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(kāi)采行業(yè)面臨的主要問(wèn)題之一，會(huì)危及煤礦工人的生命[1]。在惰性氣體中，氮?dú)鈱?duì)防治地下火災(zāi)具有優(yōu)良的效果，氮?dú)馐菬o(wú)毒氣體，且由于氮?dú)獗瓤諝廨p，可填充采掘區(qū)附近的整個(gè)空間，液氮的溫度較低，在滅火過(guò)程中將從地下周?chē)貙雍突馂?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(dòng)式膜分離制氮裝置具有制氮速度快、便于移動(dòng)、使用安全、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，在井下制氮設(shè)備中脫穎而出，成為擁有最佳性價(jià)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(dòng)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(dòng)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?dú)夂?1%的氧氣。普通干燥壓縮空氣經(jīng)過(guò)過(guò)濾并通過(guò)技術(shù)先進(jìn)的中空膜纖維束，其中通過(guò)選擇性滲透將氮?dú)馀c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?dú)庠趬毫ο屡欧诺椒峙湎到y(tǒng)中。壓力、流速和膜尺寸/數(shù)量是影響氮?dú)猱a(chǎn)量的主要變量。氮?dú)饧兌龋ㄑ鹾浚┩ㄟ^(guò)節(jié)流膜束的出口來(lái)控制。在給定的壓力和膜尺寸下，增加氮?dú)饬髁靠梢宰尭嗟难鯕獗Ａ粼跉饬髦?，從而降低氮?dú)饧兌萚4]。相反，減少氮?dú)饬髁繒?huì)增加純度。對(duì)于特定的純度，膜的更高氣壓會(huì)產(chǎn)生更高的氮?dú)饬魉?。低?0%～99.9%的純度范圍是可能的[5]。通過(guò)組合多個(gè)膜束，可以獲得無(wú)限數(shù)量的流量/純度范圍，幾乎可以滿足任何需要氮?dú)獾膽?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(guò)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(gè)過(guò)程稱(chēng)為滲透。在此過(guò)程中，水、氧氣和一些氬氣通過(guò)纖維的膜側(cè)排出。最后，只剩下氮?dú)?。這是可能的，因?yàn)椴煌姆肿右圆煌乃俣葷B透。水會(huì)很快滲透，氧氣需要更長(zhǎng)的時(shí)間。氬氣和氮?dú)鉂B透相當(dāng)緩慢，這意味著它們會(huì)在水和氧氣消失后很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)留在纖維中。由于滲透通過(guò)纖維壁，膜殼內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)過(guò)壓。纖維會(huì)堵塞，滲透效率會(huì)顯著降低。為了防止這種情況發(fā)生，外殼上有一個(gè)開(kāi)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(jì)

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(shí)時(shí)預(yù)測(cè)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(shí)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(hào)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(dòng)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(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。其中央處理單元設(shè)計(jì)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(jì)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(chǎng)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(hào)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(hào)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(jì)

制氮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能組成如圖4 所示，整個(gè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)模擬量采集功能、開(kāi)關(guān)量采集功能、自動(dòng)控制功能、通信協(xié)議功能、故障報(bào)警功能、實(shí)時(shí)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(hào)操作的數(shù)據(jù)采集功能被稱(chēng)為模擬數(shù)據(jù)采集功能。采集功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：傳感器物理量如溫度、壓力、流速等轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，信號(hào)調(diào)節(jié)器執(zhí)行放大和選擇信號(hào)所需部分等功能，通過(guò)PLC 轉(zhuǎn)化將電信號(hào)與模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)，如-50 ℃對(duì)應(yīng)電信號(hào)的4 mA。

3.2 開(kāi)關(guān)量采集功能

開(kāi)關(guān)量是指非連續(xù)信號(hào)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(kāi)關(guān)性質(zhì)，一般開(kāi)關(guān)量裝置通過(guò)內(nèi)部繼電器實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量的輸出。開(kāi)關(guān)量的收集主要是通過(guò)PLC 輸入模塊實(shí)現(xiàn)的，本方案直流24 V 輸入，PLC 提供公共點(diǎn)、正負(fù)點(diǎn)，將該公共點(diǎn)連接到限位開(kāi)關(guān)等設(shè)備上，限位關(guān)閉時(shí)形成通道，將信號(hào)引入PLC 輸入點(diǎn)。

3.3 自動(dòng)控制功能

自動(dòng)控制中，通過(guò)傳感器（如電磁流量計(jì)、溫度計(jì)）測(cè)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(hào)給調(diào)解閥的定位器，定位器根據(jù)接受信號(hào)的變化使調(diào)解閥門(mén)開(kāi)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(jiǎn)捷、高可靠性以及可帶動(dòng)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(shì)。因此，在開(kāi)發(fā)膜分離制氮裝置裝置的過(guò)程中，采用RS-485 串行通信方式和Modbus 通信協(xié)議，實(shí)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(bào)警功能

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

3.6 實(shí)時(shí)顯示功能

采用EasyBuilder Pro 軟件對(duì)人機(jī)交互界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為主頁(yè)、操作系統(tǒng)、運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)曲線、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警信息6 個(gè)分頁(yè)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

根據(jù)前文所述，制造了制氮機(jī)樣機(jī)并進(jìn)行測(cè)試，部分測(cè)試裝置如下頁(yè)圖5 所示。打開(kāi)制氮機(jī)總電源，開(kāi)啟電控箱內(nèi)PLC 電源，開(kāi)啟電控箱面板上制氮機(jī)啟動(dòng)按鈕或者啟動(dòng)人機(jī)界面上啟動(dòng)按鈕?？刂葡到y(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)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(dòng)閥能夠正常切換。系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，打開(kāi)氮分儀控制電源。調(diào)整進(jìn)氣閥門(mén)的大小，緩慢打開(kāi)出氣閥門(mén)系統(tǒng)運(yùn)行，調(diào)整控制氣動(dòng)閥門(mén)的減壓閥出口壓力在0.5 MPa 左右，待儀表進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)時(shí)，調(diào)整測(cè)試流量系統(tǒng)進(jìn)入測(cè)試，儀表正常運(yùn)行后調(diào)整氮分儀報(bào)警純度,觀察得知純度報(bào)警和報(bào)警聲、光正常。