基于PLC的煤样瓦斯解吸指标测定系统设计

孙涛胜,乔敏杰

(1.铁峰煤业有限公司 南阳坡煤矿, 山西 朔州 037200;2.铁峰煤业有限公司 增子坊煤矿, 山西 朔州 037200)

钻屑量是我国煤矿瓦斯异常涌出预测中采用的重要预测指标。煤钻屑层的瓦斯解吸量主要与煤体自身特性与所处环境相关,不同区域的煤层,在不同平衡压力下,单位重量的煤钻屑所能解吸出的瓦斯量不同[1]. 为了分析煤层样品的瓦斯解吸量,目前国内常用的仪器有MD-2型钻屑瓦斯解吸仪、WTC瓦斯突出检测仪[2-3]等。这些仪器的特点是功能强、体积小、操作简单、重量轻、性能可靠、防潮防尘性能好,同时具有便携的优点。但是不能实现自动化控制,智能化程度低[4],需要人工全程干预,导致测量数据偏差较大。为了解决煤层样品分析的不准确性问题,同时提高测定过程的自动化、智能化,设计基于PLC的煤样瓦斯解吸指标测定系统。

1 测定原理

基于PLC的煤样瓦斯解吸指标测定系统从煤样解吸瓦斯指标的本质出发,通过设定系统参数,可以对各个时间段内的瓦斯解吸量进行测定,对于指导生产和煤层性能研究均有重要意义。

根据MD-2型钻屑瓦斯解吸指标Δh2与K1的定义,使用符号W0-1表示第1分钟内瓦斯解吸量与损失量之和,角标0-1为第0分钟开始到第1分钟结束,见式(1):

(1)

式中:Qt为t分钟内解吸仪测定的解吸量;Q0为瓦斯损失量;t为计时时间,此处取1.

使用符号W0-2表示单位质量煤样解吸开始的2分钟内瓦斯析出量,W0-2与Δh2的关系见式(2):

W0-2=μΔh2

(2)

式中:μ为解吸仪结构常数,取值0.082 1 mL/mm.

由此可以看出,W0-1与W0-2是在不同时间段内瓦斯析出量,其本质相同。基于对W0-1与W0-2的本质含义分析,并将其应用在PLC煤样瓦斯解吸指标测定系统中,使得该系统可以对任意时间段的解吸量进行测定,即Wt0-t1,不仅可以完成对Δh2与K1的测定,而且可以将测定时间段扩大至任何范围。

煤钻屑瓦斯解吸测定系统使用甲烷气体作为气源,通过气体增压稳压系统模拟出井下深层煤样所处的高压环境,利用煤样对于甲烷气体的吸附、解吸特点,精确控制煤样在不同压力下吸附甲烷气体。气体吸附完成后,将煤样暴露在常压下进行解吸,同时系统自动测定相关参数,见图1.

图1 煤钻屑瓦斯解吸测定基本原理图

2 测定系统设计

为了提高测定系统的准确性与高效性,同时方便系统设计,核心控制部件采用西门子PLC可编程控制器,该控制器在工控领域应用广泛,技术成熟,编程界面友好,可以很好完成该测定系统的逻辑性与顺序性控制[5]. 同时便于人工对整体测定流程的观测与控制,系统中采用可触摸控制屏作为终端设备。

2.1 测定系统整体控制

测定系统从功能模块上分为真空控制系统、增压稳压控制系统和测量控制系统,见图2.

1—真空泵;2—真空气路电磁阀;3—煤样罐;4—湿度传感器;5—温度传感器;6—解吸阀;7—气袋;8—压力传感器;9—测压气路电磁阀;10—增压气路电磁阀;11—甲烷气体增压稳压系统;12—气源路电磁阀;13—甲烷气源;14—排气路电磁阀图2 整体设计图

2.1.1 真空控制系统

真空控制系统包括真空泵、真空气路电磁阀;真空泵选用“藤原无油真空泵”二级1550 D真空泵机头,进气口配有过滤器,其流量为158 L/min,可以实现连续抽真空的功能,同时真空气路电磁阀可以根据测定流程的需要,开启、关闭抽真空气路。真空泵的电路通断控制信号是由PLC控制器发出的,当煤样罐等各气路中达到设定条件时,关闭真空泵电源,相反,则接通电源,使真空泵持续工作。

2.1.2 增压稳压控制系统

增压稳压控制系统主要包括增压气路电磁阀、甲烷气体增压稳压系统、气源路电磁阀、甲烷气源。气体增压稳压系统核心部件为气体增压泵ZY-25-2,最大增压比为15∶1,最大输出压力为12 MPa,气体进出口均配有高压压力表,调节比例阀或进气阀上部的旋钮,顺时针旋转为增大压力,逆时针旋转为减小压力,增压泵开始工作,增压到设定压力后自动停止。气体增压稳压系统的气体与压力,通过增压气路电磁阀,传导至煤样罐中,保证煤样罐中的气体压力稳定在设定值。

2.1.3 测量控制系统

测量控制系统主要包括煤样罐、湿度传感器、温度传感器、解吸阀、气袋、压力传感器、测压气路电磁阀。其中压力传感器量程选用-0.1～10 MPa,精度为0.1%FS,既满足抽真空时真空度的测量,同时满足煤样罐内高压吸附甲烷时压力测量的需要。气袋用于收集煤样罐内煤样解吸出的瓦斯气体,测定系统结束后,可在常温常压下测量其体积,用于校正系统测定的数值。

首先测定系统需要对煤样罐内的煤样脱气处理,此时仅打开真空气路电磁阀与测量气路电磁阀,其余电磁阀全部关闭。真空泵先对煤样罐连续抽气,使真空度迅速下降至P真空度0,而后真空泵停止工作。通过压力传感器实时测量煤样罐内的真空度,每间隔60 s,记录一次真空度压强P真空度1和P真空度2,并且设定真空度阈值ω,当满足式(3)时,说明煤样脱气不完全,开启真空泵抽气至P真空度0,循环上述过程进行脱气;当满足式(4)时,说明脱气完成。

P真空度2-P真空度1≥ω

(3)

P真空度2-P真空度1<ω

(4)

煤样罐内的煤样脱气完成后,关闭真空泵与真空气路电磁阀,打开增压气路电磁阀、甲烷气体增压稳压系统、气源路电磁阀,对煤样罐内增注甲烷气体,根据设定的压力数值实施增压保压,让煤样充分吸附甲烷气体。甲烷气体吸附完成后,打开排气路电磁阀,放掉煤样罐内多余甲烷气体后关闭电磁阀。同时测定系统开始计时,打开解吸阀,煤样中吸附的甲烷气体自然释放到气袋中。气袋材质选用高弹性橡胶,气袋内气体膨胀对于煤样罐内的压力影响较小。在系统测定完毕后,气袋内的气体可用于二次测量,校正甲烷解吸量。

2.2 PLC控制原理

测定系统的CPU采用西门子PLC1200可编程控制器,该控制器方便扩展Modbus模块,Modbus通信协议用于各种传感器信号采集,采集效率高、数据稳定可靠[6]. 测定系统中PLC1200通过CM1241模块与Modbus扩展模块连接压力传感器、温度传感器、湿度传感器等支持Modbus协议的传感器,各个传感器之间通过轮询的方式,依次将采集的数据传递至PLC中,PLC将采集的数据与设定值进行运算后,根据测定流程,控制各气路电磁阀的通断。PLC与电磁阀之间通过继电器驱动模块通信控制。HMI触摸屏的通信是通过以太网与PLC连接,人工可以通过触摸控制屏幕设置实验参数、控制实验进度、监视传感器参数等。PLC控制原理见图3.

图3 PLC控制原理图

2.2.1 模拟量信号转485-Modbus

传感器的模拟量信号一般分为电压模拟量信号和电流模拟量信号两种,模拟量信号与RS-485数字量信号的转换原理见图4,在一个模拟量采集模块中,可以同时采集多个同种类的模拟量信号,信号经过A/D转换器和微处理器转换成数字量信号经RS-485串口发送。该实验室测定系统采用的就是Modbus RTU通讯类型,串口类型为RS-485. 一个主机可以分接32个从机,为测定系统的改造升级、扩展传感器提供支持。

图4 模拟量信号转RS-485电路框图

2.2.2 数据存储系统

PLC1200的存储系统由装载存储器、工作存储器和系统存储器组成。其中装载存储器主要用于保存逻辑块、数据块和系统数据。PLC工作时,将装载存储器中的可执行部分数据复制到工作存储器中。工作储存器集成在CPU中的高速存取ARM存储器,用于存储CPU运行时用户程序和数据。系统存储器是PLC为用户提供的存储组件,用于存储用户的操作数据,如过程映像输入输出区、标识位存储区、数据块存储区、本地数据区等。

测定系统运行过程中,在PLC整体运行一个周期内,各个传感器会采集一遍当前数据,数据中加入数据名称、当前系统时间,组成固定格式的数据组,暂时存储在PLC中的数据块存储区,数据块存储区须及时发送给上位机软件或触摸控制屏,由软件程序将数据保存在存储硬件中。

2.2.3 继电器驱动模块

继电器在PLC的自动化控制中起到重要作用。继电器驱动模块主要用于控制各气路电磁阀的开关,进而实现气路的通断。测定系统中电磁阀使用高压防爆电磁阀,耐压为16 MPa,控制电压为12-24 VDC,开启、关闭动作发生时电流较大,所以使用继电器驱动。控制流程为PLC控制器发出开启、关闭信号,信号经过继电器驱动模块,驱动继电器的开、关,进而实现电磁阀动作。

驱动继电器开关的电路见图5,电路采用5 V光耦隔离元器件,光耦以光信号为媒介,实现电信号的耦合与传递,输入输出完全隔离,实现高压和低压的电气隔离,以达到抗干扰的目的。继电器采用“SONGLE SRD-24VDC-SL-C”,线圈功率小,触点接触稳定,动、静触点端负载电压、电流可选范围广。

图5 光耦驱动继电器原理图

2.3 操作控制系统

采用TIA Portal V14作为人机交互界面开发,将西门子PLC与SIMATIC HMI精简系列面板连接通信,作为操作控制系统,并在TIA Portal V14上设计可视化操作界面,见图6.

图6 人机交互界面图

3 测定流程

3.1 气密性检测

为了保证测定系统处于完全密封状态,每次实验前需要对系统的气密性进行检测。检测流程见图7.

图7 气密性检测流程图

人工通过HMI触摸控制屏设置阈值i,并发送气密性检测开始命令,测定系统设备进行初始化,关闭所有电磁阀,而后打开测压气路电磁阀、真空气路电磁阀,真空泵开始抽真空。一般30 s后设备中的真空度达到最大,而后关闭真空泵,等待2 s压力传感器数值稳定后,读取此时煤样罐中的压强值P1,间隔Tc时间后再次读取压力传感器中的数值P2,当满足式(5)时,说明气密性良好;当满足式(6)时,说明气密性不合格,须重新检修设备后再次进行气密性检测。

P2-P1

(5)

P2-P1≥i

(6)

3.2 整体测定流程

根据测定指标Δh2和K1的定义,制定测定流程见图8. 在气密性良好的前提下,首先对煤样罐内抽真空,并且在真空状态下保持24 h以上,使煤样罐内的煤样充分脱气。脱气完成后,根据设定的压力值与吸附时间值,给煤样加压,使其在固定压力环境下吸附甲烷,而后开始解吸指标的测定。因W0-1与W0-2测定流程不同,所以根据人工指令每次单独对一个指标开始测定实验。

图8 测定流程图

3.3 数据分析

根据理想气体状态方程PV=nRT计算出瓦斯解吸量,该方程的运用在满足如下条件使用:煤样罐与测定系统中气体管路体积固定;整体实验室过程中,测定系统内的温度恒定;测定系统内压强的变化仅由解吸出的瓦斯气体的物质的量n决定。所以将理想气体状态方程推导变形后得出下式:

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

(7)

式中:P1为第t1分钟结束时压力传感器测量的数值,Pa;P0为第t0分钟结束时压力传感器测量的数值,Pa;Vm为测定系统煤样罐及其管路体积,m3;R为摩尔气体常数,J/(mol·K),取8.31;T为温度,K;n1与n0分别为第t1分钟结束时与t0分钟结束时煤样罐中甲烷气体的物质的量,mol.

测定指标Wt0-t1为常温差压下,单位质量煤样释放出来瓦斯体积,所以将理想气体状态方程在常温常压环境中应用得出式(8):

(8)

式中:Pc为标准状况下大气压,kPa,取值1.01;

由式(7)和式(8)得到式(9):

(9)

4 系统测试

4.1 煤样解吸研究

取实验室34#煤样,使用3 mm的样品筛,筛出10 g煤样,将煤样放入煤样罐内,保压时长与增压值按照表1设定,根据测定流程图,开始对W0-2进行测定。

表1 参数预设表

选取MD-2型钻屑瓦斯解吸仪测定的瓦斯释放量作为比对。将10 g的34#实验室煤样放入吸附装置中,充入甲烷气体保压3 MPa,24 h后取出,放入煤样瓶中,测定10组数据。测定结果见表2.

表2 试验数据表

根据表2数据绘制对比图,见图9.

图9 瓦斯释放量对比图

4.2 试验结果分析

1) MD-2型钻屑瓦斯解吸仪测得的瓦斯释放量低于PLC测定系统测得的瓦斯释放量,主要是因为前者在实验过程中取样、装瓶、计时等操作均由实验人员手动完成,将煤样暴露在空气中,会损失一定量瓦斯气体,计时的准确性也会对最终结果造成一定影响。PLC测定系统在控制器的控制下,精准自动控制,最大程度地减少了瓦斯气体外泄,使得测试数据更加准确。

2) MD-2型钻屑瓦斯解吸仪测得的10组数据的平均值为0.220 mL,PLC测定系统测得的10组数据的平均值为0.229 mL,相对误差为4.1%.

3) PLC测定系统测得的数据较平稳,这是因为PLC测定系统严格按照操作员设定的参数进行实验,全程自动完成,排除了人为的干扰因素,使得10组数据波动不大,更加准确地反映出34#煤样对瓦斯的吸附、解吸能力。

5 结 论

为实现煤样瓦斯解吸指标的自动化测定,设计了一套基于西门子PLC的控制系统,该系统实现了自动化测定流程和智能数据分析。其优势在于实验参数自由设定(如吸附压力、吸附时长、解吸时段和解吸量等)、操作简单、自动化程度高(自动获取解吸数据,自动分析与计算解吸量),实现了煤样瓦斯的吸附、解吸功能,并对解吸参数进行准确测定。同采用MD-2型钻屑瓦斯解吸仪的测试数据对比,相对误差仅为4.1%.

基于PLC的煤样瓦斯解吸指标测定系统从原理上可以测定任何时间段、任何时长的瓦斯解吸量,数据稳定可靠,可以将煤样瓦斯解吸测定时间段扩大至任何范围,更加全面地分析煤样的解吸性能,更便于实验室操作人员对不同煤样瓦斯解吸能力的研究。