煤礦用膜分離制氮裝置自動控制研究

陳為達

（中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122）

煤礦火災風險嚴重威脅礦井生產安全和礦工人身安全，是制約我國煤炭行業健康可持續發展的主要災害之一。煤層一旦起火燃燒，將直接燒毀原有的煤炭資源和煤礦設備，給煤礦企業造成重大的經濟損失，火災還可能引起瓦斯、煤塵等危險物爆炸，釀成嚴重的人員傷亡惡性事故。煤礦火災具有很強的自燃、陰燃和復燃特性，并存在火源隱蔽位置難確定、熱量難消除及滅火危險性大等防控難題，因此，對火災起火風險區域通常采取覆蓋式防火措施。注氮防滅火作為煤礦井下起火風險區覆蓋式惰化保護的一種方式，是世界各主要產煤國家公認的行之有效的防滅火措施。在我國注氮氣防滅火方式是經《煤礦安全規程》認證的高效的礦井防滅火措施，并且在該規程（2016 版）第271 條對注氮氣濃度做了明確規定，指明注入的氮氣濃度不得小于97%。制氮裝置自動控制的實現是裝置平穩運行保障客戶煤礦井下安全生產的客觀需求。

1 自動控制總體解決方案

膜分離制氮裝置包括供氣氣源、氮氣分離膜、凈化過濾裝置、空氣加熱裝置等各部分。其中，提供氣源的空氣壓縮機為獨立車體，其余各部分構成制氮綜合車體，此兩車體之間以高壓金屬波紋管相連，組成一套完整的膜制氮設備?？刂葡到y以保證制氮裝置整機穩定高效的運行為目的，需要實現以下控制與監測功能。

（1）利用MODBUS-RTU 通訊協議，通過RS485 串口通信實現空壓機的聯動控制，使空壓機啟、停和加、卸載過程全部自動進行，避免因人員誤操作對空壓機的損害。同時，對空壓機的排氣壓力及排氣溫度實時讀取，用于判定空壓機的供氣狀態。

（2）實時讀取壓縮空氣的入膜溫度，且具備超溫報警功能。入膜氣體溫度是決定膜組制氮效率的關鍵因素之一，溫度過低會導致分離膜低效運轉，而溫度過高則會損壞膜材料，降低膜組的使用壽命，因此，對入膜氣體溫度實時監控，可以作為換熱器氣量調節的依據，使氣體溫度維持在膜組最佳工作溫度。

（3）實時監測制氮純度。實現當氮氣純度≥97%時，正常注氮；當氮氣純度＜97%時，不合格氣體排空。

（4）實時監測氮氣的瞬時流量及顯示累計注氮流量。氮氣流量是驗證膜制氮設備是否為合格產品的最重要指標，對制氮流量的準確測量尤為重要。

（5）實時監測注氮壓力值。制取的氮氣必須具備一定的壓力才能滿足長距離運輸的要求，一般礦井要求注氮壓力≥1.0MPa。

（6）過濾裝置能實現自動定時排污功能。凈化過濾裝置攔截的油污等雜質可以自動定時排出。

（7）設備運行的各參數，包括空壓機的排氣壓力、排氣溫度，以及入膜溫度、制氮壓力、氮氣純度、氮氣的瞬時流量和累計流量等集中于人機界面屏顯示。

通過以上分析可知，設備實現自動控制需要監測的模擬量有4 個，分別是入膜溫度、制氮壓力、氮氣流量以及氮氣純度；輸入數字量至少3 個，分別為空壓機聯動控制、合格氣體監測以及PLC 通電指示；輸出數字量至少2 個，對應自動排污和注氮管路切換；另外，還需要有與空壓機和人機界面屏通信的RS485串口。

2 自動控制的控制流程

從總體解決方案的控制邏輯出發明確自動控制的控制流程如圖1，在設備送電后，首先要執行一次預防性的過濾裝置排氣動作防止設備上次停機后未排空設備氣路，然后開啟聯控，在啟動空壓機后，查看人機界面是否有保養提示，觀察設備各項監測數據是否正常顯示，尤其是空壓機各運行數據是否傳輸正常，留意自動排污是否定時開啟，重點關注是否有溫度報警提示，以及確定制氮純度達到設定值后是否切換管路注氮。

圖1 自動控制系統流程圖

根據自動控制系統需要實現的監測和控制功能選定系統硬件，選用SIMATIC S7-200 SMART 系列PLC為控制核心，模擬量擴展模塊選用EM AE04 型號，它具有4 路模擬量的輸入接點，可以滿足本控制系統所需要的4 路模擬量監測要求；信號擴展板選用SB CM01，其專門用作與空壓機實現Modbus RTU 通訊的通信接口。通過控制流程的梳理完成最終的控制電路，如圖2 所示。

圖2 自動控制系統電路圖

3 PLC 監控程序設計

（1）模擬量程序。本控制系統中，現場儀表將采集到的溫度、壓力、濃度、流量等輸入量通過安全柵和信號隔離器處理后全部轉化為4 ～20mA 的標準量程電流信號，再經過PLC 的A/D 模塊將上述模擬量信號轉化為PLC 可以處理的數字量，由PLC 錄入在特定地址。模擬量信號的轉換過程：物理量—傳感器信號—標準電流信號—A/D 轉換—數值顯示。

現場模擬量數值輸入后可以轉換為方便查看的工程量數值，轉換公式如下：

式中，X為模擬量當前值；mB為工程量上限值；oB為工程量下限值；nA為模擬量上限值；oA為模擬量下限值；Y為工程量當前值。

根據此模擬量輸入轉換公式，就可以在編程軟件中編寫程序。

（2）周期保養程序。根據過濾器濾芯在煤礦井下的平均使用壽命，將膜制氮裝置的周期保養時間設定為3000 小時，并設置報警及復位點。

（3）空壓機聯動控制程序。本控制系統中空壓機的聯動控制和壓縮氣體主要參數監測，是利用主從站PLC 之間Modbus 通信實現的。STEP7-Micro/WIN SMART 編程軟件集成的Siemens Modbus 庫中包含專為Modbus RTU 通信設計的預組態子例程和中斷例程，這使得與Modbus RTU 主站和從站設備的通信更加的簡便。以Modbus 主站指令組態S7-200 SMART，使其作為Modbus RTU 主站設備運行，以空壓機PLC 控制器作為從站，根據空壓機廠家提供的控制點表編寫控制程序。

4 控制系統的監控組態

由于本控制系統中需要監視的參數個數和控制開關量并不多，考慮到價格因素，人機界面選取入門級別即可。本次選取的工業觸摸屏是威綸通人機界面TK6071iQ，它除了能完美兼容西門子S7-200 SMART 外，還具有以下優點：寬輸入電壓范圍10.5 ～28VDC；無風扇冷卻系統，無噪音；內建儲存內存及萬年歷；面板防護等級為IP65；內置電源隔離保護；集成了USB Host 接口，不僅可通過它上傳和下載程序，還可以外接鍵盤、鼠標等USB 外設；產品質量可靠，售后服務優越。

使用的組態軟件為威綸通公司為人機界面配套開發的EasyBuilder Pro。在硬件組態完成后，為保證監測數據地址和控制點位與相應圖素對應的準確性，對地址標簽進行預設置，如圖3 所示。在地址標簽設置完成之后，只需要在監控畫面中將圖素與預設置地址或點位關聯即可，組態完成的監控界面見圖4。需要注意的是，本次研究的膜制氮裝置為煤礦井下設備，需要將人機界面安裝于隔爆型控制箱內部，并且由于控制箱在井下運行期間嚴禁帶電開蓋，因此，監控組態界面的主界面應直接設置為運行界面。

圖3 地址標簽預設置

圖4 監控組態主運行界面

其中，“保養操作”與“事件登陸”分別作為主界面進入輔助界面的切換窗口按鈕，執行保養后的復位操作和記錄報警事件。

5 結語

本次制氮裝置自動控制研究首先分析了需要監測的裝置各運行參數及需要實現的具體控制需求，明確了需要監測的模擬量個數，輸入、輸出數字量個數，以及需要實現的通信功能。在此基礎上進行了自動控制的控制流程梳理，完成了控制系統硬件的選型。在PLC 和人機界面型號確定后，依據控制系統流程完成PLC 程序設計，最后通過組態軟件完成人機界面的監控組態。試驗結果表明，自動控制系統控制邏輯清晰無報錯，制氮裝置整機運行平穩，開機運行15 分鐘內產出合格純度的穩定流量氮氣。