CN107290474A - 一种基于plc监控的煤自燃升温研究装置及方法 - Google Patents

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奚弦
吴征艳
邵昊
王凯
张卫清
李明
夏翠萍
樊德强
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Abstract

本发明公开了一种基于PLC监控的煤自燃升温研究装置及方法，装置包括煤自燃升温系统和信号采集系统，氧化升温系统包含氮气瓶、干空气瓶、稳压阀、稳流阀、流量计、温度传感器、管式炉和干燥瓶，建立煤低温氧化的平台；信号采集系统包括气体传感器、PLC控制器和上位机。本发明通过控制管式炉的升温速率，进而控制煤样的低温氧化进程，利用两个传感器监测接收煤氧化所生成的指标性气体，PLC控制器采集传感器信号并传至上位机，从而得到对应温度下的各指标气体的精确浓度。本发明的研究装置及实验方法和监控系统不仅操作简单，而且应用了高精度传感器代替气相色谱仪来降低了成本。

Description

一种基于PLC监控的煤自燃升温研究装置及方法
技术领域
本发明涉及一种煤自燃程序升温研究装置及方法。
背景技术
我国拥有丰富的煤炭资源，而且是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一，煤炭是我国的最大能源消耗品。但是，随着我国煤炭需求量的增加，煤矿事故频频发生，特别是由于煤炭自燃引起的内因火灾，不仅会烧毁大量的煤炭资源、材料和生产设备，同时会产生大量的有毒有害气体，严重危及井下人员的生命安全，影响了我国煤炭行业的发展。然而，通常在火灾发生的过程中，所产生的有毒有害气体往往是导致井下人员窒息死亡的关键。因此，针对煤自然氧化产生的有毒有害气体，我们需要采取适当的措施进行监测监控，才能进一步保障工人们的生命安全，促进我国经济的不断发展。
长久以来，煤氧化升温产生的标志性气体浓度变化一直都广受众多学者的关注，很多学者对煤的低温氧化过程进行了相应的研究，最常用的研究方法是利用气相色谱仪，根据色谱柱原理来监测煤样程序升温过程中所产生的气体浓度变化状况。这种仪器作为监测手段具有直接准确，误报率低，灵敏度好等优点，但是由于造价昂贵，并且受煤矿开采状况和地质条件的影响，应用到指标气体实际性监测中去有很大的难度。
因此，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何创新的提出一种系统或方法，能够准确的判断煤低温氧化进程中所产生的标志性气体的浓度，同时确保精度高、灵敏度高、误报率低、经济可行。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足，提供一种基于PLC监控的煤自燃升温研究装置及方法，便于研究煤低温氧化进程中所产生的标志性气体的浓度，灵敏度高，使用效果好。
技术方案：一种基于PLC监控的煤自燃升温研究装置，包括煤自燃氧化升温系统和信号采集系统；所述煤自燃氧化升温系统包含干空气源、氮气源、稳压阀、稳流阀、流量计、温度传感器、反应室、管式炉、干燥瓶和排气口；所述信号采集系统包括CO传感器、CO2传感器、PLC控制器和采集数据的上位机；所述空气源和氮气源分别通过第一管路连接到反应室的气源入口，所述稳压阀、稳流阀、流量计设置在所述第一管路上，所述反应室的气源出口通过第二管路连接到集气瓶，所述CO传感器和CO2传感器设置在所述集气瓶中，所述干燥瓶设置在第一管路上，所述排气口设置在所述集气瓶上，所述温度传感器设置在所述管式炉中，CO传感器和CO2传感器的信号输出通过所述PLC控制器，所述PLC控制器连接所述采集数据的上位机。
进一步的，所述流量计为lzb-2玻璃转子流量计。
进一步的，所述CO2传感器为安费洛T661型二氧化碳传感器；所述CO传感器为DDS一氧化碳传感器。
基于PLC监控的煤自燃升温研究装置的方法，包括如下步骤：
步骤1，取煤样3～10g放置于管式炉中的反应室内；
步骤2，开启氮气源，向装置充入氮气，用流量计控制充入流量，使其保持在20ml/min，充入时长为1小时，充入的氮气从集气瓶的排气口排出；
步骤3，控制管式炉开始预热，然后打开信号采集系统，实时采集数据；
步骤4，开启干空气源，向装置通入干空气，用流量计控制其流量，使其通入速率维持在10ml/min，为煤样的低温氧化提供相应的氧气；
步骤5，设置管式炉升温速率为1℃/min，并设置升温范围为30～250℃，开始为反应室中的煤样加热；
步骤6，当管式炉升温至250℃时，关闭管式炉及干空气源，同时打开氮气源，控制通入氮气流量为50ml/min，等待管式炉冷却；
步骤7，当管式炉温度降至30℃时，关闭信号采集系统，关闭氮气源。
有益效果：本发明通过温度控制和气体浓度传感器，将煤低温氧化过程的各类待测参数信号变为电信号，通过PLC控制器对信号进行处理发送，监控中心的上位机将PLC控制器所采集的数据进行处理，进而实现对煤低温氧化指标性气体的浓度的监控。该研究装置与现有技术相比结构简单，造价低，传感器分辨率高，测量数据精确，通信方式简单，可靠性高，能提供更加全面准确的温度、流量和标志性气体的参数值，使得对煤氧化升温过程中所产生的指标性气体浓度监测更加准确。
附图说明
图1是本发明的研究装置结构示意图；
图2是本发明研究装置的原理示意图；
图中：1、干空气源；2、氮气源；3、稳压阀；4、稳流阀；5、气体流量计；6、温度传感器；7、反应室；8、管式炉；9、干燥瓶；10、CO传感器；11、CO2传感器；12、排气口；13、PLC控制器；14、上位机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种基于PLC监控的煤自燃升温研究装置，包括煤自燃氧化升温系统和信号采集系统，煤自燃氧化升温系统包含干空气源1、氮气源2、稳压阀3、稳流阀4、流量计5、温度传感器6、反应室7、管式炉8和干燥瓶9。信号采集系统包括CO传感器10、CO2传感器11、PLC控制器13和采集数据的上位机14。空气源1和氮气源2分别通过第一管路连接到反应室7的气源入口，稳压阀3、稳流阀4、流量计5设置在第一管路上，温度传感器6设置在管式炉8中；反应室7的气源出口通过第二管路连接到集气瓶，干燥瓶9设置在第一管路上；CO传感器10和CO2传感器11设置在集气瓶中，集气瓶上设有排气口12，CO传感器10和CO2传感器11的信号输出通过PLC控制器13，PLC控制器13连接采集数据的上位机14。
其中，干空气源1是一容积为40L的金属圆柱形钢瓶，开口密封；氮气源2为容积为40L的金属圆柱形氮气瓶，内部为纯度是99.999％的高纯氮，开口密封；稳压阀3为SBW型稳压阀；流量计5为lzb-2玻璃转子流量计；温度传感器6为Pt100铂热电阻传感器；CO传感器10为英国DDS一氧化碳传感器；CO2传感器11为安费洛T661型二氧化碳传感器；PLC控制器13采用西门子S7-200CPU处理器。
通过控制管式炉的升温速率，控制煤的低温氧化进程，利用两个传感器监测接收煤低温氧化所生成的指标性气体，将其参数信号变为电信号，通过PLC控制器将传感器输出的电信号转换成模拟量信号，进而求得气体浓度值的物理量信号，最终将生成气体的浓度传至上位机。
上述基于PLC监控的煤自燃升温研究装置的方法如图2所示，首先检查各管路的气密性，同时测试各仪器是否能正常使用，保证操作能够正常进行，然后进行如下步骤：
步骤1，取煤样3～10g放置于管式炉中的反应室7内；
步骤2，开启氮气源2，向装置充入氮气，用流量计5控制充入流量，使其保持在20ml/min，充入时长为1小时，用于从集气瓶的拍排气口12排出装置及煤样中的空气；
步骤3，控制管式炉8开始预热，然后打开信号采集系统，实时采集数据；
步骤4，开启干空气源1，向装置通入干空气，用流量计5控制其流量，使其通入速率维持在10ml/min，为煤样的低温氧化提供相应的氧气；
步骤5，设置管式炉8升温速率为1℃/min，并设置升温范围为30～250℃，开始为反应室7中的煤样加热；
步骤6，当管式炉8升温至250℃时，关闭管式炉8及干空气源1，同时打开氮气源2，控制通入氮气流量为50ml/min，等待管式炉8冷却；
步骤7，当管式炉8温度降至30℃时，关闭信号采集系统，关闭氮气源2。
本发明基于PLC监控的煤自燃升温研究装置及方法是通过为煤样提供充足的氧气，然后通过控制管式炉内的温度升高来控制煤样的温升速率，利用CO传感器和CO2传感器，将生成气体的信号参数传给PLC监控分站，进行信号处理后传给上位机主机，这样就能得到在不同的温度条件下煤低温氧化生成指标性气体的不同浓度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于PLC监控的煤自燃升温研究装置，其特征在于：包括煤自燃氧化升温系统和信号采集系统；所述煤自燃氧化升温系统包含干空气源(1)、氮气源(2)、稳压阀(3)、稳流阀(4)、流量计(5)、温度传感器(6)、反应室(7)、管式炉(8)、干燥瓶(9)；所述信号采集系统包括CO传感器(10)、CO2传感器(11)、PLC控制器(13)和采集数据的上位机(14)；所述空气源(1)和氮气源(2)分别通过第一管路连接到反应室(7)的气源入口，所述稳压阀(3)、稳流阀(4)、流量计(5)设置在所述第一管路上，所述反应室(7)的气源出口通过第二管路连接到集气瓶，所述CO传感器(10)和CO2传感器(11)设置在所述集气瓶中，所述干燥瓶(9)设置在第一管路上，所述排气口(12)设置在所述集气瓶上，所述温度传感器(6)设置在所述管式炉(8)中，CO传感器(10)和CO2传感器(11)的信号输出通过所述PLC控制器(13)，所述PLC控制器(13)连接所述采集数据的上位机(14)。
2.根据权利要求1所述的基于PLC监控的煤自燃升温研究装置，其特征在于：所述流量计(5)为lzb-2玻璃转子流量计。
3.根据权利要求1所述的基于PLC监控的煤自燃升温研究装置，其特征在于：所述CO2传感器(11)为安费洛T661型二氧化碳传感器；所述CO传感器(10)为DDS一氧化碳传感器。
4.根据权利要求1所述基于PLC监控的煤自燃升温研究装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，取煤样3～10g放置于管式炉中的反应室(7)内；
步骤2，开启氮气源(2)，向装置充入氮气，用流量计(5)控制充入流量，使其保持在20ml/min，充入时长为1小时；
步骤3，控制管式炉(8)开始预热，然后打开信号采集系统，实时采集数据；
步骤4，开启干空气源(1)，向装置通入干空气，用流量计(5)控制其流量，使其通入速率维持在10ml/min，为煤样的低温氧化提供相应的氧气；
步骤5，设置管式炉(8)升温速率为1℃/min，并设置升温范围为30～250℃，开始为反应室(7)中的煤样加热；
步骤6，当管式炉(8)升温至250℃时，关闭管式炉(8)及干空气源(1)，同时打开氮气源(2)，控制通入氮气流量为50ml/min，等待管式炉(8)冷却；
步骤7，当管式炉(8)温度降至30℃时，关闭信号采集系统，关闭氮气源(2)。
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