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(xiàn)場(chǎng)具有各種類型的易燃易爆氣體，通風(fēng)防火是煤礦技術(shù)人員需要關(guān)注的重點(diǎn)工作。在礦井現(xiàn)場(chǎng)制氮機(jī)發(fā)揮著通風(fēng)滅火作用，保障煤礦的安全生產(chǎn)和一線作業(yè)人員安全。制氮機(jī)在工作過(guò)程中，受到了礦井現(xiàn)場(chǎng)溫度的影響，溫度的變化對(duì)其纖維膜的制氮水平以及使用壽命有著密切的關(guān)聯(lián)[1]。為了制氮機(jī)不受外界溫度的影響，實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)溫度的功能并正常運(yùn)轉(zhuǎn)，通常采用加熱器對(duì)制氮機(jī)的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是控制精度較差。

1 膜式制氮系統(tǒng)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(nèi)側(cè)和外側(cè)的氣體形成分壓差。如果這種差異越大，氣體通過(guò)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(kuò)散率。具有較高擴(kuò)散速率和較小分子尺寸的氣體比擴(kuò)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(guò)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(guò)膜并在安全位置排放到大氣中，只有N2從膜排放出來(lái)，如圖1 所示。

圖1 膜過(guò)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(jiǎn)化示意圖如圖2 所示。氮生成的主要部件為空氣壓縮機(jī)、干燥機(jī)、入口過(guò)濾器、空氣加熱器（可選）、膜和儲(chǔ)氮罐。

圖2 膜式制氮工作原理示意圖

通常，來(lái)自壓縮機(jī)的空氣進(jìn)料通過(guò)一個(gè)干燥器單元，去除空氣中的水分。干燥的空氣通過(guò)一系列過(guò)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(guān)，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(tǒng)中引入了加熱器，使空氣溫度保持在55～60 ℃。如果進(jìn)料空氣溫度接近55 ℃，則不需要加熱器。

每個(gè)膜組件包含數(shù)百萬(wàn)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(guò)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(lái)并儲(chǔ)存在容器（氮?dú)饨邮掌鳎┲小Ｈ缓髮2通過(guò)分配器網(wǎng)絡(luò)送到最終用戶（即壓縮機(jī)、泵和罐等）。

2 系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的組成

膜分離制氮機(jī)的溫度控制系統(tǒng)有五個(gè)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(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 溫度控制系統(tǒng)組成圖

PLC 采用西門子CPU 224XP 型號(hào)，該型號(hào)具有多個(gè)輸入與輸出數(shù)字量接口，并且同時(shí)具有兩路并行的模擬量端口。用STEP7-Micro/WIN 開發(fā)軟件對(duì)PLC進(jìn)行編譯，同時(shí)可拓展多種程序。溫度傳感器是關(guān)鍵，采用靈敏度較高的pt100 型號(hào)。為了提高精度，將溫度電流信號(hào)的數(shù)值限制為最大20 mA，降低了PLC 的工作負(fù)荷并且提高了精確性。

顯示器必須具有觸屏功能，同時(shí)具備RS485 接口，可以與PLC 直接的進(jìn)行通信聯(lián)系。經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)的方式，傳輸速率設(shè)定為199 500 bit/s。

2.2 控制策略

通過(guò)PLC 模擬量輸出接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)。數(shù)據(jù)輸出后，以PID 算法為計(jì)算方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。溫度傳感器與變送器將溫度轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一，變化成4～20 mA 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。利用PLC 內(nèi)部的PID 控制算法，將輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)周期進(jìn)行重新調(diào)節(jié)。根據(jù)環(huán)境溫度不同，每個(gè)時(shí)刻的輸出周期將發(fā)生變化，并且形成閉環(huán)控制狀態(tài)，保持膜分離制氮機(jī)控制溫度保持恒定。控制系統(tǒng)策略圖如圖4 所示。

圖4 控制系統(tǒng)策略示意圖

2.3 PID 控制器設(shè)計(jì)

在MATLAB 軟件中調(diào)取PID 控制算法的典型代表，PID 閉環(huán)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(jié)構(gòu)示意圖

2.4 軟件設(shè)計(jì)

PLC 控制程序主要是基于TEP7-Micro/WIN 進(jìn)行開發(fā)，主要包括溫度控制、A/D 轉(zhuǎn)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(tǒng)顯示頁(yè)面的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)獨(dú)立的運(yùn)行窗口對(duì)膜分離制氮機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)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(shí)可在觸摸屏上直接對(duì)熱傳感的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，PID 調(diào)節(jié)界面如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)顯示頁(yè)面

3 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證結(jié)果分析

3.1 加熱過(guò)程模擬

在制氮機(jī)PLC 程序設(shè)計(jì)時(shí)采用PID 算法，優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)，減少程序巡檢周期。加熱溫度設(shè)定值為50℃，當(dāng)?shù)V用制氮機(jī)開始啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)空壓機(jī)與冷干機(jī)向加熱器中注入空氣，當(dāng)加熱器氣體出口溫度上升到50℃時(shí)，PLC 通過(guò)周波控制器減小加熱器加熱時(shí)間。若溫度低于50 ℃，PLC 會(huì)通過(guò)周波控制器開啟加熱器進(jìn)行加熱。啟動(dòng)前期加熱溫度會(huì)有相對(duì)波動(dòng)，通過(guò)PID 反饋調(diào)節(jié)，控制周波控制器產(chǎn)生周期過(guò)零式（PWM 占空比控制）和周波過(guò)零式（CYC 變周期控制）兩種輸出方式來(lái)調(diào)節(jié)加熱器的加熱時(shí)間。

通過(guò)調(diào)節(jié)，加熱器溫度會(huì)趨于平緩，溫度恒定在50 ℃，根據(jù)實(shí)際檢測(cè)會(huì)有±0.5 ℃的波動(dòng)誤差。

3.2 結(jié)果分析

在MATLAB/Simulink 環(huán)境下構(gòu)建仿真模型，進(jìn)行仿真，得到PID 控制的最佳參數(shù)以及仿真結(jié)果，如下頁(yè)圖8 所示。

圖8 PID 仿真模型示意圖

通過(guò)仿真計(jì)算的方法，能夠提高對(duì)系統(tǒng)的研究效率，并且降低研究的成本，可以有效并及時(shí)變換計(jì)算參數(shù)，調(diào)節(jié)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況環(huán)境的適應(yīng)性。PID 控制算法不僅能夠通過(guò)圖形的形式對(duì)研究者展示計(jì)算成果，而且能夠擬合出曲線的函數(shù)，達(dá)到了理論計(jì)算的高度。

仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)也能達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)要求，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了良好的人機(jī)操作界面，使系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單方便，也克服了傳統(tǒng)膜分離制氮系統(tǒng)采用分離原件進(jìn)行溫度控制的缺點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)觸摸屏輸入PID 控制參數(shù)，并設(shè)定最佳溫度值為45 ℃，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，加熱爐溫度處于43～47 ℃之間，由此可見(jiàn)PLC 溫度控制系統(tǒng)能提供相對(duì)穩(wěn)定的進(jìn)氣溫度，如圖9 所示。

圖9 溫度仿真計(jì)算曲線示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)礦用膜分離制氮機(jī)的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。在基于原有加熱系統(tǒng)不穩(wěn)定并且耗能過(guò)大的基礎(chǔ)上，對(duì)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了再優(yōu)化，克服了原有的大部分缺點(diǎn)?；赑LC 和PID 算法的高精度控制方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)膜分離制氮機(jī)溫度控制經(jīng)精細(xì)化的目的。膜分離制氮機(jī)溫度控制穩(wěn)定后，將提升對(duì)煤礦通風(fēng)防滅火工作的性能。通過(guò)仿真軟件計(jì)算得出，設(shè)計(jì)出的膜分離制氮機(jī)溫度控制系統(tǒng)能夠?yàn)樘峁┓€(wěn)定的進(jìn)氣溫度，使得膜分離制氮機(jī)處于穩(wěn)定的狀態(tài)，保障礦井的安全生產(chǎn)。