PLC 在沼气生产智能增压系统中的应用研究

周月侠

（衡水职业技术学院，河北 衡水053000）

该项目以实际工程项目为载体，运用西门子S7-1200 系列PLC,结合沼气生产增压系统工艺特点，研发出一套沼气生产中增压环节的智能控制系统。系统可以通过上位机对增压现场进行监测，对整个工艺及生产过程中压力、流量、温度等进行实时监测的同时，能自动采集信息形成数据库，且具有安全、消防等系列危险预警功能。同时，通过上位机对下位机的控制，调节现场阀门、开关等实现压力、流量的闭环控制，保证工艺装置安全、平稳生产运行。

1 系统整体设计

系统整体设计要求主要包括实现以下几个方面功能：

（1）提供辅助电机控制的就地隔爆操作柱及辅助电机的马达电气柜，实现辅助电机的就地控制；机组马达电气柜（MCC）实现辅助电机的自动控制，具备完善可靠的过电流保护功能，并将各马达的操作和运行状态传送至PLC。

（2）机组需设置PLC 控制柜，放置于低压配电室。每套PLC 控制柜包括CPU 处理单元、I/0 模块、直流电源、触摸显示屏、信号隔离器、外部链接端子等。

（3）机组PLC 控制柜需完成但不仅限于功能如下:机组的所有过程数据的采集处理；机组的报警、联锁逻辑控制;机组的流量调节；机组的就地激活、停止、紧急停车；控制系统的故障诊断和容错控制；与DCS 实时通讯、TCP/IP 通讯协议；简便的人机操作接口。

1.1 沼气生产增压环节工艺流程

沼气增压工艺流程，首先沼气反应罐产生的沼气通过送风机后压力升至0.2～0.5bar，该沼气被送至增压机的入口前置过滤器，经过初级过滤，气体进入入口分离器，将沼气中含有的水分初步分离，之后进入后置过滤器，经过再次精密过滤，进入喷油螺杆压缩机对沼气进行增压，将沼气压力增加至8～9bar。增压后的沼气进入油气分离器，分离出经压缩后加沼气的油分后，进入换热器进行冷却。冷却后的沼气再通过气液分离器将压缩后沼气含有的水份再次分离后，进入微油精密分离器再次除油。最后进入活性炭除油后送入下一步提纯工艺。

1.2 系统控制要求

1.2.1 被控对象压缩机技术参数

沼气压缩机的排气压力1.0MPaG，单台机组额定流量为2625Nm3/h，两台机组总流量5250Nm3/h。两台沼气压缩机机组均通过变频调节流量，即自行在触摸屏上设定流量后，两台机组均能通过自带的PLC 系统自动实现变频调节过程,满足1500～5250Nm3/h总流量调节范围。

1.2.2 安全区控制柜

1.2.2.1 1 台套PLC 控制柜，放置于安全区低压配电室，防护等级IP54。1.2.2.2 西门子PLC S7-1200 控制系统，预留上位机系统以太网接口，可实现远程监控液晶显示屏，触摸屏设计。1.2.2.3 压缩机所有信号接入PLC 系统中，实时显示压缩机系统中的进气压力、排气压力、润滑油压力、排气温度、润滑油温度、电压、电流、故障、启停等信息。1.2.2.4 控制按钮安装于柜体上，包括启动/停机、紧急停机复位、就地/远程选择开关。

1.2.3 安全区变频启动柜

1.2.3.1 1 台套变频启动柜，控制电机变频运行，放置于安全区低压配电室。1.2.3.2 辅助电机的自动控制，具备完善可靠的过电流保护功能，可将电机的操作和运行状态传送至PLC。

1.3 控制系统硬件设计

根据生物燃气增压环节生产工艺要求,设计其硬件智能控制系统。该系统主要由检测与执行部分、PLC 逻辑程序控制部分、上位机监控三部分。其中上位机采用工业计算机，用来监控系统增压过程中的压力、温度、液位等参数，并根据检测到的参数向PLC 发送指令，以控制相应的执行机构动作；下位机PLC 逻辑控制部分选用西门子S7-1200 系列产品。根据设备的情况和工艺要求，CPU 模块采用6ES7 215-1AG40-OXBO，AI 模块采用6ES7 231-4HD32-OXBO，显示屏采用6AV6 647-OAF11-3AXO，通讯模块采用CP343-16GK7 277-1AA10-OAA0，与利用以太网通信。需要注意的是考虑到以后系统升级等需求，在实际生产中，PLC 输入、输出应有部分冗余。

1.4 控制系统软件设计

1.4.1 启动条件

压缩机启动前，必须满足的两个条件：一是没有报警出现，二是电机最小停止延时时间（最后一次停止到下一次启动之间有20分钟延时）。

1.4.2 起动顺序

当环境温度低于30℃时，油加热器先预热15 分钟，再起动压缩机。其流程图如图1 所示。控制系统在启动阶段要为各种报警及警告设置延时。在延时时间内各种报警及警告信号保持激活状态，但不执行停机及警告动作，如果到达延时时间，各种报警及警告仍存在，则采取动作。

1.4.3 停机顺序

在收到停止命令后，顺序如流程图如图2 所示。

1.4.4 变频器转速和回流阀开度调节时序

当压缩机启动时，会以一个初始启动转速运行；启动之后，需要根据所需排气压力调节变频器转速和回流阀开度。如图3 所示。

图3 变频器转速和回流阀开度调节时序图

2 系统实现

2.1 下位机PLC 程序设计

根据生物燃气增压工艺特点与要求，将系统的PLC 控制程序设计成启动顺序模块、报警模块、模拟量采集模块、通讯模块四个模块。

启动顺序模块：设备启动顺序流程设计，对卸载电磁阀、散热装置、变频器进行控制。报警模块:当系统增压过程中压力、温度等参数超过上、下限时,系统将发出报警信号，提醒操作人员系统设备出现故障。模拟量采集模块：分别检测增压系统压力、温度、可燃气体含量、变频器转速电流等参数，将数据采集到PLC，通过操作屏进行数据显示，方便操作人员进行数据监控。通讯模块：将系统启停控制及采集到的数据上传到上位机。

2.2 上位机监控界面实现

在系统设计中，选用WinCC 软件实现系统上位机监控界面的搭建，对沼气生产过程增压系统进行实时监控。整个监控系统包括起始画面、状态监控(一)、状态监控(二)、参数设置及故障信息设置五个窗口。其主画面主要监控压缩机排气温度、压缩机润滑油压力、压缩机出口温度、压缩机排气压力、压缩机润滑温度、电机转速、压缩机启停状态等变量。

具体实现如下：

2.2.1 创建组态工程

在组态环境下建立名为“沼气增压控制系统”的新增应用程序。

2.2.2 创建数据对象

在组态工程中，数据对象是连接每个环境的关键。首先，在数据库组态界面将所有需控制的量创建到工程项目中；其次，定义组态软件内部的I/O 变量，给每个变量定义属性。在使用软件时须注意数据库的建立，创建数据库变量并与PLC 设备数据进行连接，该系统中各检测点的温度、压力、流量、阀门开度等都需要保存在数据库中。在建立数据库时，先按照变量类型创建新变量,并设置其基本参数、报警参数等，然后把已创建的变量与现场的I/O 设备检测到的某一具体数据项通过设备连接建立关系。

2.2.3 构建监控画面

根据系统的控制要求,利用组态软件系统图库来搭建沼气生产增压控制系统。通过变量连接使沼气增压系统现场设备的工作状况、各传感器数据和控制参数以动画的形式反映在监控屏幕上。同时，操作人员可根据生产要求直接控制现场设备或修改工艺参数。

3 结论

运用西门子S7-1200PLC, 设计沼气生产智能增压控制系统，操控稳定、运行效果安全、适应性强，充分体现出了PLC 可靠性高、抗干扰能力强的特性。此外，该系统还可实现监控整个工艺生产现场运行状况，进行数据采集及传输、故障报警等功能。为沼气生产中增压系统的良好运行提供完善的数据支撑和系统保障，达到了设计预期。