基于WinCC的煤层气输送系统监控画面的设计Word文件下载.docx
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（2）大量查阅最新的相关文献资料，综述总结目前国内外有关煤层气发电生产过程监控方面的最新方法和策略；
（3）着重研究煤层气发电生产过程中的煤层气输送子系统的主要组成设备及主要参数；
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（4）学习掌握西门子公司的WinCC组态软件；
（5）针对目前煤层气输送子系统监控中存在的问题，借鉴国内外有关的最新资料，采用西门子公司的WinCC组态软件设计煤层气输送子系统的监控画面；
（6）按照太原理工大学本科生毕业论文的格式要求编写毕业设计说明书（即毕业论文）。
学生应交出的设计文件（论文）：
1、毕业设计说明书；
要求内容准确，叙述清晰流畅，图文详尽。
主要内容包括：
1）论述煤层气发电的生产工艺及控制流程；
2）综述总结目前国内外有关煤层气发电生产过程监控方面的最新方法和策略；
3）着重研究煤层气发电生产过程中的煤层气输送子系统的自动控制；
4）总结目前煤层气输送子系统监控中存在的问题，采用西门子公司的WinCC组态软件设计煤层气输送子系统的监控画面。
要有详细的设计方案论证和设计过程说明；
5）与设计课题相关的英文资料原文（1万个印刷符号）和译文。
2、毕业设计的电子文档。
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主要参考文献（资料）：
[1]煤层气发电站工程用户手册.
[2]黄盛初.我国煤层气利用技术现状及前景[J].中国煤炭,1998（5）：
25-28.
[3]严绪朝,郝鸿毅.国外煤层气的开发利用状况及其技术水平[J].石油科技论坛,2007（6）:
24-30.
[4]罗仕鉴、朱上上、孙守迁.人机界面设计[M].机械工业出版社，2002.8.
[5]马国华.监控组态软件及其应用[M].北京：
清华大学出版社，2001.8.
[6]SIMENSSIMATICWinCC使用手册.
专业班级学生
要求设计（论文）工作起止日期
指导教师签字日期
教研室主任审查签字日期
系主任批准签字日期
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基于WinCC的煤层气输送系统监控画面的设计
摘要
随着计算机技术的发展以及工业自动化水平的不断提高，利用计算机技术对生产进行管理以及对生产过程实施数据采集和监控，越来越受到人们的关注。
组态软件就是计算机技术向工业领域渗透的产物。
它具有接口开放、功能齐全、组态灵活、运行稳定、简单易学等特点，为用户提供了快速构建工业监控系统的手段，使其有效降低了开发成本和有效缩短了开发周期。
在计算机上配以组态软件实现数据采集和过程控制是工业控制领域的一个明显趋势，因为这种模式可更直观、更方便地对生产过程进行实时监控，充分发挥计算机的复杂数据运算处理和图形显示能力，同时避免工业控制过程中大量烦琐的编程工作，使用户能根据自己的控制对象和控制目的任意组态，从而构筑符合用户要求的监控系统。
本文首先介绍了本课题的背景以及论文要完成的工作；
分析了煤层气发电的国内外现状及煤层气发电系统的生产过程工艺设备，基于监控系统设计原则以及该项目的控制要求，提出了煤层气输送系统的监控系统的总体设计方案。
介绍了基于组态软件WinCC开发设计上位监控系统的过程，完成了基于WinCC对上位监控系统功能设计，包括监控界面制作，组态报警设计以及用户管理的权限定义等。
关键字：
煤层气；
组态软件；
监控系统；
WinCC；
CBMTRANSFERSYSTEMMONITORSCREENDESIGNBASEONWinCC
Abstract
Withthedevelopmentofcomputertechnologyandcontinualpromotionoffactoryautomation,moreandmoreattentionispaidtoadministrationoffactoryinformationanddatacollectionandmonitorduringindustrialproducingbymeansofcomputertechnology.heconfigurationsoftware,theveryproductionofprocessoftechnologypenetratingintoindustry,whichhasmanyadvantagessuchasopeninterfaces,entirefunctions,lexiblemethodsofconfiguration,stabilizationandeasytolearnetc.provideuserswithmethodsthatmakethemdeveloptheindustrialmonitorsystemrapidlytodecreasetheproductionobviouslyandshortentheperiodeffectively.
It’sanobvioustendencyinindustrialcontrolfieldstosetconfigurationsoftwareoncomputers,becausethismodecanreal-timemonitorindustrialproductionprocessmoreintuitionallyandconveniently,andfullyexertcomputers’abilityoncomplicateddatadisposal,reportformsstatisticandgraphicsdisplay.What'
smore,configurationsoftwarecanavoidtroubledprogrammingworkinindustrialcontrolprocess,whichenablesuserstomakeconfigurationatwilltofastbuildupindustrialmonitorsystems,accordingtousers’controlobjectsandaims.
Thispaperisbasedonconveyingsystem,coalbedmethanebyautomationtechnology,industrialcommunicationnetworktechnologyandfunctionalconfigurationsoftwaretechnology,introducestheWinCCdevelopmentbasedonconfigurationsoftwaredesignprocessofuppermonitorsystem.
Thispaperfirstlyintroducesthebackgroundofthesubjectandtocompletethework,introducedthepresentsituationandtheproductionprocessofCBMsystemequipments,studiestheconfigurationsoftwareandmonitoringsystem,thenbasedontherelationshipbetweendesignprincipleandthemonitoringsystemofthecontrolrequirements,putsforwardthecoalbedmethaneconveyingsystemmonitoringandcontrolsystemoftheoveralldesignscheme.Thendesignthecomputermonitorsystem,includingmanufactureofthemonitoringandcontrollinginterface,designofconfigurationalarm,etc.
Keywords:
CBM,Configurationsoftware,Monitoringsystem,WinCC
第一章绪论1
1.1研究的背景及意义1
1.2国内外研究现状2
1.2.1煤层气开发利用的现状2
1.2.2煤层气发电的研究现状4
1.3监控组态软件5
1.4论文研究的主要内容7
第二章煤层气发电生产过程工艺设备及参数要求9
2.1煤层气发电生产过程工艺及设备9
2.1.1输送系统10
2.1.2发电系统11
2.2控制系统的参数及要求13
2.2.1转速控制14
2.2.2空燃比14
2.2.3管道压力15
2.2.4热工参数报警界限15
第三章WinCC监控系统总体设计18
3.1组态软件WinCC18
3.2WinCC监控软件的设计原则21
3.3WinCC监控程序的设计步骤22
3.3.1创建项目及画面22
3.3.2添加并组态驱动器24
3.3.3添加变量标签25
3.3.4设计监控界面27
3.3.5报警界面的设计28
3.3.6数据归档及趋势界面的设计30
3.3.7用户权限的管理31
第四章煤层气输送系统的人机界面设计32
4.1煤层气输送系统的总体设计32
4.2传输系统的主画面33
4.3传输系统的变量34
4.4传输系统的过程画面35
4.5报警界面的设计36
4.6趋势图界面设计40
4.6.1创建趋势图40
4.6.2设置趋势图41
4.7用户管理43
第五章结论与展望47
5.1主要研究开发的工作总结47
5.2进一步的研究与展望47
参考文献48
致谢49
外文原文50
中文翻译57
第一章绪论
1.1研究的背景及意义
煤层气是在煤矿层及其邻近岩层中与煤伴生的以分子吸附状态赋存于煤基质表面上的一种可燃气体，其主要成分（常占90%以上）是甲烷（CH4），俗称“瓦斯”。
在热值上，煤层气与常规天然气相当，发热量在8000大卡/m3以上，每1000m3煤层气相当于1t石油或1.25t标准煤。
煤层气有煤矿“第一杀手”之称，煤矿煤层气事故是煤矿安全生产的最大威胁之一。
我国国有煤矿高煤层气和煤层气突出矿井占总矿井数的46%，煤层气事故频繁[1]。
在中国煤矿重大恶性事故中，煤层气爆炸引起的事故约占70-80%[2]，造成的伤亡占到特大事故伤亡人数的九成[3]。
据中国监察部网统计，2004年全国共发生煤矿死亡事故3639起，造成6027人死亡。
2003年全国矿难的死亡人数达到6177人，两年共有1.2204万名矿工死亡，其中绝大部分死于煤层气爆炸事故[4]。
煤层气不仅是矿工的生命杀手，还是人类生存环境的破坏者。
煤层气中95%以上是甲烷。
甲烷是造成环境温室效应的3种主要气体（甲烷、二氧化碳和氟利昂）之一，如果以原子为基准，甲烷的加热效应是CO2的25-30倍，以重量为基准则达70倍。
甲烷排入大气层，不仅因其温室效应引起气候异常，而且消耗大气平流层中的臭氧，对臭氧层的破坏能力是二氧化碳的7倍，严重削弱了臭氧层对太阳紫外线侵袭的防护作用，危害人类健康[3,4]。
煤层气发电是一项多效益型综合利用项目，它能高效地将煤层气转化为电能。
各种不同类型的煤层气发电设备可以利用不同浓度的矿区煤层气，这对降低发电成本、就地利用矿区煤层气资源极为有利。
煤层气发电既可以直接燃用煤层气来推动往复式发动机、燃气轮机，也可以先用煤层气作为蒸汽锅炉的燃料，再利用蒸汽发电。
开发利用煤层气可以从根本上防止煤矿煤层气事故的发生，改善煤矿安全生产，提高经济效益[5]。
煤层气作为优质能源具有绿色意义:
基本不含硫,对各种设备腐蚀小；
燃烧产生污染物少；
燃烧后废气是一种气态肥料,可增强植物的光合作用；
减少甲烷排放，有效缓解温室效应。
开发利用煤层气,减轻大量燃烧煤造成的空气污染[3]。
开发利用煤层气，可以改善我国的能源结构，增加洁净气体能源,拉动相关产业的发展[5]。
1.2国内外研究现状
1.2.1煤层气开发利用的现状
目前,美国、加拿大、德国和法国等国家的煤层气产业发展迅速,各国的煤层气资源条件、政策等有所差别,其发展状况也有所不同。
美国在研究、勘探、开发利用方面处于世界领先地位,是世界上率先取得煤层气商业化开发最成功的国家。
20世纪初美国就开始在井下开采煤层气,从70年代末至80年代初,美国通过采煤前预抽和采空区井抽放回收煤层气，并开始进行地面开采煤层气试验，1997年其产量达320亿立方米，基本形成产业化规模。
2004年美国煤层气年产量达500亿立方米，成为重要的能源。
美国的煤层气主要采用地面井的办法开采，浓度较高，因此主要输入天然气管道，与天然气联合使用。
在矿井煤层气的使用方面，美国的西北燃料公司在俄亥俄州的Nelms矿的1号井建立煤层气发电设备，利用中等质量的煤层气发电，装机容量为9×
675kW，每天可消耗煤层气6370m3。
加拿大煤层气开发比较晚，但多年来其政府一直支持煤层气的发展，一些研究机构根据本国以低变质煤为主的特点，开展了一系列技术研究工作，例如在多分支水平羽状井、连续油管压裂等技术方面取得了进展，降低了煤层气开采成本，煤层气的发展进入了一个新阶段。
2004年，加拿大煤层气生产井已达2900多口，年产量达到15.5亿立方米。
德国近些年来，在一系列政策法规的推动下，煤层气开发及相关设备的研制均取得了很大进展。
20世纪末，德国对煤层气的利用还大多局限于在煤矿现场使用，如在锅炉中将煤层气和煤混合燃烧，用来取暖和发电。
2000年4月生效的《可再生能源法》对德国的煤层气开发是个里程碑。
2000年10月，德国政府出台了“国家气候保护计划”，制定了到2005年二氧化碳排放比1990年减少25%的目标。
在国家政策法规的推动下，地方也积极行动起来。
2001年9月，北莱茵-威斯特法伦州政府决定，实施“北莱茵-威斯特法伦州气候保护行动”，计划通过制造和运营总共大约70兆千万瓦发电能力的供电-供热耦合机组BHKW设备，加大对当地矿区煤层气的利用。
以法国为代表，对于煤矿企业而言，抽取煤层气发电在技术上并非难事，关键在资金，或者说融资方式。
早在二三十年前，欧洲国家煤炭企业就已开始抽取煤层气。
抽取煤层气发电在技术上没有任何难度，只需气体抽取系统和天然气发电设备就可以。
这种做法过去没能在世界各地普及的一大原因是它需要较大的投入。
随着抽取煤层气的环保意义不断提升，人们想出了普及这种做法的融资方式。
正是在这种运作方式下，煤矿企业获得了资金，可以继续推广抽取煤层气的做法，不但发了电，还解决了安全问题和减少温室气体排放问题，因此它对煤矿企业是很有益的。
俄罗斯最大的煤田—库兹巴斯煤田每年排出的煤层气中有1亿到2亿立方米是通过抽气管道排出矿井的，这部分煤层气便于回收。
库兹巴斯煤田范围内的别洛沃煤矿是俄罗斯煤层气含量最高的煤矿，煤层气排放量高达每分钟50-70m3。
目前该煤矿每分钟可以压缩5-6m3从矿井中抽出的煤层气，并利用其发电。
澳大利亚早在1976年就开始开采煤层气，主要在昆士兰的鲍恩盆地。
但到目前为止其煤层气的产量还是以矿井煤层气抽放为主，生产的煤层气主要供给建在井口的煤层气发电站。
我国煤层气资源非常的丰富，根据中国煤田地质总局（1998）的煤层气资源评价结果，全国煤层甲烷含量大于4m3∕t、埋藏深度2000m以浅的煤层气资源总量为143369.44x108m3，其中含气量大于8m3∕t的富甲烷煤层的煤层气资源量占86.8％，埋深1500m以浅的煤层气资源量占64.56％，含气量较高且埋深浅，对煤层气的开发利用相当有利。
在矿井煤层气抽放方面，出于安全因素考虑，我国从50年代开始即抽放煤层气，至90年代以后有了较大发展。
1992年矿井煤层气抽放量为5.34亿m3，至2002年及增长至11.46亿m3。
随着煤层气应用技术的发展，开展煤层气抽放的矿井将会越来越多，煤层气抽放量也会进一步增加。
煤层气可以分为以下几种：
未开采煤矿地区的煤层气被称为VCBM，其甲烷浓度高达90％以上，可以通过由地面向煤层钻孔，直接从原生煤层中采得，输入天然气管道使用。
由于煤矿的开采而释放出的煤层气称为CMM，即矿井煤层气，由于采用井下抽放，受到抽取的影响，甲烷浓度一般在20％-40％。
在煤矿开采过程中，为了保证安全生产而使用通风系统排出的煤层气，其甲烷浓度小于1％，被成为VAM，即矿井乏风。
对于已经关闭的煤矿，仍能释放出甲烷气体，被称为AMM，其甲烷浓度在20％左右。
目前，世界各国主要利用矿井抽取的煤层气和地面开采的煤层气来发电。
我国煤层气勘探开发尚处于起步阶段，截止2004年底我国煤层气可采储量470亿立方米，全国已正式登记煤层气区块56个，面积6577万平方公里，共施工地面煤层气井287口，试验井组6个;
全国共有133个矿井采用井下抽放技术抽取煤层气，年抽放量达15亿立方米，已建成煤层气利用工程60多个。
我国煤层气开发利用主要集中在山西、辽宁、内蒙古、安徽、云南、河南和贵州等省（区）。
在地面钻井回收煤层气方面，我国自20世纪70年代开始在抚顺和焦作等矿区进行地面煤层气预抽试验，并从90年代初开始引进国外煤层气开发技术，目前已进入全面勘探开发阶段，煤层气的井下抽放始于50年代，目前山西阳泉、安徽淮南、辽宁抚顺等高煤层气矿区抽放煤层气量均超过1亿立方米/年。
我国煤层气利用始于20世纪70年代末。
1982年，国家将矿井煤层气利用工程正式纳入国家节能基本建设投资计划。
到目前为止，已建成煤层气利用工程60多个。
2000年，煤层气利用量5亿立方米左右。
晋城无烟煤集团公司是最早利用煤层气发电的企业之一，其投入运营的煤层气电站总装机容量已达5840kW，目前该公司正计划建一座120MW的煤层气电厂。
目前，我国煤层气产量主要来自井下抽放系统，地面井回收的煤层气尚未形成规模。
井下抽放系统回收的煤层气主要用作民用燃料和工业锅炉燃料，少量用于发电和生产化工产品。
我国有3个矿区已建立了煤层气发电项目，另有3个矿区用煤层气生产炭黑产品，而用煤层气作民用燃料的矿区已超过20个[6]。
1.2.2煤层气发电的研究现状
煤层气发电是其利用的直接途径，可利用发电，制冷、制热三联供技术，最大限度地提高资源利用率。
由于煤层气主要成分为甲烷，燃烧后产生水蒸汽和温室气体二氧化碳，其二氧化碳排放量大为减少被核实后，将由专门的国际基金收购。
在这种运作方式使煤矿企业不但发了电，还解决了安全问题和减少温气体排放问题。
（1）国内煤层气发电研究现状
目前煤层气发电最主要应用的是内燃机、燃气轮机和发电站的混燃锅炉2005年底淮南集团10座煤层气发电站装机总规模将达到24232kW。
与德国鲁尔集团合作利用煤层气发电机组排出的高温尾气制冷，解决井下工作面降温并改善工作环境。
项目计划在2006年投入使用，先期2台×
1360kW的发电机组12月份发电运行。
目前我国煤层气抽放的主要目的是保证煤矿的安全生产，主要使用井下抽放技术，开采技术落后，得到的煤层气浓度约为30％-60％，浓度不高且随着开采环境的变化而发生波动。
用于发电效率较低．我国虽然井下煤层气抽放量较大，但抽放率较低，在108个进行煤层气抽放的重点煤矿中，平均抽放率仅为24％，且抽放出来的煤层气大部分都排入大气，造成了很大的浪费．若能采用地面钻井技术从未开采煤层中开采煤层气，可得到高浓度的煤层气，即避免了资源的浪费和环境的污染，高浓度的煤层气也便于利用。
我国对此技术的利用正处于试验阶段，据统计全国共有试验井组12个，主要分布在华北地区。
其中产量最高的井组为山西沁水盆地的高阶煤试验井组，日产量可达6000m3以上，但其他大部分井组都由于产量过小而关停。
（2）国外煤层气发电研究现状
现在，在美国只有少量的CMM发电项目，主要原因是美国相对较低的电力成本。
澳大利亚拥有目前世界规模最大的煤层气发电项目，装机容量为94MW，采用Caterpillar公司生产的G3516型IMW内燃机组发电，94台发电机组中有54台位于Appin矿，另外40台位于Tower矿。
发电所用的煤层气甲烷浓度为50％-80％，二氧化碳浓度为0.5％。
燃烧所需的空气由浓度为0.5％-1.0％的矿井乏风提供，每天可回收矿井乏风37000m3。
在煤层气供应不足时采用天然气作为补充燃料。
热效率可达30％-35％。
位于波兰上西里西死盆地的Wesola煤矿，利用中等质量的煤层气发电。
煤层气中甲烷含量为60％，空气含量40％。
燃烧所需的空气是由矿井乏风提供，其中甲烷含量在
0.2％，每秒可提供甲烷0.025m3．每天提供甲烷2160m3，相当于给燃气轮机供应了2％的燃料。
采用ABB的GT-5型燃气轮机，输出功率达2.7MW，额定工况下效率为27.4％，若配套余热锅炉回收捧气中的能量，总功率可达3.96MW．Zofiowka煤矿采用煤与煤层气联合燃烧的方法发电，装机容量达64MW+320MW。
装置所需能量的10％由煤层气提供，在1994年前半年，消耗浓度为46.5
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