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基于PLC的避難硐室地面壓風(fēng)供氧系統(tǒng)

作時間:2019-08-27  來源:  作者:
   

 摘要:壓風(fēng)供氧系統(tǒng)能夠?yàn)榫卤茈y人員提供充足的氧氣,維持避難硐室必要的生存條件。為保證供氧系統(tǒng)能夠連續(xù)供氧,且維持在人體適宜的壓力范圍,設(shè)計(jì)了基于PLC的避難硐室地面壓風(fēng)供氧系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過鉆孔將地面氣源輸入井下,并利用PLC自動控制技術(shù)使呼吸管道內(nèi)的空氣壓力維持在150~300Pa之間,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)供氧功能。一旦自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題,語音聲光報(bào)警器會立刻發(fā)生警告,提醒逃生人員手動打開閘閥。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),以保證避難硐室內(nèi)的人員健康。8rK壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

 
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(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,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]在對常村煤礦避難硐室供氧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,采用多級防護(hù)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(fēng)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(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),采用手動和自動兩種方式控制,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。手動控制利用閘閥實(shí)現(xiàn),自動控制利用井下壓風(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)硬件組成
 
井下壓風(fēng)控制系統(tǒng)由井下壓風(fēng)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(fēng)控制系統(tǒng)由地面壓風(fēng)監(jiān)控中心站、氣動球閥、氣罐、電磁閥和空氣壓縮機(jī)組成。
地面壓風(fēng)控制系統(tǒng)硬件
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)會對系統(tǒng)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,電磁閥切斷氣動球閥的氣源,氣動球閥處于關(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(fēng)送入氣動球閥,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(bào)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(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,該面罩不僅對呼吸器官有保護(hù)作用,而且因?yàn)槭侨嬲謱ρ劬推つw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(shí)時顯示被測點(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(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(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(jī)可實(shí)現(xiàn)自動斷電功能,具有極高的安全性。
監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成
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,對供氧系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測和控制。
壓力控制流程
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,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(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(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自動控制技術(shù)對供氧系統(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艿纼?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(shí)現(xiàn)了空氣壓力的自動調(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(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。

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