4
46 AUTOMA 10/2010 řídicí technika a systémy, HMI 1. Technológia procesu podzemného splyňovania uhlia V súčasnosti je na celom svete v zásobe vyše 909 biliónov ton uhlia, ale uhlie dostup- né pre tradičný spôsob ťažby predstavuje len 15 %. Technológia podzemného splyňova- nia uhlia (UCG – Uderground Coal Gasifi- cation) sa stále vyvíja a poskytuje alternatívu konvenčného podzemného dobývania uhlia. Podzemné splyňovanie uhlia je proces, ktorý môže byť z environmentálneho, ale aj z eko- nomického hľadiska atraktívny a v budúcnos- ti môže mať rozsiahle použitie. Táto techno- lógia je tiež menej nákladná ako konvenčné dobývanie uhlia. Pri priemyselnom splyňo- vaní je potrebné vybudovať sústavu vrtov – minimálne jeden injekčný a jeden produkč- ný vrt – a systémy na čistenie a uskladňova- nie produkovaného plynu. Produkovaný plyn, obsahujúci prevážne vodík a oxidy uhoľnatý a uhličitý, sa nazýva syngas (synthesis gas). Potrebné sú aj zariadenia na transformáciu plynu na požadovanú formu energie (palivo, Riadenie procesu splyňovania uhlia s využitím PLC elektrina) a systémy na automatické riadenie procesu splyňovania. Dostupná literatúra o podzemnom sply- ňovaní uhlia poskytuje informácie najmä o geológii ložiska, použitej technike sply- ňovania alebo o matematickom modelovaní procesov splyňovania (model pohybu fronty termického rozkladu, model tvorby syngasu a pod.). Chýbajú však štúdie, ktoré by rieši- li otázku automatizovaného riadenia procesu splyňovania uhlia. Uhlie je splyňované pod zemou okysličo- vadlom (vzduch alebo zmes kyslíka, vzdu- chu, popr. vodnej pary), ktoré je vháňané do reakčnej zóny vytvorenej v uhoľnom sloji cez injekčný vrt. Horúce plynné reakcie produk- tov sú nútené postupovať cez uhoľné ložisko do výstupného (produkčného) vrtu, kde sú odťahované z podzemia na povrch. Na povr- chu môže byť plyn čistený na priame použitie ako vykurovací plyn, alebo môže byť použitý na výrobu iných chemických produktov. Pro- ces UCG predstavuje získanie pries- torovo a tepelne rozloženej reakč- nej zóny v uhoľnom sloji, v ktorej sa prekrývajú regióny uhoľnej oxidácie, uhoľnej redukcie a uhoľnej pyrolýzy. Schematický princíp procesu UCG je zobrazený na obr. 1. Na obrázku sú ukázané základné chemické reak- cie a rozloženie reakčných zón defi- nované teplotami. Vstupujúci vzduch (okysličovadlo) spôsobuje, že uhlie horí, exotermický proces uvoľňu- je teplo a spotrebováva kyslík. Plyn vznikajúci v oxidačnej zóne postupne prechádza cez redukčnú a pyrolýznu zónu, kde je pri absencii kyslíka pre- menený na plyn spáliteľný endoter- mickými reakciami, ktoré absorbujú teplo [1]. 2. Funkcia PLC v riadiacom systéme procesu UCG Navrhnutý riadiaci systém pre riadenie a monitorovanie procesu UCG bol overený v laboratórnych podmienkach na dvoch expe- Ján Kačur, Marek Laciak V príspevku je prezentovaná štruktúra integrovaného riadiaceho systému stabilizačnej a optimalizačnej úrovne. Riadiaci systém je automatizovaný, postavený na báze priemy- selného automatu (PLC) a rozsiahleho monitorovacieho systému. Stabilizačné reguláto- ry umožňujú stabilizovať veličiny na vstupe – objemový prietok okysličovadla, v modeli uhoľného sloja – teploty a na výstupe – koncentrácie zložiek produkovaného plynu na požadovanej hodnote. Extremálne regulátory sú zapojené v kaskáde s uvedenými regu- látormi pre stabilizáciu. Algoritmus optimálneho riadenia je založený na princípe opti- malizácie so spätnou väzbou bez matematického modelu. Optimalizačná úroveň expe- rimentálnou cestou hľadá optimálne parametre vstupov do splyňovacieho procesu tak, aby bol dosiahnutý sledovaný cieľ. Tento príspevok vznikol ako jeden z výstupov projektu APVV 0582-06, ktorého cieľom bolo overiť technológiu podzemného splyňovania uhlia v laboratórnych podmienkach. Porovnanie alternatív splyňovania a výsledky z ostatných experimentov sú uvedené v roz- siahlych výskumných správach projektu a odborných príspevkoch. Modul Počet Popis modulu Použitie modulu X20CP1485 1 procesorový modul s dvoma portami USB, jedným slotom pre kartu SD, jedným portom TCP/IP, konektormi pre napájanie modulov a signálne vodiče RS-232 modul zabezpečuje hlavný riadiaci cyklus (program nahraný z prostredia Automation Studio), zabezpečuje elektrické napá- janie ostatných modulov a komunikuje po sériovej linke RS-232 s počítačom X20DO9322 3 Digital Output – obsahuje dvanásť digitálnych výstupov 24 V DC/0,5 A moduly zabezpečujú otváranie a zatváranie elektromagnetic- kých ventilov (solenoidov), signály pre otváranie a zatváranie servoventila, pre menič frekvencie ventilátora a pre zapnutie a vypnutie kompresorov X20DI9371 1 Digital Input – obsahuje dvanásť digitálnych vstupov 24 V DC/0,5 A momentálne nevyužitý modul X20AO4622 4 Analog Output – obsahuje štyri výstupy ±10 V alebo 0 až 20 mA (modul má konfigurovateľné porty) na jeden z modulov je v prúdovej slučke napojený signál pre menič frekvencie ventilátora pre nastavenie požadovanej frekvencie X20AI4622 4 Analog Input – obsahuje štyri vstupy ±10 V alebo 0 až 20 mA (modul má konfigurovateľné porty) na moduly sú v prúdovej alebo napäťovej slučke napojené snímače tlaku a tlakovej diferencie a analyzátor plynov X20AT6402 11 teplotný modul – má šesť vstupov pre teplotné senzory (termočlánky), dá sa nakonfigurovať pre termočlánky typu K, J, S, N pripojenie termočlánkov pre monitorovanie teplôt v experi- mentálnom zariadení Tab. 1. Konfigurácia PLC v riadiacom systéme Obr. 1. Schématické znázornenie reakčných zón pod- zemného splyňovania vzduchová injekcia odťah plynu odhado- vané teploty 200 až 550 °C zóna sušenia a pyrolýzy uhlie CH4 + + H2O + CO + + CO2 + H2 + + uhľovodíky 550 až 900 °C redukčná zóna C + H2O CO + H2 CO2 + C 2CO CO + H2O CO2 + H2 C + 2H2 CH4 oxidačná zóna C + O2 CO2 2C + O2 2CO 2CO + O2 2CO2 uhlie + O2 CO2 + + CO + H2O viac ako 900 °C redukčná zóna zóna sušenia a pyrolýzy oxidačná zóna

Riadenie procesu splyňovania uhlia s využitím PLCautoma.cz/Aton/FileRepository/pdf_articles/42107.pdf · modul zabezpečuje hlavný riadiaci cyklus (program nahraný z prostredia

  • Upload
    lamnhi

  • View
    212

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Riadenie procesu splyňovania uhlia s využitím PLCautoma.cz/Aton/FileRepository/pdf_articles/42107.pdf · modul zabezpečuje hlavný riadiaci cyklus (program nahraný z prostredia

46 AUTOMA 10/2010

řídicí technika a systémy, HMI

1. Technológia procesu podzemného splyňovania uhlia

V súčasnosti je na celom svete v zásobe vyše 909 biliónov ton uhlia, ale uhlie dostup-né pre tradičný spôsob ťažby predstavuje len 15 %. Technológia podzemného splyňova-nia uhlia (UCG – Uderground Coal Gasifi-cation) sa stále vyvíja a poskytuje alternatívu konvenčného podzemného dobývania uhlia. Podzemné splyňovanie uhlia je proces, ktorý môže byť z environmentálneho, ale aj z eko-nomického hľadiska atraktívny a v budúcnos-ti môže mať rozsiahle použitie. Táto techno-lógia je tiež menej nákladná ako konvenčné dobývanie uhlia. Pri priemyselnom splyňo-vaní je potrebné vybudovať sústavu vrtov – minimálne jeden injekčný a jeden produkč-ný vrt – a systémy na čistenie a uskladňova-nie produkovaného plynu. Produkovaný plyn, obsahujúci prevážne vodík a oxidy uhoľnatý a uhličitý, sa nazýva syngas (synthesis gas). Potrebné sú aj zariadenia na transformáciu plynu na požadovanú formu energie (palivo,

Riadenie procesu splyňovania uhlia s využitím PLC

elektrina) a systémy na automatické riadenie procesu splyňovania.

Dostupná literatúra o podzemnom sply-ňovaní uhlia poskytuje informácie najmä o geológii ložiska, použitej technike sply-ňovania alebo o matematickom modelovaní procesov splyňovania (model pohybu fronty termického rozkladu, model tvorby syngasu

a pod.). Chýbajú však štúdie, ktoré by rieši-li otázku automatizovaného riadenia procesu splyňovania uhlia.

Uhlie je splyňované pod zemou okysličo-vadlom (vzduch alebo zmes kyslíka, vzdu-chu, popr. vodnej pary), ktoré je vháňané do reakčnej zóny vytvorenej v uhoľnom sloji cez injekčný vrt. Horúce plynné reakcie produk-tov sú nútené postupovať cez uhoľné ložisko do výstupného (produkčného) vrtu, kde sú odťahované z podzemia na povrch. Na povr-chu môže byť plyn čistený na priame použitie ako vykurovací plyn, alebo môže byť použitý na výrobu iných chemických produktov. Pro-

ces UCG predstavuje získanie pries-torovo a tepelne rozloženej reakč-nej zóny v uhoľnom sloji, v ktorej sa prekrývajú regióny uhoľnej oxidácie, uhoľnej redukcie a uhoľnej pyrolýzy.

Schematický princíp procesu UCG je zobrazený na obr. 1. Na obrázku sú ukázané základné chemické reak-cie a rozloženie reakčných zón defi-nované teplotami. Vstupujúci vzduch (okysličovadlo) spôsobuje, že uhlie horí, exotermický proces uvoľňu-je teplo a spotrebováva kyslík. Plyn vznikajúci v oxidačnej zóne postupne prechádza cez redukčnú a pyrolýznu zónu, kde je pri absencii kyslíka pre-menený na plyn spáliteľný endoter-

mickými reakciami, ktoré absorbujú teplo [1].

2. Funkcia PLC v riadiacom systéme procesu UCG

Navrhnutý riadiaci systém pre riadenie a monitorovanie procesu UCG bol overený v laboratórnych podmienkach na dvoch expe-

Ján Kačur, Marek Laciak

V príspevku je prezentovaná štruktúra integrovaného riadiaceho systému stabilizačnej a optimalizačnej úrovne. Riadiaci systém je automatizovaný, postavený na báze priemy-selného automatu (PLC) a rozsiahleho monitorovacieho systému. Stabilizačné reguláto-ry umožňujú stabilizovať veličiny na vstupe – objemový prietok okysličovadla, v modeli uhoľného sloja – teploty a na výstupe – koncentrácie zložiek produkovaného plynu na požadovanej hodnote. Extremálne regulátory sú zapojené v kaskáde s uvedenými regu-látormi pre stabilizáciu. Algoritmus optimálneho riadenia je založený na princípe opti-malizácie so spätnou väzbou bez matematického modelu. Optimalizačná úroveň expe-rimentálnou cestou hľadá optimálne parametre vstupov do splyňovacieho procesu tak, aby bol dosiahnutý sledovaný cieľ.Tento príspevok vznikol ako jeden z výstupov projektu APVV 0582-06, ktorého cieľom bolo overiť technológiu podzemného splyňovania uhlia v laboratórnych podmienkach. Porovnanie alternatív splyňovania a výsledky z ostatných experimentov sú uvedené v roz-siahlych výskumných správach projektu a odborných príspevkoch.

Modul Počet Popis modulu Použitie moduluX20CP1485 1 procesorový modul s dvoma portami USB, jedným slotom

pre kartu SD, jedným portom TCP/IP, konektormi pre napájanie modulov a signálne vodiče RS-232

modul zabezpečuje hlavný riadiaci cyklus (program nahraný z prostredia Automation Studio), zabezpečuje elektrické napá-janie ostatných modulov a komunikuje po sériovej linke RS-232 s počítačom

X20DO9322 3 Digital Output – obsahuje dvanásť digitálnych výstupov 24 V DC/0,5 A

moduly zabezpečujú otváranie a zatváranie elektromagnetic-kých ventilov (solenoidov), signály pre otváranie a zatváranie servoventila, pre menič frekvencie ventilátora a pre zapnutie a vypnutie kompresorov

X20DI9371 1 Digital Input – obsahuje dvanásť digitálnych vstupov 24 V DC/0,5 A

momentálne nevyužitý modul

X20AO4622 4 Analog Output – obsahuje štyri výstupy ±10 V alebo 0 až 20 mA (modul má konfigurovateľné porty)

na jeden z modulov je v prúdovej slučke napojený signál pre menič frekvencie ventilátora pre nastavenie požadovanej frekvencie

X20AI4622 4 Analog Input – obsahuje štyri vstupy ±10 V alebo 0 až 20 mA (modul má konfigurovateľné porty)

na moduly sú v prúdovej alebo napäťovej slučke napojené snímače tlaku a tlakovej diferencie a analyzátor plynov

X20AT6402 11 teplotný modul – má šesť vstupov pre teplotné senzory (termočlánky), dá sa nakonfigurovať pre termočlánky typu K, J, S, N

pripojenie termočlánkov pre monitorovanie teplôt v experi-mentálnom zariadení

Tab. 1. Konfigurácia PLC v riadiacom systéme

Obr. 1. Schématické znázornenie reakčných zón pod-zemného splyňovania

vzduchová injekcia

odťah plynu

odhado-vané teploty

200 až 550 °C

zóna sušenia a pyrolýzy

uhlie CH4 ++ H2O + CO ++ CO2 + H2 + + uhľovodíky

550 až 900 °C

redukčná zónaC + H2O CO + H2

CO2 + C 2COCO + H2O CO2

+ H2C + 2H2 CH4

oxidačná zónaC + O2 CO2

2C + O2 2CO2CO + O2 2CO2uhlie + O2 CO2 +

+ CO + H2O

viac ako 900 °C

redukčná zónazóna sušenia a pyrolýzy

oxidačná zóna

Page 2: Riadenie procesu splyňovania uhlia s využitím PLCautoma.cz/Aton/FileRepository/pdf_articles/42107.pdf · modul zabezpečuje hlavný riadiaci cyklus (program nahraný z prostredia

47AUTOMA 10/2010

řídicí technika a systémy, HMI

rimentálnych zariadeniach – generátoroch (G1 a G2). Programovateľný automat (PLC) B&R X20 je súčasťou riadiaceho systému. Zostava PLC obsahuje systémový modul so 400MHz procesorom Intel® Celeron a jeho súčasťou je komunikačné rozhranie pre komunikáciu PLC s PC prostredníctvom sériovej linky RS-232

a sieťového protokolu TCP/IP. Prehľad všet-kých používaných modulov v zostave PLC spoločne s ich stručným popisom a použití v riadiacom systéme je uvedený v tab. 1.

Riadiace algoritmy boli naprogramované v prostredí B&R Automation Studio pomo-cou jazyka Automation Basic [2].

Riadiaci systém paralelne vykonáva nie-koľko nepretržitých cyklov. Sú to samostatné cyklické moduly (algoritmy), ktoré zabezpe-čujú tieto operácie:– vypínanie a zapínanie kompresorov tak,

aby bol tlak v nádobe udržaný medzi mi-nimálnou a maximálnou hodnotou,

Obr. 2. Stromová štruktúra projektu riadiaceho systému v prostredí B&R Automation Basic

Obr. 4. Schéma pripojenia zariadení pre meranie a reguláciu na riadiaci systém

Obr. 3. Bloková schéma monitorovacieho a riadiaceho systému

zariadenia pre meranie a reguláciu

monitorovací systém

PLC

splyňovací generátor

okysličovadlo syngas

kompresor 1

kompresor 2

zapínanie

kompresorovriadiaca jednotka

kompresorov

K1 K2

hadica

spätná klapka

tlaková nádoba

tlakomer – meranie tlaku v tlak. nádobe

TN

S

∆P1

P2

P3

redukčný ventil

tlakomer

servoventil

tlakomer

prietokomer

P4

tlakomer

S1 P1

redukčný ventil

riadenie prietoku vzduchu

meranie tlaku pred prietokomerom

meranie prietoku vzduchuclona a snímačtlak. dif.

meranie tlaku za prietokomerom

zmiešavacia stanica

mer

anie

tlak

u vz

duch

u

mer

anie

tepl

ôt

mer

anie

tlak

u vz

duch

u

ovlá

dani

e so

leno

idov

tlak

a te

plot

a pl

ynu

(sní

mač

Kim

o)

mer

anie

prie

toku

ply

nu

mer

anie

výh

revn

osti

mer

anie

zlo

ženi

a pl

ynu

menič frekv.

spaľ. komora

komín

T

ventilátor

V12

APMV

∆P2

V13

P6T

V21

SK3

V22V4

V10

V11

V9V8

tlak v G2 – tlakomer Keller

P7

posúvacia tyč

clona a snímač tlak. dif. plynu

kalorimeter CWD 2000

analyzátor plynov CMS-7 + Caldos

zberné potrubie A

zberné potrubie B

P5

monitorovací systém – PC + PromoticB+R OPC ServerB+R PVI Manager

sériová linka (RS-232)trojvodičové zapojenie

riadiaci systém – PLCB+R X20

T48 termočlánkov

T

26 solenoidov

T

V1

SK2

V12

V13

V3

V7

V6

ventily T

T

termočlánky na koncoch 21 tyčí

termočlánok na konci posuvnej tyče

T

Page 3: Riadenie procesu splyňovania uhlia s využitím PLCautoma.cz/Aton/FileRepository/pdf_articles/42107.pdf · modul zabezpečuje hlavný riadiaci cyklus (program nahraný z prostredia

48 AUTOMA 10/2010

řídicí technika a systémy, HMI

– stabilizáciu prietoku vzduchu na žiadanú hodnotu pomocou servoventilu,

– stabilizáciu teploty v modeli uhoľného sloja,

– stabilizáciu koncentrácie CO a O2 v pro-dukovanom plyne na žiadanú hodnotu po-mocou prietoku vzduchu,

– stabilizáciu koncentrácie O2 v produkova-nom plyne na žiadanú hodnotu pomocou ventilátora na výstu-pe,

– extremálnu regulá-ciu pre maximalizá-ciu teploty, koncen-trácie CO, výhrev-nosti a pomeru CO/ /(CO+CO2) vo vyro-benom plyne,

– optimálne riadenie procesu UCG (feed-back optimal con-trol) [4], [5].Stromová štruktú-

ra projektu riadiaceho systému je zobrazená na obr. 2. V tejto štruk-túre sú na ľavej stra-ne zobrazené jednot-livé moduly I/O PLC a na pravej strane cyk-lické moduly s riadiaci-mi algoritmami. Každý modul sa dá osobitne konfigurovať a na jeho porty je možné napojiť premenné z riadiacich algoritmov. Riadiace algoritmy sú umiest-nené v tzv. cyklických moduloch s pevne na-stavenou periódou, pri-čom každý modul má svoj názov podľa svoj-ho významu. Po skom-pilovaní projektu sa bi-nárny kód odošle na PLC a ten ho cyklicky vykonáva. Premenné, ktoré sú z PLC odosie-lané do PC, musia byť v projekte deklarova-né ako globálne. Záro-veň je nevyhnutné tie isté premenné nakon-figurovať na PC v prostredí aplikácie OPC Configurator.

Na obr. 3 je znázornená zjednodušená blo-ková schéma celého systému pre monitorova-nie a riadenie procesu splyňovania uhlia, kto-rá pozostáva zo štyroch základných blokov. Blok splyňovací generátor predstavuje expe-rimentálne zariadenie, na vstupe ktorého je znázornený prívod okysličovadla a na výstupe potrubie s odsávaným produkovaným plynom spaľovaným v spaľovacej komore. Blok zaria-denia pre meranie a reguláciu predstavuje me-racie prístroje a zariadenia (tlakomery, prieto-komery, ventily, termočlánky atď.). Blok PLC

zahŕňa zostavu PLC podľa tab. 1 a algoritmy riadiaceho systému. Posledným blokom je monitorovací systém, ktorý je implemento-vaný na PC a jeho komunikácia s PLC je za-bezpečená prostredníctvom RS-232.

Na obr. 4 je zobrazená podrobnejšia sché-ma pripojenia jednotlivých zariadení pre me-ranie a reguláciu k PLC. Pripojené boli za-riadenia s analógovými prúdovými a analó-

govými napäťovými signálmi a zariadenia s dvojstavovou reguláciou. V schéme je tak-tiež zobrazený princíp prepojenia riadiaceho systému (PLC) s monitorovacím systémom (PC) prostredníctvom rozhrania B&R PVI.

PLC je prostredníctvom sériovej linky (RS-232) spojený s počítačom, na ktorom je spustená aplikácia monitorovacieho a ria-diaceho systému procesu UCG. Táto apliká-cia bola vytvorená v prostredí Promotic a je určená pre vizualizáciu procesu splyňovania v laboratórnych podmienkach. Monitorované procesné veličiny sú zobrazované v jednotli-vých obrazoch v grafickej a tabuľkovej po-dobe. Základným obrazom monitorovacieho

systému je obraz „generátor“ (obr. 5), ktorý operátor využíva na monitorovanie vstupov a výstupov pri splyňovaní na obidvoch gene-rátoroch (G1 a G2). Ďalším dôležitým obra-zom pre monitorovanie a riadenie procesu je obraz „teploty“ (obr. 6), ktorý je najčastejšie sa aktualizovaným obrazom a zobrazuje ak-tuálne (okamžité) hodnoty teplôt zo všetkých pripojených termočlánkov. Okrem spomína-ných obrazov monitorovací systém obsahuje ešte tieto obrazy:– obraz „riadenie splyňovania“,– obraz „trendy koncentrácie plynov“,– obraz „trendy teplôt“,– obraz „rýchlosti ohrevu“.

Monitorovací systém taktiež umožňu-je archivovať údaje do databázových súbo-rov pre off-line vyhodnotenie experimen-tov. PLC s monitorovacím a riadiacim systé-mom komunikuje prostredníctvom rozhrania PVI (PVI Manager) a nastaveného PVI OPC Servera.

3. Algoritmy riadiaceho systému procesu UCG

Cieľom riadiaceho systému procesu UCG pri jeho overovaní v laboratórnych podmien-kach je zabezpečiť, aby vyrobený plyn – syn-gas – dosahoval čo najvyššiu výhrevnosť, t.j. zabezpečiť čo najväčší obsah horľavých zlo-žiek v produkovanom plyne. Pre dosiahnutie tohto cieľa bolo potrebné vytvoriť tieto algo-ritmy riadiaceho systému (obr. 7):– diskrétny PI regulátor pre stabilizáciu ob-

jemového prietoku okysličovadla na vstu-pe experimentálneho zariadenia,

– PI regulátor pre stabilizáciu koncentrácií výhrevných zložiek produkovaného ply-nu riadeným prietokom okysličovadla na vstupe do experimentálneho zariadenia,

– PI regulátor pre stabilizáciu koncentrácie kyslíka v produkovanom plyne riadením výkonu odsávacieho ventilátora na výstu-pe z experimentálneho zariadenia,

– PI regulátor pre stabilizáciu teplôt v uhoľ-nom modeli experimentálneho zariadenia riadeným prietokom okysličovadla na vstu-pe do experimentálneho zariadenia,

– extremálne regulátory pre riadenie tep-loty a koncentrácie CO a pomeru CO/ /(CO + CO2),

– algoritmus optimálneho riadenia pre opti-málne riadenie procesu UCG podľa zvole-ného kritéria (extremálne algoritmy). Všetky uvedené regulátory sú umiestne-

né na PLC ako samostatné cyklické moduly. Vybrať regulátor a nastaviť jeho parametre je možné v prostredí monitorovacieho systému, ktorý je implementovaný na PC [3].

V priebehu splyňovania je zloženie produ-kovaného plynu funkciou teploty v reakčnej zóne a objemového množstva okysličovadla na vstupe. Stabilizačné regulátory umožňu-jú stabilizovať veličiny na vstupe – objemový prietok okysličovadla, v modeli uhoľného slo-ja – teploty a na výstupe – koncentrácie zlo-

Obr. 5. Obraz monitorovacieho systému s názvom „generátor“

Obr. 6. Obraz monitorovacieho systému s názvom „teploty“

Page 4: Riadenie procesu splyňovania uhlia s využitím PLCautoma.cz/Aton/FileRepository/pdf_articles/42107.pdf · modul zabezpečuje hlavný riadiaci cyklus (program nahraný z prostredia

49AUTOMA 10/2010

řídicí technika a systémy, HMI

žiek produkovaného plynu na požadovanej hodnote. Napríklad udržiavanie vyš-ších teplôt v splynovacom kanáli modelu uhoľného sloja má pozitívny vplyv na chemické reakcie pri výrobe syngasu. Podobne aj stabilizácia koncentrácie CO na vyššie hodnoty po-zitívne vplýva na výhrev-nosť produkovaného ply-nu. Extremálne reguláto-ry sú zapojené v kaskáde s uvedenými regulátormi pre stabilizáciu.

Algoritmus optimálne-ho riadenia je založený na princípe optimalizácie so spätnou väzbou bez mate-matického modelu. Opti-malizačná úroveň expe-rimentálnou cestou hľa-dá optimálne parametre vstupov do splyňovacieho procesu tak, aby bol do-siahnutý sledovaný cieľ. Aplikovaná bola jednoduchá gradientná opti-malizačná metóda s obmedzeniami, ktorá bola prispôsobená pre optimalizáciu riadia-cich veličín splyňovacieho zariadenia. Hlav-ným cieľom pri overovaní riadiacieho algorit-mu optimálneho riadenia bola maximalizácia výhrevnosti vyrobeného plynu [5].

4. Bezpečnosť experimentálneho zariadenia a riadiaceho systému

Navrhnuté experimentálne zariadenie je prioritne určené len pre výskum technológie procesu splyňovania uhlia, čo ale nemôže zní-žiť požiadavky na jeho bezpečnú prevádzku. Pri prevádzaní experimentov na zariadení boli vypracované špeciálne bezpečnostné predpisy pre operátorov. V týchto predpisoch je predo-všetkým zahrnutá bezpečnosť a ochrana zdra-via pri práci. Pracovníci majú k dispozícii prí-stroje pre meranie koncentrácií nebezpečných plynov v ovzduší. V prípade zvýšenej kon-centrácie oxidu uhoľnatého je v predpisoch uvedený detailný postup činností pre elimi-náciu rizika otravy plynom. Experimentálne zariadenie je umiestnené v hale, ktorá je do-statočne odvetrávaná a produkovaný plyn – syngas je spálený v spaľovacej komore.

PLC s riadiacim systémom je umiestne-ný v rozvádzacej skrini, v ktorej je elektric-ká inštalácia zabezpečená podľa noriem STN 33 2000. Bezporuchová činnosť riadiaceho a monitorovacieho systému je zabezpečená:– pravidelným testovaním algoritmov systému,– kontrolou funkčnosti meracích prístrojov

a zariadení,– kontrolou správnosti zapojenia elektric-

kých prístrojov v rozvádzacej skrini,– overovaním funkčnosti a správneho pripo-

jenia termočlánkov do modulov PLC.

Zapojenie sa kontroluje a overuje pred kaž-dým experimentom. V priebehu experimentu sú merané procesné veličiny overované vzhľa-dom na technologické medze. Pri ich prekro-čení sa spustí vizuálny alarm a porušenie tech-nologickej medze je zaznamenané v databáze.

5. Záver

Realizácia procesu podzemného splyňova-nia na reálnom uhoľnom ložisku si vyžaduje nielen znalosť geológie a samotného procesu, ale aj investície potrebné na vybudovanie sys-témov pre monitorovanie a automatické riade-nie procesu splyňovania. V príspevku je pre-zentovaná štruktúra integrovaného riadiaceho systému stabilizačnej a optimalizačnej úrovne. Riadiaci systém je automatizovaný, postavený na báze priemyselného automatu (PLC) a roz-siahleho monitorovacieho systému.

Uvedený riadiaci systém bol overený na experimentálnom splyňovacom zariadení v dvoch rôznych generátoroch. Fyzikálny model uhoľného sloja bol zostavený v ko-relácii s reálnymi podmienkami skutočného podzemného ložiska. Pri implementácii ria-diaceho systému do procesu UCG v reálnom ložisku je potrebná jeho adaptácia.

Tento príspevok vznikol ako jeden z vý-stupov projektu APVV 0582-06, ktorého cie-ľom bolo overiť technológiu podzemného splyňovania uhlia v laboratórnych podmien-kach. Porovnanie alternatív splyňovania a vý-sledky z ostatných experimentov sú uvedené v rozsiahlych výskumných správach projek-tu a odborných príspevkoch.

Poďakovanie:Táto práca bola podporená projektom apli-kovaného výskumu APVV 0582-06 a grant-

mi VEGA s číslom 1/0365/08, 1/0404/08 a 1/0567/10 zo Slovenskej vedeckej granto-vej agentúry.

Literatúra:[1] ANON: Underground Coal Gasification Pro-

gram. Booz, Allen & Hamilton, Inc., Re-port ERDA 77-51/4 on Contract No. EX- -76-C-01-2343, US Energy Research and Deve-lopment Administration, 1977, 31 pp.

[2] KOSTÚR, K. – KAČUR, J.: The Monitoring and Control of Underground Coal Gasifica-tion. In: Acta Montanistica Slovaca, 1335-1788, 2008, 13, s. 111-117.

[3] LACIAK, M. – KAČUR, J.: Automatizovaný systém riadenia podzemného splyňovania uhlia v laboratórnych podmienkach. AT&P Journal, 8/2009, pp. 47–52, ISSN 1336-233X.

[4] KOSTÚR, K.: The Structure Of Control For Underground Coal Gasification. In: ICCC‘2009: Proceedings of 10th Internatio-nal Carpathian Control Conference, Zakopane, Poland, May 24-27, 2009, AGH Krakow, pp. 219-222, ISBN 83-89772-51-5.

[5] LACIAK, M. - KAČUR, J.: Optimálne riadenie procesu splyňovania uhlia v laboratórnych podmienkach. In: AT&P Journal, 4/2010, ISSN 1336-233X.

Ing. Ján Kačur, Ing. Marek Laciak, PhD.,Technická univerzita v Košiciach,

Fakulta baníctva, ekológie, riadenia a geotechnológií,

ústav riadenia a informatizácie výrobných procesov

([email protected], [email protected])

Lektorovala: Ing. Marie Martinásková, Ph.D.,ústav přístrojové a řídicí techniky,

Fakulta strojní ČVUT v Praze

Obr. 7. Štruktúra zapojenia algoritmov riadiaceho systému v procese splyňovania

žiadaná koncentrácia w (%)

žiadaná teplota w (°C)

žiadaný prietok vzduchu w (m3/h)nameraný prietok vzduchu V (m3/h)

PC monitorovanie a ovládanie procesu UCG

PROMOTIC – monitorovanie prietokov, tlakov, koncen-trácií, ovládanie regulátorov, záznam údajov do data- bázy (súbory CSV), modely

PLC

PVI + OPC

PI regulátor na teploty

PI regulátor na teploty

teplota (°C)

extremálny regulátor na teploty

extremálny regulátor na CO

a pomer CO/ /(CO + CO2)

algoritmus optimálneho

riadenia

PI reg. na stab. konc. O2

v syngase ventilátorom

diskrétny PI regulátor pre stabilizáciu

prietoku vzduchu

výpočet prietoku vzduchu z tlak. dif.

na clone

meranie prietoku vzduchu

meranie tlaku (prúd. sig.)

y (4 až 20 mA)

snímač tlak. dif. na centrickej clone

meranie teploty Ttermočlánky v generátore

generátor G1

generátor G2

syngas

regulovaný prietok vzduchu

clonaservoventil

vzduch

∆u (%)

∆u (Hz)

∆u (m3/h)

V (m3/h)

∆u (m3/h)

w (m3/h)∆u (%)

∆u (%)

V (m3/h) O2 (%)meranie koncentrácie

plynov CO, CO2, O2, H2, CH4 (%) vo vyrobenom

syngase

analyzátory CMS-7

a Caldos

menič frekvencie

žiadaná koncentrácia O2 v syngase w (%)∆u (Hz)

koncentrácie plynov CO, CO2, O2, H2, CH4 (%)

komín

CO, CO2 (%)

teploty