礦用膜分離制氮機溫度控制的實現

楊珎伶

（大同科工安全儀器有限公司， 山西 大同 037300）

引言

由于煤礦現場具有各種類型的易燃易爆氣體，通風防火是煤礦技術人員需要關注的重點工作。在礦井現場制氮機發揮著通風滅火作用，保障煤礦的安全生產和一線作業人員安全。制氮機在工作過程中，受到了礦井現場溫度的影響，溫度的變化對其纖維膜的制氮水平以及使用壽命有著密切的關聯[1]。為了制氮機不受外界溫度的影響，實現自我調節溫度的功能并正常運轉，通常采用加熱器對制氮機的溫度進行調節，但是控制精度較差。

1 膜式制氮系統工作原理

1.1 膜的工作原理解析

膜以中空纖維的形式存在，氣體分離膜的工作原理是選擇性滲透膜表面，膜內側和外側的氣體形成分壓差。如果這種差異越大，氣體通過膜的滲透性就越大[2]。每種氣體的滲透率取決于其在膜中的擴散率。具有較高擴散速率和較小分子尺寸的氣體比擴散較小的大氣體更快地穿透膜。

纖維束的高密度提供了巨大的膜表面積，空氣成分以不同的速度滲透通過該表面積。N2的滲透速度低于O2、CO2和水蒸氣[3]。因此，這些氣體通過膜并在安全位置排放到大氣中，只有N2從膜排放出來，如圖1 所示。

圖1 膜過濾工作原理示意圖

1.2 膜式制氮工作原理及溫度影響

膜式制氮的簡化示意圖如圖2 所示。氮生成的主要部件為空氣壓縮機、干燥機、入口過濾器、空氣加熱器（可選）、膜和儲氮罐。

圖2 膜式制氮工作原理示意圖

通常，來自壓縮機的空氣進料通過一個干燥器單元，去除空氣中的水分。干燥的空氣通過一系列過濾器，去除空氣中存在的污染物。膜的性能與空氣的工作溫度直接相關，如果空氣的工作溫度低于45 ℃，則膜的性能將急劇下降。因此在制氮系統中引入了加熱器，使空氣溫度保持在55～60 ℃。如果進料空氣溫度接近55 ℃，則不需要加熱器。

每個膜組件包含數百萬根中空纖維，纖維束的高密度提供了巨大的膜表面積，空氣成分以不同的速度滲透通過該表面積。與O2、CO2和水蒸氣相比，N2具有較低的滲透速度。只有N2從膜中出來并儲存在容器（氮氣接收器）中。然后將N2通過分配器網絡送到最終用戶（即壓縮機、泵和罐等）。

2 系統組成設計

2.1 系統的組成

膜分離制氮機的溫度控制系統有五個零部件組成，分別為PLC、顯示器、繼電器、加熱器和傳感器，整體結構如圖3 所示。

圖3 溫度控制系統組成圖

PLC 采用西門子CPU 224XP 型號，該型號具有多個輸入與輸出數字量接口，并且同時具有兩路并行的模擬量端口。用STEP7-Micro/WIN 開發軟件對PLC進行編譯，同時可拓展多種程序。溫度傳感器是關鍵，采用靈敏度較高的pt100 型號。為了提高精度，將溫度電流信號的數值限制為最大20 mA，降低了PLC 的工作負荷并且提高了精確性。

顯示器必須具有觸屏功能，同時具備RS485 接口，可以與PLC 直接的進行通信聯系。經過以太網的方式，傳輸速率設定為199 500 bit/s。

2.2 控制策略

通過PLC 模擬量輸出接口，進行數據自動調節。數據輸出后，以PID 算法為計算方案，實現對溫度的精準調節。溫度傳感器與變送器將溫度轉換信號進行統一，變化成4～20 mA 標準信號。利用PLC 內部的PID 控制算法，將輸入信號的數據周期進行重新調節。根據環境溫度不同，每個時刻的輸出周期將發生變化，并且形成閉環控制狀態，保持膜分離制氮機控制溫度保持恒定。控制系統策略圖如圖4 所示。

圖4 控制系統策略示意圖

2.3 PID 控制器設計

在MATLAB 軟件中調取PID 控制算法的典型代表，PID 閉環控制如圖5 所示。Sp（t）為給定值、Pv（t）為反饋量、C（t）為輸出量。

圖5 PID 控制閉合結構示意圖

2.4 軟件設計

PLC 控制程序主要是基于TEP7-Micro/WIN 進行開發，主要包括溫度控制、A/D 轉換，PID 控制等，軟件程序流程如圖6 所示。

圖6 軟件程序流程示意圖

2.5 系統顯示頁面的設計

設計獨立的運行窗口對膜分離制氮機的運行狀況進行監控。尤其觀察加熱器溫度情況，包括及加熱器入口與出口氣體的溫度變化。同時可在觸摸屏上直接對熱傳感的參數進行調節，PID 調節界面如圖7 所示。

圖7 系統顯示頁面

3 系統仿真驗證結果分析

3.1 加熱過程模擬

在制氮機PLC 程序設計時采用PID 算法，優化程序結構，減少程序巡檢周期。加熱溫度設定值為50℃，當礦用制氮機開始啟動時，通過空壓機與冷干機向加熱器中注入空氣，當加熱器氣體出口溫度上升到50℃時，PLC 通過周波控制器減小加熱器加熱時間。若溫度低于50 ℃，PLC 會通過周波控制器開啟加熱器進行加熱。啟動前期加熱溫度會有相對波動，通過PID 反饋調節，控制周波控制器產生周期過零式（PWM 占空比控制）和周波過零式（CYC 變周期控制）兩種輸出方式來調節加熱器的加熱時間。

通過調節，加熱器溫度會趨于平緩，溫度恒定在50 ℃，根據實際檢測會有±0.5 ℃的波動誤差。

3.2 結果分析

在MATLAB/Simulink 環境下構建仿真模型，進行仿真，得到PID 控制的最佳參數以及仿真結果，如下頁圖8 所示。

圖8 PID 仿真模型示意圖

通過仿真計算的方法，能夠提高對系統的研究效率，并且降低研究的成本，可以有效并及時變換計算參數，調節對現場實際工況環境的適應性。PID 控制算法不僅能夠通過圖形的形式對研究者展示計算成果，而且能夠擬合出曲線的函數，達到了理論計算的高度。

仿真結果表明，該系統設計也能達到現場要求，同時系統設計了良好的人機操作界面，使系統操作簡單方便，也克服了傳統膜分離制氮系統采用分離原件進行溫度控制的缺點。

實驗中，通過觸摸屏輸入PID 控制參數，并設定最佳溫度值為45 ℃，經過一段時間后，加熱爐溫度處于43～47 ℃之間，由此可見PLC 溫度控制系統能提供相對穩定的進氣溫度，如圖9 所示。

圖9 溫度仿真計算曲線示意圖

4 結語

本文通過對礦用膜分離制氮機的溫度控制系統進行研究。在基于原有加熱系統不穩定并且耗能過大的基礎上，對溫度控制系統進行了再優化，克服了原有的大部分缺點。基于PLC 和PID 算法的高精度控制方案，實現了對膜分離制氮機溫度控制經精細化的目的。膜分離制氮機溫度控制穩定后，將提升對煤礦通風防滅火工作的性能。通過仿真軟件計算得出，設計出的膜分離制氮機溫度控制系統能夠為提供穩定的進氣溫度，使得膜分離制氮機處于穩定的狀態，保障礦井的安全生產。