礦用DM-1000/10 型移動(dòng)式膜分離制氮裝置監(jiān)控系統(tǒng)的分析

劉 輝

（大同煤礦集團(tuán)機(jī)電裝備科工安全儀器有限責(zé)任公司， 山西 大同 037000）

引言

煤礦開(kāi)采過(guò)程會(huì)伴隨有大量的瓦斯涌出，為確保煤礦井下安全，通常會(huì)采用通風(fēng)技術(shù)和瓦斯抽采技術(shù)，將瓦斯?jié)舛葒?yán)格控制在安全范圍以內(nèi)。但是無(wú)論采取何種措施，都不可能將空氣中的瓦斯?jié)舛冉档偷搅鉡1]。瓦斯屬于易燃易爆氣體，如果礦井內(nèi)部出現(xiàn)火災(zāi)，將會(huì)引起非常嚴(yán)重的后果，因此必須采取措施對(duì)礦井內(nèi)的火苗進(jìn)行嚴(yán)格控制[2]。但是在采煤實(shí)踐中，會(huì)用到大量的機(jī)械和電氣設(shè)備，機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行時(shí)零部件之間的摩擦、碰撞，供電線路出現(xiàn)短路等都有可能引發(fā)火苗，進(jìn)而導(dǎo)致小范圍的火情，對(duì)于這種小范圍火情必須采取措施將其撲滅[3]。移動(dòng)式膜分離制氮技術(shù)可以在短時(shí)間內(nèi)釋放大量的氮?dú)?，使周圍環(huán)境不具備有燃燒的條件，基于該原理可以實(shí)現(xiàn)滅火的效果[4-5]。目前，移動(dòng)式膜分離制氮裝置在煤礦領(lǐng)域有了很多應(yīng)用，但是運(yùn)行可靠性無(wú)法得到保障[6]?；诖?，本文以DM-1000/10 型移動(dòng)式膜分離制氮裝置為例，設(shè)計(jì)研究了監(jiān)控系統(tǒng)，以期能夠提升制氮裝置的自動(dòng)化水平和運(yùn)行可靠性。

1 DM-1000/10 型移動(dòng)式膜分離制氮裝置概況

1.1 膜分離制氮技術(shù)基本原理

膜分離技術(shù)是指針對(duì)多組份的氣體或其他溶質(zhì)，基于天然薄膜或者合成高分子薄膜，以物質(zhì)本身的化學(xué)位能差或外界提供的能量為動(dòng)力，對(duì)多組份氣體或溶質(zhì)進(jìn)行分離、提純的過(guò)程。不同屬性的氣體，其透膜率存在差異。能夠快速通過(guò)薄膜的氣體叫做“快氣”，相反地，透過(guò)薄膜速度較慢的氣體叫做“慢氣”?？諝庵兄饕?dú)夂脱鯕猓罅康睦碚摵蛯?shí)踐經(jīng)驗(yàn)都表明，氧氣的透膜率與氮?dú)庀啾容^而言要快很多，所以可以利用膜分離制氮技術(shù)將空氣中的氮?dú)夂脱鯕膺M(jìn)行分離，從而制備出高純度的氮?dú)?。如圖1 所示為膜分離制氮技術(shù)基本原理示意圖。

圖1 膜分離制氮技術(shù)基本原理示意圖

1.2 制氮裝置基本結(jié)構(gòu)

本文的研究對(duì)象為DM-1000/10 型移動(dòng)式膜分離制氮裝置，該型號(hào)制氮裝置每小時(shí)可以制氮1000m3，所得氮?dú)鈮毫图兌确謩e為0.8 MPa 和97%以上。需要2 臺(tái)185 kW 的電機(jī)同時(shí)工作，額定工作電壓為1 140 V。整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)主要由三大部分構(gòu)成，分別為空氣壓縮部分、壓縮空氣預(yù)處理部分、膜分離制氮部分，不同部分之間通過(guò)耐高壓導(dǎo)管進(jìn)行連接。其中最重要的屬于膜分離制氮部分，內(nèi)部包含有很多根膜組件，組件之間通過(guò)并聯(lián)的方式進(jìn)行組裝。

2 制氮裝置監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖2 制氮裝置監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案

如圖2 所示為制氮裝置監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案，從圖中可以看出，制氮裝置監(jiān)控系統(tǒng)主要包含六部分內(nèi)容?；趥鞲衅鲗?duì)制氮裝置運(yùn)行時(shí)的各種技術(shù)參數(shù)進(jìn)行采集，對(duì)采集得到的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，可以準(zhǔn)確掌握制氮裝置運(yùn)行狀態(tài)，并將相關(guān)狀態(tài)信息實(shí)時(shí)顯示到上位機(jī)顯示屏中?；跈z測(cè)分析結(jié)果可進(jìn)行制氮裝置的自動(dòng)化控制。如果檢測(cè)發(fā)現(xiàn)制氮裝置存在故障問(wèn)題還會(huì)發(fā)出聲音和燈光報(bào)警，提示工作人員及時(shí)進(jìn)行處理。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)主要功能

1）模擬量采集。讀取傳感器采集得到的制氮裝置運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，這些狀態(tài)信息已經(jīng)提前轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)，全部標(biāo)準(zhǔn)化成為4～20 mA 的電流信號(hào)。模擬量信號(hào)進(jìn)入PLC 控制器后需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)，才能夠?qū)ζ溥M(jìn)行分析和處理。

2）開(kāi)關(guān)量采集。開(kāi)關(guān)量信號(hào)指的是控制箱體中對(duì)應(yīng)的按鈕，可以對(duì)按鈕的狀態(tài)信息進(jìn)行采集并傳輸?shù)娇刂破髦??；诖丝梢詫?duì)各個(gè)按鈕的狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的啟動(dòng)、停止以及緊急停止等功能。

3）自動(dòng)控制。制氮裝置啟動(dòng)運(yùn)行后，基于傳感器的檢測(cè)結(jié)果并配合使用PLC 控制器可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。自動(dòng)控制可以提升裝置的運(yùn)行效率，制氮效果更佳。

4）通信協(xié)議。監(jiān)控系統(tǒng)中的通信過(guò)程主要包括PLC 控制器與空壓機(jī)、顯示屏、上位機(jī)之間的通信，通信協(xié)議為RS-485，可以確保數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的可靠性和穩(wěn)定性。

5）故障報(bào)警。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)溫度、壓力或流量超過(guò)了正常范圍時(shí)，系統(tǒng)就認(rèn)為制氮裝置存在故障問(wèn)題。此時(shí)系統(tǒng)下達(dá)指令驅(qū)動(dòng)報(bào)警裝置發(fā)出聲音和燈光警報(bào)，同時(shí)上位機(jī)顯示屏中也會(huì)顯示對(duì)應(yīng)的故障信息。操作人員可以非常直觀地了解故障問(wèn)題，并及時(shí)進(jìn)行處理。通過(guò)這樣的方式能夠顯著提升制氮裝置運(yùn)行的可靠性，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題。

6）實(shí)時(shí)顯示。監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置有顯示屏，可以實(shí)時(shí)顯示傳感器采集得到的制氮裝置運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，此外還可以顯示監(jiān)控系統(tǒng)自身運(yùn)行中的狀態(tài)信息。操作人員在顯示屏中可以選擇任意位置的狀態(tài)參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行連續(xù)觀察。一旦制氮裝置出現(xiàn)故障問(wèn)題，顯示屏?xí)詮?qiáng)制彈窗的形式展示故障問(wèn)題具體信息。

3 制氮裝置監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)主要包含兩種硬件設(shè)施，分別為傳感器和PLC 控制器。傳感器的作用是對(duì)制氮裝置的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，PLC 控制器的作用是對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和處理，并下達(dá)相關(guān)的控制指令。

3.1 傳感器的選型

為了達(dá)到監(jiān)控的目的，本系統(tǒng)需要對(duì)制氮裝置中的溫度參數(shù)、壓力參數(shù)和流量參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)控，需要通過(guò)對(duì)應(yīng)的傳感器對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)收集。其中，溫度傳感器的型號(hào)為GWD60，壓力傳感器的型號(hào)為KGY8-1，流量傳感器的型號(hào)為FS4001。系統(tǒng)中選用的傳感器全部為礦用本安型傳感器，完全能夠適應(yīng)煤礦井下工作環(huán)境?；趥鞲衅鞑杉玫降臓顟B(tài)數(shù)據(jù)信息，通過(guò)設(shè)計(jì)的電路將其轉(zhuǎn)換成為電流模擬量信號(hào)，范圍為4～20 mA。然后將標(biāo)準(zhǔn)化的模擬量信號(hào)輸入到PLC 控制器中進(jìn)行進(jìn)一步處理。

3.2 PLC 控制器的選型與設(shè)計(jì)

PLC 控制器是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)的分析與處理、指令的下達(dá)，都需要通過(guò)PLC 控制器來(lái)完成。所以控制器的性能對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的質(zhì)量有非常重要的影響。在充分考慮煤礦實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，最終選用的PLC 控制器型號(hào)為S7-200 smart，該型號(hào)控制器是在S7-200 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其性能比S7-200 更加優(yōu)越。如圖3 所示為PLC 控制器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 PLC 控制器的結(jié)構(gòu)示意圖

4 制氮裝置監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 監(jiān)控系統(tǒng)軟件程序

圖4 制氮裝置監(jiān)控系統(tǒng)軟件程序

如圖4 所示為制氮裝置監(jiān)控系統(tǒng)軟件程序圖。監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，首先需要初始化處理，主要作用是對(duì)各個(gè)裝置的設(shè)置進(jìn)行歸零，并檢測(cè)裝置是否能夠正常運(yùn)行。初始化后各傳感器開(kāi)始啟動(dòng)工作，采集制氮裝置的狀態(tài)信息。將溫度、壓力、流量等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息輸入到PLC 控制器中進(jìn)行處理，如果發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)存在故障問(wèn)題，就會(huì)下達(dá)指令控制聲音和燈光報(bào)警裝置發(fā)出相關(guān)報(bào)警，以提示工作人員進(jìn)行處理。另外，PLC 控制器還可以根據(jù)開(kāi)關(guān)量信號(hào)對(duì)箱體的按鈕進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化處理。

4.2 自動(dòng)化控制的基本流程

制氮裝置開(kāi)啟運(yùn)行后，首先需要將空壓機(jī)啟動(dòng)。監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理如果一切正常，那么就會(huì)將排污閥開(kāi)啟，進(jìn)行自動(dòng)定時(shí)排污。對(duì)傳感器采集得到的信息進(jìn)行分析，如果發(fā)現(xiàn)空氣壓力過(guò)高、管道溫度和電加熱器溫度過(guò)高，則需要將放空閥開(kāi)啟，以降低溫度和壓力。當(dāng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)空氣壓力在合理范圍內(nèi)時(shí)，則可以將系統(tǒng)閥開(kāi)啟。當(dāng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)氧氣濃度比系統(tǒng)設(shè)定的數(shù)值低時(shí)，可以將切換閥開(kāi)啟。各個(gè)狀態(tài)參數(shù)的安全范圍需要結(jié)合煤礦井下具體的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行手動(dòng)設(shè)定。通過(guò)自動(dòng)化控制，不僅能夠顯著提升制氮裝置的運(yùn)行效率，同時(shí)也能保障設(shè)備運(yùn)行的安全和可靠。

5 結(jié)論

移動(dòng)式膜分離制氮裝置在煤礦領(lǐng)域有比較多的應(yīng)用，主要作用是制作氮?dú)膺M(jìn)行滅火，創(chuàng)造條件使火焰無(wú)法燃燒。當(dāng)前階段制氮裝置的自動(dòng)化水平較低，監(jiān)控系統(tǒng)不完善。本文以DM-1000/10 型移動(dòng)式膜分離制氮裝置為例設(shè)計(jì)的制氮裝置的監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)制氮裝置運(yùn)行過(guò)程狀態(tài)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化控制。監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用能夠提升制氮裝置運(yùn)行的可靠性，同時(shí)通過(guò)自動(dòng)化控制可以提升制氮效率和效果，為煤礦井下安全保駕護(hù)航。