劉云飛

（中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司 遼寧省撫順市 113122）

現(xiàn)如今，對于當(dāng)前避難硐室內(nèi)供氧系統(tǒng)絕大多數(shù)應(yīng)用多級防護(hù)系統(tǒng)，各層級供氧系統(tǒng)互相獨(dú)立，然而系統(tǒng)相互間不可自動變換，且不可源源不斷的穩(wěn)定供氧等現(xiàn)象，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種根據(jù)PLC 與PID 控制技術(shù)的避難硐室自動供氧系統(tǒng)。此系統(tǒng)經(jīng)過環(huán)形光纖系統(tǒng)把多層級供氧系統(tǒng)與避難硐室環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合為一個整體，根據(jù)及時檢測的環(huán)境數(shù)據(jù)，借助PLC 與PID 監(jiān)控技術(shù)，從而進(jìn)一步達(dá)成了各層級供氧系統(tǒng)相互間的智能化調(diào)整與井下硐室之間的自動持續(xù)供氧，同時能夠在某一層級供氧系統(tǒng)發(fā)生問題時，自動開啟切換模式，調(diào)轉(zhuǎn)到下一層級供氧系統(tǒng)，進(jìn)一步提升了避難硐室供氧的平穩(wěn)性與安全性。同時最終的現(xiàn)場測試結(jié)果也完全印證了此系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，國內(nèi)全力促進(jìn)六大系統(tǒng)建設(shè)工作，當(dāng)中的緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)中的避難硐室可給逃生人員提供氧氣支持與高效的防護(hù)空間，針對硐室中供氧系統(tǒng)的探究具有很重要意義。

1 自動供氧系統(tǒng)硬件構(gòu)成及其程序設(shè)計(jì)解析

1.1 自動供氧系統(tǒng)硬件構(gòu)成

避難硐室自動供氧系統(tǒng)主要由多層級供氧系統(tǒng)與硐室環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成。當(dāng)中多層級供氧系統(tǒng)具體包含：井下壓風(fēng)供氧系統(tǒng)、地面鉆孔壓風(fēng)供氧系統(tǒng)與氧氣瓶組供氧系統(tǒng)。避難硐室自動供氧系統(tǒng)核心樞紐為位置于避難硐室內(nèi)部的硐室供氧監(jiān)測中心站。此站經(jīng)過環(huán)形光纖系統(tǒng)把多層級供氧系統(tǒng)與硐室環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)密切的關(guān)聯(lián)起來。硐室供氧監(jiān)測中心站依據(jù)硐室環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)收集的硐室環(huán)境參數(shù)從而更好的把控多層級供氧系統(tǒng)，最終完成井下硐室的自動持續(xù)供氧。

然而，井下壓風(fēng)供氧系統(tǒng)主要有井下壓風(fēng)供氧監(jiān)控分站、電磁閥A、氣動球閥與井下壓風(fēng)管道構(gòu)成。地面鉆孔壓風(fēng)供氧系統(tǒng)則從地面鉆孔壓風(fēng)供氧監(jiān)控分站、空壓機(jī)、儲氣罐、電磁閥B、氣動球閥與空調(diào)構(gòu)成。氧氣瓶組供氧系統(tǒng)則有氧氣瓶組監(jiān)控分站、電磁閥C、氣動球閥與氧氣瓶組構(gòu)成。硐室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)則有硐室環(huán)境監(jiān)控分站、CO2傳感器、O2傳感器與溫度傳感器構(gòu)成。

多層級供氧系統(tǒng)都是有手動與自動控制。當(dāng)中手動控制借助閘閥來完成，自動控制借助硐室自動供氧系統(tǒng)來完成。硐室自動供氧系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖1 所示。

1.2 自動供氧系統(tǒng)程度設(shè)計(jì)分析

此系統(tǒng)控制程序主要借助西門子Step7-MicroWin V4.0 SP6 軟件來編寫，且把編寫好的程序下載至CPU226CN 處理器當(dāng)中，針對系統(tǒng)實(shí)施檢測與控制。

硐室環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)可以完成收集硐室內(nèi)部氧氣濃度、二氧化碳濃度與溫度等數(shù)據(jù)，同時把上述參考數(shù)據(jù)傳送至井下自動供氧監(jiān)控中心站。要想確保井下人員生命安全，上述環(huán)境數(shù)據(jù)需參照一個指標(biāo)數(shù)值：氧氣參數(shù)指標(biāo)值是18.5%至23%，二氧化碳參數(shù)指標(biāo)數(shù)值是＜1%，溫度指標(biāo)數(shù)值為＜35℃。井下自動供氧監(jiān)控中心站則會參照環(huán)境參數(shù)有沒有實(shí)現(xiàn)指標(biāo)數(shù)值為參照，按照運(yùn)轉(zhuǎn)自動供氧系統(tǒng)監(jiān)控程序，隨后開啟硐室環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，緊接著開啟井下壓風(fēng)供氧系統(tǒng)，隨后在開啟電磁閥A，當(dāng)二氧化碳小于0.18 時，則開啟地面壓風(fēng)供氧系統(tǒng)，隨后開啟電磁閥B，隨后二氧化碳小于0.18時，開啟氧氣瓶組供氧系統(tǒng)，隨后開啟電磁閥C，隨后二氧化碳小于0.18 時，打開手動閥，隨后程序結(jié)束，參照上述程度針對多層級供氧系統(tǒng)實(shí)施智能化調(diào)控，給避難硐室內(nèi)技術(shù)人員帶去舒適的生存環(huán)境。

避難硐室自動供氧系統(tǒng)關(guān)鍵劃分為多層級供氧，每一級供氧系統(tǒng)都可經(jīng)過PID 運(yùn)算來完成針對氧氣濃度的把控。接下來主要以地面鉆孔壓風(fēng)供氧系統(tǒng)舉例，從而闡述氧氣濃度控制程序。此系統(tǒng)關(guān)鍵依據(jù)硐室內(nèi)氧氣濃度的改變從而調(diào)整地面鉆孔壓風(fēng)管道里面空氣輸出數(shù)量。其監(jiān)控中心站率先獲取氧氣濃度設(shè)計(jì)值SV，隨后依據(jù)硐室環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)反應(yīng)出現(xiàn)階段氧氣濃度數(shù)值PV 實(shí)施PID 計(jì)算，把控PLC 輸出口Q0.0 的電壓開斷頻率，從而把控電磁閥B 的啟動時間，進(jìn)一步精準(zhǔn)調(diào)整空氣釋放數(shù)量。尤其在控制流程中，把氧氣濃度設(shè)立為20%，經(jīng)過PID 參數(shù)的確定，結(jié)果把硐室內(nèi)的氧氣濃度保持在18.5%至23%，地面鉆孔壓風(fēng)供氧工質(zhì)程序具體流程如圖2 所展示。

2 自動供氧系統(tǒng)具體現(xiàn)場驗(yàn)證分析

2.1 自動供氧系統(tǒng)介紹

文章實(shí)施實(shí)驗(yàn)的避難硐室尺寸長度是51m、寬度是4.1m、高度是2.8m，根據(jù)每人1.0m3的空間核算，排除設(shè)備需要占用空間，需有100m3的有效使用空間，同時可容納一百人生存需要。此避難硐室需要具體包含一個休息室、進(jìn)風(fēng)側(cè)過渡室與回風(fēng)側(cè)過渡室。自動供氧系統(tǒng)包含：

（1）地面鉆孔壓風(fēng)供氧系統(tǒng)；

（2）井下壓風(fēng)供氧系統(tǒng)；

（3）硐室環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)；

（4）氧氣瓶組監(jiān)控系統(tǒng)；第五，硐室自動供氧監(jiān)控中心站。其中配備有傳感器監(jiān)測點(diǎn)，此監(jiān)測點(diǎn)都跟硐室環(huán)境監(jiān)控分站相關(guān)聯(lián)。每個監(jiān)測點(diǎn)務(wù)必監(jiān)測到此處的氧氣濃度、二氧化碳濃度與溫度情況。

2.2 現(xiàn)場驗(yàn)證具體分析

如何驗(yàn)證避難硐室自動供氧系統(tǒng)的穩(wěn)定性，及其檢測此系統(tǒng)在某一級供氧系統(tǒng)發(fā)生問題時的應(yīng)急處置能力，需要遵照下述步驟分開進(jìn)行。

（1）把避難硐室自動供氧系統(tǒng)關(guān)聯(lián)好，開啟系統(tǒng)，系統(tǒng)開始實(shí)時的硐室環(huán)境參數(shù)監(jiān)控與多層級供氧系統(tǒng)控制狀態(tài)，計(jì)時啟動。

（2）等到避難硐室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)完成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值之后，第50min時讓五十個年輕技術(shù)員走入避難硐室開始測試實(shí)驗(yàn)。

圖1：硐室自動供氧系統(tǒng)的硬件構(gòu)成圖

圖2：地面鉆孔壓風(fēng)供氧工質(zhì)程序具體流程

（3）第100 min 后經(jīng)過手動閉合井下壓風(fēng)管路閘閥來模擬井下壓風(fēng)供氧系統(tǒng)出現(xiàn)問題。

（4）第200 min 之后經(jīng)過手動閉合地面鉆孔壓風(fēng)管路閘閥來模擬地面鉆孔壓風(fēng)供氧系統(tǒng)發(fā)生問題。

（5）第300 min 之后，經(jīng)過手動閉合氧氣瓶組供氧管路閘閥來模擬氧氣瓶組供氧系統(tǒng)發(fā)生問題。

（6）針對硐室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)收集相關(guān)信息實(shí)施處理解析。

2.3 現(xiàn)場驗(yàn)證結(jié)論及其解析

通常大氣中的氧氣濃度為21%，然而在空氣中的氧氣濃度在18%之上時，通常大家可以自由呼吸；相反氧氣濃度在16%至18%區(qū)間時，一般大家會體會到呼吸困難；而在氧氣濃度小于16%時，大家則會感受到窒息。因此，井下氧氣標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值需要設(shè)置在18.5%至23%區(qū)間。通過實(shí)驗(yàn)避難硐室平均氧氣濃度伴隨著時間變化曲線具體分析出，在前50min 之內(nèi)，自動供氧系統(tǒng)率先實(shí)施井下壓風(fēng)供氧控制程序。避難硐室內(nèi)無逃生人員時，自動供氧系統(tǒng)的氧氣平衡性非常好，氧氣濃度保持在19.98%至20.01 %區(qū)間，變動幅度非常小。當(dāng)有技術(shù)員走入避難硐室之后，技術(shù)員自然消耗了硐室內(nèi)氧氣，其氧氣濃度會以0.027%/min 的速率呈現(xiàn)降低到19.84%。然而，等到氧氣濃度小于20%時，井下壓風(fēng)供氧監(jiān)控分站控制球閥A 開啟，給硐室內(nèi)灌入氧氣，隨后硐室內(nèi)氧氣濃度呈現(xiàn)減少隨后在提升趨勢。當(dāng)井下存在逃生技術(shù)員時，氧氣濃度的變動數(shù)值非常大，一般保持在19.84%～20.06%。

在此級供氧系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，當(dāng)監(jiān)控中心站監(jiān)測到硐室內(nèi)氧氣濃度小于20%的時長超出15min 時，自然而然開啟變換至下一級供氧系統(tǒng)。當(dāng)100min 時井下壓風(fēng)供氧系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，硐室內(nèi)氧氣濃度會隨著井下技術(shù)員的損耗隨之不斷降低，到115min 時，硐室自動供氧監(jiān)控中心隨即切換至地面鉆孔壓風(fēng)供氧模式，地面鉆孔壓風(fēng)供氧監(jiān)控分站控制球閥B 隨即開啟頻率步入供氧。隨后3min硐室內(nèi)氧氣濃度逐漸提升，在氧氣濃度提升到20%之后，也會有小幅度提升，直到提升至20.32%，平均提升速度為0.037%/min。具體原因?yàn)檠鯕鉂舛刃∮?0%時，球閥啟動頻率越頻繁，供氧量增大，造成氧氣濃度可達(dá)到20%之后依然會提升0.32%。

在地面鉆孔壓風(fēng)供氧系統(tǒng)發(fā)生問題時，監(jiān)控中心則把供氧方法變換到氧氣瓶組供氧系統(tǒng)模式。隨后氧氣瓶組供氧監(jiān)控分站控制球閥C 啟動。硐室內(nèi)氧氣濃度立刻會以0.11%/min 速率快速的提升，同時不斷的提升達(dá)到20.91%。此原因?yàn)檠鯕馄拷M所釋放的純氧濃度非常大，導(dǎo)致空氣中氧氣濃度獲得迅速提升。

平均二氧化碳濃度伴隨著時間改變也隨之產(chǎn)生變動，尤其在井下技術(shù)員走入避難硐室前，硐室內(nèi)的二氧化碳濃度變動數(shù)值非常小，基本維持在0.2 %。在第50 min，逃生技術(shù)人員走入到避難硐室之后，硐室內(nèi)的二氧化碳濃度漸漸提升，結(jié)果上升至0.28%。隨即井下壓風(fēng)供氧系統(tǒng)調(diào)節(jié)球閥A 啟動時間隨即供氧，二氧化碳濃度漸漸下降到0.2%上下。當(dāng)75至100 min內(nèi)硐室內(nèi)二氧化碳濃度基本維持平穩(wěn)，波動數(shù)值在0.03%。

在100 min 井下壓風(fēng)供氧系統(tǒng)發(fā)生問題時，硐室內(nèi)技術(shù)人員不斷消耗氧氣同時生成二氧化碳，隨即二氧化碳的濃度漸漸上升。在118.94 min 時二氧化碳濃度可實(shí)現(xiàn)最高值0.64 %，隨后二氧化碳濃度下降，且在0.2%左右變動。當(dāng)在200 min 時地面鉆孔壓風(fēng)供氧系統(tǒng)發(fā)生問題，硐室內(nèi)二氧化碳濃度漸漸上升。第241min 時二氧化碳濃度可達(dá)最高值0.67%，之后則會快速下降。

在硐室環(huán)境的的主要參數(shù)就是氧氣與二氧化碳的濃度，然而，氧氣與二氧化碳的濃度有沒有達(dá)到相關(guān)指標(biāo)設(shè)置數(shù)值則直接關(guān)系到逃生技術(shù)員的生命安全。當(dāng)自動供氧系統(tǒng)在某一級供氧系統(tǒng)發(fā)生故障之后，則會自動調(diào)節(jié)下一層級供氧系統(tǒng)，同時氧氣與二氧化碳的濃度變動在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值范疇內(nèi)，才能確保逃生技術(shù)員的人身生命安全。

2.4 壓縮氧氣供氧系統(tǒng)具體解析

（1）供氧量核算。在氧氣濃度低于18. 5%時，在判定為缺氧情況，從而導(dǎo)致逃生技術(shù)員喪失知覺，嚴(yán)重的情況導(dǎo)致死亡；在氧氣濃度高于32%時，則判定為氧氣中毒情況。國內(nèi)煤礦井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)建造管理暫行規(guī)定要求，氧氣濃度需要把控在18.5%至23%范疇之內(nèi)。依據(jù)國內(nèi)人體情況及其遭遇危險(xiǎn)過程中的生理變化情況反映出，每個人供氧量q 需要不小于0.5L/min，則硐室內(nèi)之內(nèi)二十四小時的供氧量是V1=Ntq=72000L，公式當(dāng)中的N 為避險(xiǎn)人數(shù)量，取值100；t 是避險(xiǎn)時間段，取值24 小時。獲取人員富余系數(shù)k=1.2，則九十六小時的供氧量則為V=4V1k=345600L。參照波義耳定律，一個氧氣瓶可使用氣體體積是V0=（P-P0）1OV2=7020L，公式當(dāng)中的P 是氧氣瓶工作壓力，取值12MPa；P0則為氧氣瓶最小工作壓力，取值0.3MPa；V2則是氧氣瓶容積，取值60L。最后總共需要的理論氧氣瓶數(shù)量是n=V/V0≈49.23 個，取值50 個，即能夠給避難硐室內(nèi)配備50 瓶高壓氧。

（2）供氧基本原理。在地面風(fēng)壓系統(tǒng)在井下管路受到破壞時，壓縮氧氣供氧系統(tǒng)依舊可以高效的供氧。其供氧數(shù)量可參照實(shí)踐具體狀況，通過手動調(diào)節(jié)來操控，從而確保人體正常的生命體征。此裝置借助儲存在鋼瓶當(dāng)中的醫(yī)用壓縮氧氣，經(jīng)過供氧控制裝置，給逃生技術(shù)員人提供大量數(shù)量額氧氣供應(yīng)。然而，在生存室內(nèi)設(shè)置氧氣鋼瓶，出口經(jīng)過壓力表、減壓閥、截止閥，最后經(jīng)過氣幕噴淋，把醫(yī)用壓縮氧氣傳送到避難硐室內(nèi)。

（3）重點(diǎn)技術(shù)參數(shù)分析。氧氣瓶供氧的重點(diǎn)技術(shù)參數(shù)具體包含：所采取的氧氣瓶規(guī)格、壓力，技術(shù)員多余系數(shù)及其單個氧氣瓶實(shí)際供氧數(shù)量等。

3 氣幕噴淋系統(tǒng)具體分析

在氣幕噴淋系統(tǒng)實(shí)踐中劃分為兩路，第一路接到避難硐室內(nèi)部，當(dāng)做提供緊急避險(xiǎn)逃生人員的氧氣管路；第二路接到緊挨著避難硐室第一道門里面。第二路的關(guān)鍵功能為：畢竟緊急避險(xiǎn)技術(shù)員在啟動避難硐室第一道門過程中，自然而然會進(jìn)入相應(yīng)濃度的一氧化碳及其其他有毒有害的氣體，此一路重點(diǎn)處置外部有毒有害氣體的進(jìn)入避難硐室內(nèi)部的難題。然而，氣幕吹洗設(shè)置在第一道門內(nèi)側(cè)，致使壓縮空氣經(jīng)過氣幕管產(chǎn)生致密的氣簾，阻隔外部空氣進(jìn)入，并且清除外部進(jìn)入探身人員身上攜帶的有毒有害物質(zhì)。噴淋需要經(jīng)過進(jìn)入大量的新鮮壓縮空氣，把有毒有害的氣體稀釋掉，且經(jīng)過泄壓閥排出到室外，從而實(shí)現(xiàn)減少毒害氣體濃度的目標(biāo)，最終將避難硐室內(nèi)的環(huán)境變得更適宜逃生人員生存下去。而氣幕管透氣縫隙設(shè)計(jì)是0.05mm，在在0.5 至0.6MPa 的壓力下，需要涵蓋1.2 米遠(yuǎn)的吹掃距離。氣幕管長度可以參照避難硐室門大小來定制。

4 總結(jié)

總而言之，避難硐室自動供氧系統(tǒng)經(jīng)過環(huán)形光纖系統(tǒng)把多層級供氧系統(tǒng)與環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)聯(lián)為高度自動的系統(tǒng)。此系統(tǒng)依據(jù)實(shí)施檢測環(huán)境參數(shù)，不但能夠保持井下持續(xù)的供氧，同時也可在某一系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，自動啟動至下一系統(tǒng)環(huán)節(jié)，最終確保井下避難硐室不斷有氧氣提供。當(dāng)某一層級供氧系統(tǒng)沒有出現(xiàn)問題時，則避難硐室自動供氧系統(tǒng)可使用氧氣濃度能夠保持在19.84%至20.06%區(qū)間。在某一層級供氧系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，氧氣濃度變動非常大，氧氣濃度則為19.47%至20.9%區(qū)間，然而最小氧氣濃度依然高于18.5%，從而才能確保給井下逃生技術(shù)員的提供充足的氧氣供應(yīng)。