring and control system.

UCG; S7-300; PROFIBUS-DP; dual redundancy; Web Publishing

2016-01-05

煤炭地下气化过程实时测控技术的研究(3142015088)

黎冠(1981-)，男，山东成武人，硕士，华北科技学院副教授，主要研究方向：工业智能监控与人机交互。E-mail：lg1268@126.com

TD844

A

1672-7169(2016)01-0086-06