基于PLC的避難硐室地面壓風供氧系統

 

引言

我國是煤炭大國，煤炭儲量占據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，由于煤礦地質賦存條件復雜，礦難頻發，嚴重威脅人員的人身安全和guojia財產安全［６－９］。據統計，發生礦難時，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，經研究發現，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鉆孔管道聯通，地面壓風系統無法根據井下呼吸管道環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，以保證井下避難人員的氧氣供給環境。

 

１系統組成及主要硬件設計

１．１地面壓風供氧系統硬件組成

地面壓風供氧系統屬于二級供氧措施，由井下壓風控制系統和地面壓風控制系統組成。地面壓風監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控分站通訊。井下壓風控制系統是井下壓風管總控制環節，采用手動和自動兩種方式控制，經過濾器，并聯接入井下壓風管道，通過氣體單向閥#終與井下壓風分管貫通，連接避難生存室內的呼吸面罩。手動控制利用閘閥實現，自動控制利用井下壓風監控分站和地面壓風監控中心站實現，井下壓風供氧系統和地面壓風供氧系統的硬件組成如圖１、圖２所示。

 

井下壓風控制系統由井下壓風監控分站、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成，地面壓風控制系統由地面壓風監控中心站、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中，從氣源系統產生出來的氣體里面一般含有一些顆粒、油霧，空氣質量并不好，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會對系統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定要求的空氣質量。

 

工作原理是在井下壓風供氧系統運行正常時，電磁閥切斷氣動球閥的氣源，氣動球閥處于關閉狀態，一旦硐室內的井下壓風被切斷，１號監控分站將輸出信號控制電磁閥切換氣路，將經減壓器調節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，一路經過呼吸面罩提供呼吸氣體，另一路為各個系統提供動力氣源。一旦自動控制出現問題，語音聲光報警器立刻發生警告，提醒逃生人員使用閘閥手動打開。如果無人操作則監控分站將自動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

根據井下設備對空氣質量的要求，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。所采用的地面壓風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，并實時顯示被測點的表壓值。

 

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ＲＳ４８５－２３２通訊線纜進行通訊。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ＲＳ４８５－２３２通訊線纜傳遞給中心站。中心站將數據實時顯示在顯示器上，此外還能根據氣體壓力大小來控制供氧系統�？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、開關量輸入和開關量輸出信號都是本質安全型信號。若控制器需要安裝或者維修，一旦打開防爆蓋，控制器主機可實現自動斷電功能，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，對供氧系統進行監測和控制。

２．１系統控制技術

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控制精度差、效率低的問題，還能實現避難硐室壓風管道的自動持續供氧功能，確保了硐室內逃生人員的安全。監控分站可以實時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，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的安全性，在避難硐室內的供氧管道上安裝了手動閥門一

旦自動供氧系統失效，硐室內人員可以手動調節閥門進行供氧，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

避難硐室地面壓風供氧系統通過采集硐室內供氧管道的氣體參數來控制地面氣罐壓風。監控分站采集到的氣體壓力和氧氣濃度等數據通過ＲＳ４８５－２３２通訊線纜傳遞給中心站，中心站接收到數據后實時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

地面壓風供氧系統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，無法及時根據井下呼吸管道環境來調節地面壓風系統，因此，為了保障地面壓風供氧系統能夠創造更加適宜井下避難人員生存的氧氣環境，本文提出基于ＰＬＣ自動控制技術對供氧系統進行智能調節。該系統能連續不斷為井下逃生人員供氧，通過壓力控制技術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的呼吸順暢，實現了空氣壓力的自動調節。由于井下環境復雜，尤其在發生災變后，自動控制系統一旦失效，避難人員還可通過手動調節裝置進行操作，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。