CN102287223B - 基于pid集成控制的避难室或救生舱综合生命保障装置 - Google Patents

Abstract

本发明的一种基于PID集成控制的避难室或救生舱综合生命保障装置，包括：中央处理器、氧气浓度调节装置、气压调节装置、内环境检测装置和空气净化、制冷装置。本发明的有益效果是：实现了多种功能的集中综合控制，保障了避难人员在避难硐室（移动式救生舱）内的避险的可行性和可靠性，为灾害避险创造生存基本条件，为应急救援创造条件、赢得时间，使矿井安全体系从量变提到了质的变化，最大限度的保障人类的生命财产安全，促进我国矿井向高效、安全的现代化方向发展有极大的价值和生命保障意义。

Description

基于PID集成控制的避难室或救生舱综合生命保障装置

技术领域

本发明涉及生命科学、自动检测技术及自动控制技术领域，尤其涉及一种基于PID集成控制的避难室或救生舱综合生命保障装置。

背景技术

我国自2010年以来陆续推出政策法规，要求煤矿生产单位实现三防一隔（防毒、防火、防震、隔爆）和四基地（被困人员的生存基地、救援人员的补给基地、井下施救的指挥基地、通讯联络的中继基地）的安全保障系统。

而建设矿井避难硐室和研制矿用救生舱是非常重要的举措，避难硐室是当灾害发生，人员无法撤出时，为防止有毒、有害气体的侵袭而设立的避难场所。矿工自救中，设置避难硐室是十分必要的。由于自救器有效时间较短，当佩戴自救器后，在其有效作用时间内不能到达安全地点或者撤退路线无法通过时，或者有自救器而有害气体含量又较高时，避难硐室可以对外抵御爆炸冲击、高温烟气，隔绝有毒有害气体，对内能为被困矿工提供氧气、食物和水，去除有毒有害气体，赢得较长的生存时间。作为矿井避难硐室或救生舱内的生命保证系统尤为重要，迫切需要一套较为完善和先进的生命保证系统。

发明内容

为解决以上技术上的不足，本发明提供了一种比较完善、使用可靠、安全性高的基于PID集成控制的避难室或救生舱综合生命保障装置。

本发明是通过以下措施实现的：

本发明的一种基于PID集成控制的避难室或救生舱综合生命保障装置，包

括：

中央处理器，包括集成的PID控制器、信号采集处理器和智能故障自诊断处

理器；

氧气浓度调节装置，包括压缩氧气瓶以及信号连接的供氧电磁阀和氧气浓度传感器，所述压缩氧气瓶连接有供氧管路，供氧电磁阀设置在供氧管路上，所述氧气浓度传感器用于检测室内氧气浓度并将信号传送给PID控制器，所述PID控制器将氧气浓度信号计算处理后发送给供氧电磁阀开度控制信号；

气压调节装置，包括压缩氮气瓶以及信号连接的充氮电磁阀、排气电磁阀和压差传感器，所述压缩氮气瓶连接有充氮管路，充氮电磁阀设置在充氮管路上，排气电磁阀设置在室内通向室外的排气管路上，所述压差传感器用于检测室内外的气压差并将信号传送给PID控制器，所述PID控制器将气压差信号计算处理后发送给充氮电磁阀和排气电磁阀开度控制信号；

内环境检测装置，包括传感器，所述传感器连接信号采集处理器的信号输入端，信号采集处理器的信号输出端连接用于对采集的信号进行Hilbert-Huang变换分析的智能故障自诊断处理器；

空气净化、制冷装置，包括反应箱体，所述反应箱体一端设置有气体入口，另一端设置有气体出口，所述反应箱体内从气体入口的一端到气体出口的一端依次设置有隔开且相通的干燥层、除臭层、二氧化碳吸附层、一氧化碳催化层和化学制冷层，所述反应箱体气体入口处设置有防爆风机，所述防爆风机连接中央处理器。

上述氧气浓度调节装置中的供氧管路和所述气压调节装置中的充氮管路上均连接有辅助控制管路，所述辅助控制管路分别并联在供氧电磁阀和充氮电磁阀两端，所述辅助控制管路上均设置有截止阀和减压阀。

上述内环境检测装置中，信号采集处理器连接有SD存储卡。

上述中央处理器连接有显示屏和报警装置。

上述供氧管路和充氮管路末端均设置有流量计和消音装置。

上述还包括气幕吹气装置和双电源装置。

本发明的有益效果是：

实现了多种功能的集中综合控制，保障了避难人员在避难硐室（移动式救生舱）内的避险的可行性和可靠性，为灾害避险创造生存基本条件，为应急救援创造条件、赢得时间，使矿井安全体系从量变提到了质的变化，最大限度的保障人类的生命财产安全，促进我国矿井向高效、安全的现代化方向发展有极大的价值和生命保障意义。

附图说明   

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明的氧气浓度调节装置部分的结构示意图。

图3为本发明的气压调节装置部分的结构示意图。

图4为本发明内环境检测装置部分的结构示意图。

图5为本发明空气净化、制冷装置部分的结构示意图。

图中：1.压缩氧气瓶、2.减压阀Ⅰ、3.截止阀Ⅰ、4.过滤器、5.截止阀Ⅱ、6.截止阀Ⅲ、7.减压阀Ⅱ、8.供氧电磁阀、9.单向阀、10.流量计、11.消音装置、12.PID控制器、13.氧气浓度传感器、14.显示屏、15.截止阀Ⅳ、16.减压阀Ⅲ、17.压缩氮气瓶、18. 充氮电磁阀、19. 压差传感器、20.排气电磁阀、21.反应箱体，22.气体入口，23.气体出口，24.防爆风机，25.控制器，26.气体参数检测装置，27.干燥层，28.除臭层，29.二氧化碳吸附层，30.一氧化碳催化层，31.化学制冷层。

具体实施方式

本发明的一种基于PID集成控制的避难室或救生舱综合生命保障装置，包

括：中央处理器、氧气浓度调节装置、气压调节装置、内环境检测装置和空气净化、制冷装置。中央处理器包括集成的PID控制器、信号采集处理器和智能故障自诊断处理器。

1）         氧气浓度调节装置

如图2所示，包括压缩氧气瓶1、供氧电磁阀8、PID控制器12和氧气浓度传感器13，其中供氧电磁阀8、PID控制器12和氧气浓度传感器13信号连接，压缩氧气瓶1连接有供氧管路，供氧电磁阀8设置在供氧管路上，供氧电磁阀8的开度大小控制供养管路的供氧量。氧气浓度传感器13用于检测室内氧气浓度并将信号传送给PID控制器12，PID控制器12将氧气浓度信号计算处理后发送给供氧电磁阀8开度控制信号。

具体地，若干个压缩氧气瓶1出气口处设置减压阀Ⅰ2和截止阀Ⅰ3，供氧管路通过三通接在减压阀Ⅰ2的出气口和截止阀Ⅰ3的进气口上，然后供氧管路上设置过滤器4，过滤器4后方设置截止阀Ⅳ15、减压阀Ⅲ16、供氧电磁阀8、单向阀9、流量计10，在供氧管路末端设置消音装置11。同时供氧管路在供氧电磁阀8进气端和出气端之间连接有辅助控制管路，辅助控制管路上设置有截止阀Ⅲ6和减压阀Ⅱ7，能够双路控制，提高可靠性。为了能方便显示信息，上述PID控制器12信号连接有显示屏14。

其工作原理为：系统通过氧气浓度传感器13检测室（舱）内氧气实际浓度，根据通过在显示屏14中设定的氧气浓度值和检测的实际氧气浓度比较，利用PID控制器12对供氧电磁阀8进行调节；当检测值低于设定值时，增大电磁阀开度，较高流量的压缩空气中的氧气通过管路向避难硐室内供氧；当检测值达到或者高于设定值时，PID控制器12保持或者减小供氧电磁阀8的开度，以降低当前的供氧量。通过氧气浓度的闭环PID调节，即保证了氧气浓度控制的精度，又节省了氧气的用量，达到了良好的控制效果。当电动管路失效时，可以打开辅助控制管路，根据需要的供氧量调节出口流量计进行定量控制，达到供氧目的。该装置主供氧管路无需电源，氧气传感器、控制器由隔爆型本安电源供电，用电量很小，自备蓄电池完全能够满足。

2）         气压调节装置

包括压缩氮气瓶17、充氮电磁阀18、PID控制器12、排气电磁阀20和压差传感器19，充氮电磁阀18、PID控制器12、排气电磁阀20和压差传感器19信号连接，压缩氮气瓶17连接有充氮管路，充氮电磁阀18设置在充氮管路上，排气电磁阀20设置在室内通向室外的排气管路上，压差传感器19用于检测室内外的气压差并将信号传送给PID控制器12，PID控制器12将气压差信号计算处理后发送给充氮电磁阀18和排气电磁阀20开度控制信号。压缩氮气瓶17提供氮气，数量根据实际情况确定。充氮管路上连接有辅助控制管路，辅助控制管路并联在充氮电磁阀18两端，辅助控制管路上设置有截止阀和减压阀。充氮管路末端设置有流量计10和消音装置11。PID控制器12信号连接有显示屏14。

具体地，若干个压缩氮气瓶17出气口处设置减压阀Ⅰ2和截止阀Ⅰ3，充氮管路通过三通接在减压阀Ⅰ2的出气口和截止阀Ⅰ3的进气口上，然后充氮管路上设置过滤器4，过滤器4后方设置截止阀Ⅳ15、减压阀Ⅲ16、充氮电磁阀18、单向阀9、流量计10，在充氮管路末端设置消音装置11。同时充氮管路在充氮电磁阀18进气端和出气端之间连接有辅助控制管路，辅助控制管路上设置有截止阀Ⅲ6和减压阀Ⅱ7，能够双路控制，提高可靠性。为了能方便显示信息，上述PID控制器12信号连接有显示屏14。

其工作原理为：本装置通过压差传感器19来检测室（舱）内外压力变化，通过PID控制器12控制，当当前压差值低于设定冲压压差值（此值我们通过设定为200pa）时调节充氮电磁阀18进行充氮增压；当当前压差值高于设定排压压差值（此值我们设定为500pa）时打开排气电磁阀20进行泄压。通过这种组合动作，确保舱内压力处于一个合理的水平，同时也解决了室（舱）内氧气分压与氮气分压的平衡问题，从而人工营造适合人体生存的空气环境。

对压力实现闭环PID调节，即保证了控制精度，又节省了资源。各个设定值可通过显示屏14的触摸界面进行灵活设定，并可动态显示电磁阀的开关状态。气体管路采用双路控制，即自动装置失效后，可以马上进行手动调节，气体管路末端带流量计10及消音装置11，气体排出时的噪声达到人体接受要求，保证了装置的可靠性。

3）内环境检测装置

包括信号采集处理器，信号采集处理器的信号输入端连接有传感器，信号采集处理器的信号输出端连接有用于对采集的信号进行Hilbert-Huang变换分析的智能故障自诊断处理器。为记录数据，信号采集处理器连接有SD存储卡。传感器包括甲烷传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、氧气浓度传感器、湿度传感器、温度传感器和压差传感器。信号采集处理器连接有显示器和报警装置。

其工作原理为：系统利用甲烷传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、氧气浓度传感器、湿度传感器、温度传感器和压差传感器检测监测室（舱）内环境参数，对各传感器参数采用专门设计的信号采集处理器集中采集，采集后将信号传送给智能故障自诊断处理器。智能故障自诊断处理器对采集的信号进行分析处理，并转化为相应的工程意义的值，利用信号处理和故障自诊断技术，对采集的信号进行Hilbert-Huang变换，具体过程是：首先对信号进行 MED分解，并对数据序列每一阶本征模式函数进行Hilbert 变换，得到瞬时频率，然后利用HHT分析，及时发现传感器的故障，对装置的可靠性提供了有利的保障。

显示器部分采用640×480分辨率的带背光显示功能的汉字液晶显示器，用于显示各路传感器通道号、接入传感器名称、实测数值等。以数值1～8表示输入量通道1至通道8的通道顺序；传感器名称以汉字形式表示，最多显示4个汉字；数值显示用四位数字显示。采用双彩色液晶显示屏（4寸），每个显示屏上显示3个传感器信号值；

SD存储卡可自动记录每个传感器的当前测量值，每隔5分钟记录一次。文件格式为文本文件，用户或通过任意SD读卡器读出；

当某路传感器输入信号有误，系统自动提示该路传感器接线错误或工作失效。当某路传感器测量值超限时（上限或下限），系统自动进行声光报警提示；偏离度越大，报警声音越急促，灯光闪烁越快速。用户可关闭声、光报警功能；

传感器量程可以在控制板上进行灵活设定，因此具有极强的传感器适应性；系统允许将各传感器设定值自动恢复到出厂设定值。

4）空气净化、制冷装置

包括反应箱体21，反应箱体21一端设置有气体入口22，另一端设置有气

体出口23，反应箱体21内从气体入口22的一端到气体出口23的一端依次设置有隔开且相通的干燥层27、除臭层28、二氧化碳吸附层29、一氧化碳催化层30和化学制冷层31，反应箱体21气体入口22处设置有防爆风机24。

反应箱体21内各层之间设置网状隔断，干燥层27内放置医用干燥剂对空气

进行除湿干燥处理。除臭层28内放置有除臭剂，通过特殊配制的药剂对空气进行除臭处理，清除人体散发出的有机臭味，吸附有机大分子，净化空气质量。

二氧化碳吸附层29内放置有二氧化碳吸附剂，二氧化碳吸附剂采用高效吸附剂，最高吸附效率可达72%，平均超过50%以上。吸附剂有颜色指示功能，即未反应时颜色呈粉红色，反应完后呈纯白色。用户可通过吸附剂颜色判断吸附剂的当前工作效能。

一氧化碳催化层30内放置有一氧化碳常温催化剂，用于完全清除舱外带入

及人体持续散发出的CO气体。一氧化碳常温催化剂采用防护措施，一氧化碳常温催化剂放置在蜂窝陶瓷内，蜂窝陶瓷放置在金属网内。

化学制冷层31内放置有化学制冷剂。化学制冷剂加等量自来水后立即形成低温绿色果冻状冷冻物（最低温度可降至冰点），相当于形成一个个分散的冰块，将之摆放在净化机箱内或舱体内实现持续吸热降温。化学试剂无毒无味，对人体安全。

防爆风机24信号连接有控制器25，控制器25信号连接有气体参数检测装

置26。防爆风机将空气压入反应箱体21内，使空气强制通过反应箱体21内的各层，并通过控制器25实现对风机的转速控制，气体参数检测装置26实时检测，当CO2、CO、温度三个指标中的任意一个指标超过设定值时，风机自动启动，偏离度越大，风机转速越快，加速空气质量回归正常，实现CO2吸附、CO催化处理、干燥、除臭，达到空气净化的目的。

5）气幕吹气装置，用DN15管径的电动球阀进行大流量气路控制，实现了过渡硐室（舱）空气吹洗。

6） 双电源装置，利用中央控制器检测双供电回路，当外部供电电路中断

时，自动投入备用蓄电池供电。

上述实施例所述是用以具体说明本专利，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本专利的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本专利的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。

Claims (6)

1.一种基于PID集成控制的避难室或救生舱综合生命保障装置，其特征在于，包括：

中央处理器，包括集成的PID控制器、信号采集处理器和智能故障自诊断处

理器；

氧气浓度调节装置，包括压缩氧气瓶以及信号连接的供氧电磁阀和氧气浓度传感器，所述压缩氧气瓶连接有供氧管路，供氧电磁阀设置在供氧管路上，所述氧气浓度传感器用于检测室内氧气浓度并将信号传送给PID控制器，所述PID控制器将氧气浓度信号计算处理后发送给供氧电磁阀开度控制信号；

气压调节装置，包括压缩氮气瓶以及信号连接的充氮电磁阀、排气电磁阀和压差传感器，所述压缩氮气瓶连接有充氮管路，充氮电磁阀设置在充氮管路上，排气电磁阀设置在室内通向室外的排气管路上，所述压差传感器用于检测室内外的气压差并将信号传送给PID控制器，所述PID控制器将气压差信号计算处理后发送给充氮电磁阀和排气电磁阀开度控制信号；

内环境检测装置，包括传感器，所述传感器连接信号采集处理器的信号输入端，信号采集处理器的信号输出端连接用于对采集的信号进行Hilbert-Huang变换分析的智能故障自诊断处理器；

空气净化、制冷装置，包括反应箱体，所述反应箱体一端设置有气体入口，另一端设置有气体出口，所述反应箱体内从气体入口的一端到气体出口的一端依次设置有隔开且相通的干燥层、除臭层、二氧化碳吸附层、一氧化碳催化层和化学制冷层，所述反应箱体气体入口处设置有防爆风机，所述防爆风机连接中央处理器。

2.根据权利要求1所述基于PID集成控制的避难室或救生舱综合生命保障装置，其特征在于：所述氧气浓度调节装置中的供氧管路和所述气压调节装置中的充氮管路上均连接有辅助控制管路，所述辅助控制管路分别并联在供氧电磁阀和充氮电磁阀两端，所述辅助控制管路上均设置有截止阀和减压阀。

3.根据权利要求1所述基于PID集成控制的避难室或救生舱综合生命保障装置，其特征在于：所述内环境检测装置中，信号采集处理器连接有SD存储卡。

4.根据权利要求1所述基于PID集成控制的避难室或救生舱综合生命保障装置，其特征在于：所述中央处理器连接有显示屏和报警装置。

5.根据权利要求1或2所述基于PID集成控制的避难室或救生舱综合生命保障装置，其特征在于：所述供氧管路和充氮管路末端均设置有流量计和消音装置。

6.根据权利要求1所述基于PID集成控制的避难室或救生舱综合生命保障装置，其特征在于：还包括气幕吹气装置和双电源装置。

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