（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(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的重要支撐，為保證井下的安全生產(chǎn)，完善的防火滅火機(jī)制尤為重要。氮?dú)饪梢越档脱鹾繌亩_(dá)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(dòng)式膜分離制氮裝置憑借其便于移動(dòng)、操作靈活、使用安全、制氮速度快等優(yōu)點(diǎn)，擁有最佳的功能價(jià)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?dú)?，通過(guò)溶解、擴(kuò)散、脫附3 個(gè)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?dú)鈁2-3]。但是目前膜制氮裝置仍然存在自動(dòng)化程度低、膜組入口溫度超溫、操作不便和不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)制氮機(jī)故障等問(wèn)題，從而為安全生產(chǎn)埋下隱患[4-6]。筆者針對(duì)以上問(wèn)題，提出了解決方案，提高了自動(dòng)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(dòng)式膜分離制氮機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 制氮機(jī)的工藝流程

制氮裝置簡(jiǎn)易工藝流程分為6 個(gè)步驟。1）壓縮?？諌簷C(jī)將空氣壓縮至0.4 MPa~1.2 MPa，達(dá)到所需壓力。2）除水。后部冷卻器通過(guò)冷凝的方式使空氣中的水汽凝結(jié)成水。3）過(guò)濾。三級(jí)精密過(guò)濾器組對(duì)壓縮空氣中的水、油、塵等雜質(zhì)進(jìn)行多級(jí)過(guò)濾處理。4）加熱。電加熱器對(duì)壓縮空氣進(jìn)行加熱處理，控制溫度在40 ℃~50 ℃范圍內(nèi)。5）除油?；钚蕴砍推髟谀し蛛x前端對(duì)殘余的壓縮機(jī)油進(jìn)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?dú)鈴目諝庵刑崛〕鰜?lái)，并經(jīng)過(guò)管路輸送到注氮地點(diǎn)。

1.2 制氮機(jī)的工作原理

膜分離技術(shù)。潔凈的空氣原料進(jìn)入膜組件后，流入數(shù)以萬(wàn)計(jì)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(dòng)力，將氧氣、水蒸氣等滲透速率相對(duì)較快的氣體分子通過(guò)吸附、溶解、擴(kuò)散、脫溶逸出到膜管外被排出。氮?dú)?、一氧化碳等滲透速率相對(duì)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?dú)狻?/p>

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

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(hào)，送入PLC 內(nèi)部通過(guò)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(hào)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(cè)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(hào)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(yùn)行。

2.3 I/O口分配

將PLC 所需的輸入、輸出信號(hào)和端口進(jìn)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(duì)PLC 和相關(guān)設(shè)備進(jìn)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(jiǎn)化接線圖如圖2 所示。

圖2 PLC 部分簡(jiǎn)化接線圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

制氮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件組成如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)包括6個(gè)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(hào)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(duì)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(gè)控制箱箱體按鈕作為開關(guān)量輸入信號(hào)，在不打開控制箱門的條件下實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停止、急停、界面切換的功能。

圖3 制氮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件組成

3.3 自動(dòng)控制功能

系統(tǒng)開機(jī)后啟動(dòng)空壓機(jī)，如果傳感器自檢無(wú)異常，則打開排污閥開始自動(dòng)定時(shí)排污。如果電加熱器溫度、管道溫度或空氣壓力超過(guò)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(chǎng)實(shí)際需要進(jìn)行手動(dòng)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(dòng)工作[7]，提高了進(jìn)入膜前的空氣質(zhì)量和膜的分離效率，延長(zhǎng)了整套系統(tǒng)的使用壽命。

3.4 通信協(xié)議功能

PLC 通過(guò)RS-485 通信模塊和空壓機(jī)進(jìn)行Modbus-RTU通信，監(jiān)控空壓機(jī)啟停、溫度、壓力等運(yùn)行狀態(tài)。PLC 通過(guò)網(wǎng)口和觸摸屏、上位機(jī)進(jìn)行以太網(wǎng)通信。

3.5 故障報(bào)警功能

當(dāng)PLC 檢測(cè)到故障信息時(shí)，如環(huán)境參數(shù)超過(guò)設(shè)定值、急停按鈕按下、傳感器故障等[8]，PLC 立刻進(jìn)入診斷處理程序做出相應(yīng)的輸出動(dòng)作，并在人機(jī)交互界面的彈窗中顯示故障信息和解決方法。可以使沒有經(jīng)驗(yàn)的工作人員也能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)故障并快速采取措施，提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全系數(shù)。

3.6 實(shí)時(shí)顯示功能

基于EasyBuilder Pro 軟件對(duì)觸摸屏進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，分為主界面、開機(jī)說(shuō)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(cè)量數(shù)據(jù)、系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)和故障報(bào)警信息等，可手動(dòng)更改控制參數(shù)和傳感器量程范圍等。

上位機(jī)通過(guò)組態(tài)軟件WinCC 存儲(chǔ)和顯示經(jīng)過(guò)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(lái)控制電磁閥、磁力啟動(dòng)器等設(shè)備。實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)制氮過(guò)程的實(shí)時(shí)顯示和操作。

同時(shí)人機(jī)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(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高。

4 系統(tǒng)測(cè)試

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

圖4 部分測(cè)試裝置

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)控制設(shè)備自動(dòng)化程度相對(duì)較低、安裝調(diào)試與監(jiān)控存在操作不便，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)制氮機(jī)故障這一現(xiàn)狀，該文設(shè)計(jì)了一種以西門子PLC 1212C 為控制器核心的移動(dòng)式膜分離制氮裝置的解決方案。同時(shí)通過(guò)觸摸屏和上位機(jī)可以快速、直觀地監(jiān)控制氮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及各項(xiàng)參數(shù)。測(cè)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(hào)進(jìn)行可靠的傳輸、監(jiān)測(cè)和控制。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)和安全保護(hù)功能，有效的減少了制氮機(jī)現(xiàn)場(chǎng)操作及維護(hù)工作人員，降低了成本，提高了制氮的效率及可靠性。