煤气加压站控制系统设计

攀枝花学院本科毕业设计（论文） 摘 要

摘 要

煤气加压过程是生产加工的重要环节，在大量使用煤气作为热源的场合，由于生产工况不稳定而极其容易造成用气量大幅度频繁波动，同时由于气源管网方面的状况原因，仅靠阀门调节根本无法满足生产要求，直接影响生产的质量和产量。煤气混合加压过程复杂，影响因素多，而我国绝大多数加压站都采用手动控制的方式，这就使得混合煤气的生产质量远远不能达到生产要求，这就需要一种有效的控制方法和控制系统，来使煤气的质量达到合格标准。本文针对攀钢某加压站选用西门子S7-200型PLC及G150系列变频器设计了煤气加压PLC控制系统，实现了煤气加压过程的自动化控制。该系统具有操作简单、运行良好、抗干扰能力强、编程简单、控制精度高的特点，在实际运用中，达到了良好效果。

关键词 煤气加压站，闭环控制，PLC，PID，变频器

ABSTRACT

Production and processing of gas compression process is an important link in the extensive use of gas as a heat source of the occasion, because the production is extremely unstable conditions likely to cause frequent fluctuations in gas consumption dramatically, and because the gas supply pipe network's status reasons alone valve regulated simply can not meet production requirements, a direct impact on the production of quality and yield. Pressurized gas mixing process is complex, many factors, but the vast majority of compressor stations are manually controlled manner, which makes hybrid gas production quality is far not achieve production requirements, which requires an effective control method and control systems, to make the gas quality to meet the eligibility criteria. In this paper, a compression station selects Panzhihua Siemens S7-200 PLC and the G150 series inverter-type design with gas pressurized PLC control system to achieve automatic control of gas pressure process. The system has a simple operation, good anti-interference ability, simple programming, control and high accuracy, in practice, to achieve good results.

Key words gas pressure，loop control，PLC，PID，VFD

目 录

摘 要 ............................................................................................................................... I ABSTRACT .......................................................................................................................... II

1 绪 论 .......................................................................................................................... 3

1.1概述 .......................................................................................................................... 3

1.2 煤气加压系统的作用、特性及研究现状 .................................................................... 3 2 现场工艺及控制要求 ................................................................................................ 5

2.1 攀钢某煤气加压站的工艺流程 ................................................................................... 5

2.2 煤气加压站的控制要求 ............................................................................................. 5 3 控制系统设计 ............................................................................................................ 7

3.1 控制系统框图 ........................................................................................................... 7

3.1.1 热值调节回路 .................................................................................................... 7

3.1.2 混压调节回路 .................................................................................................... 8

3.1.3 出口压力（变频）调节回路 ............................................................................... 9

3.1.4 出口压力（泄放）调节回路 .............................................................................. 10

3.2 蝶阀的设计 .............................................................................................................. 11 4 系统硬件设计 ........................................................................................................... 13

4.1 PLC的选型 .............................................................................................................. 13

4.1.1 I/O口地址的分配 ............................................................................................. 13

4.1.2 CPU及扩展模块的选择 ...................................................................................... 14

4.1.3 PLC的外部接线图 ............................................................................................. 14

4.2 煤气加压机的选型 ................................................................................................... 15

4.3 流量变送器的选型 ................................................................................................... 16

4.4 执行器的选型 .......................................................................................................... 16

4.5 变频器的选型 .......................................................................................................... 17

4.6 传感器的选型 .......................................................................................................... 18

4.6.1 温度传感器的选型 ............................................................................................ 18

4.6.2 压力传感器的选型 ............................................................................................ 18

5 系统软件设计 ........................................................................................................... 20

5.1 系统主程序流程图 ................................................................................................... 20

5.2 调节阀控制流程图 ................................................................................................... 20

5.3 PID调节流程图 ....................................................................................................... 22

5.4 变频器调节流程图 ................................................................................................... 23

5.5 混合加压压力调节流程图 ........................................................................................ 24 6 系统特色和优势 ....................................................................................................... 26

6.1 原系统存在的问题 ................................................................................................... 26

6.2 改造后系统的特色和优势 ........................................................................................ 26 7 结束语 ....................................................................................................................... 28 参 考 文 献 ................................................................................................................... 29 附录Ⅰ ............................................................................................................................. 30 致 谢 ............................................................................................................................... 38

1 绪 论

1.1概述

能源是人类赖以生存和发展的基础。我国人口众多，资源有限，并且许多资源都是不可再生的。当前，资源短缺和经济快速发展的矛盾日益突出，已成为制约经济可持续发展的瓶颈之一，特别是能源的过度消耗和浪费已经成为一个亟待解决的问题。“历览前贤国与家，成由勤俭败由奢”，勤俭节约是中华民族的优良传统美德，在现代化发展的今天，节约能源、合理使用能源这一关键就显得尤为重要。近年来，国际能源的走势一直是世界各国关注的焦点。2008年以来，受国际石油价格波动的影响，液化石油及天然气的价格也随之出现同步震荡，而中国煤炭资源相对丰富，单位热值价格相对较低，受国际能源的影响也较小，另一方面，煤炭的燃烧会产生大量有害气体，直接排入大气势必会对环境产生影响。所以，作为直接燃料应用的煤炭又受到国家的严格控制。

煤气既符合中国能源安全战略和环保政策的要求，又符合相关燃耗企业的利益要求，得到了诸如玻璃、陶瓷、冶金、机械、化工等燃耗较大的广泛应用。在这种形势下，煤气的合理开发及充分应用就显得极其重要。然而普通煤气加压机系统存在着许多不足之处，作为系统控制参数煤气出口压力未采用自动控制方式，人工操作滞后大，不能准确、及时的跟随压力变化，造成压力波动，影响用户使用等等问题相继出现。

1.2 煤气加压系统的作用、特性及研究现状

在这种形式下，煤气的合理开发及充分应用就显得尤为重要。经过各位专家、学者的研究和论证，将PLC应用于该控制具有操作简单、运行可靠、抗干扰强、编程简单、控制精度高的特点。在控制的过程中，煤气加压控制系统可根据参数的修改实现对供气现场的准确控制。

对煤气加压机的自动控制可以使加压机在需要加压的时段进行自动加压，其整个工艺过程非常符合闭环控制的要求。所以，在控制过程中，采用PLC对煤气加压机进行控制，它较好的解决了加压不稳定、设备工作效率低等一系列问题。为了充分发挥设备效能，迅速提升加工技术与精度，降低生产成本，越来越多的企业每年投入大量资金和技术对传统老式的继电器—接触器控制系统进行技术改造，取得了良好的效果。经实践证明，用PLC、工业组态软件、模\数模块、监控设备等组成的电气数字控制系统，以实现编程输入、人机交互、自动化加工的控

制方式，扩大加工能力，减少故障，提高效率，已成为企业进行技术改造的有效途径。

控制系统从20世纪40年代就开始使用，早期的现场基地式仪表和后期的继电器构成了控制系统，现在所说的控制系统多指采用电脑或微处理器进行智能控制的系统，在控制系统的发展史上，称为第三代控制系统，以PLC和DCS为代表，从70年代开始应用以来，在冶金、电力、石油等工业过程控制中获得迅猛的发展。在国外，工业自动化程度已经很高，很多工厂都已全面使用智能化仪表控制，这种控制人工操作滞后性小；连锁保护功能完善，且线路简单，故障率低；利于维护各种工艺参数历史趋势记录，对机组的运行方式是否经济进行确切分析；发生故障后便于查找原因。

因此，将PLC应用于煤气加压控制系统，具有操作简单、运行可靠、抗干扰强、编程简单、控制精度高的特点。提高了系统的可靠性，使得混合煤气生产质量和产量达到生产标准。

2 现场工艺及控制要求

2.1 攀钢某煤气加压站的工艺流程

攀钢某煤气加压站，共有加压机5台，其中高炉煤气加压机共3台，开两台备一台；焦炉煤气加压机共2台，开一台备一台。整个加压系统为高炉煤气与焦炉煤气的混合加压系统。

首先，从煤气站供出的高炉煤气经煤气管网分三个支管分别送入三个蝶阀前，然后经过蝶阀的调节再送入加压机，通过加压机的加压后，三个压力指示表显示其压力；焦炉煤气经煤气管网分两个支管分别送入两个蝶阀前，然后经过蝶阀的调节再送入挤压机，通过加压机的加压后，两个压力指示表显示其压力，这时经过加压后的高炉煤气和焦炉煤气按一定流量比值（4:1）混合，通过流量、压力，温度等在线仪表的检测后，最终输送给用户符合生产标准的混合煤气。

在此加压过程中，高炉煤气加压机和焦炉煤气加压机都采用了变频调节，这样就能保证输送到用户的混合煤气压力值的稳定。

如下图所示，为攀钢某煤气加压站的工艺流程图。

图2.1 攀钢某煤气加压站工艺流程图

2.2 煤气加压站的控制要求

根据上面的工艺流程我们可以知道，混合煤气的压力和热值是衡量用户气源质量的主要指标。

根据煤气混合加压站的生产工艺再结合相关资料，我们了解到，加压站是以高炉煤气为主气，它是不可控制的，取决于用户用量；焦炉煤气为辅气，要求使

得高、焦煤气的配比约为为4:1。

表面上看，混合煤气的压力于用户的要求无关，但在实际中却发挥着相当重要的作用，它既能影响混合煤气的热值，又能影响其加压后的压力。可以说，混合煤气的压力调节不到位，则热值调节和挤压后的压力调节都无从谈起。这也就是煤气混合加压站经常出现各种不稳定状况的根本原因之所在。

在加压机的运行过程中，当混合煤气的流量减小到某个值（喘振工况）时，这时，加压机的出口压力会大幅度降低，但是整个煤气管网中的压力不会一下子就跟着减小，也就是出现了一边压力大，一边压力小这种压力不平衡的情况，管网中压力较大的气体就会倒流到加压机，直到管网中的压力和加压机出口压力相等时，才停止倒流。接着，加压机向管网供气，将倒流的气体压出去，接着，加压机的压力再次减小。如此循环往复，整个加压系统出现周期性的压力波动和气流震荡的现象，所以加压机产生振动并发出很大的声响，这就是加压机产生“喘振”的原因。

综上所述，为了避免产生这些危害加压过程的问题，煤气混合加压站的控制要求可以归纳为下面几个方面：

1.调节混合煤气的热值，使高、焦煤气的配比约为4:1.

2.调节混合煤气的压力，使混合煤气的压力能保持在一个稳定的范围内。

3.混合煤气加压机的后压力能够保持在一个稳定值，保证出口压力不至于太低。

4.设计出口压力泄放回路，避免出现加压机的“喘振”现象。

3 控制系统设计

3.1 控制系统框图

通过以上工艺流程及控制要求，我们可以得到煤气加压站控制系统的框图。如图所示。

图3.1 煤气加压系统控制框图

本次控制系统主要包含以下四个调节回路：热值调节回路、煤气混合压力调节回路、加压机后压力（变频）调节和加压机后压力（泄放）调节。现分别逐一说明。

3.1.1 热值调节回路

热值是衡量用户气源质量的主要指标之一。煤气混合加压站的气源以高炉煤气为主，它是不可控制的，主要取决于用户的用气量；焦炉煤气为辅助气源，根据工艺要求，控制其阀门，使得高炉煤气与焦炉煤气的配比达到一个稳定的值。

本次改造方案中的热值调节回路为串级、交叉限幅调节系统。以热值调节为主环，焦炉煤气调节为副环，加入了高、焦煤气流量单交叉限幅。焦炉煤气流量

的设定值不单单取决于热值调节器输出的信号限制，而且还受到高炉煤气流量瞬时值的限制。本次设计，按高、焦理论配比值求出应配焦炉煤气流量值，乘以1.05和0.95作为输出信号的上、下限值。

热值调节回路如图3.1所示：

图3.2 热值调节原理框图

该控制原理能达到三个效果：第一，使焦炉煤气调节器的调节量适中，不至于过大或过小，从而使高、焦配比值稳定在一个小范围；第二，使主环调节器不至于产生调节饱和，加快了滞后较大的主环的动态响应，改善了系统调节的品质。第三，当热值仪出现故障时，此时的调节相当于流量的配比调节，对热值仪也起到保护性的作用，符合设计的初衷。

对此回路，我们可以用一台调节器和两个阀门的控制方案来实现串级调节，具体做法为：在计算机中设置软调节器，把它的信号输送给手动操作器，达到控制电动蝶阀的目的。为了避免二个阀门同时动作，形成超调，必须将手动操作器死区设置的不同。当输出的阀位信号和反馈的阀位信号不一致时，死区小的手动操作器率先动作，当它们的偏差不大时，控制回路就能马上调节过来；当系统的调节量不够时，偏差继续增大，这时死区大的手动操作器立刻动作，继而加大调节力度，使系统迅速回到稳定的状态上来。当系统的偏差很大时，就会出现超出二者死区范围的现象，则二阀同时动作，使偏差迅速减小到一定范围，此时死区大的调节阀停止动作，死区小的调节阀进一步精确调节。

热值调节回路的工作流程：当混合煤气流经热值调节回路时，焦炉气调节器动作，通过控制阀门的开度来调节焦炉煤气的流量，同时焦炉煤气的流量又对焦炉气调节器造成一个负反馈调节的效果，另一方面输出的热值又经过热值仪的检测，对热值调节器起到负反馈调节的作用。流量调节是这一回路的关键。通过串级热值调节回路的控制，最终使高、焦煤气的配比达到规定的值。

3.1.2 混压调节回路

煤气混合后的压力调节在实际中既能影响混合煤气的热值，又能影响其加压后的压力。可以说，混合煤气的压力调节不到位，则热值调节和挤压后的压力调节都无从谈起。本次设计回路为串级调节系统，通过建立数学模型来模拟随着高

炉、焦炉煤气气源压力波动而自动设定混合后煤气的压力值，另一方面，又由上、下限幅调节使工艺操作变得更加简便快捷。通过这一回路的调节，机前混和压力能够随高、焦煤气压力波动而自动调整，保证了焦炉煤气的配比值，也保证了机前压力变化范围不至于太大，同时减少了对加压机后出口压力的干扰。

如图所示，为混压调节的框图。

图3.3 混压调节回路框图

可以说，控制好了高炉煤气进料的阀门，就相当于混合压力调节成功了一半。和热值调节回路一样，本回路也采用了一台调节器控制两台电动阀的方式，减少了其它无关因素的干扰。

混压调节回路的工作流程：当混合煤气流经混压调节回路时，由于我们设置了压力调节值，如果压力值过高或过低，通过变送器的检测，继而使调节器动作，通过控制阀门的开度，来保证压力的稳定，另一方面压力变送器又将检测结果反馈给控制系统，从而达到对压力的调节，最终使混合煤气的加压压力达到一个稳定的值。

3.1.3 出口压力（变频）调节回路

混合煤气经加压后，出口压力也是用户气源的主要质量指标之一。用变频器来控制加压机是节能并且成熟的应用。本回路为一定值单回路调节系统，其设定值为13kpa，当加压后出口压力升高或降低时，就增大或减小变频器的输出频率，从而改变加压机的转速。在PLC上设置了最高、最低运行频率，从而保证出口压力不至于太高或太低。这两个频率运行下限是保证加压机设备安全、用户正常生产的必备条件。

在煤气加压控制系统中，压力传感器将压力转换成标准量程的电流或电压后送给模拟量输入模块，经A/D转换后得到与压力成比例的数字量，CPU将它与压力设定值比较，并按控制规律对误差进行计算，将运算结果送给模拟量输出模块，经D/A转换后变为电流或电压信号，用来控制变频器的频率，进而控制加压机电机的转速，实现对煤气加压系统的控制。

在这一回路中，我们加入了PID调节器。PID调节是比例、微分、积分调节的缩写，其广泛应用在闭环控制系统中。其中，比例调节作用大，能够加快调节，

但是过大的比例反而会使系统的稳定性降低；积分调节，能够消除系统的稳态误差，提高误差度，其输出值常为定值，其调节作用与时间积分常数t有关；微分调节常反应系统偏差信号的变化率，能产生超前的控制作用。其调节的优点：1.不需要被控对象数学模型。2.较强的灵活性和适应性。3.结构简单，便于实现。

其控制结构图如下：

图3.4 出口压力调节控制框图

出口压力（变频）调节回路的工作流程：当混合煤气流经出口压力（变频）调节回路时，由于我们设置了压力调节值，如果压力值过高或过低，通过变送器的检测，将测的量送给模拟量输入模块，经过转换变为电流或电压信号，继而使变频器动作，通过改变变频器的频率，来控制加压机的转速，最终实现对压力的精确控制。

3.1.4 出口压力（泄放）调节回路

这又是一种对出口压力调节的方式。本设计回路为一定值单回路调节系统。我们把其值设定的比压力变频调节的值稍高一些，为14Kpa。随着出口压力升高或降低时，增大或减小泄压阀的开度，达到用泄放的手段来求得压力稳定的效果。

设计框图如下图所示：

图3.5 出口压力（泄放）调节控制框图

这样做的好处就是，在调节过程中，不会出现即保持加压机转速较高，又使泄放阀在一定的开度状态下的问题，同时这也就是为什么同样是压力调节，而它们的值设置的不一样的原因。

出口压力（泄放）调节回路的工作流程：当混合煤气的流量减小到某个值（喘振工况）时，这时，加压机的出口压力会大幅度降低，但是整个煤气管网中的压力不会一下子就跟着减小，也就是出现了一边压力大，一边压力小这种压力不平

衡的情况，管网中压力较大的气体就会倒流到加压机，直到管网中的压力和加压机出口压力相等时，才停止倒流。接着，加压机向管网供气，将倒流的气体压出去，然后，加压机的压力再次减小。如此循环往复，整个加压系统出现周期性的压力波动和气流震荡的现象。通过本回路的设计，当压力变送器检测到压力值与我们设定的值不一样时，然后泄放阀动作，通过阀门的开度来通过改变煤气流量，以至于达到两者压力相等的情况，避免了加压机的“喘振”现象出现。

综上所述，通过此回路的调节，使得加压机的转速不会过高，避免出现加压机的“踹振”现象，延长了加压机的使用寿命。

3.2 蝶阀的设计

由于混合煤气加压过程复杂、气源压力波动范围大、加压机转速的改变、蝶阀开度的调节都将影响煤气的压力 。所以，蝶阀设计的好坏，就成为能否保证煤气压力合格的重要条件。

在本次控制系统设计中，使用了蝶阀组来调节煤气的热值比。控制设计推导如下：

图3.6 焦炉煤气压力—流量过程图

在图中，P0为1#蝶阀前煤气的压力值，P1为2#蝶阀前煤气的压力值，P2为2#蝶阀后煤气的压力值，H为焦炉管道煤气流量，U1、U2分别为1#蝶阀和2#蝶阀的开度。

根据公式可得，压力—流量这一过程可以描述为：

当两个回路都处于开环状态下，H对U1的增量即第一放大系数为：

当压力回路闭合时，H对U1的偏导数即第二放大系数为：

相对增益为：

同样可以得出：U2对流量H的增益 λ

12

如果用P1来表示压力—流量，则

最终，我们可以得到此压力—流量系统的相对增益为

当P1≈P2，则相对增益矩阵无限接近于单位矩阵，说明用阀1去控制流量，阀2去控制P1压力是符合要求的。

当P1≈P0，说明用阀2去控制流量，阀1去控制P1压力是符合要求的。 当P1≈（P0-P2）/2，则说明同时调节阀1和阀2能达到比较好的效果。

4 系统硬件设计

本次控制系统设计中硬件包括PLC、加压机、变频器、变送器、传感器等部分。

4.1 PLC的选型

4.1.1 I/O口地址的分配

（1）输入输出信号的分析

根据上述设计方案，本次设计的模拟量输入信号：高炉煤气的流量、焦炉煤气的流量、混合煤气的温度、混合煤气的压力、CO的浓度。

数字输入量有：系统的启动、系统的手动停止、消铃按钮、试灯按钮。

模拟量输出信号有：变频器输出上限频率、变频器输出下限频率、调节阀。 数字量输出有：温度上限报警、混合煤气压力报警指示灯、报警电铃、CO浓度上限报警指示灯。

（2）I/O口统计

初步估计数字量I/O点数为4个输入和4个输出点数，模拟量I/O点数

为5个输入和2个输出点数.为了随时增加控制功能，增加10%的备用量：

数字量输入量点数：4x（1+10%）=5

数字量输出量点数：4x（1+10%）=5

模拟量输入量点数：5x（1+10%）=6

模拟量输出量点数：3x（1+10%）=4

4.1.2 CPU及扩展模块的选择

西门子公司的S7-200 PLC是一种叠装式结构的小型PLC，它指令丰富、功能强大、结构紧凑、便于扩展、可靠性高。

从CPU模块的功能上来讲，S7-200系列PLC具有以下五种不同结构配置的CPU单元。

（1）CPU 221有6输入4输出，无扩展，存储量小，有一定的高速计数能力，适合于点数少的控制系统

（2）CPU 222有8输入6输出，可以进行模拟量的控制和两个模块的扩展，应用更广泛的全功能控制器。

（3）CPU 224有14输入10输出，有7个扩展模块，内置时钟，拥有模拟量处理和高速计数处理的能力，是S7-200系列中使用最多的产品

（4）CPU 224XP是最新推出的一款实用机型，最大的不同是主机上增加了2输入1输出的模拟量单元和一个通信口，适合有少量模拟信号的系统中使用

（5）CPU226 有24输入16输出，增加了通信口的数量，通信能力大大增强，用于点数较多，要求较高的小型和中型控制系统。

综上所述，我们选择CPU 224，EM235模拟量输入和EM235模拟量输出。本设计的PLC选择的CPU 224的传感器电源24V(DC)可以输出600ma电流。

4.1.3 PLC的外部接线图

由I/O的分配地址可知，PLC的外部接线图如图所示。

图4.2 PLC的外部接线图

4.2 煤气加压机的选型

煤气加压机主要用于煤气的输送,加压等等用途。有单级、多级、增速等多种形式，对于加压机的选择主要是根据用户所需煤气压力的要求及功率、性价比来决定的。经综合考虑，本系统选择D200-32煤气加压站专用型离心鼓风机。

本加压机为单吸双支撑结构，鼓风机与液力偶合器、液力偶合器与电动机通过联轴器直联传动，从电动机端看，风机转子为顺时针方向旋转。风机进出口方向均向下。

转子由主轴、四级叶轮、轴套等组成。主轴用优质钢制造，叶轮为焊接结构，叶片型式为后向型，与前、后盘焊接在一起，叶轮采用高强度合金钢。平衡盘可以平衡转子的轴向推力。转子装配后作静、动平衡试验，保证风机运转平稳可靠。支撑和止推轴承均采用稀油站强制供油润滑的滑动轴承。

该机具有使用效率高、运行平衡、安全可靠、易损件少、安装、操作、维护简便等特点。

主要性能指标：（1）结构：单吸双支撑。

（2）连接方式：膜片联轴器连接。

（3）轴承型式：滑动轴承、强制润滑。

（4）密封形式：迷宫式密封。

（5）排污方式：机壳旁设有排污口，自带法兰。

（6）润滑系统：由油站主、辅油泵强制供油润滑。

（2）随机仪表：可配一次仪表，也可配套使用二次仪表，能

直接显示并输出4—20mA信号。

4.3 流量变送器的选型

流量变送器又称流量计，它是高精度、高可靠性的精密测量型仪表。在煤气加压站上用的最多的是孔板式流量计，所以，我们选用JY-LGB型差压流量计。

差压流量计是由一次检测元件和二次显示装置构成，广泛应用于气体、液体流量检测的一种装置。它具有使用可靠性高、维修方便、结构简单、性能稳定等优点。

其工作原理：差压流量计由节流装置，导压管和差压计三部分组成。当液体充满管道并流经管道内的节流装置时，在节流装置附近局部收缩，液体的上、下两侧产生静力差。在知道相关参数的条件下，可根据液体流动连续性原理和伯努利方程推导出流量的大小。

JY-LGB型差压流量计是将标准孔板和多参数差压变送器（温度变送器、压力变送器等）配套组成高量程比差压流量装置，可测量气体、液体及蒸汽的流量，广泛应用于工矿企业的过程控制和检测。

主要技术指标：（1）公称通径：15mm-1200mm

（2）公称压力：小于10Mpa

（3）量程比：1:10和1:15

（4）温度：-50—550度

（5）精度：0.5和1.0级

4.4 执行器的选型

执行器的选择：调节阀的流量特性为流过阀门的流体的相对流量与阀门的开度的关系。相对开度是调节阀某一开度行程与全开行程之比。执行器是由执行过程和调节阀组成的，执行阀和调节机构都有正反作用两种作用，因而气动调节阀也有气开和气关两种形式。如图所示。

图 4.3 气关阀和气开阀

从生产工艺方面考虑，一旦控制系统发生故障，首要保证人的生命安全，由于煤气加压后的压力非常大，会对人产生一定的威胁，所以本系统采用气关式的阀门，它采用4-20mA模拟信号与控制系统相连，采用数字通信方式进行组态、数据检索和故障信息诊断等通信传输。

4.5 变频器的选型

变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。它主要由两部分电路构成，一是主电路（整流模块、电解电容和逆变模块），二是控制电路（开关电源板、控制电路板）。它的功能是将频率固定的交流电变成频率可调的三相交流电。

根据公式：n0=60f/p 其中：n0为旋转磁场的转速，f为电流的频率，p为旋转磁场的磁极对数。

工作原理：P一般为一定值，当频率f可调时，电机旋转磁场的转速也可调。由于异步电动机的转子转速比旋转磁场的转速略低一些，所以当旋转磁场的转速可调时，异步电动机的转速同样可调，变频器也就是改变电流f的频率，达到改变电动机转速的效果。

变频器有很多种类，根据系统需要，选择风机水泵类变频器系列西门子G150系列。

其主要功能参数：

·采用先进磁通矢量控制方式,调速比可达1：120 (0.5-60Hz)。

·具有平方转矩负载的驱动系统既不需要较高的过载余量，也不需要具有高性能和高动态响应的闭环控制或实际速度编码器。

·结构紧凑，模块化设计，极易维护，无故障设计，易于连接，装配简单。

·柔性PWM,实现更低噪音运行。

·内置通信模块,支持符合全世界主要通信协议。

·PID等多种功能适合各种应用场合。

·过电压、欠电压保护。

·变频器、电机过热保护。

·接地故障保护、短路保护。

·闭锁电机保护、防止失速保护。

·快速电流限制，防止运行过程中不应有的跳闸。

·高过载能力，内置制动单元。

4.6 传感器的选型

4.6.1 温度传感器的选型

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

按照测量对象来分，可分为压力、温度、液位等传感器。本系统中，主要用到了温度传感器。温度传感器有四种类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器和IC温度传感器。而IC温度传感器又分为模拟输出和数字输出两种内型。

热电偶应用广泛，坚固耐用，价格便宜，但精度低，响应速度慢，在高温下易老化。

电阻温度检测器精度高、性能稳定、配置多样化，但不耐高温，价格偏贵。

模拟输出温度传感器具有高精度、低成本、分辨率高的特点，但其不耐高温。 综上所述，本系统选用数字输出传感器，能测量高温（0-800度）的PT100型温度传感器。

它的优点： 1.测量范围广。

2.热响应时间短。

3.稳定性高、耐震、耐高压。

4.6.2 压力传感器的选型

压力传感器可分为：压阻式、压电式、电容式、晶体谐振式。

压力传感器工作原理：

1 、应变片压力传感器原理

金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：

R=ρL/ S

式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω。cm2/m ）

S ——导体的截面积（cm2 ）

L ——导体的长度（m ）

2 、陶瓷压力传感器原理

压力作用在陶瓷膜片的前端，使膜片产生微小的形变，陶瓷膜片的背面印刷有厚膜电阻，此时，它们连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。

3 、压电压力传感器原理

压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英是占其主要成分的一种天然晶体，在一定的温度范围内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失。由于随着应力的变化，电场也发生改变，但其变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。

因为本系统的压力设定值为14Kpa，综合价钱、性能等其他方面种种因素，最后选择1151型压力传感器。

它的优点：（1）精度高、稳定性好

（2）坚固耐震、量程可调、过载保护特性好

它的主要性能指标：（1）输出4-20mADC

（2）供电电源：12-45VDC，一般情况为24VDC

（3）量程和零点：可调

（4）测量介质：气体和液体

（5）测量范围：0-0.1Kpa到0-40Mpa

5 系统软件设计

5.1 系统主程序流程图

本次设计方案主要是控制高炉煤气与焦炉煤气的的配比，由于高炉煤气的进气量不变，所以只控制焦炉煤气的进气量就可以了，根据以上方案设计可知，主程序主要为热值调节系统，系统流程图如图所示。

图5.1 系统主程序流程图

这一回路以热值调节为主环，焦炉煤气流量调节为副环，还加入了高焦煤气量单交叉限幅调节，这样一来一则使焦炉煤气流量调节器的调节量不至于过大，从而使高、焦配比值在小范围内波动；二则使主环调节器不至于产生调节饱和，加快了滞后较大的主环的动态响应，改善了系统的调节性能。另外，两台电动调节阀为蝶阀，可以手动或自动调节，增强了调节的灵活性和准确度。

5.2 调节阀控制流程图

为了增加调节准确度和灵活性，调节阀有手动和自动两种调节方式，调节阀调节回路流程图如图所示。

图5.2 调节阀控制流程图

根据实践经验可知，蝶阀的开度在0%-5%之间时，由于蝶阀的蝶板厚度比较大，蝶板还没来得及脱离阀座密封圈，实际上并没有打开它，这时的流量为零，相反的，当蝶阀的开度大于5%时，蝶板脱离密封圈，随着开度的增加流量也增加。

图5.3 蝶阀的流量特性曲线

当蝶阀的开度为5%-30%时，其流量特性曲线为直线型，可以用微分方程表示为：

其中K是阀门相应的放大数值，R是流量值，U是阀门的开度。

当蝶阀的开度为30%-70%时，其流量特性曲线为快开型，可以用微分方程表示为：

当蝶阀的开度为70%-100%时，此时阀门已无任何调节作用。

综上所述，我们可以得出这样一个结论：K值越大，其曲线就越陡，也就说明了蝶阀起调节功能的能力越弱；反之，蝶阀起调节功能的能力越强。

由此可见，在不同的阀位区域，看似相同的阀位调节，其作用和功能是不一样的。为此就必须有专门来进行阀位的修正。因此，在本系统中专门设置了阀门控制器，模拟了阀门的流量特性曲线，在不同的阀门开度范围里，用不同的参数来修正控制量的数值。

相比其它阀门，蝶阀具有如下优点：

（1） 结构简单，安装长度短，便于布置，蝶阀安装长度远小于公称通径，安装长度和公称通径比仅为0.1-0.2。

（2） 开关简便，开启一次仅转动蝶板90度。

（3） 体积小，重量轻，广泛应用于各类大型工厂。

（4） 流动阻力小。低压蝶阀全开时流动阻力系数

5.3 PID调节流程图

本次调节是根据设定的参数值和实测的参数值之间的偏差进行增量式PID调节，然后用PWM控制输出，根据采样周期循环进行PID控制。

其控制流程图如图所示：

图5.4 PID调节流程图

根据能量守恒定律可得，混合煤气的热值计算公式：

式中： R-煤气热值

Q-煤气流量

下标符号：1-焦炉煤气

2-高炉煤气

3-混合煤气

按照煤气混合加压的工艺流程图，高炉煤气管道和焦炉煤气管道分别装设有蝶阀，通过控制这几道蝶阀来调节高炉煤气和焦炉煤气之间的流量比值，然后由加压机给其加压。另外，加压站都安装有变频器，通过调节变频器的频率使得加压机的转速改变，从而达到调节压力的目的，最终使混合煤气的压力符合用户的要求。

5.4 变频器调节流程图

本回路为一定值单回路调节系统，其设定值为13.5Kpa，当加压后的压力升高

或降低时，增大或减小变频器的输出频率，从而改变加压机的转速。

在计算机和变频器上都设置了最低运行频率，从而保证出口压力不至于太高或太低。这两个频率是保证加压设备安全，用户正常生产的必备条件。

变频器输出频率调节流程图如图所示：

图5.5 变频器输出频率调节流程图

5.5 混合加压压力调节流程图

这是加压站压力调节的又一种方式。本回路为一定值单回路调节系统，其设定值为14Kpa，当加压后的出口压力升高或降低时，增大或减小调节阀的开度，从而保证压力的稳定。

通常调节阀的设定值高于变频调节器的设定值。一般情况下，变频器负责系统全部的调节，而调节阀处于关闭的状态，当用户流量突然减小，造成出口压力骤然升高，变频器的调节速度不足以使出口压力迅速降低时，调节阀立即参与调节。由于动作快，能够使压力迅速降下来，保证了用户气源压力的稳定，避免了加压机出现踹振的问题。

如图所示为加压机压力调节流程图：

图5.6 加压机压力调节流程图

6 系统特色和优势

6.1 原系统存在的问题

原系统存在的问题：

1.由于气源、管网方面的状况，生产工况不稳定而造成用量大幅度频繁波动。其波动有时频率很快，容易产生振荡，用人工调节措手不及；经常出现长时间的低压，造成混合压力调节困难，使得保证了压力保证不了热值，保证了热值，保证不了压力，甚至造成高炉煤气阀关闭、负压的险情，保证不了用户的气源质量。

2.当煤气压力高于设定值时，人为降低变频器频率，加压机转速降低，出口压力降低。当煤气压力低于设定值时人为提高变频器频率，加压机转速提高，出口压力增加。这种控制方式存在很大的调节滞后，特别是用户运行工况不稳定时，煤气出口压力波动很大。

3.各项保护功能不完善，线路复杂、故障率高，不利于维护。

4.无法记录各项历史工艺参数，无法准确分析机组的运行方式是否经济，不利于排查故障原因。

6.2 改造后系统的特色和优势

为满足加压机系统控制要求，克服现有控制系统的不足，采用PLC系统对原检测控制系统进行改造。

1.根据用户对煤气压力的要求，采用PI调节器实现煤气出口压力闭环控制，使其在用户要求的压力范围内相对稳定。

2.根据用户对混合煤气热值的要求，采用串级限幅调节，通过运用热值仪来实现，使混合煤气的配比稳定在一个范围内。

3.根据煤气加压电机温度要求，采用PI调节器实现煤气加压机过载保护，保证加压机的正常工作。

这样的安排，使整个加压站的控制水平上了一个台阶，装备面貌焕然一新，大大增强了系统的适应性。

改造后的系统增加了西门子G150系列变频器及西门子S7-200型PLC，集中操作台一个和电源等附加设备，加压站所有设备置于集中控制之下,同时保留了原来的控制和操作方式,使新、老系统很好的连接起来。这种设计效果既保留了原系统的部分功能又提高了控制系统的可靠性。在新系统中我们将系统涉及到的模拟量全部输入到PLC 可编程控制器，下端还是保留原来的仪控系统，使系统成为一个电气、仪表、PLC 及计算机等设备组成的分布式集中控制系统。由PLC控制煤

气加压风机转速，增加热值仪设备，采用串级比例调节高炉、焦炉煤气配比。本系统特点是：模块化、无排风结构、易于实现分布、运行可靠、性价比高。

7 结束语

煤气混合加压过程是工业生产中的重要环节。为了得到满足生产要求的混合煤气，我们必须对高炉和焦炉的即时压力、加压后的压力，混合煤气即时流量等参数进行调节。由于高炉和焦炉煤气气源管压变化大、生产不连续、负荷波动大、蝶阀调节时的流量和压力存在着比较大的滞后性等等一系列原因，都会影响混合煤气的质量。目前我国绝大多数煤气加压站仍采取手动控制的手段，只有一小部分采用计算机自动控制，这一后果将直接导致加压站生产的混合煤气的热值和压力的不稳定、生产成本过高、现场操作员工作压力大，严重影响了工业生产的质量和产量。因此我们必须对煤气混合加压过程进行自动化控制。

由于气体的流动会引起压力差的变化，这必然会导致高、焦煤气流量的变化，继而导致混合煤气热值和压力的波动。本文通过设计的四个调节回路，热值调节回路、煤气混合压力调节回路、加压机后压力（变频）调节和加压机后压力（泄放）调节，运用PID调节和PLC控制，对涉及到煤气加压过程中的流量、压力、温度等各参数进行了调节，达到了控制目的，取得了良好的效果。另外，如果我们能从煤气生产状况、加压站后续生产状况、历史生产数据等方面下手，预测高、焦煤气压力和经过加压机后的压力变化量，推断出压力差的变化趋势，就能进一步抑制混合煤气热值与压力的波动，保证生产的连续性。

参 考 文 献

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附录Ⅰ

加压机调节程序

致 谢

历经两个多月的时间，在老师和同学的帮助下，我的毕业论文终于顺利地完成了。在论文的写作过程中，遇到了无数的困难和阻碍，如果没有老师和同学的帮助，我是不可能完成这次毕业论文的。在此，我要感谢我的指导老师—周荣富副教授，在我做毕业论文的每个阶段，从查阅资料到设计方案的确定和修改，中期检查，后期详细设计等整个过程中周老师都给予了我详细的指导，细心地纠正方案中的错误。 其次还要感谢我的同学对我无私的帮助，特别是在资料的借阅、软件的使用方面给我的帮助。我还要感谢我的母校——攀枝花学院，是学校给了我良好的学习环境。另外，我还要感谢那些曾经教过我的每一位老师，是你们教给我专业知识。在此，我再说一声谢谢！谢谢大家！！！

由于设计经验的缺乏，论文中难免出现一些错误，希望各位老师批评指正。