井下膜分離制氮裝置控制箱的改造

(華北科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院 北京 101601)

根據(jù)目前我國的基本國情，在未來相當(dāng)長的一段時間里煤炭企業(yè)仍然是推動整個國家經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要力量和支撐，煤炭的經(jīng)濟基礎(chǔ)地位不會發(fā)生太大改變。礦井火災(zāi)會直接生成大量有毒有害的氣體，造成井下工作人員的嚴(yán)重傷亡；火災(zāi)使大量可采煤被凍結(jié)，導(dǎo)致礦井局部甚至全部停產(chǎn)；火災(zāi)使煤炭資源和生產(chǎn)設(shè)備被徹底燒毀，造成的經(jīng)濟損失每年估計可高達(dá)50億。據(jù)初步統(tǒng)計，全國大型國有煤礦中大約50%的礦井存在自然發(fā)火的危險。為了最大的程度上有效減少礦井火災(zāi)的發(fā)生，煤炭企業(yè)需要高度重視并進(jìn)一步提高我國煤礦安全生產(chǎn)和防火滅火的技術(shù)水平，目前移動式膜分離制氮裝置是應(yīng)用最為廣泛的防滅火制氮裝置[1-2]。

一、井下膜分離制氮裝置

(一)井下膜分離制氮裝置工藝流程

井下膜分離制氮裝置是以空氣為原料，在一定壓力、溫度等條件下，利用氧氣和氮氣等不同性質(zhì)的氣體在膜中具有不同的滲透速率從而進(jìn)行氮氧分離。該裝置由于設(shè)備的體積小、快速可生產(chǎn)出高純氮氣等諸多優(yōu)點，因此非常適合做可移動式的制氮設(shè)備[3-5]。

制氮機的工藝流程。制氮機的實質(zhì)是通過膜分離技術(shù)將空氣中的氮氣提取出來，膜質(zhì)量直接關(guān)系到氮氣的純度。為保證膜不受污染，空氣源需要經(jīng)過嚴(yán)格處理，通過PLC監(jiān)測和控制達(dá)到一定的壓力、溫度和潔凈度后才能進(jìn)入膜組件，并輸出合格的氮氣[6]。

(二)舊裝置基本情況

舊裝置KXJ660(A)可編程控制箱是由變壓器、PLC和電源等部件組成。PLC采用的是歐姆龍CJ2M，主要用于監(jiān)控設(shè)備信號的采集以及控制。該裝置存在內(nèi)部接線繁雜，PLC體積大，自動化控制程序邏輯簡單，維修困難，可靠性差等缺點，需要更換PLC型號、調(diào)整輸入輸出量、改善軟件控制流程、優(yōu)化觸摸屏程序。

二、控制箱硬件電路改造

(一)傳感器選型

本系統(tǒng)選用4～20mA傳感器將采集到的環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號輸出，傳感器型號如下表1所示。

表1 傳感器型號

(二)PLC選型

考慮到制氮裝置內(nèi)部對環(huán)境參數(shù)的精確監(jiān)控性能要求和用戶程序需要存儲的容量和數(shù)據(jù)處理時間，選用了德國西門子公司生產(chǎn)的CPU1212C DC/DC/RLY型PLC，其結(jié)構(gòu)緊湊，性能良好，能在惡劣的環(huán)境里長期保持可靠的運行工作。

繼電器采用IDEC RJ2S-CL；24V非安開關(guān)電源主要負(fù)責(zé)給安全柵、PLC、顯示屏、繼電器供電；18V本安電源主要負(fù)責(zé)給氧氣濃度傳感器和聲光報警器供電。

(三)制氮機控制箱

根據(jù)制氮機內(nèi)部環(huán)境參數(shù)需要進(jìn)行監(jiān)控的實際情況和需要，對PLC進(jìn)行I/O端口分配，再根據(jù)I/O口的分配情況對監(jiān)控的相關(guān)設(shè)備和PLC進(jìn)行了接線。

控制箱各部分功能如下：

①4～20mA模擬量輸入。8路傳感器分別為入口溫度傳感器、加熱器溫度傳感器、管道溫度傳感器、空氣壓力傳感器、氮氣壓力傳感器、補償壓力傳感器、氮氣瞬時流量傳感器和氧氣含量傳感器。

②開關(guān)量輸入。在控制箱箱體外部有4個系統(tǒng)控制按鈕，作用分別為：啟動、停止、急停和顯示屏界面切換。

③繼電器輸出。控制磁力啟動器、聲光報警器和4個24V電磁閥門(開關(guān)系統(tǒng)閥、超溫超壓排空閥、定時自動排污閥、氧氣超標(biāo)切換閥)的開停。

④通訊功能。PLC通過RS485通訊接口模塊和空壓機進(jìn)行通信，通過以太網(wǎng)通訊接口和觸摸屏、上位機進(jìn)行通信[7]。

將控制柜與外部空壓機、磁力啟動器、電加熱器、防爆電磁閥等進(jìn)行接線。建立完善的束管監(jiān)測系統(tǒng)，連續(xù)監(jiān)測CO、CO2、CH4、O2等氣體濃度。

圖4 制氮軟件自動控制流程圖

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

(一)PLC軟件設(shè)計

該制氮系統(tǒng)的軟件設(shè)計共6個主要的功能，其中包括了模擬量采集功能、開關(guān)量采集功能、自動控制功能、通信協(xié)議功能、故障檢測報警功能和實時顯示功能，可以使系統(tǒng)更好的實時監(jiān)視和操作整個制氮的過程。系統(tǒng)還具有強大的開機自檢功能，通過自檢功能可以檢查傳感器、聲光報警、信號輸出等是否正常。其中，制氮軟件自動控制流程圖如圖4所示。

(二)故障報警

根據(jù)現(xiàn)場使用情況和用戶反饋，完善了故障檢測和故障診斷的處理程序，更加詳細(xì)且合理化的定義了報警事件，并具有分級報警功能[8]。當(dāng)報警事件條件觸發(fā)后，系統(tǒng)會自動響應(yīng)并采取措施，同時在顯示屏的彈窗內(nèi)顯示故障狀態(tài)及原因，提高了系統(tǒng)的智能化水平。故障報警事件具體內(nèi)容如表2所示。

表2 報警事件

(三)觸摸屏

威綸通觸摸屏MT8071ip可以將傳感器采集數(shù)據(jù)、防爆電磁閥的開關(guān)狀態(tài)、量程參數(shù)設(shè)置、控制參數(shù)設(shè)置等信息直觀顯示出來，方便工作人員現(xiàn)場查看及手動更改參數(shù)設(shè)置。傳感器采集到的數(shù)據(jù)存放到PLC的M寄存器中生成變量表，導(dǎo)出到EasyBuilder Pro軟件中，將變量通過觸摸屏進(jìn)行顯示、簡單的邏輯運算和控制。

(1)HMI主界面如圖5所示。主界面主要包含傳感器數(shù)據(jù)顯示、切換窗口、報警彈窗顯示及時間顯示。在界面下方有彈窗，顯示故障狀態(tài)以及提示采取措施。

圖5 HMI主界面

(2)HMI開機說明界面的主要內(nèi)容包括開機步驟、關(guān)機步驟、注意事項。

開機步驟：①打開冷卻水閥門，給空壓機及制氮設(shè)備送冷卻水、送電；②點擊空壓機啟動按鈕，啟動空壓機；③點擊制氮機設(shè)備啟動按鈕，設(shè)備開始正常運行。

關(guān)機步驟：①點擊空壓機停止按鈕，空壓機停止運行；②點擊制氮機設(shè)備停止按鈕，設(shè)備停止運行；③關(guān)冷卻水、斷電。

注意事項：①當(dāng)顯示屏出現(xiàn)故障、彈窗報警及聲光報警器報警時，應(yīng)先檢查排除故障；②各排污閥閥門每小時應(yīng)手動排污一次。

(3)HMI用戶登錄界面。用戶的類別主要包括現(xiàn)場操作員和工程師，分別輸入各自賬號對應(yīng)的用戶名和密碼后，可輕松的獲得不同安全等級的操作使用權(quán)限。操作員即現(xiàn)場的工作人員，可對量程參數(shù)和控制參數(shù)進(jìn)行查看，不能進(jìn)行更改；工程師可對量程參數(shù)和控制參數(shù)分別進(jìn)行查看和更改，提高了制氮系統(tǒng)的安全等級和可操作性。

(4)HMI量程參數(shù)設(shè)置界面包括：氮氣流量、氧氣濃度、空氣壓力、管道溫度等各傳感器量程上下限的設(shè)置。

(5)HMI控制參數(shù)設(shè)置界面包括溫度、壓力和時間等控制參數(shù)的設(shè)置。該界面顯示的各種運行控制參數(shù)及其對應(yīng)的最佳值(設(shè)定值)，是通過實測比較計算得出的一種經(jīng)濟合理的系統(tǒng)運行控制技術(shù)參數(shù)?，F(xiàn)場工程師可以根據(jù)運行情況的實際需要對這些控制參數(shù)的最佳設(shè)定值參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和修改，大大的降低了系統(tǒng)運行的成本。

四、系統(tǒng)測試

系統(tǒng)安裝完成后進(jìn)行了性能檢驗，檢驗結(jié)果表明現(xiàn)場儀表信號與顯示屏顯示數(shù)據(jù)一致，其采集、控制輸出、故障報警、顯示、通訊等功能均符合《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。

五、結(jié)束語

針對舊制氮系統(tǒng)在安裝和使用過程中存在的一些問題進(jìn)行針對性的設(shè)計和改造，可編程控制箱經(jīng)過改造后，箱體仍然保留著過去的模式和大小，但是箱體的內(nèi)部更加整潔美觀，元件和連接線的數(shù)量也減少了很多，可以為系統(tǒng)提供更多的技術(shù)改進(jìn)設(shè)計空間，降低了系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。該控制箱憑借其簡單、直觀、方便、控制靈活、可靠等諸多優(yōu)點，使得監(jiān)控更加的精準(zhǔn)化，節(jié)約了大量勞動力，提高了系統(tǒng)的效率、可靠性和安全性，建立了更加合理的智能制氮監(jiān)控系統(tǒng)。