孫濤勝,喬敏杰

(1.鐵峰煤業(yè)有限公司 南陽坡煤礦, 山西 朔州 037200;2.鐵峰煤業(yè)有限公司 增子坊煤礦, 山西 朔州 037200)

鉆屑量是我國煤礦瓦斯異常涌出預(yù)測中采用的重要預(yù)測指標(biāo)。煤鉆屑層的瓦斯解吸量主要與煤體自身特性與所處環(huán)境相關(guān),不同區(qū)域的煤層,在不同平衡壓力下,單位重量的煤鉆屑所能解吸出的瓦斯量不同[1]. 為了分析煤層樣品的瓦斯解吸量,目前國內(nèi)常用的儀器有MD-2型鉆屑瓦斯解吸儀、WTC瓦斯突出檢測儀[2-3]等。這些儀器的特點是功能強(qiáng)、體積小、操作簡單、重量輕、性能可靠、防潮防塵性能好,同時具有便攜的優(yōu)點。但是不能實現(xiàn)自動化控制,智能化程度低[4],需要人工全程干預(yù),導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)偏差較大。為了解決煤層樣品分析的不準(zhǔn)確性問題,同時提高測定過程的自動化、智能化,設(shè)計基于PLC的煤樣瓦斯解吸指標(biāo)測定系統(tǒng)。

1 測定原理

基于PLC的煤樣瓦斯解吸指標(biāo)測定系統(tǒng)從煤樣解吸瓦斯指標(biāo)的本質(zhì)出發(fā),通過設(shè)定系統(tǒng)參數(shù),可以對各個時間段內(nèi)的瓦斯解吸量進(jìn)行測定,對于指導(dǎo)生產(chǎn)和煤層性能研究均有重要意義。

根據(jù)MD-2型鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2與K1的定義,使用符號W0-1表示第1分鐘內(nèi)瓦斯解吸量與損失量之和,角標(biāo)0-1為第0分鐘開始到第1分鐘結(jié)束,見式(1):

(1)

式中:Qt為t分鐘內(nèi)解吸儀測定的解吸量;Q0為瓦斯損失量;t為計時時間,此處取1.

使用符號W0-2表示單位質(zhì)量煤樣解吸開始的2分鐘內(nèi)瓦斯析出量,W0-2與Δh2的關(guān)系見式(2):

W0-2=μΔh2

(2)

式中:μ為解吸儀結(jié)構(gòu)常數(shù),取值0.082 1 mL/mm.

由此可以看出,W0-1與W0-2是在不同時間段內(nèi)瓦斯析出量,其本質(zhì)相同?；趯0-1與W0-2的本質(zhì)含義分析,并將其應(yīng)用在PLC煤樣瓦斯解吸指標(biāo)測定系統(tǒng)中,使得該系統(tǒng)可以對任意時間段的解吸量進(jìn)行測定,即Wt0-t1,不僅可以完成對Δh2與K1的測定,而且可以將測定時間段擴(kuò)大至任何范圍。

煤鉆屑瓦斯解吸測定系統(tǒng)使用甲烷氣體作為氣源,通過氣體增壓穩(wěn)壓系統(tǒng)模擬出井下深層煤樣所處的高壓環(huán)境,利用煤樣對于甲烷氣體的吸附、解吸特點,精確控制煤樣在不同壓力下吸附甲烷氣體。氣體吸附完成后,將煤樣暴露在常壓下進(jìn)行解吸,同時系統(tǒng)自動測定相關(guān)參數(shù),見圖1.

圖1 煤鉆屑瓦斯解吸測定基本原理圖

2 測定系統(tǒng)設(shè)計

為了提高測定系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與高效性,同時方便系統(tǒng)設(shè)計,核心控制部件采用西門子PLC可編程控制器,該控制器在工控領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,技術(shù)成熟,編程界面友好,可以很好完成該測定系統(tǒng)的邏輯性與順序性控制[5]. 同時便于人工對整體測定流程的觀測與控制,系統(tǒng)中采用可觸摸控制屏作為終端設(shè)備。

2.1 測定系統(tǒng)整體控制

測定系統(tǒng)從功能模塊上分為真空控制系統(tǒng)、增壓穩(wěn)壓控制系統(tǒng)和測量控制系統(tǒng),見圖2.

1—真空泵;2—真空氣路電磁閥;3—煤樣罐;4—濕度傳感器;5—溫度傳感器;6—解吸閥;7—氣袋;8—壓力傳感器;9—測壓氣路電磁閥;10—增壓氣路電磁閥;11—甲烷氣體增壓穩(wěn)壓系統(tǒng);12—氣源路電磁閥;13—甲烷氣源;14—排氣路電磁閥圖2 整體設(shè)計圖

2.1.1 真空控制系統(tǒng)

真空控制系統(tǒng)包括真空泵、真空氣路電磁閥;真空泵選用“藤原無油真空泵”二級1550 D真空泵機(jī)頭,進(jìn)氣口配有過濾器,其流量為158 L/min,可以實現(xiàn)連續(xù)抽真空的功能,同時真空氣路電磁閥可以根據(jù)測定流程的需要,開啟、關(guān)閉抽真空氣路。真空泵的電路通斷控制信號是由PLC控制器發(fā)出的,當(dāng)煤樣罐等各氣路中達(dá)到設(shè)定條件時,關(guān)閉真空泵電源,相反,則接通電源,使真空泵持續(xù)工作。

2.1.2 增壓穩(wěn)壓控制系統(tǒng)

增壓穩(wěn)壓控制系統(tǒng)主要包括增壓氣路電磁閥、甲烷氣體增壓穩(wěn)壓系統(tǒng)、氣源路電磁閥、甲烷氣源。氣體增壓穩(wěn)壓系統(tǒng)核心部件為氣體增壓泵ZY-25-2,最大增壓比為15∶1,最大輸出壓力為12 MPa,氣體進(jìn)出口均配有高壓壓力表,調(diào)節(jié)比例閥或進(jìn)氣閥上部的旋鈕,順時針旋轉(zhuǎn)為增大壓力,逆時針旋轉(zhuǎn)為減小壓力,增壓泵開始工作,增壓到設(shè)定壓力后自動停止。氣體增壓穩(wěn)壓系統(tǒng)的氣體與壓力,通過增壓氣路電磁閥,傳導(dǎo)至煤樣罐中,保證煤樣罐中的氣體壓力穩(wěn)定在設(shè)定值。

2.1.3 測量控制系統(tǒng)

測量控制系統(tǒng)主要包括煤樣罐、濕度傳感器、溫度傳感器、解吸閥、氣袋、壓力傳感器、測壓氣路電磁閥。其中壓力傳感器量程選用-0.1～10 MPa,精度為0.1%FS,既滿足抽真空時真空度的測量,同時滿足煤樣罐內(nèi)高壓吸附甲烷時壓力測量的需要。氣袋用于收集煤樣罐內(nèi)煤樣解吸出的瓦斯氣體,測定系統(tǒng)結(jié)束后,可在常溫常壓下測量其體積,用于校正系統(tǒng)測定的數(shù)值。

首先測定系統(tǒng)需要對煤樣罐內(nèi)的煤樣脫氣處理,此時僅打開真空氣路電磁閥與測量氣路電磁閥,其余電磁閥全部關(guān)閉。真空泵先對煤樣罐連續(xù)抽氣,使真空度迅速下降至P真空度0,而后真空泵停止工作。通過壓力傳感器實時測量煤樣罐內(nèi)的真空度,每間隔60 s,記錄一次真空度壓強(qiáng)P真空度1和P真空度2,并且設(shè)定真空度閾值ω,當(dāng)滿足式(3)時,說明煤樣脫氣不完全,開啟真空泵抽氣至P真空度0,循環(huán)上述過程進(jìn)行脫氣;當(dāng)滿足式(4)時,說明脫氣完成。

P真空度2-P真空度1≥ω

(3)

P真空度2-P真空度1<ω

(4)

煤樣罐內(nèi)的煤樣脫氣完成后,關(guān)閉真空泵與真空氣路電磁閥,打開增壓氣路電磁閥、甲烷氣體增壓穩(wěn)壓系統(tǒng)、氣源路電磁閥,對煤樣罐內(nèi)增注甲烷氣體,根據(jù)設(shè)定的壓力數(shù)值實施增壓保壓,讓煤樣充分吸附甲烷氣體。甲烷氣體吸附完成后,打開排氣路電磁閥,放掉煤樣罐內(nèi)多余甲烷氣體后關(guān)閉電磁閥。同時測定系統(tǒng)開始計時,打開解吸閥,煤樣中吸附的甲烷氣體自然釋放到氣袋中。氣袋材質(zhì)選用高彈性橡膠,氣袋內(nèi)氣體膨脹對于煤樣罐內(nèi)的壓力影響較小。在系統(tǒng)測定完畢后,氣袋內(nèi)的氣體可用于二次測量,校正甲烷解吸量。

2.2 PLC控制原理

測定系統(tǒng)的CPU采用西門子PLC1200可編程控制器,該控制器方便擴(kuò)展Modbus模塊,Modbus通信協(xié)議用于各種傳感器信號采集,采集效率高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠[6]. 測定系統(tǒng)中PLC1200通過CM1241模塊與Modbus擴(kuò)展模塊連接壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等支持Modbus協(xié)議的傳感器,各個傳感器之間通過輪詢的方式,依次將采集的數(shù)據(jù)傳遞至PLC中,PLC將采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行運算后,根據(jù)測定流程,控制各氣路電磁閥的通斷。PLC與電磁閥之間通過繼電器驅(qū)動模塊通信控制。HMI觸摸屏的通信是通過以太網(wǎng)與PLC連接,人工可以通過觸摸控制屏幕設(shè)置實驗參數(shù)、控制實驗進(jìn)度、監(jiān)視傳感器參數(shù)等。PLC控制原理見圖3.

圖3 PLC控制原理圖

2.2.1 模擬量信號轉(zhuǎn)485-Modbus

傳感器的模擬量信號一般分為電壓模擬量信號和電流模擬量信號兩種,模擬量信號與RS-485數(shù)字量信號的轉(zhuǎn)換原理見圖4,在一個模擬量采集模塊中,可以同時采集多個同種類的模擬量信號,信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器和微處理器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號經(jīng)RS-485串口發(fā)送。該實驗室測定系統(tǒng)采用的就是Modbus RTU通訊類型,串口類型為RS-485. 一個主機(jī)可以分接32個從機(jī),為測定系統(tǒng)的改造升級、擴(kuò)展傳感器提供支持。

圖4 模擬量信號轉(zhuǎn)RS-485電路框圖

2.2.2 數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)

PLC1200的存儲系統(tǒng)由裝載存儲器、工作存儲器和系統(tǒng)存儲器組成。其中裝載存儲器主要用于保存邏輯塊、數(shù)據(jù)塊和系統(tǒng)數(shù)據(jù)。PLC工作時,將裝載存儲器中的可執(zhí)行部分?jǐn)?shù)據(jù)復(fù)制到工作存儲器中。工作儲存器集成在CPU中的高速存取ARM存儲器,用于存儲CPU運行時用戶程序和數(shù)據(jù)。系統(tǒng)存儲器是PLC為用戶提供的存儲組件,用于存儲用戶的操作數(shù)據(jù),如過程映像輸入輸出區(qū)、標(biāo)識位存儲區(qū)、數(shù)據(jù)塊存儲區(qū)、本地數(shù)據(jù)區(qū)等。

測定系統(tǒng)運行過程中,在PLC整體運行一個周期內(nèi),各個傳感器會采集一遍當(dāng)前數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)中加入數(shù)據(jù)名稱、當(dāng)前系統(tǒng)時間,組成固定格式的數(shù)據(jù)組,暫時存儲在PLC中的數(shù)據(jù)塊存儲區(qū),數(shù)據(jù)塊存儲區(qū)須及時發(fā)送給上位機(jī)軟件或觸摸控制屏,由軟件程序?qū)?shù)據(jù)保存在存儲硬件中。

2.2.3 繼電器驅(qū)動模塊

繼電器在PLC的自動化控制中起到重要作用。繼電器驅(qū)動模塊主要用于控制各氣路電磁閥的開關(guān),進(jìn)而實現(xiàn)氣路的通斷。測定系統(tǒng)中電磁閥使用高壓防爆電磁閥,耐壓為16 MPa,控制電壓為12-24 VDC,開啟、關(guān)閉動作發(fā)生時電流較大,所以使用繼電器驅(qū)動?？刂屏鞒虨镻LC控制器發(fā)出開啟、關(guān)閉信號,信號經(jīng)過繼電器驅(qū)動模塊,驅(qū)動繼電器的開、關(guān),進(jìn)而實現(xiàn)電磁閥動作。

驅(qū)動繼電器開關(guān)的電路見圖5,電路采用5 V光耦隔離元器件,光耦以光信號為媒介,實現(xiàn)電信號的耦合與傳遞,輸入輸出完全隔離,實現(xiàn)高壓和低壓的電氣隔離,以達(dá)到抗干擾的目的。繼電器采用“SONGLE SRD-24VDC-SL-C”,線圈功率小,觸點接觸穩(wěn)定,動、靜觸點端負(fù)載電壓、電流可選范圍廣。

圖5 光耦驅(qū)動繼電器原理圖

2.3 操作控制系統(tǒng)

采用TIA Portal V14作為人機(jī)交互界面開發(fā),將西門子PLC與SIMATIC HMI精簡系列面板連接通信,作為操作控制系統(tǒng),并在TIA Portal V14上設(shè)計可視化操作界面,見圖6.

圖6 人機(jī)交互界面圖

3 測定流程

3.1 氣密性檢測

為了保證測定系統(tǒng)處于完全密封狀態(tài),每次實驗前需要對系統(tǒng)的氣密性進(jìn)行檢測。檢測流程見圖7.

圖7 氣密性檢測流程圖

人工通過HMI觸摸控制屏設(shè)置閾值i,并發(fā)送氣密性檢測開始命令,測定系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行初始化,關(guān)閉所有電磁閥,而后打開測壓氣路電磁閥、真空氣路電磁閥,真空泵開始抽真空。一般30 s后設(shè)備中的真空度達(dá)到最大,而后關(guān)閉真空泵,等待2 s壓力傳感器數(shù)值穩(wěn)定后,讀取此時煤樣罐中的壓強(qiáng)值P1,間隔Tc時間后再次讀取壓力傳感器中的數(shù)值P2,當(dāng)滿足式(5)時,說明氣密性良好;當(dāng)滿足式(6)時,說明氣密性不合格,須重新檢修設(shè)備后再次進(jìn)行氣密性檢測。

P2-P1

(5)

P2-P1≥i

(6)

3.2 整體測定流程

根據(jù)測定指標(biāo)Δh2和K1的定義,制定測定流程見圖8. 在氣密性良好的前提下,首先對煤樣罐內(nèi)抽真空,并且在真空狀態(tài)下保持24 h以上,使煤樣罐內(nèi)的煤樣充分脫氣。脫氣完成后,根據(jù)設(shè)定的壓力值與吸附時間值,給煤樣加壓,使其在固定壓力環(huán)境下吸附甲烷,而后開始解吸指標(biāo)的測定。因W0-1與W0-2測定流程不同,所以根據(jù)人工指令每次單獨對一個指標(biāo)開始測定實驗。

圖8 測定流程圖

3.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT計算出瓦斯解吸量,該方程的運用在滿足如下條件使用:煤樣罐與測定系統(tǒng)中氣體管路體積固定;整體實驗室過程中,測定系統(tǒng)內(nèi)的溫度恒定;測定系統(tǒng)內(nèi)壓強(qiáng)的變化僅由解吸出的瓦斯氣體的物質(zhì)的量n決定。所以將理想氣體狀態(tài)方程推導(dǎo)變形后得出下式:

(P1-P0)Vm=(n1-n0)RT

(7)

式中:P1為第t1分鐘結(jié)束時壓力傳感器測量的數(shù)值,Pa;P0為第t0分鐘結(jié)束時壓力傳感器測量的數(shù)值,Pa;Vm為測定系統(tǒng)煤樣罐及其管路體積,m3;R為摩爾氣體常數(shù),J/(mol·K),取8.31;T為溫度,K;n1與n0分別為第t1分鐘結(jié)束時與t0分鐘結(jié)束時煤樣罐中甲烷氣體的物質(zhì)的量,mol.

測定指標(biāo)Wt0-t1為常溫差壓下,單位質(zhì)量煤樣釋放出來瓦斯體積,所以將理想氣體狀態(tài)方程在常溫常壓環(huán)境中應(yīng)用得出式(8):

(8)

式中:Pc為標(biāo)準(zhǔn)狀況下大氣壓,kPa,取值1.01;

由式(7)和式(8)得到式(9):

(9)

4 系統(tǒng)測試

4.1 煤樣解吸研究

取實驗室34#煤樣,使用3 mm的樣品篩,篩出10 g煤樣,將煤樣放入煤樣罐內(nèi),保壓時長與增壓值按照表1設(shè)定,根據(jù)測定流程圖,開始對W0-2進(jìn)行測定。

表1 參數(shù)預(yù)設(shè)表

選取MD-2型鉆屑瓦斯解吸儀測定的瓦斯釋放量作為比對。將10 g的34#實驗室煤樣放入吸附裝置中,充入甲烷氣體保壓3 MPa,24 h后取出,放入煤樣瓶中,測定10組數(shù)據(jù)。測定結(jié)果見表2.

表2 試驗數(shù)據(jù)表

根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制對比圖,見圖9.

圖9 瓦斯釋放量對比圖

4.2 試驗結(jié)果分析

1) MD-2型鉆屑瓦斯解吸儀測得的瓦斯釋放量低于PLC測定系統(tǒng)測得的瓦斯釋放量,主要是因為前者在實驗過程中取樣、裝瓶、計時等操作均由實驗人員手動完成,將煤樣暴露在空氣中,會損失一定量瓦斯氣體,計時的準(zhǔn)確性也會對最終結(jié)果造成一定影響。PLC測定系統(tǒng)在控制器的控制下,精準(zhǔn)自動控制,最大程度地減少了瓦斯氣體外泄,使得測試數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

2) MD-2型鉆屑瓦斯解吸儀測得的10組數(shù)據(jù)的平均值為0.220 mL,PLC測定系統(tǒng)測得的10組數(shù)據(jù)的平均值為0.229 mL,相對誤差為4.1%.

3) PLC測定系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)較平穩(wěn),這是因為PLC測定系統(tǒng)嚴(yán)格按照操作員設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行實驗,全程自動完成,排除了人為的干擾因素,使得10組數(shù)據(jù)波動不大,更加準(zhǔn)確地反映出34#煤樣對瓦斯的吸附、解吸能力。

5 結(jié) 論

為實現(xiàn)煤樣瓦斯解吸指標(biāo)的自動化測定,設(shè)計了一套基于西門子PLC的控制系統(tǒng),該系統(tǒng)實現(xiàn)了自動化測定流程和智能數(shù)據(jù)分析。其優(yōu)勢在于實驗參數(shù)自由設(shè)定(如吸附壓力、吸附時長、解吸時段和解吸量等)、操作簡單、自動化程度高(自動獲取解吸數(shù)據(jù),自動分析與計算解吸量),實現(xiàn)了煤樣瓦斯的吸附、解吸功能,并對解吸參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測定。同采用MD-2型鉆屑瓦斯解吸儀的測試數(shù)據(jù)對比,相對誤差僅為4.1%.

基于PLC的煤樣瓦斯解吸指標(biāo)測定系統(tǒng)從原理上可以測定任何時間段、任何時長的瓦斯解吸量,數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,可以將煤樣瓦斯解吸測定時間段擴(kuò)大至任何范圍,更加全面地分析煤樣的解吸性能,更便于實驗室操作人員對不同煤樣瓦斯解吸能力的研究。