基于PLC的避難硐室地面壓風(fēng)供氧系統(tǒng)

 

引言

我國(guó)是煤炭大國(guó)，煤炭?jī)?chǔ)量占據(jù)shijie總儲(chǔ)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(fù)雜，礦難頻發(fā)，嚴(yán)重威脅人員的人身安全和guojia財(cái)產(chǎn)安全［６－９］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)生礦難時(shí)，僅有１０％的人員傷亡是由于受到火災(zāi)、爆炸、坍塌等直接傷害，９０％的人員傷亡則是由于發(fā)生災(zāi)害后，不能有效撤離危險(xiǎn)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(hù)而造成的人員傷亡［１１］。

 

韓海榮等［１２］在對(duì)常村煤礦避難硐室供氧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用多級(jí)防護(hù)體系，即采用多級(jí)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(fēng)系統(tǒng)無法根據(jù)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(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(shè)計(jì)

１．１地面壓風(fēng)供氧系統(tǒng)硬件組成

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

 

井下壓風(fēng)控制系統(tǒng)由井下壓風(fēng)監(jiān)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(gòu)成，地面壓風(fēng)控制系統(tǒng)由地面壓風(fēng)監(jiān)控中心站、氣動(dòng)球閥、氣罐、電磁閥和空氣壓縮機(jī)組成。

在地面壓風(fēng)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(duì)排放出來的空氣不進(jìn)行相應(yīng)的處理，那么在空氣中所含的雜質(zhì)會(huì)對(duì)系統(tǒng)中的元件造成很大的損傷，因此需要對(duì)其進(jìn)行凈化處理，以使排放出來的氣體達(dá)到規(guī)定要求的空氣質(zhì)量。

 

工作原理是在井下壓風(fēng)供氧系統(tǒng)運(yùn)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(nèi)的井下壓風(fēng)被切斷，１號(hào)監(jiān)控分站將輸出信號(hào)控制電磁閥切換氣路，將經(jīng)減壓器調(diào)節(jié)的地面壓風(fēng)送入氣動(dòng)球閥，球閥打開后，地面壓風(fēng)管的壓風(fēng)將進(jìn)入硐室，一路經(jīng)過呼吸面罩提供呼吸氣體，另一路為各個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力氣源。一旦自動(dòng)控制出現(xiàn)問題，語(yǔ)音聲光報(bào)警器立刻發(fā)生警告，提醒逃生人員使用閘閥手動(dòng)打開。如果無人操作則監(jiān)控分站將自動(dòng)切換到高壓氧氣瓶供氧系統(tǒng)。

 

１．２儲(chǔ)氣罐及正壓呼吸面罩

采用立式螺紋儲(chǔ)氣罐，容積１．５ｍ３，壓力１．０ＭＰａ，設(shè)計(jì)溫度為１１０℃，容器高度為２５６７ｍｍ，容器內(nèi)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(duì)呼吸器官有保護(hù)作用，而且因?yàn)槭侨�面罩�?duì)眼睛和皮膚都有保護(hù)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(dǎo)管與濾毒罐連接使用。

 

１．３過濾器選型

根據(jù)井下設(shè)備對(duì)空氣質(zhì)量的要求，所采用的壓縮空氣處理設(shè)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(qiáng)，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(fēng)供氧系統(tǒng)應(yīng)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(nèi)的壓力維持在１５０～３００Ｐａ。根據(jù)其監(jiān)測(cè)的要求，采用ＧＰＤ１０礦用壓力傳感器，它可連續(xù)監(jiān)測(cè)管道中的氣體和液體的壓力，并實(shí)時(shí)顯示被測(cè)點(diǎn)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(jī)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(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(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(jī)和顯示器。監(jiān)控分站與中心站之間通過ＲＳ４８５－２３２通訊線纜進(jìn)行通訊。監(jiān)控分站主要負(fù)責(zé)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(shí)時(shí)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)。控制器、變送器等設(shè)備采用隔離安全柵，控制器主機(jī)的模擬量輸入、開關(guān)量輸入和開關(guān)量輸出信號(hào)都是本質(zhì)安全型信號(hào)。若控制器需要安裝或者維修，一旦打開防爆蓋，控制器主機(jī)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shè)計(jì)的程序控制。將程序載入ＣＰＵ２２４ＣＮ控制器后，對(duì)供氧系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

２．１系統(tǒng)控制技術(shù)

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(dòng)控制精度差、效率低的問題，還能實(shí)現(xiàn)避難硐室壓風(fēng)管道的自動(dòng)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(shí)時(shí)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(dāng)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(shí)，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(dòng)球閥啟閉時(shí)間來決定空氣釋放量，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(tǒng)的安全性，在避難硐室內(nèi)的供氧管道上安裝了手動(dòng)閥門一

旦自動(dòng)供氧系統(tǒng)失效，硐室內(nèi)人員可以手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門進(jìn)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(fēng)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(fēng)。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(shí)時(shí)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(jìn)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(jìn)而控制電磁閥的開關(guān)頻率，從而準(zhǔn)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(shè)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(fēng)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(yuǎn)，無法及時(shí)根據(jù)井下呼吸管道環(huán)境來調(diào)節(jié)地面壓風(fēng)系統(tǒng)，因此，為了保障地面壓風(fēng)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(dòng)控制技術(shù)對(duì)供氧系統(tǒng)進(jìn)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(shù)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(shí)的呼吸順暢，實(shí)現(xiàn)了空氣壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)。由于井下環(huán)境復(fù)雜，尤其在發(fā)生災(zāi)變后，自動(dòng)控制系統(tǒng)一旦失效，避難人員還可通過手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)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。