移动救生舱生命保障系统研究技术成果报告.docx

1、移动救生舱生命保障系统研究技术成果报告 救生舱和避难洞室生命保障系统的研究报告 1概述1.1 项目概述 阳光金力首创救生舱生命保障系统全自动化控制，将舱内的通讯、传感器、空气洗涤、氧气补给、空调、电源等系统统称为生命保障系统。生命保障系统是每个移动救生舱和固定避难硐室的必备核心设备，它采用一键自动开启，能有效去除救生舱或硐室内有毒气体有害气体，自动控制救生舱或硐室内生存环境参数（比如：氧气、温度、湿度、压力等），为矿山井下灾变幸存人员躲避有毒有害气体、浓烟烟尘及氧气缺乏等危害，提供96小时以上的生命生存保障。对于发生在工作面以外的爆炸、火灾导致的窒息事故，使用远离事故发生点设置的救生舱，利用生

2、命保障系统对于挽救井下幸存人员的生命具有积极而重大的意义。1.2 研究工作的必要性 2010年7月，国务院下发通知要求，煤矿和非煤矿山要在3年之内完成“六大系统”安装，具体包括监测监控系统、井下人员定位系统、紧急避险系统、压风自救系统、供水施救系统、通信联络系统。而移动救生舱和固定避难硐室是紧急避险系统的重要组成部分。随后，国家安监总局也下发通知，其中一项要求“必须在距离工作面500米范围内建设避难硐室或设置救生舱”。2010年10月，智利圣何塞铜矿33名受困矿工的成功获救震撼了世界，井下避难所的呼吁成为热议的话题。在地下624 米的深处被困69 天后，33 名矿工全部安全到达地面，就是紧急避

3、险系统的核心配备避难硐室（或救生舱）起到了关键作用。国家安监总局领导对此表示，智利矿难救援的成功对我国矿山安全工作有重大借鉴意义，救生舱的建设工作将是整个矿山企业的重中之重。受该事件影响，按照国家相关规定，全国所有煤矿和非煤矿山都要在2013 年6 月之前完成安全避险六大系统建设。目前全国约有1.5 万家煤矿地下矿山和1万家非煤矿地下矿山，按照这个数字可以估算出救生舱和固定避难硐室的总需求量在十万台以上，也就是说生命保障系统的市场份额可能达数百亿。1.3 项目的研究意义做出达到国家安全标准的移动救生舱，其高性能低成本的特点适合中国煤矿和非煤矿山井下使用，推动煤矿和非煤矿山井下安全避险“六大系统

4、”建设，做好井下生命保障工程，最终提高生命保障系统的自动控制水平。2研究目标及技术关键2.1 总体方案概述1、研究开发内容 救生舱生命保障系统的系统结构如下图所示：11控制分站的开发内容1.1.1分站主板（OMB）提供内部总线实现以太网信号、视频信号、音频信号、数据信号和1000Mb/s线路帧之间的复接和分复接；实现以太网数据的插入,终结,和排序功能；实现异步数据和话音电路的交叉连接，视频数据的交叉连接；实现设备的网元管理；实现一路双向音频广播；实现救生舱内外环境参数检测和显示；实现舱内空凋系统的逻辑控制；实现过渡舱喷淋系统的一健自动控制。电口以太网模块（EEM）：提供4路本安型快速以太网接口

5、（100/10BASE-T）与接入器内部总线的连接1.1.2电话模块（SUB）：提供4路本安型电话用户接口与接入器内部总线的连接。1.1.3视频模块（VIDEO）：可提供2路本安型视频编码接口与接入器内部总线的连接。1.1.4传感器接入模块（IOB）：提供6路模拟量或开关量传感器的接入和2路控制量输出1.2过渡舱设备开发内容1.2.1空气洗涤控制装置，完成进门一键开启空气洗涤控制，等CO，CH4等有毒气体达标后提示关闭舱门，关闭空气瓶组。空气瓶共两瓶，每个瓶口安装电磁阀。1.2.2红外人数统计装置，完成人员定位系统在过渡舱位置的人员统计。过渡舱环境多参数传感器，完成舱内O2，CO，CO2，CH

6、4，温湿度，压力的检测和显示，并上报给分站主模块1.2.3制冷设备控制装置，完成救生舱内部储冷和释冷控制。1.3生活舱设备开发内容1.3.1红外人数统计装置, 完成人员定位系统在生活舱位置的人员统计。1.3.2舱内电源管理装置，完成救生舱电源的充放电管理，救生舱使用锂电池，充电装置可对电池实行均衡充电，保证电源充满和使用寿命1.3.3生活舱环境多参数传感器，完成舱内O2，CO，CO2，CH4，温湿度，压力的检测和显示，并上报给分站主模块。1.3.4救生舱外环境监测多参数传感器，完成舱外O2，CO，CO2，CH4，温湿度的监测和显示，并上报给分站主模块。1.3.5救生舱内空气循环控制模块，完成舱

7、内的空气循环和CO、CO2的吸收。 2、关键技术研究 舱内的设备通过高可靠的工业现场总线连接到作为控制中心的分站主板，主板通过多参数传感器组感知舱内外的O2、CH4、CO、CO2、温湿度、气压等环境参数，并根据环境变故，开启空气喷淋、制冷、空气循环等设备，以保障舱内人员在四天的时间内，能够在一个相对适宜的环境中生存。1）空气喷淋一健启动，全程自动控制，灾变时，避难人员只要按下启动键，就可以方便的打开过渡舱的舱门，并能同时启动空气喷淋装置，当外界有毒气体被洗涤出舱室，则自动提示人员可进入生活舱避难。2）一对光纤解决舱内所有信号的传输问题，使用阳光金力的MCTP传输技术，将救生舱内的音频信号、视频

8、信号、以太网信号、舱内、外环境参数、人员定位信息以及舱内电源管理信息，通过一对光纤传输到地面控制中心。 3）高可靠多参数传感器组，为了增加传感器组的可靠性，使用双CPU互为备份的工作模式，监测并显示生活舱内、过度舱的O2、CH4、CO、CO2、温湿度、气压7项环境参数，以及舱外的O2、CH4、CO、CO2和压力5项环境参数，并把这些参数及时发送到分站主板。 4）智能均衡充电的电源管理系统采用均衡充电方式采用均衡充电方式，由CPU控制对锂电池组进行智能充电，使电池组的每次充电更加饱满，使用寿命更长。采用智能充电方式，可使电池组为救生舱提供更充足的电力。 5）空调制冷系统采用蓝冰制冷，由CPU控制

9、储冷和释冷，在有外接动力电源的情况下，CPU启动储冷系统进行续冰，在外接动力电源中断的情况下，CPU停止储冷系统运行。根据舱内温升温情况，自动调节冷能释放，满足舱内避难人员的温度需要 6）空气循环系统 智能低功耗的空气循环系统，为了确保安全采用双风机互为备份，空气循环系统，负责舱内CO和CO2的吸收和空气流通，解决舱内人员在四天的时间内能够在一个相对适宜的环境中生存(保证空气中CO2含量不能高于2000ppm之间，CO含量在0.0024%)，保证舱体内人员正常呼吸的需要。 3、主要技术参数及配置1）维持时间 96h2）舱体抗冲击压力 0.3 Mpa3）抵御瞬时高温冲击 60010004）舱内气

10、压：应始终保持高于外界气压100500Pa5）舱内O2浓度 18.5%22.5%6）舱内CO2浓度 1.0%7）舱内CO浓度 0.0024%8）舱内甲烷（CH4）浓度 1.0%9）室内温度 3510）室内湿度 85%11）供氧量 0.5升/分钟人12）CO处理能力： 20分钟内将CO浓度由0.04%降到0.0024%以下13）CO2处理能力 0.5升/分钟人14）被困人员供水量 1.5L/天人15）被困人员食物发热量 5000千焦/天人16）被困人员人均供风量 0.3米3/分钟人， O2在18.5%22.5%间，连续噪声不大于70分贝。 2.3 设计工艺流程 移动救生舱生命保障系统设计工艺，如

11、下图： 2.4 生产工艺流程 移动救生舱生命保障系统生产工艺流程如图所示：2.5项目技术实现依据2.5.1设计思想依据“GB/T 2423.1-2001 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验A：低温，GB/T 2423.2-2001 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验B：高温，GB/T 2423.4-1993 电工电子产品基本环境试验规程 试验Db：交变湿热试验方法，GB/T 2423.5-1995 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验Ea和导则：冲击，GB/T 2423.10-1995 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验Fc和导则：振动(正弦，GB

12、 3836.1-2000 爆炸性气体环境用电气设备 第1部分：通用要求，GB 3836.4-2000 爆炸性气体环境用电气设备 第4部分：本质安全型“i”，GB 4208-1993 外壳防护等级（IP代码），GB 6388-86 运输包装收发货标志，GB 10111-88 利用随机数骰子进行随机抽样的方法，GB/T 14048.1-2000 低压开关设备和控制设备 总则，MT 209-90 煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求，MT 210-90 煤矿通信、检测、控制用电工电子产品基本试验方法，MT 211-90 煤矿通信、检测、控制用电工电子产品质量检验规则，MT 289-92 煤

13、矿本质安全型供电、自动电话机通用技术条件，MT 290-92 煤矿本质安全型供电、自动电话机主要性能测试方法，MT 406-1995 煤矿通信井下汇接装置通用技术条件，MT/T 899-2000 煤矿用信息传输装置2.5.2关键技术实现方法1、救生舱生命保障系统组网的实现方案（1） 与阳光金力的光环网一起组网 1.监控主机通过麦克对所有分站进行广播，也可以选择与某一分站进行单独通话；分站可以通过抢占的方式与监控主机通话。2.分站内的视频影像上电视墙，并在视频服务期内存储3.分站的监控数据由分站主动上报，并存储到实时数据库中4.分站通过判别3个传感器组上报的环境监控数据，了解救生舱内的空气质量及

14、温湿度变化，并通过控制舱内的风机、2个氧气瓶、1个氮气瓶、CO和CO2吸收剂和空调系统，来调节舱内的空气质量和环境温度。（2）与其它厂家的设备组网分站可以通过以太网口或RS485接口，连接到其它厂家的系统中，但这时分站只能上传监控数据，接收监控主机的配置或指令，而不能实现话音和视频的上传。2、生命保障系统分站的设计方案主系统结构如图： 主系统和TFT显示器放在生存舱的舱壁上，一个340mmx800mmx80mm的一个空间里。（一） 环境监测及控制（1） 通过RS485总线，采集救生舱内外O2、CO、CO2、CH4的浓度、温度和压力。（2） 将环境监控数据上报监控主机（3） 通过RS485总线采

15、集电源系统的相关数据（交直流供电；电压、电流；冲放电）（4） 通过RS485总线采集空气瓶的压力数据，并控制空气瓶的开启和关闭，实现一健启动时的空气洗涤，保证舱内环境安全（5） 通过通过RS485总线控制风机，实现舱内空气循环（6） 通过RS485总线采集红外人员统计装置的人员数量信息（7） 通过RS485总线采集氧气瓶的压力数据，并控制氧气瓶的开启和关闭，保证舱内的氧气含量（8） 通过RS485总线，控制空调系统。（二） 综合通讯（1） 光环网组成双光口组成环网通讯，带宽1000M，帧结构采用MCTP-III的帧结构 （2） 音频通讯主板上设置4线音频电路，连接舱内喇叭和麦克，实现与地面的音

16、频通讯。（3） 地面对井下广播监控主机通过设置，可以对井下所有救生舱进行广播（4） 地面呼叫救生舱监控主机通过选择，可以呼叫井下某救生舱（5） 救生舱叫地面救生舱通过电话按钮，可以呼叫地面（6） 视频舱内设置摄像机，通过VES（视频）模块，将舱内的画面传至地面电视墙（7） 其他除了VES模块，还可以任意安装4部电话（APMS）或4路以太网（EEMS）或4路数据（RS485）。（三） 综合显示 显示器分屏显示舱内外环境、人员、电源和通讯状态。 3、多参数传感器的设计 救生舱共设3个多参数传感器，分别安装在舱外、过度舱和生存舱。舱外多参数传感器能够检测O2、CO、CO2、CH4四种气体和温度，还备

17、份检测（压力）。过度舱多参数传感器能够检测O2、CO、CO2、CH4四种气体和温度、湿度，另外还有2个检测备份（压力及其它）。生存舱多参数传感器能够检测O2、CO、CO2、CH4四种气体和温度、湿度，另外还有2个检测备份（压力及其它）。多参数传感器安装在救生舱顶部，一个150mmx700mmx100mm的一个空间里。每个传感器有敏感元件+AD转换+CPU等电路组成，传感器上的CPU通过RS485总线将采集的数据传到分站主板。传感器可使用红外遥控调节设置4、制冷设备控制方案 空调制冷原理是使用蓝冰制冷，在不使用外接电源的情况下能够利用自带电源( 蓄电池) 或者不使用电源解决舱内人员在四天的时间内

18、能够在一个相对适宜的环境中生存(保证体感温度在25 oC到33 oC)，所以就需要采用储冷系统，在平常（未发生事故时）利用外接电源让设备制冷并将冷能存储起来，在发生危险使用时启动冷能释放，保证舱体内人员需要。储冷和释冷方案，原理如下图方案中主要利用储能与板换的形式进行温度交换，从而达到环境温度降低的作用5、空气循环与CO2、CO吸收的设计 救生舱项目由于使用环境的特殊性,需要在不使用外接电源的情况下能够利用自带电源( 蓄电池) 或者不使用电源解决舱内人员在四天的时间内能够在一个相对适宜的环境中生存(保证空气中CO2含量不能高于2000ppm之间，CO含量在0.0024%)，所以就需要采用废气吸

19、收净化系统，保证舱体内人员正常呼吸的需要。循环和吸收废气吸收流程图： 利用风机的吸风功能使空气循环通过CO2、CO气体吸收剂，CO2、CO被吸收，正常空气被放出。风机用来鼓风，把舱内的空气吸进净化室，并促进空气的循环；净化室用来放置CO2吸收剂和CO吸收剂，实现吸收废气的功能；出风口具有一定的容积，用来收集并按一定方向输出净化后的空气。为了稳定可靠，风机设置为2台互为备份的机组。6、智能均衡充电的电源管理系统采用多个铁锂电池组合起来，达到要求的容量和电压，可以用软包电池或硬壳电池。由于国标规定电池组的做大容量不得大于60Ah，所以我们选择单节3.2V容量60Ah的电池八节组立形成一个24V的输

20、出电压，容量60Ah的电池组。同时由于舱内设备多用输入电压12V和24V两种安全电压，这种设计比较符合设备使用需要。锂电组合如下：设计指标1) 电池组的规格：要求工作温度在-7050的，输出电压为24V，容量不大大于60AH。2) 电池箱的个数：为确保电源的供给，需要使用24V60Ah电池组四个，为了防止电池防止较长时间电量的损耗需要多备份一组电池箱，即总共5个24V60AH的电池组。3) 电池箱的设计：根据电池可靠性的总体评估。电池组选用硬壳包装，然后放在隔爆箱内使用，同时由于安全规定，接线处和充放电控制板处必须分别组隔爆处理。 4) 电池单体的选择：根据电池可靠性的总体评估。电池组选用硬壳

21、包装。5) 电池充放电的要求：要求全充全放循环1800次。充电时，使用660V交流电。要求设计时考虑660V转为220V的设计3.研究项目的创新点1、首创救生舱生命保障系统全自动化控制 生命保障系统中的监测控制系统采用实时嵌入式多任务操作系统，LCD触摸屏人机操作界面，自动控制方式和人工控制方式兼容，自动调节舱（或硐室）内生存环境参数，有线/无线通信和多种组网方式，兼顾六大系统的整合，对救生舱（或硐室）生存环境实现一键智能控制，系统双机热备和容错、纠错能力。 2、具有实用新型专利的舱内传感器组 生命保障系统中的舱（或硐室）内外多参数传感器采用主从处理器设计，提高了设备的可靠性；传感器模块可在线

22、/离线校准、气体/电子校准，提高了设备的实用性和可维护性。 3、具有实用新型专利的舱外环境参数采样装置 生命保障系统中的舱（或硐室）外环境参数采样装置具有防爆性能，在舱（或硐室）外正常情况下采样装置实时采样；当舱（或硐室）发送爆炸时通过高压电磁阀关闭采样通道，保护采样装置和多参数传感器。 4、三网合一的通讯方式 通过一对光纤解决舱内所有信号的传输问题，使用阳光金力的MCTP传输技术，将救生舱内的音频信号、视频信号、以太网信号、舱内、外环境参数、人员定位信息以及舱内电源管理信息，通过一对光纤传输到地面控制中心。 4与当前国内外同类研究、同类技术的比较1、国外现状、水平和发展趋势加拿大：法律强制矿

23、山建立避难所，提供氧气和处理有害气体，煤矿和金属矿山广泛应用，采用井下固定硐室与移动救生舱相结合的方式，硐室和救生舱内环境参数控制采用人工方式。南非：法律强制矿山建立避难所，因开采深度浅，一般采用硐室+大直径钻孔方式，硐室和救生舱内环境参数控制采用人工方式。澳大利亚：矿山使用移动救生舱是法律的基本要求，硐室和救生舱内环境参数控制采用半自动人工方式。美国、英国、德国：规定煤矿必须设立避难所，具体方式不确定，对硐室和救生舱内环境参数控制还没有采用自动方式。发展趋势：在保证气密、隔热、防护、供氧、有害气体去除、环境监测、通信等基本功能的同时，其防护时间从2448h提高到96h，电源倾向无源，供氧用化

24、学氧和压缩氧，空调降温系统逐渐成为必要组件，主要有4种方式：电力空调、蓄冰降温、液态CO2气化、通风降温。过渡舱为必要结构，舱内环境参数自动控制等。2、国内现状、水平和发展趋势国内移动救生舱的研发改“被动救援”为“主动救援”，按“氧吧救生器移动救生舱固定避难硐室”研发顺序进行。集科研、实验、生产“三位一体”的研发生产格局。对硐室和救生舱内环境参数控制目前大多采用人工方式，还未见厂家采用自动控制方式的。阳光金力救生舱生命保障系统：具备高起点。在充分借鉴国外成功经验的基础上，将潜艇、船舶、高楼逃生等领域高新技术用于井下避险设施研发。产学研紧密集合，相关领域单位积极参与。积极开展国际合作，借鉴、吸纳国外先进技术。阳光金力救生舱生命保障系统达到国家安全标准，其高性能低成本的特点适合中国煤矿和非煤矿山井下使用，推动煤矿和非煤矿山井下安全避险“六大系统”建设，做好井下生命保障工程，最终提高生命保障系统的自动控制水平。 5.项目实施与效果本年度完成救生舱分站的原理机设计和大容量锂电池电源的预研工作，并确立了原理机方案。多参数传感器完成了原理机设计。公司利用救生舱分站的原理设计了非煤矿上安全监控分站，该分站正在进行矿安标识认证。