基于PLC 的煤礦用移動式膜分離制氮裝置的研究

樊佳怡

（大同科工安全儀器有限公司， 山西 大同 037300）

引言

煤礦火災(zāi)是煤炭開采行業(yè)面臨的主要問題之一，會危及煤礦工人的生命[1]。在惰性氣體中，氮氣對防治地下火災(zāi)具有優(yōu)良的效果，氮氣是無毒氣體，且由于氮氣比空氣輕，可填充采掘區(qū)附近的整個空間，液氮的溫度較低，在滅火過程中將從地下周圍地層和火災(zāi)中心獲取熱量，幫助消散封閉區(qū)域和工作面板的熱量，從而用于預(yù)防和控制封閉區(qū)域和礦井工作面火災(zāi)。移動式膜分離制氮裝置具有制氮速度快、便于移動、使用安全、操作靈活等優(yōu)點，在井下制氮設(shè)備中脫穎而出，成為擁有最佳性價比的制氮設(shè)備，在采礦業(yè)中得到了最為廣泛的應(yīng)用[2]。將PLC 技術(shù)應(yīng)用于制氮裝置，可提高其自動化程度，保障礦井的安全生產(chǎn)，更適合現(xiàn)代化礦井的要求。

1 移動式膜分離制氮機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 制氮機(jī)的工作原理

大氣中的空氣基本上含有78%的氮氣和21%的氧氣。普通干燥壓縮空氣經(jīng)過過濾并通過技術(shù)先進(jìn)的中空膜纖維束，其中通過選擇性滲透將氮氣與進(jìn)料空氣分離[3]，其原理圖如圖1 所示。水蒸氣和氧氣迅速安全地滲透到大氣中，而氮氣在壓力下排放到分配系統(tǒng)中。壓力、流速和膜尺寸/數(shù)量是影響氮氣產(chǎn)量的主要變量。氮氣純度（氧含量）通過節(jié)流膜束的出口來控制。在給定的壓力和膜尺寸下，增加氮氣流量可以讓更多的氧氣保留在氣流中，從而降低氮氣純度[4]。相反，減少氮氣流量會增加純度。對于特定的純度，膜的更高氣壓會產(chǎn)生更高的氮氣流速。低于90%～99.9%的純度范圍是可能的[5]。通過組合多個膜束，可以獲得無限數(shù)量的流量/純度范圍，幾乎可以滿足任何需要氮氣的應(yīng)用。

圖1 中空膜纖維束空氣分離原理示意圖

1.2 制氮機(jī)的工藝流程

制氮機(jī)的工藝流程如圖2 所示，包括壓縮、除水、過濾、加熱、除油、氮氧分離等步驟。膜發(fā)生器的主要部分是膜組件，填充有小的中空聚合物纖維。首先，干燥、清潔的壓縮空氣進(jìn)入，由于這些纖維的結(jié)構(gòu)，部分空氣將流到纖維的外部。這個過程稱為滲透。在此過程中，水、氧氣和一些氬氣通過纖維的膜側(cè)排出。最后，只剩下氮氣。這是可能的，因為不同的分子以不同的速度滲透。水會很快滲透，氧氣需要更長的時間。氬氣和氮氣滲透相當(dāng)緩慢，這意味著它們會在水和氧氣消失后很長時間內(nèi)留在纖維中。由于滲透通過纖維壁，膜殼內(nèi)部會出現(xiàn)過壓。纖維會堵塞，滲透效率會顯著降低。為了防止這種情況發(fā)生，外殼上有一個開口，即滲透出口，這些“廢氣”（包括水、氧氣和氬氣）可以從這里逸出。

圖2 制氮機(jī)的工藝流程

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 傳感器選型

傳感器跨越許多基礎(chǔ)和應(yīng)用學(xué)科，如功能材料、電子陶瓷、光電元件、MEMS 技術(shù)、納米技術(shù)和有機(jī)聚合物。性能優(yōu)良的傳感器可以進(jìn)一步提高信息采集、處理和深度處理水平，增強(qiáng)安全事故實時預(yù)測的準(zhǔn)確性，持續(xù)解決事故隱患，大大減少安全事故特別是重大事故的發(fā)生可有效實現(xiàn)安全監(jiān)管和安全生產(chǎn)監(jiān)督管理的電子化。制氮機(jī)工作中所需監(jiān)控的環(huán)境參數(shù)有溫度、壓力和流量等，結(jié)合煤礦的特殊工作環(huán)境，選用的傳感器均為礦用本質(zhì)安全型模擬量傳感器，輸出信號在4～20 mA 之間。

2.2 PLC 選型

SIMATIC S7-1200 是一款能夠靈活高效地執(zhí)行中低性能自動化任務(wù)的控制器。它具有全面的技術(shù)功能和通信集成，通信模塊支持串行通信、PROFIBUS、IO-Link、AS-Interface 和多種移動標(biāo)準(zhǔn)。其中央處理單元設(shè)計為帶有集成I/O 的緊湊型CPU，可節(jié)省空間。此外，模塊化設(shè)計使得該控制器能方便地增加附加模塊，從而適應(yīng)新的應(yīng)用場景。

2.3 PLC 接線

PLC 輸入接口電路形式和外接元件（傳感器）輸出信號形式多樣，因此在PLC 輸入模塊接線前必要了解PLC 輸入電路形式和傳感器輸出信號的形式，此外，作為礦用設(shè)備，還需考慮防爆特性，需限制輸入電流的大小。傳感器與PLC 接線如圖3 所示。

圖3 傳感器接線示意圖

3 系統(tǒng)功能設(shè)計

制氮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能組成如圖4 所示，整個系統(tǒng)可實現(xiàn)模擬量采集功能、開關(guān)量采集功能、自動控制功能、通信協(xié)議功能、故障報警功能、實時顯示功能六大功能。

圖4 制氮機(jī)軟件系統(tǒng)組成

3.1 模擬量采集功能

可以用模擬信號操作的數(shù)據(jù)采集功能被稱為模擬數(shù)據(jù)采集功能。采集功能的實現(xiàn)過程為：傳感器物理量如溫度、壓力、流速等轉(zhuǎn)換成電信號，信號調(diào)節(jié)器執(zhí)行放大和選擇信號所需部分等功能，通過PLC 轉(zhuǎn)化將電信號與模擬信號實現(xiàn)對應(yīng)，如-50 ℃對應(yīng)電信號的4 mA。

3.2 開關(guān)量采集功能

開關(guān)量是指非連續(xù)信號的收集和輸出，包括遙控收集和遙控輸出。它有1 和0 兩種狀態(tài)，即數(shù)字電路中的開關(guān)性質(zhì)，一般開關(guān)量裝置通過內(nèi)部繼電器實現(xiàn)開關(guān)量的輸出。開關(guān)量的收集主要是通過PLC 輸入模塊實現(xiàn)的，本方案直流24 V 輸入，PLC 提供公共點、正負(fù)點，將該公共點連接到限位開關(guān)等設(shè)備上，限位關(guān)閉時形成通道，將信號引入PLC 輸入點。

3.3 自動控制功能

自動控制中，通過傳感器（如電磁流量計、溫度計）測量氣流相關(guān)特性，輸入給流量控制儀表（或其他控制器），流量控制儀表根據(jù)工藝要求輸出4～20 mA信號給調(diào)解閥的定位器，定位器根據(jù)接受信號的變化使調(diào)解閥門開閉。

3.4 通信協(xié)議功能

在眾多的通信方式中，基于UART 的RS-485 串行通信模式以其連線簡捷、高可靠性以及可帶動多CPU 的能力而被廣泛采用。在軟件通信協(xié)議的選擇上，Modbus 協(xié)議由于其通用、成熟的調(diào)試軟件，為用戶使用提供了諸多優(yōu)勢。因此，在開發(fā)膜分離制氮裝置裝置的過程中，采用RS-485 串行通信方式和Modbus 通信協(xié)議，實現(xiàn)了多數(shù)據(jù)和控制命令的信息交互。增強(qiáng)了串行通信的高效、協(xié)調(diào)性。

3.5 故障報警功能

在礦井等特殊環(huán)境下氮氣機(jī)大部分工作時間都在無人值守狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時如何讓維護(hù)人員及時察覺，并能對設(shè)備實施遠(yuǎn)程重啟、故障恢復(fù)等控制手段非常重要。通過編寫PLC 故障報警程序，實現(xiàn)了故障報警。當(dāng)發(fā)生故障時，監(jiān)控單元將視故障情況給出告警信號，所有故障均有聲光告警及文字提示。告警時，監(jiān)控單元上的紅色告警燈亮，蜂鳴器發(fā)出報警聲，并向遠(yuǎn)端監(jiān)控中心發(fā)出告警信息。

3.6 實時顯示功能

采用EasyBuilder Pro 軟件對人機(jī)交互界面進(jìn)行設(shè)計，分為主頁、操作系統(tǒng)、運行狀態(tài)、實時曲線、參數(shù)設(shè)置、報警信息6 個分頁。

4 系統(tǒng)測試

根據(jù)前文所述，制造了制氮機(jī)樣機(jī)并進(jìn)行測試，部分測試裝置如下頁圖5 所示。打開制氮機(jī)總電源，開啟電控箱內(nèi)PLC 電源，開啟電控箱面板上制氮機(jī)啟動按鈕或者啟動人機(jī)界面上啟動按鈕。控制系統(tǒng)進(jìn)入自動運行狀態(tài)，觀察發(fā)現(xiàn)各指示燈工作正常，觀察各電磁閥、氣動閥能夠正常切換。系統(tǒng)進(jìn)入運行狀態(tài)后，打開氮分儀控制電源。調(diào)整進(jìn)氣閥門的大小，緩慢打開出氣閥門系統(tǒng)運行，調(diào)整控制氣動閥門的減壓閥出口壓力在0.5 MPa 左右，待儀表進(jìn)入測試狀態(tài)時，調(diào)整測試流量系統(tǒng)進(jìn)入測試，儀表正常運行后調(diào)整氮分儀報警純度,觀察得知純度報警和報警聲、光正常。