基于PLC的煤礦用移動式膜分離制氮裝置

（華北科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院，北京 101601）

煤礦行業(yè)是我國社會經(jīng)濟的重要支撐，為保證井下的安全生產(chǎn)，完善的防火滅火機制尤為重要。氮氣可以降低氧含量從而達到滅火的目的，并可以有效抑制瓦斯爆炸[1]。在井下制氮設(shè)備中，移動式膜分離制氮裝置憑借其便于移動、操作靈活、使用安全、制氮速度快等優(yōu)點，擁有最佳的功能價格比，得到了最為廣泛的應(yīng)用。該裝置利用中空纖維膜技術(shù)制取氮氣，通過溶解、擴散、脫附3 個步驟，將空氣中具有不同滲透速率的“快氣”和“慢氣”分離，從而得到富集的氮氣[2-3]。但是目前膜制氮裝置仍然存在自動化程度低、膜組入口溫度超溫、操作不便和不能及時發(fā)現(xiàn)制氮機故障等問題，從而為安全生產(chǎn)埋下隱患[4-6]。筆者針對以上問題，提出了解決方案，提高了自動化程度，保障了礦井的安全生產(chǎn)，更適合于現(xiàn)代化礦井的要求。

1 移動式膜分離制氮機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 制氮機的工藝流程

制氮裝置簡易工藝流程分為6 個步驟。1）壓縮。空壓機將空氣壓縮至0.4 MPa~1.2 MPa，達到所需壓力。2）除水。后部冷卻器通過冷凝的方式使空氣中的水汽凝結(jié)成水。3）過濾。三級精密過濾器組對壓縮空氣中的水、油、塵等雜質(zhì)進行多級過濾處理。4）加熱。電加熱器對壓縮空氣進行加熱處理，控制溫度在40 ℃~50 ℃范圍內(nèi)。5）除油。活性炭除油器在膜分離前端對殘余的壓縮機油進行吸附處理。6）氮氧分離。膜分離段根據(jù)空氣中不同氣體的滲透速率不同將氮氣從空氣中提取出來，并經(jīng)過管路輸送到注氮地點。

1.2 制氮機的工作原理

膜分離技術(shù)。潔凈的空氣原料進入膜組件后，流入數(shù)以萬計的中空纖維膜管（空心薄壁塑料管）小孔中，如圖1 所示。

圖1 膜組件示意圖

膜管內(nèi)外兩側(cè)的壓力差作為推動力，將氧氣、水蒸氣等滲透速率相對較快的氣體分子通過吸附、溶解、擴散、脫溶逸出到膜管外被排出。氮氣、一氧化碳等滲透速率相對較慢的氣體分子被截留在膜管中，富集到膜管內(nèi)部另一端，獲得高純度氮氣。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 傳感器選型

根據(jù)制氮工藝流程和用戶需求，得到所需監(jiān)控的環(huán)境參數(shù)，包括溫度、壓力和流量等物理量。傳感器采集這些數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為4 mA~20 mA 的模擬量信號，送入PLC 內(nèi)部通過標(biāo)準(zhǔn)化和縮放指令轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，存放到內(nèi)存里。選用傳感器均為4 mA~20 mA 輸出信號的礦用本質(zhì)安全型模擬量傳感器。

2.2 PLC選型

為滿足制氮裝置環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測要求和從節(jié)約成本的角度出發(fā)，CPU 選擇1212C DC/DC/RLY 型PLC。該型號的PLC結(jié)構(gòu)緊湊、性能良好，可以保證制氮裝置穩(wěn)定可靠的運行。

2.3 I/O口分配

將PLC 所需的輸入、輸出信號和端口進行合理分配，部分I/O 分配見表1。

表1 部分I/O 分配表

2.4 PLC接線

根據(jù)I/O 分配表，對PLC 和相關(guān)設(shè)備進行接線?？紤]到防爆性能，在傳感器和PLC 之間設(shè)置安全柵，可以限制輸入能量（電能）的范圍。PLC 部分簡化接線圖如圖2 所示。

圖2 PLC 部分簡化接線圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

制氮機監(jiān)控系統(tǒng)軟件組成如圖3所示，整個系統(tǒng)包括6個功能。

3.1 模擬量采集功能

模擬量采集是將傳感器輸出的4 mA~20 mA 電流信號作為PLC 的模擬量輸入，在PLC 內(nèi)部將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，對應(yīng)于傳感器的量程，例如-50 ℃~150 ℃。

3.2 開關(guān)量采集功能

4 個控制箱箱體按鈕作為開關(guān)量輸入信號，在不打開控制箱門的條件下實現(xiàn)啟動、停止、急停、界面切換的功能。

圖3 制氮機監(jiān)控系統(tǒng)軟件組成

3.3 自動控制功能

系統(tǒng)開機后啟動空壓機，如果傳感器自檢無異常，則打開排污閥開始自動定時排污。如果電加熱器溫度、管道溫度或空氣壓力超過設(shè)定值，則打開放空閥。如果空氣壓力在設(shè)定范圍內(nèi)，則打開系統(tǒng)閥。如果氧氣濃度小于設(shè)定值，則打開切換閥。其中，設(shè)定值和傳感器量程可根據(jù)現(xiàn)場實際需要進行手動設(shè)定。該程序邏輯控制功能更加完善，防止了出故障后加熱器自動工作[7]，提高了進入膜前的空氣質(zhì)量和膜的分離效率，延長了整套系統(tǒng)的使用壽命。

3.4 通信協(xié)議功能

PLC 通過RS-485 通信模塊和空壓機進行Modbus-RTU通信，監(jiān)控空壓機啟停、溫度、壓力等運行狀態(tài)。PLC 通過網(wǎng)口和觸摸屏、上位機進行以太網(wǎng)通信。

3.5 故障報警功能

當(dāng)PLC 檢測到故障信息時，如環(huán)境參數(shù)超過設(shè)定值、急停按鈕按下、傳感器故障等[8]，PLC 立刻進入診斷處理程序做出相應(yīng)的輸出動作，并在人機交互界面的彈窗中顯示故障信息和解決方法?？梢允箾]有經(jīng)驗的工作人員也能夠及時地發(fā)現(xiàn)故障并快速采取措施，提高了整個系統(tǒng)的安全系數(shù)。

3.6 實時顯示功能

基于EasyBuilder Pro 軟件對觸摸屏進行界面設(shè)計，分為主界面、開機說明界面、用戶登錄界面、量程設(shè)置參數(shù)界面和控制參數(shù)設(shè)置界面。用于顯示傳感器測量數(shù)據(jù)、系統(tǒng)實時運行狀態(tài)和故障報警信息等，可手動更改控制參數(shù)和傳感器量程范圍等。

上位機通過組態(tài)軟件WinCC 存儲和顯示經(jīng)過分析處理后的數(shù)據(jù)，把采集到的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控屏，并發(fā)送命令來控制電磁閥、磁力啟動器等設(shè)備。實現(xiàn)對整個制氮過程的實時顯示和操作。

同時人機交互界面采用風(fēng)格統(tǒng)一的操作界面，用戶界面友好、使用方便、操作簡單、自動化程度高。

4 系統(tǒng)測試

制氮機在煤安認(rèn)證過程中需要進行測試，部分測試裝置如圖4 所示。該部分是空氣預(yù)處理段，與空壓機組和膜分離段3 個部分分別裝在平板車上，由高壓膠管串聯(lián)連接起來。符合《安全標(biāo)志現(xiàn)場評審規(guī)范》及相關(guān)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，完成了出廠檢驗。

圖4 部分測試裝置

5 結(jié)語

根據(jù)控制設(shè)備自動化程度相對較低、安裝調(diào)試與監(jiān)控存在操作不便，不能及時發(fā)現(xiàn)制氮機故障這一現(xiàn)狀，該文設(shè)計了一種以西門子PLC 1212C 為控制器核心的移動式膜分離制氮裝置的解決方案。同時通過觸摸屏和上位機可以快速、直觀地監(jiān)控制氮機的運行狀態(tài)及各項參數(shù)。測試結(jié)果顯示，該制氮裝置可以將所需的溫度、壓力、流量等環(huán)境參數(shù)和相關(guān)信號進行可靠的傳輸、監(jiān)測和控制。實現(xiàn)實時連續(xù)的監(jiān)測系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)和安全保護功能，有效的減少了制氮機現(xiàn)場操作及維護工作人員，降低了成本，提高了制氮的效率及可靠性。