煤矿用膜分离制氮装置自动控制研究

陈为达

（中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122）

煤矿火灾风险严重威胁矿井生产安全和矿工人身安全，是制约我国煤炭行业健康可持续发展的主要灾害之一。煤层一旦起火燃烧，将直接烧毁原有的煤炭资源和煤矿设备，给煤矿企业造成重大的经济损失，火灾还可能引起瓦斯、煤尘等危险物爆炸，酿成严重的人员伤亡恶性事故。煤矿火灾具有很强的自燃、阴燃和复燃特性，并存在火源隐蔽位置难确定、热量难消除及灭火危险性大等防控难题，因此，对火灾起火风险区域通常采取覆盖式防火措施。注氮防灭火作为煤矿井下起火风险区覆盖式惰化保护的一种方式，是世界各主要产煤国家公认的行之有效的防灭火措施。在我国注氮气防灭火方式是经《煤矿安全规程》认证的高效的矿井防灭火措施，并且在该规程（2016 版）第271 条对注氮气浓度做了明确规定，指明注入的氮气浓度不得小于97%。制氮装置自动控制的实现是装置平稳运行保障客户煤矿井下安全生产的客观需求。

1 自动控制总体解决方案

膜分离制氮装置包括供气气源、氮气分离膜、净化过滤装置、空气加热装置等各部分。其中，提供气源的空气压缩机为独立车体，其余各部分构成制氮综合车体，此两车体之间以高压金属波纹管相连，组成一套完整的膜制氮设备。控制系统以保证制氮装置整机稳定高效的运行为目的，需要实现以下控制与监测功能。

（1）利用MODBUS-RTU 通讯协议，通过RS485 串口通信实现空压机的联动控制，使空压机启、停和加、卸载过程全部自动进行，避免因人员误操作对空压机的损害。同时，对空压机的排气压力及排气温度实时读取，用于判定空压机的供气状态。

（2）实时读取压缩空气的入膜温度，且具备超温报警功能。入膜气体温度是决定膜组制氮效率的关键因素之一，温度过低会导致分离膜低效运转，而温度过高则会损坏膜材料，降低膜组的使用寿命，因此，对入膜气体温度实时监控，可以作为换热器气量调节的依据，使气体温度维持在膜组最佳工作温度。

（3）实时监测制氮纯度。实现当氮气纯度≥97%时，正常注氮；当氮气纯度＜97%时，不合格气体排空。

（4）实时监测氮气的瞬时流量及显示累计注氮流量。氮气流量是验证膜制氮设备是否为合格产品的最重要指标，对制氮流量的准确测量尤为重要。

（5）实时监测注氮压力值。制取的氮气必须具备一定的压力才能满足长距离运输的要求，一般矿井要求注氮压力≥1.0MPa。

（6）过滤装置能实现自动定时排污功能。净化过滤装置拦截的油污等杂质可以自动定时排出。

（7）设备运行的各参数，包括空压机的排气压力、排气温度，以及入膜温度、制氮压力、氮气纯度、氮气的瞬时流量和累计流量等集中于人机界面屏显示。

通过以上分析可知，设备实现自动控制需要监测的模拟量有4 个，分别是入膜温度、制氮压力、氮气流量以及氮气纯度；输入数字量至少3 个，分别为空压机联动控制、合格气体监测以及PLC 通电指示；输出数字量至少2 个，对应自动排污和注氮管路切换；另外，还需要有与空压机和人机界面屏通信的RS485串口。

2 自动控制的控制流程

从总体解决方案的控制逻辑出发明确自动控制的控制流程如图1，在设备送电后，首先要执行一次预防性的过滤装置排气动作防止设备上次停机后未排空设备气路，然后开启联控，在启动空压机后，查看人机界面是否有保养提示，观察设备各项监测数据是否正常显示，尤其是空压机各运行数据是否传输正常，留意自动排污是否定时开启，重点关注是否有温度报警提示，以及确定制氮纯度达到设定值后是否切换管路注氮。

图1 自动控制系统流程图

根据自动控制系统需要实现的监测和控制功能选定系统硬件，选用SIMATIC S7-200 SMART 系列PLC为控制核心，模拟量扩展模块选用EM AE04 型号，它具有4 路模拟量的输入接点，可以满足本控制系统所需要的4 路模拟量监测要求；信号扩展板选用SB CM01，其专门用作与空压机实现Modbus RTU 通讯的通信接口。通过控制流程的梳理完成最终的控制电路，如图2 所示。

图2 自动控制系统电路图

3 PLC 监控程序设计

（1）模拟量程序。本控制系统中，现场仪表将采集到的温度、压力、浓度、流量等输入量通过安全栅和信号隔离器处理后全部转化为4 ～20mA 的标准量程电流信号，再经过PLC 的A/D 模块将上述模拟量信号转化为PLC 可以处理的数字量，由PLC 录入在特定地址。模拟量信号的转换过程：物理量—传感器信号—标准电流信号—A/D 转换—数值显示。

现场模拟量数值输入后可以转换为方便查看的工程量数值，转换公式如下：

式中，X为模拟量当前值；mB为工程量上限值；oB为工程量下限值；nA为模拟量上限值；oA为模拟量下限值；Y为工程量当前值。

根据此模拟量输入转换公式，就可以在编程软件中编写程序。

（2）周期保养程序。根据过滤器滤芯在煤矿井下的平均使用寿命，将膜制氮装置的周期保养时间设定为3000 小时，并设置报警及复位点。

（3）空压机联动控制程序。本控制系统中空压机的联动控制和压缩气体主要参数监测，是利用主从站PLC 之间Modbus 通信实现的。STEP7-Micro/WIN SMART 编程软件集成的Siemens Modbus 库中包含专为Modbus RTU 通信设计的预组态子例程和中断例程，这使得与Modbus RTU 主站和从站设备的通信更加的简便。以Modbus 主站指令组态S7-200 SMART，使其作为Modbus RTU 主站设备运行，以空压机PLC 控制器作为从站，根据空压机厂家提供的控制点表编写控制程序。

4 控制系统的监控组态

由于本控制系统中需要监视的参数个数和控制开关量并不多，考虑到价格因素，人机界面选取入门级别即可。本次选取的工业触摸屏是威纶通人机界面TK6071iQ，它除了能完美兼容西门子S7-200 SMART 外，还具有以下优点：宽输入电压范围10.5 ～28VDC；无风扇冷却系统，无噪音；内建储存内存及万年历；面板防护等级为IP65；内置电源隔离保护；集成了USB Host 接口，不仅可通过它上传和下载程序，还可以外接键盘、鼠标等USB 外设；产品质量可靠，售后服务优越。

使用的组态软件为威纶通公司为人机界面配套开发的EasyBuilder Pro。在硬件组态完成后，为保证监测数据地址和控制点位与相应图素对应的准确性，对地址标签进行预设置，如图3 所示。在地址标签设置完成之后，只需要在监控画面中将图素与预设置地址或点位关联即可，组态完成的监控界面见图4。需要注意的是，本次研究的膜制氮装置为煤矿井下设备，需要将人机界面安装于隔爆型控制箱内部，并且由于控制箱在井下运行期间严禁带电开盖，因此，监控组态界面的主界面应直接设置为运行界面。

图3 地址标签预设置

图4 监控组态主运行界面

其中，“保养操作”与“事件登陆”分别作为主界面进入辅助界面的切换窗口按钮，执行保养后的复位操作和记录报警事件。

5 结语

本次制氮装置自动控制研究首先分析了需要监测的装置各运行参数及需要实现的具体控制需求，明确了需要监测的模拟量个数，输入、输出数字量个数，以及需要实现的通信功能。在此基础上进行了自动控制的控制流程梳理，完成了控制系统硬件的选型。在PLC 和人机界面型号确定后，依据控制系统流程完成PLC 程序设计，最后通过组态软件完成人机界面的监控组态。试验结果表明，自动控制系统控制逻辑清晰无报错，制氮装置整机运行平稳，开机运行15 分钟内产出合格纯度的稳定流量氮气。