摘　要：針對目前控制礦井氣熱值的方法及程序在實際應用中經常出現死循環等技術問題，分析了基于PID分程控制的控制方案和程序設計。

關鍵詞：礦井氣　PID分程控制　控制系統　PLC　摻混　熱值調節

Programming of Control System for Mine Gas Supply Device Stable Calorific Value

Abstract：In view of infinite loop and other technical problems in the practical application of methods and programs to control the mine gas calorific：value，the control scheme and programming based on the PID split range control are analyzed．

Key words：mine gas；PID split range control；control system；programmable logic controller(PLC)；blending；calorific value adjustment

目前，控制礦井氣熱值的方法及程序在實際應用中經常出現死循環等技術問題，無法保證系統的正常運行，嚴重影響了礦井氣的大規模商業應用。因此，該行業急需一種先進而穩定的控制礦井氣熱值的系統程序來保證正常運行^[1-3]。

1　控制系統程序方案設計

系統根據對原料礦井氣熱值進行在線監測，判斷其屬于3種工作狀態中的哪一種，然后開啟相應的回路進行自動調控。3種工作狀態如下：

①當礦井氣的低熱值高于19.26MJ／m³時，在礦井氣中摻混適量的空氣，使混合氣熱值達到18.84MJ／m³，供用戶使用；

②當礦井氣的低熱值在18.42～19.26MJ／m³范圍時，礦井氣不做調節，直接供用戶使用。

③當礦井氣低熱值低于l8.42MJ／m³時，在礦井氣中摻混適量的天然氣，使混合氣的熱值達到18.84MJ／m³，供用戶使用。

針對控制系統的控制要求及現階段控制程序存在的問題，經過多方調研，決定利用PID分程控制方法設計一套自動化程度高，具有良好的抗干擾性、可擴展性及不存在死循環的控制系統程序。

2　主程序設計

系統軟件編程由PLC編程和上位機編程兩部分組成，分別采用STEP7V5．3和WINCC6．0軟件。

2.1　PID分程控制設計

一般來說，一臺控制器的輸出僅操作一個控制閥。若一臺控制器操縱幾個閥門，并且按輸出信號的不同區間去操縱不同的閥門，這種控制方式習慣上稱為分程控制。

分程控制有兩方面的目的：一是擴大控制閥的可調范圍，以改善控制系統的品質；二是滿足工藝操作上的特殊要求^[3-4]。

同時，為了避免執行機構頻繁動作而造成死循環，針對該系統的生產過程被控變量不嚴格要求控制在給定值上，允許在規定的范圍內變化這一特點，決定在該系統中，采用帶有不靈敏區(即死區)的PID算式進行分程控制。

2.2　系統的程序設計

控制系統的關鍵程序一是摻混前的復雜邏輯判斷，二是電動比例閥的PID調節。邏輯判斷在系統主程序模塊中編制，PLC周期性掃描執行該程序。摻混后的氣體熱值與閥口開度的關系受到礦井氣熱值、管網壓力等因素的影響，沒有明確的數學函數關系，是非線型的。為了能使控制目標實現且程序算法計算量小，系統采用了分程控制的方法，對于不同熱值范圍內礦井氣采用分段比例閥控制，即控制對象在某個范圍內時，采用對應的PID算法，控制某特定的電動調節閥。若控制對象大范圍改變則改變控制回路，同時將其他各個電動調節閥關閉。各個電動調節閥的PID控制器參數不同，執行PID控制程序前需要判斷所控制的對象。

同時，采用結構化編程技術編制PID調節閥口開度的子程序，通過調用不同的子程序背景數據塊實現控制不同閥的目的。結構化編程將復雜的自動化任務分解為能夠反映過程的工藝、功能或可反復使用的小任務，這些任務由相應的程序塊來表示，程序運行所需的大量數據和變量儲存在數據塊中。

具體應用到該系統3種工作狀態中的程序控制如下：

當原料氣礦井氣低熱值大于l9.26MJ／m³時，熱值不符合輸出使用要求，需混合一定比例的空氣來降低熱值，應用帶死區的PID調節空氣回路中電動調節閥的開度。由于應用了帶有死區的PID控制方法，因此有效避免了死循環控制的出現，使整個摻混過程得以順利進行。在輸出信號發出前再對混合器熱值進行一次測量，如符合要求則輸出；如不符合要求，則重新進行控制調節，直到最終符合要求后輸出。其中符合輸出要求的低熱值給定位為18.84MJ／m³，誤差值為±0.42MJ／m³。

當原料氣礦井氣的低熱值在大于或等于18.42MJ／m³而小于或等于l9.26MJ／m³這一區間時，就認為礦井氣質量合格，不需調節，可以直接通過混合器輸出。

當原料氣礦井氣低熱值小于l8.42MJ／m³時，熱值不符合輸出使用要求，需混合一定比例的天然氣來提高熱值。應用帶死區的PID調節天然氣回路中電動調節閥的開度。由于應用了帶有死區的PID控制方法，因此有效避免了死循環控制的出現，使整個摻混過程得以順利進行。在輸出信號發出前再對混合器熱值進行一次測量，如符合要求則輸出；如不符合要求則重新進行控制調節，直到最終符合要求后輸出。其中符合輸出要求的低熱值給定值為18.84MJ／m³，誤差值為±0.42MJ／m³。

在“誤差信號處理”中經過控制死區限定，交由“PID算法”處理，其輸出值經過再次線性處理和限幅，以實數形式或模擬量模板認可的形式輸出。在處理過程中，還可以選擇手動模式，以設定的手動值作為控制器輸出。

本裝置的控制系統，采用了具有精簡指令系統、低成本和高可靠性的PLC，使控制系統簡單、實用，用PID分程控制作為調節方式，軟件系統采用組件化技術，具備了極好的開放性。該系統本身提供了標準的數據接口，可以與其他應用系統進行對接，為整個應用系統的集成提供了良好的架構。

3　結論

本裝置控制系統成功地解決了礦井氣的穩定熱值供應裝置自動控制系統程序死循環控制的問題。采用PID分程控制對電動調節閥進行調節，實現輸出熱值穩定的燃氣。該程序參數整定方便，結構改變靈活，適應性強，穩定性好，可靠性高。

參考文獻：

[1]范根慶，萬大培，彭貴銀．天府礦務局瓦斯資源和利用[J]．煤氣與熱力，1994，14(9)：66-72．

[2]劉坤，王愛華，張延軍，等．低壓瓦斯氣回收系統自動控制方案[J]．石油化工自動化，2004(5)：106-109．

[3]陳楫國，李秀芝．煉廠瓦斯氣的回收利用及自動控制[J]．節能，2001(6)：34-38．

[4]胡玉新，李宇成．模糊控制系統的模擬調試[J]．北方工業大學學報，1999(3)：50-54．

本文作者：黎延志  于江華  王運閣  楊旭  徐方  羅興月

作者單位：安徽省天然氣開發股份有限公司

  中交煤氣熱力研究設計院有限公司

  沈陽鼓風機集團股份有限公司