专利名称：一种沼气发电控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于PLC的沼气发电自动化控制系统，属于沼气发电控制领域。
技术背景
沼气燃烧发电是随着大型沼气池建设和沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术，它将厌氧发酵处理产生的沼气用于发动机上，并装有综合发电装置，以产生电能和热能。沼气发电具有创效、节能、安全和环保等特点，是一种分布广泛且价廉的分布式能源。
因此，沼气发电系统中涉及的设备众多且分散，为了便于管理数据和设备的监控与维护，需要一种能够对沼气发电系统各现场设备的数据共享、集中管理、分散控制的大规模自动控制系统。发明内容
本发明的目的在于，提供一种沼气发电控制系统，能够实现大规模沼气发电系统各现场设备的数据共享、集中管理、分散控制。并且能够增强系统的扩展性和可维护性。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案一种沼气发电控制系统，包括双冗余配置的上位机、网络交换机、双冗余配置的PLC控制站和设备级控制单元，上位机与网络交换机连接，网络交换机与PLC控制站之间通过工业以太网进行通讯。
前述的一种沼气发电控制系统中，PLC控制站采用S7-400系列PLC控制器。
前述的一种沼气发电控制系统中，设备级控制单元包括火炬系统控制单元、燃机控制单元和制沼控制单元，火炬系统控制单元、燃机控制单元和制沼控制单元都通过 Profibus-DP总线协议与PLC控制站进行通讯。
前述的一种沼气发电控制系统中，设备级控制单元包括双螺杆动力机控制单元、 余热锅炉控制单元和SCADA系统，双螺杆动力机控制单元、余热锅炉控制单元和SCADA系统都通过基于modbus协议的RS-485总线与PLC控制站进行通讯。
前述的一种沼气发电控制系统中，设备级控制单元还包括调压站控制单元与PLC 控制站之间通过铺设电缆进行连接。
前述的一种沼气发电控制系统中，还设有辅助监控系统，辅助监控系统包括采用红外分析式的甲烷浓度检测装置、闭路电视监控装置和甲烷泄漏报警装置，其中与PLC控制站之间距离远的辅助监控系统采用远程I/O方式与PLC控制站进行通讯。
前述的一种沼气发电控制系统中，还包括与网络交换机连接的远程计算机，用于对沼气发电系统进行远程监控。
前述的一种沼气发电控制系统中，上位机、远程计算机都采用WINCC7. 0组态工具，其画面窗口显示工艺流程图、工艺参数、电气参数和设备运行状态，在机组启停、正常运行或异常工况下能自动对各有关参数进行扫描、数据处理和定时制表。
前述的一种沼气发电控制系统中，上位机、远程计算机都包括操作员站和工程师站。
前述的一种沼气发电控制系统中，PLC控制站采用STEP7编程工具，并采取“结构变量+画面窗口 +功能块”的编程方法。
与现有技术相比，本发明采用中央控制系统+成套控制系统+辅助监控系统的技术方案，适用于沼气发电量在IOOOkw以上的沼气发电系统，具有通用性、开放性的沼气发电自动化控制系统。中央控制系统，主要控制对象包括热力系统控制单元和水工控制单元，负责全场控制系统的整合，将全场各个分控制系统整个成一个完整的控制系统，实现控制数据的共享；采用双冗余配置的上位机和PLC控制站，适合沼气发电场特点，进入PLC控制器的信号电缆采用计算机屏蔽电缆，PLC系统的I/O采用光电隔离措施或其它隔离措施， 大大提高了沼气发电运行过程的稳定性、可靠性和安全性，采用技术成熟的S7-400系列 PLC，具有高性能、高可靠性及更多的功能块组合。成套控制系统是指随工艺厂家配套提供的PLC控制系统，具备相对完整的控制功能，其主要成套控制系统如下制沼控制单元、调压站控制单元、燃机控制单元和双螺杆动力机控制单元；辅助监控系统包括闭路电视监控系统、甲烷浓度监测系统及甲烷泄漏报警装置。本系统的执行机构选用机电一体化产品， 本身带伺服放大器；电动阀门选用一体化电动头，不仅节省了电动阀门控制盒，减少采购费用、电缆及安装费用，也使得现场布置简洁、整齐、美观。此外，还设置远程计算机对冶金发电系统进行远程控制，这就实现了对沼气发电的数据共享、集中管理和分散控制，使得系统管理、维护人员减少了一半，节省了人员开支，实现并提高了整个控制系统的自动化水平。
上位机采用WINCC7. 0组态工具，下位机采用STEP7编程工具。基于沼气发电的独特工艺，采取了“结构变量+画面窗口 +功能块”的编程方法，例如阀门控制，阀门包括开、 关、开状态、关状态和故障五种情况，编程中，建立控制函数FBI、功能块DBl (针对阀门一)， 在WINCC7. 0组态工具中建立与DB1对应的结构变量Cl，因此画面窗口的阀门一调用的函数为FBI (DB1);如果增加画面窗口显示的工艺流程图中的阀门，只需建立相应阀门的结构变量，对应功能块，再调用对应功能块的函数即可，不需要重新编写函数，节省了编程时间，也很容易对阀门的五种情况进行控制，极大增强了系统的扩展性和可维护性。因此，可以很方便地进行功能的扩展和调整，很容易开发出同类沼气项目的控制软件。
图1是本发明实施例的结构示意图；图2是本发明实施例的沼气发电工艺示意图。
附图标记为1-上位机，2-网络交换机，3-PLC控制站，4-设备级控制单元，5-火炬系统控制单元，6-燃机控制单元，7-制沼控制单元，8-双螺杆动力机控制单元，9-余热锅炉控制单元，10-SCADA系统，11-调压站控制单元，12-远程计算机。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
本发明的实施例是根据特有的沼气发电工艺得出的，该工艺的流程示意图如图2 所示，具体为制沼系统产生的沼气经过沼气内燃机进行发电，发电后的排烟进入余热锅炉，与水进行换热，烟气温度降低，降温后的烟气通过烟囱排出；水吸热后产生的饱和争气进入双螺杆膨胀动力机和发电机进行膨胀做功发电，排汽进入冷凝器，冷凝后的水进入余热锅炉循环使用；冷凝器中的循环冷却水吸收排汽凝结放出的热量后温度升高，一部分循环水进入制沼系统的发酵罐，为发酵罐提供热量，另一部分循环水进入冷却塔冷却；在发酵罐释放热量后的循环水和从冷却塔出来的冷却水汇合，进入冷凝器作为循环冷却水循环使用。
适用于上述沼气发电工艺的一种沼气发电控制系统，如图1所示，包括双冗余配置的上位机1、网络交换机2、双冗余配置的PLC控制站3和设备级控制单元4，上位机1与网络交换机2连接，网络交换机2与PLC控制站3之间通过工业以太网进行通讯。
PLC控制站3采用S7-400系列PLC控制器。
设备级控制单元4包括火炬系统控制单元5、燃机控制单元6和制沼控制单元7， 火炬系统控制单元5、燃机控制单元6和制沼控制单元7都通过ftx)fibUS-DP总线协议与 PLC控制站3进行通讯。制沼控制单元7中的沼气流量检测装置采用锥形流量计，还设有配套的甲烷浓度监测装置。
燃机自带的PLC监控系统具备如下功能(1)在自动控制的情况下，保证机组能够在50% 100%额定负荷的工况下连续稳定运行；(2)保证机组能够在预设的恒定负荷方式下运行，又能在自动频率控制方式下运行；(3)机组能够快速起动并加速到额定速度；(4)机组能够自动同步及自动增减负荷。
设备级控制单元4包括双螺杆动力机控制单元8、余热锅炉控制单元9和SCADA系统10，双螺杆动力机控制单元8、余热锅炉控制单元9和SCADA系统10都通过基于modbus 协议的RS-485总线与PLC控制站3进行通讯。
双螺杆动力机控制单元8中的双螺杆膨胀动力机型号 SEPG250-100-4000-1. 65-C，双螺杆膨胀动力机配套PLC控制柜，用来完成燃机本体的控制，中央控制系统的PLC控制站3采用通讯方式与控制柜进行数据传输，对于重要的控制信号，采用硬接线的方式进行数据传输。
余热锅炉与沼气内燃机1对1布置，余热锅炉设有旁路烟道，烟道设置手动蝶阀来控制烟气的流动和旁通烟道的开闭。锅炉为卧式、饱和蒸汽、自然循环烟气型余热锅炉，室内布置。余热锅炉由中央控制系统即PLC控制站3进行控制。
设备级控制单元4还包括调压站控制单元11，与PLC控制站3之间通过铺设电缆进行连接。调压站控制单元随调压站成套供货厂家配套提供，其控制柜采用通讯方式与中央控制系统进行数据传输，对于重要的控制信号，采用硬接线进行数据传输。
所述系统还设有辅助监控系统，辅助监控系统包括采用红外分析式的甲烷浓度检测装置、闭路电视监控装置和甲烷泄漏报警装置，其中与PLC控制站3之间距离远的辅助监控系统采用远程I/O方式与PLC控制站3进行通讯。甲烷浓度监测装置随制沼系统配套提供，甲烷泄漏报警装置设置在压缩机房、燃机房；闭路电视监控装置，在成品沼渣周转库、固液分离车间、勻浆池、发酵罐、调压站、发电车间、大门及围墙设置数目不等的监控探头，用于对上述场地现场设备进行图像监控，并将采集的图像信息传送到中央控制室的上位机1 中。
所述系统还包括与网络交换机2连接的远程计算机12，用于对沼气发电系统进行远程监控。
上位机1、远程计算机12都采用WINCC7. 0组态工具，其画面窗口显示工艺流程图、 工艺参数、电气参数和设备运行状态，在机组启停、正常运行或异常工况下能自动对各有关参数进行扫描、数据处理和定时制表。
上位机1、远程计算机12都包括操作员站和工程师站。上位机1设于中央控制室中，中央控制室内还设有打印机，用于按用户定义的报表格式进行定时、报警和随机打印。
PLC控制站3采用STEP7编程工具，并采取“结构变量+画面窗口 +功能块”的编程方法。
工作原理设备级控制单元4采集有关的测点信号和设备状态信号，PLC控制站3 接收设备级控制单元4采集的现场信号(例如沼气发电系统过程的工艺参数、电器参数和设备运行状态)并进行处理，经网络交换机传送给上位机1和远程计算机12，上位机1和远程计算机12通过WINCC7. 0组态工具提供完整的显示、报警、记录和操作指导，向下位机即各设备级控制单元4输出信号，对各现场设备进行相应控制。
其中，控制子系统包括1、数据采集系统(DAS)，是机组安全运行的主要监视手段，具有高可靠性和实时响应能力，能够连续采集和处理所有与机组有关的测点信号和设备状态信号，且对其输入信号进行处理，向运行人提供完整的显示、报警、记录和操作指导，并与控制系统及其它仪表和控制设备构成一个完整的协调一致的管理和控制中心。数据采集系统的主要功能有(1)系统工况显示包括单点显示、成组显示、工艺系统图显示、功能组显示、报警显示、 相关画面显示、趋势显示、启停画面显示、操作指导显示、系统状态显示；(2)系统工况打印制表包括事故追忆打印、事故顺序打印、事件打印、报警打印、成组打印、定时制表；(3)历史数据存储和检索。
2、模拟量系统(MCS)，将采用三元给水控制系统，通过自动改变锅炉载荷以维持汽包水位，通过维持稳态蒸汽质量流和给水平衡来维持汽包水位。另外，汽包压力作为一个补偿因素用来测量汽包水位以改进响应控制，以消除由于燃烧速率改变而发生蒸干及水位过高等现象。
3、顺序控制系统(SCS)，顺序控制以子功能组为主，即根据燃机、余热锅炉、附属设备及工艺系统的运行要求，构成不同的顺序控制系统的子功能组。运行人员可按照子功能组启停，也可以对每一被控设备在LCD/KB单独手操，且具有不同层次的操作许可条件，以仿制误操作。
权利要求
1.一种沼气发电控制系统，其特征在于，包括双冗余配置的上位机(1)、网络交换机 (2)、双冗余配置的PLC控制站(3)和设备级控制单元(4)，上位机(1)与网络交换机(2)连接，网络交换机(2)与PLC控制站(3)之间通过工业以太网进行通讯。
2.根据权利要求1所述的一种沼气发电控制系统，其特征在于PLC控制站(3)采用西门子S7-400系列PLC控制器。
3.根据权利要求1所述的一种沼气发电控制系统，其特征在于设备级控制单元(4) 包括火炬系统控制单元(5)、燃机控制单元(6)和制沼控制单元(7)，火炬系统控制单元 (5 )、燃机控制单元(6 )和制沼控制单元(7 )都通过ftOf ibus-DP总线协议与PLC控制站(3 ) 进行通讯。
4.根据权利要求1或3所述的一种沼气发电控制系统，其特征在于设备级控制单元 (4)还包括双螺杆动力机控制单元(8)、余热锅炉控制单元(9)和SCADA系统(10)，双螺杆动力机控制单元(8 )、余热锅炉控制单元(9 )和SCADA系统(10 )都通过基于modbus协议的 RS-485总线与PLC控制站(3)进行通讯。
5.根据权利要求1或3所述的一种沼气发电控制系统，其特征在于设备级控制单元 (4)还包括调压站控制单元(11)，调压站控制单元(11)与PLC控制站(3)之间通过铺设电缆进行连接。
6.根据权利要求1所述的一种沼气发电控制系统，其特征在于还设有辅助监控系统，辅助监控系统包括采用红外分析式的甲烷浓度检测装置、闭路电视监控装置和甲烷泄漏报警装置，其中与PLC控制站(3)之间距离远的辅助监控系统采用远程I/O方式与PLC控制站(3)进行通讯。
7.根据权利要求1所述的一种沼气发电控制系统，其特征在于还包括与网络交换机 (2 )连接的远程计算机(12 )，用于对沼气发电系统进行远程监控。
8.根据权利要求1或7所述的一种沼气发电控制系统，其特征在于上位机(1)、远程计算机(12)都采用WINCC7.0组态工具，其画面窗口显示工艺流程图、工艺参数、电气参数和设备运行状态，在机组启停、正常运行或异常工况下能自动对各有关参数进行扫描、数据处理和定时制表。
9.根据权利要求7所述的一种沼气发电控制系统，其特征在于PLC控制站(3)采用 STEP7编程工具。
全文摘要
本发明公开了一种沼气发电控制系统，包括双冗余配置的上位机(1)、网络交换机(2)、双冗余配置的PLC控制站(3)和设备级控制单元(4)，上位机(1)与网络交换机(2)连接，网络交换机(2)与PLC控制站(3)之间通过工业以太网进行通讯。本发明能够实现大规模沼气发电系统各现场设备的数据共享、集中管理、分散控制。并且能够增强系统的扩展性和可维护性。
文档编号G05B19/418GK102541034SQ20121003206
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月14日 优先权日2012年2月14日
发明者彭大维, 赵健 申请人:中国华电工程(集团)有限公司