基于PLC的避難硐室地面壓風供氧系統(tǒng)

 

引言

我國是煤炭大國，煤炭儲量占據(jù)shijie總儲量的１３．３％，是shijie上煤炭開采量和煤炭出口量#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(jù)統(tǒng)計，發(fā)生礦難時，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(qū)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(tǒng)，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(tǒng)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(xiàn)，地面鉆孔供氧系統(tǒng)的安全系數(shù)#高。但是，由于地面與井下避難硐室通過鉆孔管道聯(lián)通，地面壓風系統(tǒng)無法根據(jù)井下呼吸管道環(huán)境變化而及時輸出空氣［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自動控制技術的地面壓風供氧系統(tǒng)，以保證井下避難人員的氧氣供給環(huán)境。

 

１系統(tǒng)組成及主要硬件設計

１．１地面壓風供氧系統(tǒng)硬件組成

地面壓風供氧系統(tǒng)屬于二級供氧措施，由井下壓風控制系統(tǒng)和地面壓風控制系統(tǒng)組成。地面壓風監(jiān)控中心站與空氣壓縮機和電磁閥相連，并通過光纖與井下壓風監(jiān)控分站通訊。井下壓風控制系統(tǒng)是井下壓風管總控制環(huán)節(jié)，采用手動和自動兩種方式控制，經(jīng)過濾器，并聯(lián)接入井下壓風管道，通過氣體單向閥#終與井下壓風分管貫通，連接避難生存室內(nèi)的呼吸面罩。手動控制利用閘閥實現(xiàn)，自動控制利用井下壓風監(jiān)控分站和地面壓風監(jiān)控中心站實現(xiàn)，井下壓風供氧系統(tǒng)和地面壓風供氧系統(tǒng)的硬件組成如圖１、圖２所示。

 

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

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

 

工作原理是在井下壓風供氧系統(tǒng)運行正常時，電磁閥切斷氣動球閥的氣源，氣動球閥處于關閉狀態(tài)，一旦硐室內(nèi)的井下壓風被切斷，１號監(jiān)控分站將輸出信號控制電磁閥切換氣路，將經(jīng)減壓器調(diào)節(jié)的地面壓風送入氣動球閥，球閥打開后，地面壓風管的壓風將進入硐室，一路經(jīng)過呼吸面罩提供呼吸氣體，另一路為各個系統(tǒng)提供動力氣源。一旦自動控制出現(xiàn)問題，語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打開。如果無人操作則監(jiān)控分站將自動切換到高壓氧氣瓶供氧系統(tǒng)。

 

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(nèi)徑為９００ｍｍ，進氣口高度為７５２ｍｍ，出氣口高度為２１１７ｍｍ，進出口直徑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過濾器選型

根據(jù)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濾器，因此選擇康塞爾的過濾器。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(guī)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(guī)定》中提出：避難硐室內(nèi)的大氣正壓力始終處于不低于１００Ｐａ的正壓狀態(tài)。所采用的地面壓風供氧系統(tǒng)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呼吸順暢，呼吸管道內(nèi)的壓力維持在１５０～３００Ｐａ。根據(jù)其監(jiān)測的要求，采用ＧＰＤ１０礦用壓力傳感器，它可連續(xù)監(jiān)測管道中的氣體和液體的壓力，并實時顯示被測點的表壓值。

 

１．５監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成

監(jiān)控系統(tǒng)主要分為監(jiān)控分站和中心站，如圖３所示。監(jiān)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(nèi)置數(shù)字量輸入／輸出，包含１４個輸入和１０個輸出。該控制器可直接連接ＥＭ２３１模塊，每個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ＲＳ４８５通信／編程口。在本系統(tǒng)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(jiān)控分站與中心站之間通過ＲＳ４８５－２３２通訊線纜進行通訊。監(jiān)控分站主要負責采集供氧系統(tǒng)內(nèi)氣體壓力、Ｏ２濃度和ＣＯ２濃度等參數(shù)，然后將數(shù)據(jù)通過ＲＳ４８５－２３２通訊線纜傳遞給中心站。中心站將數(shù)據(jù)實時顯示在顯示器上，此外還能根據(jù)氣體壓力大小來控制供氧系統(tǒng)�？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、開關量輸入和開關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，一旦打開防爆蓋，控制器主機可實現(xiàn)自動斷電功能，具有極高的安全性。

2、系統(tǒng)控制程序

該系統(tǒng)利用西門子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(tǒng)進行監(jiān)測和控制。

２．１系統(tǒng)控制技術

該系統(tǒng)采用ＰＬＣ自帶的ＰＩＤ調(diào)節(jié)方法精que控制供氧系統(tǒng)管道內(nèi)的Ｏ２濃度和氣體壓力。該系統(tǒng)控制不僅避免了手動控制精度差、效率低的問題，還能實現(xiàn)避難硐室壓風管道的自動持續(xù)供氧功能，確保了硐室內(nèi)逃生人員的安全。監(jiān)控分站可以實時監(jiān)控供氧管道內(nèi)的氣體壓力和Ｏ２濃度，使得管道內(nèi)Ｏ２濃度維持在１８％～２３％之間，而且維持管道內(nèi)氣體壓力為１５０～３００Ｐａ。當呼吸管道內(nèi)Ｏ２濃度和氣體壓力不在上述規(guī)定范圍內(nèi)時，井下監(jiān)控分站與地面監(jiān)控中心站通訊，監(jiān)控中心站控制氣動球閥啟閉時間來決定空氣釋放量，從而自動將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供氧系統(tǒng)的安全性，在避難硐室內(nèi)的供氧管道上安裝了手動閥門一

旦自動供氧系統(tǒng)失效，硐室內(nèi)人員可以手動調(diào)節(jié)閥門進行供氧，確保硐室內(nèi)有充足氧氣，保證避難人員的供養(yǎng)需求。

 

２．２系統(tǒng)控制程序

避難硐室地面壓風供氧系統(tǒng)通過采集硐室內(nèi)供氧管道的氣體參數(shù)來控制地面氣罐壓風。監(jiān)控分站采集到的氣體壓力和氧氣濃度等數(shù)據(jù)通過ＲＳ４８５－２３２通訊線纜傳遞給中心站，中心站接收到數(shù)據(jù)后實時判斷管道內(nèi)壓力是否低于２００Ｐａ。如果氣體壓力低于２００Ｐａ，ＰＬＣ自帶的ＰＩＤ調(diào)節(jié)方法將啟用，進入ＰＩＤ控制程序，得出電壓開端頻率，然后通過控制ＰＬＣ輸出口Ｑ０．０的電壓開斷頻率，進而控制電磁閥的開關頻率，從而準確調(diào)節(jié)地面氣罐空氣釋放量。在該程序中，將ＰＩＤ判斷參數(shù)設定為空氣壓力２００Ｐａ，#終將避難硐室內(nèi)供氧管道的空氣壓力控制在１５０～３００Ｐａ的范圍之內(nèi)，系統(tǒng)控制流程如圖４所示。

 

３結(jié)論

地面壓風供氧系統(tǒng)通過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，無法及時根據(jù)井下呼吸管道環(huán)境來調(diào)節(jié)地面壓風系統(tǒng)，因此，為了保障地面壓風供氧系統(tǒng)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自動控制技術對供氧系統(tǒng)進行智能調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)能連續(xù)不斷為井下逃生人員供氧，通過壓力控制技術及程序?qū)⒑粑�管道�?nèi)的空氣壓力控制在１５０～３００Ｐａ之間，保證人員在使用呼吸面罩時的呼吸順暢，實現(xiàn)了空氣壓力的自動調(diào)節(jié)。由于井下環(huán)境復雜，尤其在發(fā)生災變后，自動控制系統(tǒng)一旦失效，避難人員還可通過手動調(diào)節(jié)裝置進行操作，極大地提高了供氧系統(tǒng)的安全性和可靠性，保證了避難人員的生命安全。