基于PLC的避難硐室地面壓風(fēng)供氧系統

 

引言

我國是煤炭大國，煤炭?jì)α空紦�shijie總儲量的１３．３％，是shijie上煤炭開(kāi)采量和煤炭出口量#多的guojia［１－５］。然而，由于煤礦地質(zhì)賦存條件復雜，礦難頻發(fā)，嚴重威脅人員的人身安全和guojia財產(chǎn)安全［６－９］。據統計，發(fā)生礦難時(shí)，僅有１０％的人員傷亡是由于受到火災、爆炸、坍塌等直接傷害，９０％的人員傷亡則是由于發(fā)生災害后，不能有效撤離危險區域，Ｏ２耗盡或吸入有毒有害氣體等造成的［１０］。為此，guojia大力支持發(fā)展煤礦井下避難硐室，為避難硐室配備完善的Ｏ２救援系統，減少由于缺少防護而造成的人員傷亡［１１］。

 

韓海榮等［１２］在對常村煤礦避難硐室供氧系統的設計中，采用多級防護體系，即采用多級供氧裝置，經(jīng)研究發(fā)現，地面鉆孔供氧系統的安全系數#高。但是，由于地面與井下避難硐室通過(guò)鉆孔管道聯(lián)通，地面壓風(fēng)系統無(wú)法根據井下呼吸管道環(huán)境變化而及時(shí)輸出空氣［１３］。因此，為了向井下安全可靠的提供新鮮空氣，本文提出建立基于ＰＬＣ自動(dòng)控制技術(shù)的地面壓風(fēng)供氧系統，以保證井下避難人員的氧氣供給環(huán)境。

 

１系統組成及主要硬件設計

１．１地面壓風(fēng)供氧系統硬件組成

地面壓風(fēng)供氧系統屬于二級供氧措施，由井下壓風(fēng)控制系統和地面壓風(fēng)控制系統組成。地面壓風(fēng)監控中心站與空氣壓縮機和電磁閥相連，并通過(guò)光纖與井下壓風(fēng)監控分站通訊。井下壓風(fēng)控制系統是井下壓風(fēng)管總控制環(huán)節，采用手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式控制，經(jīng)過(guò)濾器，并聯(lián)接入井下壓風(fēng)管道，通過(guò)氣體單向閥#終與井下壓風(fēng)分管貫通，連接避難生存室內的呼吸面罩。手動(dòng)控制利用閘閥實(shí)現，自動(dòng)控制利用井下壓風(fēng)監控分站和地面壓風(fēng)監控中心站實(shí)現，井下壓風(fēng)供氧系統和地面壓風(fēng)供氧系統的硬件組成如圖１、圖２所示。

 

井下壓風(fēng)控制系統由井下壓風(fēng)監控分站、氣動(dòng)球閥、本安電磁閥、減壓器、不銹鋼柜、管路、壓力傳感器等部件構成，地面壓風(fēng)控制系統由地面壓風(fēng)監控中心站、氣動(dòng)球閥、氣罐、電磁閥和空氣壓縮機組成。

在地面壓風(fēng)控制系統中，從氣源系統產(chǎn)生出來(lái)的氣體里面一般含有一些顆粒、油霧，空氣質(zhì)量并不好，如果對排放出來(lái)的空氣不進(jìn)行相應的處理，那么在空氣中所含的雜質(zhì)會(huì )對系統中的元件造成很大的損傷，因此需要對其進(jìn)行凈化處理，以使排放出來(lái)的氣體達到規定要求的空氣質(zhì)量。

 

工作原理是在井下壓風(fēng)供氧系統運行正常時(shí)，電磁閥切斷氣動(dòng)球閥的氣源，氣動(dòng)球閥處于關(guān)閉狀態(tài)，一旦硐室內的井下壓風(fēng)被切斷，１號監控分站將輸出信號控制電磁閥切換氣路，將經(jīng)減壓器調節的地面壓風(fēng)送入氣動(dòng)球閥，球閥打開(kāi)后，地面壓風(fēng)管的壓風(fēng)將進(jìn)入硐室，一路經(jīng)過(guò)呼吸面罩提供呼吸氣體，另一路為各個(gè)系統提供動(dòng)力氣源。一旦自動(dòng)控制出現問(wèn)題，語(yǔ)音聲光報警器立刻發(fā)生警告，提醒逃生人員使用閘閥手動(dòng)打開(kāi)。如果無(wú)人操作則監控分站將自動(dòng)切換到高壓氧氣瓶供氧系統。

 

１．２儲氣罐及正壓呼吸面罩

采用立式螺紋儲氣罐，容積１．５ｍ３，壓力１．０ＭＰａ，設計溫度為１１０℃，容器高度為２５６７ｍｍ，容器內徑為９００ｍｍ，進(jìn)氣口高度為７５２ｍｍ，出氣口高度為２１１７ｍｍ，進(jìn)出口直徑６５ｍｍ。呼吸面罩采用ＶＥＲ－Ｙ型防毒面具全面罩，該面罩不僅對呼吸器官有保護作用，而且因為是全面罩對眼睛和皮膚都有保護性。呼吸阻力不大于９８Ｐａ（３０Ｌ／ｍｉｎ）。面罩可直接與濾毒罐連接使用，或用導管與濾毒罐連接使用。

 

１．３過(guò)濾器選型

根據井下設備對空氣質(zhì)量的要求，所采用的壓縮空氣處理設備必須要比較精密的過(guò)濾器，因此選擇康塞爾的過(guò)濾器。其污染物清除能力更強，但壓降更小。壓降每增加０．１４ｋｇｆ／ｃｍ，電力輸入就要增加１％。濾芯在規定的壽命期間始終保持在低壓降水平而不被飽和。

 

１．４壓力傳感器

本文采用的呼吸面罩阻力不大于９８Ｐａ，而且《暫行規定》中提出：避難硐室內的大氣正壓力始終處于不低于１００Ｐａ的正壓狀態(tài)。所采用的地面壓風(fēng)供氧系統應配備減壓措施，以保證使用安全。因此，為了使人用呼吸面罩時(shí)呼吸順暢，呼吸管道內的壓力維持在１５０～３００Ｐａ。根據其監測的要求，采用ＧＰＤ１０礦用壓力傳感器，它可連續監測管道中的氣體和液體的壓力，并實(shí)時(shí)顯示被測點(diǎn)的表壓值。

 

１．５監控系統硬件組成

監控系統主要分為監控分站和中心站，如圖３所示。監控分站包含ＰＬＣ２２４ＣＮ、ＥＭ２３１、光端機和多種變送器。其中ＣＰＵ２２４ＣＮ為ＰＬＣ控制器，它包含集成式２４Ｖ編碼器，內置數字量輸入／輸出，包含１４個(gè)輸入和１０個(gè)輸出。該控制器可直接連接ＥＭ２３１模塊，每個(gè)ＥＭ２３１模塊可連接４路模擬量輸出的傳感器。具有ＰＩＤ控制器，１個(gè)ＲＳ４８５通信／編程口。在本系統中，ＥＭ２３１模塊與智能壓力變送器、Ｏ２變送器和ＣＯ２變送器連接。中心站主要包含工控機和顯示器。監控分站與中心站之間通過(guò)ＲＳ４８５－２３２通訊線(xiàn)纜進(jìn)行通訊。監控分站主要負責采集供氧系統內氣體壓力、Ｏ２濃度和ＣＯ２濃度等參數，然后將數據通過(guò)ＲＳ４８５－２３２通訊線(xiàn)纜傳遞給中心站。中心站將數據實(shí)時(shí)顯示在顯示器上，此外還能根據氣體壓力大小來(lái)控制供氧系統�？刂破�、變送器等設備采用隔離安全柵，控制器主機的模擬量輸入、開(kāi)關(guān)量輸入和開(kāi)關(guān)量輸出信號都是本質(zhì)安全型信號。若控制器需要安裝或者維修，一旦打開(kāi)防爆蓋，控制器主機可實(shí)現自動(dòng)斷電功能，具有極高的安全性。

2、系統控制程序

該系統利用西門(mén)子Ｓｔｅｐ７－２００編程軟件設計的程序控制。將程序載入ＣＰＵ２２４ＣＮ控制器后，對供氧系統進(jìn)行監測和控制。

２．１系統控制技術(shù)

該系統采用ＰＬＣ自帶的ＰＩＤ調節方法精que控制供氧系統管道內的Ｏ２濃度和氣體壓力。該系統控制不僅避免了手動(dòng)控制精度差、效率低的問(wèn)題，還能實(shí)現避難硐室壓風(fēng)管道的自動(dòng)持續供氧功能，確保了硐室內逃生人員的安全。監控分站可以實(shí)時(shí)監控供氧管道內的氣體壓力和Ｏ２濃度，使得管道內Ｏ２濃度維持在１８％～２３％之間，而且維持管道內氣體壓力為１５０～３００Ｐａ。當呼吸管道內Ｏ２濃度和氣體壓力不在上述規定范圍內時(shí)，井下監控分站與地面監控中心站通訊，監控中心站控制氣動(dòng)球閥啟閉時(shí)間來(lái)決定空氣釋放量，從而自動(dòng)將Ｏ２濃度維持在１８％～２３％之間，氣體壓力保持在１５０～３００Ｐａ之間。為了提高避難硐室地面壓風(fēng)供氧系統的安全性，在避難硐室內的供氧管道上安裝了手動(dòng)閥門(mén)一

旦自動(dòng)供氧系統失效，硐室內人員可以手動(dòng)調節閥門(mén)進(jìn)行供氧，確保硐室內有充足氧氣，保證避難人員的供養需求。

 

２．２系統控制程序

避難硐室地面壓風(fēng)供氧系統通過(guò)采集硐室內供氧管道的氣體參數來(lái)控制地面氣罐壓風(fēng)。監控分站采集到的氣體壓力和氧氣濃度等數據通過(guò)ＲＳ４８５－２３２通訊線(xiàn)纜傳遞給中心站，中心站接收到數據后實(shí)時(shí)判斷管道內壓力是否低于２００Ｐａ。如果氣體壓力低于２００Ｐａ，ＰＬＣ自帶的ＰＩＤ調節方法將啟用，進(jìn)入ＰＩＤ控制程序，得出電壓開(kāi)端頻率，然后通過(guò)控制ＰＬＣ輸出口Ｑ０．０的電壓開(kāi)斷頻率，進(jìn)而控制電磁閥的開(kāi)關(guān)頻率，從而準確調節地面氣罐空氣釋放量。在該程序中，將ＰＩＤ判斷參數設定為空氣壓力２００Ｐａ，#終將避難硐室內供氧管道的空氣壓力控制在１５０～３００Ｐａ的范圍之內，系統控制流程如圖４所示。

 

３結論

地面壓風(fēng)供氧系統通過(guò)鉆孔將地面新鮮空氣輸入井下避難硐室，以保證井下避難人員的氧氣供給。然而，由于地面與井下避難硐室相隔較遠，無(wú)法及時(shí)根據井下呼吸管道環(huán)境來(lái)調節地面壓風(fēng)系統，因此，為了保障地面壓風(fēng)供氧系統能夠創(chuàng )造更加適宜井下避難人員生存的氧氣環(huán)境，本文提出基于ＰＬＣ自動(dòng)控制技術(shù)對供氧系統進(jìn)行智能調節。該系統能連續不斷為井下逃生人員供氧，通過(guò)壓力控制技術(shù)及程序將呼吸管道內的空氣壓力控制在１５０～３００Ｐａ之間，保證人員在使用呼吸面罩時(shí)的呼吸順暢，實(shí)現了空氣壓力的自動(dòng)調節。由于井下環(huán)境復雜，尤其在發(fā)生災變后，自動(dòng)控制系統一旦失效，避難人員還可通過(guò)手動(dòng)調節裝置進(jìn)行操作，極大地提高了供氧系統的安全性和可靠性，保證了避難人員的生命安全。