基于PLC的避难硐室地面压风供氧系统

 

引言

我国是煤炭大国，煤炭储量占据shijie总储量的１３．３％，是shijie上煤炭开采量和煤炭出口量#多的guojia［１－５］。然而，由于煤矿地质赋存条件复杂，矿难频发，严重威胁人员的人身安全和guojia财产安全［６－９］。据统计，发生矿难时，仅有１０％的人员伤亡是由于受到火灾、爆炸、坍塌等直接伤害，９０％的人员伤亡则是由于发生灾害后，不能有效撤离危险区域，Ｏ２耗尽或吸入有毒有害气体等造成的［１０］。为此，guojia大力支持发展煤矿井下避难硐室，为避难硐室配备完善的Ｏ２救援系统，减少由于缺少防护而造成的人员伤亡［１１］。

 

韩海荣等［１２］在对常村煤矿避难硐室供氧系统的设计中，采用多级防护体系，即采用多级供氧装置，经研究发现，地面钻孔供氧系统的安全系数#高。但是，由于地面与井下避难硐室通过钻孔管道联通，地面压风系统无法根据井下呼吸管道环境变化而及时输出空气［１３］。因此，为了向井下安全可靠的提供新鲜空气，本文提出建立基于ＰＬＣ自动控制技术的地面压风供氧系统，以保证井下避难人员的氧气供给环境。

 

１系统组成及主要硬件设计

１．１地面压风供氧系统硬件组成

地面压风供氧系统属于二级供氧措施，由井下压风控制系统和地面压风控制系统组成。地面压风监控中心站与空气压缩机和电磁阀相连，并通过光纤与井下压风监控分站通讯。井下压风控制系统是井下压风管总控制环节，采用手动和自动两种方式控制，经过滤器，并联接入井下压风管道，通过气体单向阀#终与井下压风分管贯通，连接避难生存室内的呼吸面罩。手动控制利用闸阀实现，自动控制利用井下压风监控分站和地面压风监控中心站实现，井下压风供氧系统和地面压风供氧系统的硬件组成如图１、图２所示。

 

井下压风控制系统由井下压风监控分站、气动球阀、本安电磁阀、减压器、不锈钢柜、管路、压力传感器等部件构成，地面压风控制系统由地面压风监控中心站、气动球阀、气罐、电磁阀和空气压缩机组成。

在地面压风控制系统中，从气源系统产生出来的气体里面一般含有一些颗粒、油雾，空气质量并不好，如果对排放出来的空气不进行相应的处理，那么在空气中所含的杂质会对系统中的元件造成很大的损伤，因此需要对其进行净化处理，以使排放出来的气体达到规定要求的空气质量。

 

工作原理是在井下压风供氧系统运行正常时，电磁阀切断气动球阀的气源，气动球阀处于关闭状态，一旦硐室内的井下压风被切断，１号监控分站将输出信号控制电磁阀切换气路，将经减压器调节的地面压风送入气动球阀，球阀打开后，地面压风管的压风将进入硐室，一路经过呼吸面罩提供呼吸气体，另一路为各个系统提供动力气源。一旦自动控制出现问题，语音声光报警器立刻发生警告，提醒逃生人员使用闸阀手动打开。如果无人操作则监控分站将自动切换到高压氧气瓶供氧系统。

 

１．２储气罐及正压呼吸面罩

采用立式螺纹储气罐，容积１．５ｍ３，压力１．０ＭＰａ，设计温度为１１０℃，容器高度为２５６７ｍｍ，容器内径为９００ｍｍ，进气口高度为７５２ｍｍ，出气口高度为２１１７ｍｍ，进出口直径６５ｍｍ。呼吸面罩采用ＶＥＲ－Ｙ型防毒面具全面罩，该面罩不仅对呼吸器官有保护作用，而且因为是全面罩对眼睛和皮肤都有保护性。呼吸阻力不大于９８Ｐａ（３０Ｌ／ｍｉｎ）。面罩可直接与滤毒罐连接使用，或用导管与滤毒罐连接使用。

 

１．３过滤器选型

根据井下设备对空气质量的要求，所采用的压缩空气处理设备必须要比较精密的过滤器，因此选择康塞尔的过滤器。其污染物清除能力更强，但压降更小。压降每增加０．１４ｋｇｆ／ｃｍ，电力输入就要增加１％。滤芯在规定的寿命期间始终保持在低压降水平而不被饱和。

 

１．４压力传感器

本文采用的呼吸面罩阻力不大于９８Ｐａ，而且《暂行规定》中提出：避难硐室内的大气正压力始终处于不低于１００Ｐａ的正压状态。所采用的地面压风供氧系统应配备减压措施，以保证使用安全。因此，为了使人用呼吸面罩时呼吸顺畅，呼吸管道内的压力维持在１５０～３００Ｐａ。根据其监测的要求，采用ＧＰＤ１０矿用压力传感器，它可连续监测管道中的气体和液体的压力，并实时显示被测点的表压值。

 

１．５监控系统硬件组成

监控系统主要分为监控分站和中心站，如图３所示。监控分站包含ＰＬＣ２２４ＣＮ、ＥＭ２３１、光端机和多种变送器。其中ＣＰＵ２２４ＣＮ为ＰＬＣ控制器，它包含集成式２４Ｖ编码器，内置数字量输入／输出，包含１４个输入和１０个输出。该控制器可直接连接ＥＭ２３１模块，每个ＥＭ２３１模块可连接４路模拟量输出的传感器。具有ＰＩＤ控制器，１个ＲＳ４８５通信／编程口。在本系统中，ＥＭ２３１模块与智能压力变送器、Ｏ２变送器和ＣＯ２变送器连接。中心站主要包含工控机和显示器。监控分站与中心站之间通过ＲＳ４８５－２３２通讯线缆进行通讯。监控分站主要负责采集供氧系统内气体压力、Ｏ２浓度和ＣＯ２浓度等参数，然后将数据通过ＲＳ４８５－２３２通讯线缆传递给中心站。中心站将数据实时显示在显示器上，此外还能根据气体压力大小来控制供氧系统。控制器、变送器等设备采用隔离安全栅，控制器主机的模拟量输入、开关量输入和开关量输出信号都是本质安全型信号。若控制器需要安装或者维修，一旦打开防爆盖，控制器主机可实现自动断电功能，具有极高的安全性。

2、系统控制程序

该系统利用西门子Ｓｔｅｐ７－２００编程软件设计的程序控制。将程序载入ＣＰＵ２２４ＣＮ控制器后，对供氧系统进行监测和控制。

２．１系统控制技术

该系统采用ＰＬＣ自带的ＰＩＤ调节方法精que控制供氧系统管道内的Ｏ２浓度和气体压力。该系统控制不仅避免了手动控制精度差、效率低的问题，还能实现避难硐室压风管道的自动持续供氧功能，确保了硐室内逃生人员的安全。监控分站可以实时监控供氧管道内的气体压力和Ｏ２浓度，使得管道内Ｏ２浓度维持在１８％～２３％之间，而且维持管道内气体压力为１５０～３００Ｐａ。当呼吸管道内Ｏ２浓度和气体压力不在上述规定范围内时，井下监控分站与地面监控中心站通讯，监控中心站控制气动球阀启闭时间来决定空气释放量，从而自动将Ｏ２浓度维持在１８％～２３％之间，气体压力保持在１５０～３００Ｐａ之间。为了提高避难硐室地面压风供氧系统的安全性，在避难硐室内的供氧管道上安装了手动阀门一

旦自动供氧系统失效，硐室内人员可以手动调节阀门进行供氧，确保硐室内有充足氧气，保证避难人员的供养需求。

 

２．２系统控制程序

避难硐室地面压风供氧系统通过采集硐室内供氧管道的气体参数来控制地面气罐压风。监控分站采集到的气体压力和氧气浓度等数据通过ＲＳ４８５－２３２通讯线缆传递给中心站，中心站接收到数据后实时判断管道内压力是否低于２００Ｐａ。如果气体压力低于２００Ｐａ，ＰＬＣ自带的ＰＩＤ调节方法将启用，进入ＰＩＤ控制程序，得出电压开端频率，然后通过控制ＰＬＣ输出口Ｑ０．０的电压开断频率，进而控制电磁阀的开关频率，从而准确调节地面气罐空气释放量。在该程序中，将ＰＩＤ判断参数设定为空气压力２００Ｐａ，#终将避难硐室内供氧管道的空气压力控制在１５０～３００Ｐａ的范围之内，系统控制流程如图４所示。

 

３结论

地面压风供氧系统通过钻孔将地面新鲜空气输入井下避难硐室，以保证井下避难人员的氧气供给。然而，由于地面与井下避难硐室相隔较远，无法及时根据井下呼吸管道环境来调节地面压风系统，因此，为了保障地面压风供氧系统能够创造更加适宜井下避难人员生存的氧气环境，本文提出基于ＰＬＣ自动控制技术对供氧系统进行智能调节。该系统能连续不断为井下逃生人员供氧，通过压力控制技术及程序将呼吸管道内的空气压力控制在１５０～３００Ｐａ之间，保证人员在使用呼吸面罩时的呼吸顺畅，实现了空气压力的自动调节。由于井下环境复杂，尤其在发生灾变后，自动控制系统一旦失效，避难人员还可通过手动调节装置进行操作，极大地提高了供氧系统的安全性和可靠性，保证了避难人员的生命安全。