（矿业工程专业论文）矿山应急救援综合模拟演习训练系统研究与应用.pdfVIP

论文题目： 专业： 硕士生： 校内导师： 校外导师： 矿山应急救援综合模拟演习训练系统研究与应用 矿业工程 芦江文 李树刚 王振平 摘要 ( 签名) 蒸三量 ( 签名) ( 签名) 我国煤矿由于技术条件限制，加之地质地层复杂、生产力水平不高、作业环境较恶 劣等，重大灾害事故时有发生。作为处理煤矿灾变事故的重要组织矿山救护队能否发挥 积极有效的作用直接取决于平时的训练效果。因此，研究一套矿山应急救援综合模拟训 练系统，对促进抢险救灾领域的科技进步有重要的意义。 通过分析国内外矿山应急救援演习训练巷道及其系统的现状，指明目前演习训练巷 道及其组成的应急救援综合模拟训练系统存在的问题，建立了矿山应急救援训练与演习 体系及设计原则，在兖州矿业集团公司建立了一套能够充分模拟井下环境的演习训练巷 道，并在此基础上研究开发一套模拟明火、高温、浓烟、有毒气体的灾害环境系统，实 现视频监控、语音通讯以及人员定位等功能。根据模拟系统建立救灾训练体系和方案， 通过多次救灾模拟演习对各单项系统性能及参数进行检验及评估。该训练系统在兖州矿 业集团公司矿山救护大队进行应用，改变了传统的单一的训练模式，提高了救护队员的 训练兴趣，提高了演习训练水平和效果。 关键词：矿山应急救援；模拟演习；训练系统；矿山救护队；巷道 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：s t u d ya n da p p l i c a t i o n i n s y s t e m o fc o m b i n e ds i n l u l a t i o n e x e r c i s ea n dt r a i n i n gf o re m e r g e n c yr e s c u ei nc o a l m i n e s p e c i a l t y ：m i n i n ge n g i n e e r i n g n a m e ：l uj i a n g w e n i n s t r u c t o r ：l is h u g a n g i n s t r u c t o r ：w a n gz h e n p i n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 纽互i 蚴芏坠 ( s i g n a t ur e ) 厶立丝归 ( s i g n a t u 代) 型兰习型坚竺j 。吁 a sr e s 臼c t i n go fc o n d i t i o ni nc o a l m i | 1 e ，m en a t u r a ld i s a s _ t e ri ss e v e r i t y ，a sw h i c ht h e g e o l o g yc o n d i t i o ni sc o m p l e x i 饥t 1 1 el e v e lo fp r o d u c t i v i t ) ri s n th i g h l l e s s ，a l l dt 1 1 ee n v l r o 衄e n t i sb 础l e s s ，s ot h eg r a v ea c c i d e mo r e nh 印p e n s t h e 佩i l i n ge 岱：c ta to t h e r t i m e sl sd l r e c 恤e s s d e c i d e db ye x e i t i n gp o s i t i v ea v a i l a b l ea c t i o no fr e s c u et e 锄a si m p o r t 锄c eo 玛a i l l z a t l o no l a c c i d e n td i s p o s a li nc o a l m i n e s oas y s t e mo fc o m p r e h e n s i v es i m u l a t i o ne x e r c l s ea 1 1 d 彻m n g f o re n l e r g e n c yr e s c u ei 1 1c o a l m i n ei sg t u d i e dw h i c hh a si m p o r t a i l c es i g n i f i c a n c et o rl m p r 0 v m g a d v a n c eo fs c i e n c ea l l dt e c h l l o l o g ) ri nf i e l do fe m e 玛e n c yr c l i e i nt l l i sa r t i c l e ，b ya 1 1 a l y z i i 玛t h ea c t u a l i t ya n de x i s t i n gp r o b l e m so ft h er o a d 【w a y o t e x e r c i s ea i l dt r a i n i n gf o r 锄e 略e n c yr e s c u ei nc o a l m i i l e 锄dt h es y s t e mo f 。c o m p r e h e n s l v e s i i n u l a t i o nt m i n i n g 蚤舛e m e r g e n c yr e s c u ea t h 0 i n ea n da b r o a d ，s e t t i n gu p 也es y s t e mo 士 e x e r c i s ea n d 饥l i m n gf o re m e r g e n c yr e s c u ea n dd e s i g np r i n c i p l ei i lc o a l m i l l e ，l ts c t su pa r o a d 、v a yo fe x e r c i s ea n dt r a i n i n g 、h i c hc a n s i m u l a t es u m c i e m l yc i r c 啪s 切n c ei i lu n d e 唱r o 咖【d ， a n dr e s e a r c h e sa i l dd e v e l o p m e n t sas i m u l a t i o ns y s t e mf o rd i s a s t e rc n 哪s 协c e o fo p e nt l a m e ， l l i 曲t e m p e r a n 鹏，d e n s es m o k ea n dn o x i o u sg a s ，w h i c hc a na c l l i e v e m n c t i o n so tv l d e o m o l l i t o r i n g ，v o i c ec o m m u i l i c a t i o na n dp e r s o m l e lp o s i t i o l l i i 培a c c o f d i n g t 0t l l es l m u l a t l o n s y s t e mt os e tu pm es y s t e mo fr e l i e f 倾i 血ga i l ds c h e m e ，t h ep e 墒n i l a n c e sa i l dp a r 锄e t e r so 士 e a c hm o n o m i a ls v s t e ma r ev c r i f i e da n de v a l u a t e db yr e l i e fs i m u l a t i o n e x e r c l s e st l m e 啦e r t i m e t 1 1 e 仃a i n i n gs y s t e m 印p l i e sf o rc o a l i i l i n e r e s c u et e 锄i i ly 诎啪gg r o u p ，w m c h c h a n g e st r a d i _ t i o nt r a i n i n gm o d e lo fs i n g l e n e s s ，a n d e n h a n c e st r a i n i n gi n t e r e s to t r e l l e l l d e r s o i l n e l ，a i l di m p r o v e st h el e v e la 1 1 de 腩c to fe x e r c i s e 舰i n i n g 7 一一一j 一一一一一 1 _ k e yw o r d s ：e m e r g e n c yr e s c u emc o a l m m e s i m u l a t i o ne x e r c i s et r a i n i n g s y s t e m c o a l m i n er e s c u et e a m r o a d w a y t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究f t 作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文l l 加以标注和致谢的地方外，论文- l - 不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使川过的材料。与我，一同丁作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文l | i 做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名0 乳交日期：，吖b - 丫 1 绪论 1 1 研究背景及意义 1 绪论 矿山救护队是处理矿井火灾、瓦斯、煤尘、水、顶板等灾害事故的专业化队伍，是 一个职业性、技术性的特殊组织【1 】。矿山救护队的任务一般包括以下方面：处理井下各 种灾害事故以及危及井下安全生产的地面事故：抢救遇险遇难人员；参加排放瓦斯、震 动性放炮、启封火区、反风演习和其他需要佩戴氧气呼吸器的安全技术性工作；参加审 查矿井灾害预防和处理计划，协助矿井搞好安全和消除事故隐患工作；协助矿井搞好职 工救护知识教育和培训。我国矿山救护队在实现煤矿安全生产过程中做出了重大的、特 殊的贡献。据不完全统计，1 9 9 3 年至1 9 9 5 年间，全国矿山救护队参加井下预防检查共 1 2 1 余万人次，发现事故隐患4 7 万余起，非紧急出动5 2 万余次，其中排放瓦斯3 5 4 0 2 次，震动性放炮诱导突出值班1 0 8 3 8 次，启封火区3 3 8 9 次，参加反风演习2 4 5 2 次，处 理各种事故1 6 1 8 2 次，抢救人员7 1 6 2 人【2 1 。 作为处理矿井灾害事故的专业化队伍，矿山救护队的职责是安全、迅速、有效地处 理事故，抢救受威胁的人员和国家财产。救护工作具有明显的时间紧迫性，灾变时期救 护队必须做到“闻警即到、速战能胜 ，在最短的时间内投入到抢险救灾战斗中去，把 事故造成的人身伤亡和财产损失控制在最低限度。工作的特殊性决定了矿山救护队具有 “练兵干日，用兵一时的特点，这也是矿山救护队的基本工作性质1 3 捌。因此，矿山 救护队必须像军队一样，平时要加强战备，坚持不懈地开展练兵活动，通过学习、训练 和管理工作，提高救护队员的政治思想觉悟、文化科学和身体素质，养成遵纪守法、服 从命令、听从指挥的习惯，树立不怕困难、吃苦耐劳、雷厉风行、连续作战的作风，坚 持从难、从严、从实战出发练就过硬的本领，全面增强队伍的战斗力。因此，建立一套 切实有效的综合模拟训练系统，对矿山救护队作用的充分发挥意义重大。 从我国的煤矿安全生产现状来看，由于当前技术条件的限制，加上煤矿自然灾害严 重、地质条件复杂、生产力水平低、生产环境恶劣，重大灾害事故时有发生，造成了大 量的人身伤亡和巨大的财产损失【3 】。新中国成立以来，煤矿发生一次死亡1 0 0 人以上的 特别重大事故共2 2 起，造成3 5 0 0 多人死亡。2 0 0 1 2 0 0 5 年，全国煤矿共发生事故18 5 1 4 起，死亡3 1 0 6 4 人，平均每年发生各类事故约3 7 0 2 起，死亡约6 2 1 3 人。其中，发生一 次死亡3 0 人以上特别重大事故4 2 起，平均每年发生8 起多，占全国各类特别重大事故 起数的5 8 。特别是从2 0 0 4 年第三季度到2 0 0 5 年底，我国煤矿相继发生了6 起死亡百 人以上的特别重大事故，损失惨重，造成了严重的社会影响1 6 - 9 】。表1 1 列出了我国煤矿 1 9 8 5 2 0 0 7 年的原煤产量和事故死亡人数。目前，煤矿重特大事故多发势头还没有得到 西安科技大学工程硕士学位论文 有效遏制，安全生产形势依然严峻。煤矿安全生产关系职工生命安全，关系煤炭工业健 康发展，关系社会稳定大局。作为处理煤矿灾变事故的重要组织，矿山救护队能否发挥 积极有效的作用直接取决于平时训练效果。因此，研究建立一套矿山应急救援综合模拟 训练系统，促进抢险救灾领域的科技进步，是煤矿安全生产的迫切需要，这也是落实科 学发展观的必然要求和构建社会主义和谐社会的重要内容，社会意义十分重大。 表1 11 9 8 5 2 0 0 7 年全国原煤产量和死亡人数统计 党和政府一直关心和支持矿山救护队的建设和发展，在“一五”期间即开始组建矿 山救护队，并制定了救护队试行规程。目前，我国共有煤矿矿山救护队1 2 0 余支( 包 括独立中队) ，救护人员2 1 0 0 0 余入【1 0 l 。长期以来，作为抢险救灾的主要力量，矿山救 护队在保障煤矿安全生产方面发挥了重要的作用。但是，由于种种因素的影响，矿山救 护队的发展现状依然无法满足当前安全生产的实际需要。另外，矿山救护指战员在执行 救援任务时的伤亡现象也时有发生，甚至曾发生成建制的整个救护小队群死群伤的现 象。分析抢险救灾过程中的救护队员伤亡事故，我们可以发现这些事故的发生大多是由 于矿山事故的复杂性、装备水平、装备可靠性以及违章作业等多方面因素的影响，但究 其根本原因，则还是由于救护队缺乏实战经验和处理各种意外情况的应变能力，而这归 根到底还是由于缺乏先进有效的训练场地和训练手段而引起的。建立完善的救护演习巷 道及其系统，制定科学、合理的训练方案，切实提高队伍的实战能力，是目前矿山救护 队面临的重要课题。 矿山救护队的演习训练有战斗准备检查演习和实战演习两种，前者在于检查战斗准 备状态、出动时间、出动人数和技术装备携带情况；后者在于提高救护队员实战能力u 。 大多数训练科目都需要在演习训练巷道中进行，演习训练巷道是模拟矿井巷道、硐室的 2 1 绪论 重要基础训练设施，在演习训练巷道内进行的综合演习能够尽可能地接近实战现场，可 以增强救护指战员的适应能力。演习巷道一般应设置平巷、斜巷、立井、低巷、窄巷以 及高温硐室，并相应地配置各种设备。在平巷、斜巷、立井中，主要训练队员搬运能力； 在低巷、窄巷中，主要训练队员通道能力；在高温硐室中，主要训练队员耐高温、浓烟 等恶劣环境中进行高强度体力劳动和操作设备的能力。可见，建立一套包括演习训练巷 道在内的综合模拟训练系统，实现救护队员训练工作的高效化显得尤为重要。 1 2 国内外研究现状 在工业发达国家，应急救援工作已经成为整个国家危机处理的一个相当重要的组成 部分。尤其是进入世纪年代以后，一些工业发达国家把应急救援工作作为维护社会稳定、 保障经济发展、提高人民生活质量的重要工作内容。事故应急救援已成为维持国家管理 正常运行的重要支撑体系之一【1 2 - 1 3 】。 我国煤矿救护规程第6 4 条规定：矿山救护队必须定期进行高温浓烟演习训练。 每次训练的内容包括：闻警出动、下井准备、战前检查、侦察、检查各种有毒有害气体、 运送遇险人员、对遇险人员进行急救、支护顶板、清理巷道堵塞物、灭火、建造各种密 闭墙、安装局部通风机、铺设管道、安装发射高倍数泡沫灭火机、安装发射惰性气体灭 火装置等。每个指战员的演习训练每月不少于一次，每次佩戴氧气呼吸器时间不少于3 小时。 鉴于日常的救护训练系统对于提高矿山救护队实战水平的重要性，国内外相关人员 对其相关训练设备及系统进行了研究，并取得了一定的成果，但总体上来看，仍无法满 足目前矿山救护队的实际需要。 英国的救护队员每年要进行6 天的年度培训，并且必须保证每季度培训1 次，其中 要包括2 次高温潮湿环境的训练。训练内容主要包括重物提升、快速持续行走、狭小空 间行走、救助被困人员和构建相关设施等【1 4 d5 1 。这些训练科目基本覆盖了抢险救灾的内 容，但英国只是进行这些科目的单项训练，其训练演习巷道相对简单，对于灾害环境的 模拟也限于燃烧炉，无法实现对矿井环境的高度模拟。而且，英国的训练系统并未能实 现可视化、可控化的功能，无法实现较高水平的训练效果。波兰救护队员每年进行6 次 正式演练，每次一周，根据波兰制定的政策法规，每次的培训内容各有侧重，类似英国， 波兰的救护队日常训练工作缺乏一个高度逼真的综合模拟训练巷道及其系统【i 纠9 j 。 美国曾开发过矿山应急交互式培训模拟( m e 砌t s ) 软件，但其专门用于为矿山救 护指挥中心领导提供决策信息，而且没有实现与训练演习巷道的配套使用，无法满足救 护队员的训练需要口o 。2 3 1 。对于俄罗斯【2 4 五6 】、南非【2 7 2 8 1 、德国【2 9 。o 】、澳大利亚【3 1 。3 3 1 、印 度p 4 j 等国家来说，虽然矿山救护队的发展历史也比较长，但目前的救护训练同样限于使 用传统的分项训练方式，演习训练巷道的功能单一，缺乏一套可视化、可控化的高效综 3 2 矿山应急救援训练与演习体系 2 矿山应急救援训练与演习体系 矿山应急救援工作事关矿工生命安全、国家财产和人民群众的根本利益，是煤矿安 全生产中一个极其重要的组成部分。它不仅是矿山企业安全生产工作的重要内容，也是 重要的社会公益性事业，关系到国家发展与稳定的大局，关系到我国在国际政治经济生 活中的地位和影响，特别是在我国加入w t o 后的今天，更具有特殊的重要的意义。 世界各国对矿山应急救援工作都很重视，美、德、波兰、南非等国的矿山应急救援 体系比较健全。如美国在1 3 个州建有7 8 支矿山救护队。有以匹兹堡安全与健康技术中 心为龙头的技术支持体系，还设立了矿山紧急救援队等。救护队的组织形式、装备、培 训、救灾程序和经费来源等都以法律法规的形式明文规定。德国建有矿山救护委员会， 下辖5 个救护总站、5 4 个救护站和7 2 个事故抢险救护站，负责矿山及工厂的救护工作。 波兰建有三级矿山救援组织，设在贝托姆的矿山救护总站，既是矿山应急救援的主要力 量，又是矿山应急救援的技术支持体系的重要组成部分。总站下辖l o 个区域性救护分 站和9 2 个救护站，共9 7 0 0 人【4 2 j 。 2 1 我国事故应急救援存在的问题 我国事故应急救援的发展大致经历了两个阶段初始阶段和快速发展阶段。我国目前 的事故应急救援工作，虽然有了一定的基础，但是没有形成明确、统一、系统的应急体 系，远远不能适应我国国民经济发展和安全生产工作的需要。目前国家安全生产监督管 理总局已明确提出“尽快建立、健全事故应急救援体系 ，按照体系完整、机制完善、 功能齐全、反应灵敏、决策果断、行动迅速、运转协调、救助有力的要求，积极整合现 有应急救援力量，改善装备条件，推进技术进步，构建新的格局。我国应急救援工作存 在的问题主要表现在以下五个方面【4 5 1 ： ( 1 ) 应急救援力量分散，应急指挥职能交叉 应急救援力量分散于多个部门，各部门根据自身灾害特点建立了相对独立的应急体 系，这些应急救援力量在指挥和协调方面，基本上仅局限于各自领域，没有完全建立相 互协调与统一指挥的工作机制。由于应急力量的分散、应急力量和资源还缺乏有效整合 和统一协调机制，当发生重特大生产安全事故，尤其是发生涉及多种灾害或跨地区、跨 行业和跨国的重特大事故时，仅仅依靠某一部门的应急力量和资源往往十分有限而临时 组织的应急救援力量，则往往存在职责不明、机制不顺、针对性不强等问题，难以协同 作战，发挥整体救援能力。 ( 2 ) 应急管理薄弱，应急反应迟缓 我国多数地方与部门没有明确的应急工作的统一管理机构，整个应急救援体系缺乏 7 西安科技大学工程硕士学位论文 每个矿山救护中队都应有演习巷道设施。演习巷道能模拟井下各种事故的复杂条 件，使救护队的演习接近实际。演习巷道应设置平巷、斜巷、立井、低巷、窄巷以及高 温硐室，并相应地配置各种设备。在平巷、斜巷、立井中，主要训练队员搬运能力；在 低巷、窄巷中，主要训练队员通道能力；在高温硐室中，主要训练队员耐高温、高湿度 以及在充满浓烟等恶劣环境中进行高强度体力劳动和操作设备的能力。 在演习巷道中进行高温浓烟演习，每个中队每月不应少于一次，每次佩用氧气呼吸 器时间不少于3 小时( 其中高温累计时间不应少于3 0 分钟) 。 演习特别是全面演习或综合演习，主要是在宏观上检验应急预案的可靠性与可行 性，是进行预案修正的依据。同时，演习也为各个应急救援专业组织之间、应急救援指 挥人员之间的协作提供实际配合的机会，以提高他们的协同工作能力和水平。 应急管理部门应该按国家法律和法规要求，定期开展事故应急与防灾演习。 2 4 3 演习的评估 评估的主要目的是：( 1 ) 辨识应急预案和程序中的缺陷；( 2 ) 辨识出培训和人员需要； ( 3 ) 确定设备和资源的充分性；( 4 ) 确定培训、训练、演习是否达到预期目标。 确定评估的第一步是审查培训、训练演习的专项目标，评估每项目标的标准应该在 培训、训练、演习计划制定过程中考虑。如果它不能测定或评估，则不应考虑作为目标。 训练和演习的评估可分为三个阶段：( 1 ) 评估人审查；( 2 ) 参加者汇报；( 3 ) 训练和演 习的改正。 评估者和上级主管人员在一定位置观察和记录参加者的反应，通过观察参加者在训 练和演习中的行动和预期行动进行比较。 2 5 本章小结 本章阐述了矿山应急救援的重要性和特点，重点论述了矿山应急救援系统，以及矿 山救援的重要性及目的，最后研究了矿山救援演习体系的构成。 1 ) 矿山应急救援训练与演习是检测培训效果、测试各类设备和保证所制定的应急 预案和程序有效性的最佳方法。 2 ) 矿山应急救援演习与训练的基本内容主要包括基础训练、专业训练、战术训练 和自选科目训练四类。 3 ) 矿山应急演习是一种综合性的训练。演习是在模拟事故的条件下实施的，是更 加逼近实际的训练和检验训练效果的手段。事故应急演习也是检查应急准备周密程度的 重要方法，是评价应急预案准确性的关键措施，演习的过程，也是参加和参观人员的学 习、提高的过程。 4 ) 矿山应急救援演习与训练的评估的主要目的是：a 辨识应急预案和程序中的缺陷； 1 4 2 矿山应急救援训练与演习体系 b 辨识出培训和人员需要；c 确定设备和资源的充分性；d 确定培训、训练、演习是否达 到预期目标。 1 5 西安科技大学工程硕士学位论文 3 矿山应急救援综合模拟演习系统结构研究 矿山应急救援综合模拟演习训练系统的研究主要由对模拟演习训练巷道和演习模 拟功能等两部分构成。 3 1 应急救援模拟演习训练巷道布置 根据矿山应急救援工作的特点，建设矿山应急救援模拟演习训练巷道必须满足以下 基本要求： ( 1 ) 根据采矿作业的井下特点，将演习训练巷道尽可能设计为井下通风巷道。 ( 2 ) 按照倾角不同，模拟训练巷道系统内的巷道分为平巷、斜巷、立井。 ( 3 ) 为了满足救护队员穿越障碍的能力，需要设置专门的矮巷。 ( 4 ) 地下巷道系统必须进行通风，以模拟火灾、瓦斯爆炸期间灾害气体受通风动 力的影响、蔓延、迁移等规律。 国内外矿山救护机构现有的演习训练巷道一般为地面构筑物，即在地面构建巷道及 硐室等，用于模拟井下环境。但是，大部分演习训练巷道构造简单，存在空间、面积狭 小的缺陷，无法充分模拟煤矿井下的环境，只能用于进行建砖闭、板闭、风障等科目的 训练，难以满足矿山救护队进行综合演习训练的要求。 根据上述演习训练巷道设计原则的要求，兖州矿业集团公司矿山救护队建设了模 拟演习训练巷道系统，实现了演习巷道方面的突破性进展。在充分考虑现场情况的基础 上，相关人员对模拟巷道的建设事先进行了详细的设计。依据设计，该模拟巷道从地面 开挖，然后封顶，整个模拟演习训练巷道位于地面以下，入口位于地面，通过一段斜巷 进入位于地面以下的巷道主体部分。 演习训练巷道由东部进风巷、北大巷、南大巷、轨道联络巷、矮巷、西部回风巷、 回风井组成。其中南大巷和北大巷是平时的主要训练巷道，这两条巷道内各有四个峒室， 共计8 个峒室，均有风门同轨道巷相连。包括峒室在内的整个巷道长度约有2 0 0 米，主 要巷道的断面为拱形，底边2 5 米，高2 1 米。八个峒室的断面为梯形，上宽1 8 米，下 宽2 5 米，高1 8 5 米，峒室长5 4 米。其中南大巷、北大巷和轨道联络巷长度各为2 6 米，东部联络巷为1 9 米，斜巷为1 0 米，西部联络巷一直到风井为2 8 米。项目实施前 用于产生高温浓烟的炉体位于轨道联络巷的东头，高温浓烟训练主要在南大巷内进行， 北大巷主要用于建密闭等操作训练。整个训练巷道形成了完整的进回风系统，而且通过 开、关风门可形成多种通风网络。另外，由于巷道总长度达到2 0 0 多米，且形成网状结 构，可以进行灾区侦察等综合训练。该巷道的平面布置如图3 1 所示。 1 6 3 矿山应急救援综合模拟演习系统结构研究 图3 1 模拟巷道的平面布置示意图 3 2 应急救援模拟演习系统构成 模拟演习训练系统包括主控室和演习现场两部分，在主控室设置上位机、监视器、 画面分割器、投影仪和语音装置等部件；演习现场布置的主要设备种类及分布见图3 2 所示。 图3 2 演习现场布置的主要设备种类及分布图 3 3 应急救援模拟演习系统特点 1 7 西安科技大学工程硕士学位论文 模拟演习系统必须实现升温控制、产烟控制、毒气释放及控制、瓦斯爆炸演示、语 音对讲系统和视频监控等。 ( 1 ) 升温控制 为了满足整个系统的自动化控制要求，决定采用目前世界上成熟可靠、应用广泛的 p l c 控制系统。p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r 0 1 l e r ) 可编程逻辑控制器是指专门为工 业环境条件下应用而设计的一种数字运算操作电子系统，它采用一种可编程的存储器， 用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的 指令，并通过数字式或模拟式输入、输出，控制各种类型的机械或生产过程【5 1 。5 3 1 。 在4 个演习峒室内分别安装4 套升温及检测装置，既能对每个峒室单独控制，又能 总体调整。通过铂电阻温度变送器进行温度检测，并由p l c 可编程逻辑控制器进行控 制，实现巷道内温度的自动化控制。 ( 2 ) 产烟控制 该系统由2 台产烟装置和2 套能见度检测传感器组成，由p l c 自动控制演习巷道 内的烟雾浓度。 ( 3 ) 有毒气体释放及控制 在井口房设置有毒气体储气罐，通过2 套有毒气体输送管路上的电磁阀，控制演习 巷道内有毒气体的释放，2 套有毒气体传感器采集有毒气体的浓度值，传输到p l c 中进 行浓度控制。 升温、产烟、有毒气体释放及控制系统都是以p l c 为核心。p l c 控制系统如上图 3 2 所示。p l c 通过各种传感器采集现场的参数值，接受各种控制指令，对运行条件及 状态进行处理，最后控制各种装置的协调运行。同时将各种运行信息传输到计算机过程 监控的数据库中。 ( 4 ) 语音对讲 通过语音对讲系统，可以在调度指挥中心发布指令，指挥或指导训练；也可以在演 习训练现场向调度指挥中心汇报训练情况或进行问题沟通【5 钔。 语音对讲系统的主要组成如图3 3 所示。该系统在调度指挥中心设置定压功放，指 挥人员在这里发出指令，由麦克风输入经功率放大，传输至训练现场的防水音箱。定压 功放具有传输距离远，抗干扰能力强的优点，防水音箱能满足演习巷道内潮湿的环境要 求。防水音箱的布置应考虑到覆盖整个训练区域，使所有训练人员都能听到指令信息。 现场的反馈信息可以通过现场的麦克风、定压功放、柱状音箱通过类似途径传输至 调度指挥中心。 1 8 3 矿山应急救援综合模拟演习系统结构研究 演习现场 图3 3 语音对讲系统 _ hj _ j_ _ - “hh hj t _ 现场 苴控系坑螓 话筒 柱状音箱 ，。 一。_ 。+ 。+ ”1“。 一1 h 主控翻室 图3 4 视频监控系统 ( 5 ) 视频监控 通过在巷道及峒室内设置多个带云台的定焦和变焦摄像头，将现场视频信号传输到 调度指挥中心，再通过1 6 画面分割器传递到监视器，同时可以通过投影仪投影到大屏 幕上，这样就可以在调度指挥中心内实时观察现场训练的情况。 视频监视系统的组成如图3 4 所示。在演习现场设置红外线摄像头，用来监视演习 1 9 西安科技大学工程硕士学位论文 现场人员的情况。在演习峒室内设置定焦摄像头，而在冗长的演习巷道内设置带云台的 变焦摄像头，带云台的变焦摄像头通过主控室内的键盘控制器控制云台的旋转、仰俯及 摄像头的焦距，以便更清楚地查看1 5 j 。 ( 6 ) 人员定位 演习人员携带存储人员信息的电子标签，在演习关键点设置读取电子标签的装置一 读头，读头连续读取并将信息通过网络传送至调度指挥中心内的主控计算机，通过人员 定位系统可以知道每个队员在巷道中的相对位置，这就避免了当烟雾过浓，能见度过低 时监控系统的不足。如图3 5 所示： 主控制室 上位机 画燧 图3 5 人员定位系统 ( 7 ) 过程监控 过程监控系统是人一机交互的窗口，它采集p l c 的运行情况，通过状态画面实时 显示现场温度、烟雾浓度、有毒气体浓度等过程值，显示系统各设备的运行状态，同时 也可以将用户的指令传送给p l c 进行处理，还能显示演习的实时流程，报警信息。采 集现场温度、烟雾浓度、有毒气体浓度等的数值形成实时历史曲线，形成报告表格可 以打印输出，以便对每次演习的结果进行总结、汇报，险情报警等。 3 矿山应急救援综合模拟演习系统结构研究 3 4 本章小结 根据矿山应急救援工作的特点，提出了建设矿山应急救援训练巷道必须满足的基本 原则。结合本文第2 章的建立矿山应急救援训练与演习体系及其相应的基本要求，在兖 州矿业集团公司矿山救援队建设了模拟演习训练巷道系统，矿山应急救援综合演习训练 系统包括演习训练巷道和演习模拟功能系统等部分，主要有得出以下几点结论： ( 1 ) 演习模拟功能系统设计的总体目标是在演习训练巷道内开发一套模拟瓦斯爆 炸、明火、高温、浓烟、有毒气体的自动化控制系统，同时具有视频监控、语音通讯、 人员定位能。 ( 2 ) 在系统控制方式上，要求既能现场手动控制，又能远程手动控制和程序控制。 ( 3 ) 演习模拟功能系统包括升温控制系统、产烟控制系统、毒气释放及控制系统、 瓦斯爆炸演示系统、语音对讲系统和视频监控系统等，模拟演习训练系统包括主控室和 演习现场两部分，在主控室设置上位机、监视器、画面分割器、投影仪和语音装置等部 件。 2 1 西安科技大学工程硕士学位论文 4 矿山应急救援综合模拟演习系统功能研究 4 1 控制系统 本系统要求所有功能实现装置包括升温装置、产烟装置、有毒气体释放装置，以及 配套的温度传感器、烟雾浓度传感器、气体浓度传感器都要实现自动化控制。另外，原 有的风机、水泵、照明系统也要纳入控制范围。 p l c 控制技术是在2 0 世纪7 0 年代发展起来的，是一种适用于工业现场的微机控制 系统，因其可靠性高、运行稳定、平均无故障率以年计算、维护方便等诸多优点而得到 非常广泛的应用；随着计算机技术的发展，利用它的可视化效果、友好的人一机界面、 方便的文件记录存储和报表输出功能等优势，现在被工控领域得以广泛利用，“基于p c 的控制技术”成为新的发展主流；先进的定位技术是利用单片机的运算速度快、微功耗 和微体机等优势，参照国外成功的先进技术，它为全球矿业提供井下通信系统，帮助矿 山提高生产率和安全性。 根据系统的设计目标和演习训练巷道与调度指挥中心的实际情况，控制系统的整体 设计方案是：在演习训练巷道入口设置以p l c 为核心的现场控制柜，在调度指挥中心 设置主控计算机，主控计算机与现场p l c 通过p r 0 邱u s 现场总线通讯。 根据系统数字量和模拟量输入、输出所需的点数，采用西门子“s 7 3 0 0 ”型p l c ， p l c 通过p r o 肋u s 现场总线与调度指挥中心的控制计算机连接，主控软件采用与西门子 p l c 配套的w i n c c 组态软件编程。 4 1 1 系统配置及功能 1 ) 根据训练的需要，可以选择不同的训练区域进行控制，也可进行全区域的控制， 控制区域的选择在中央控制室的计算机上进行选择； 2 ) 训练现场的训练环境参数，根据训练的需要在中央控制室的计算机上进行设定； 3 ) 系统可以选择全自动半自动手动，三种训练模式，在全自动方式下，只要点击 演习开始按钮，系统依据选择的训练区域和训练参数，自动模拟现场的训练环境，进行 升温、产烟、c o 释放等，不需人工干预，点击演习结束按钮，系统自动完成排烟、排 气、降温等后续工作； 4 ) 电视监控系统可以全方位地显示训练区域的训练情况； 5 ) 广播系统可以方便地与各训练区域进行通话，以便及时对训练现场进行监督、 指导。 ：筌：量耋：竖兰：耋兰鎏：l 鎏：i j 竺耋 4 1 2 系统构成及功能 控制系统是由工业计算机，控制站( 德国西门子公司的s 7 - 3 0 0 系列的p l c ) 通过 p r o 肋u s - d p 工业控制网连接组成。整个系统的配置构成详见见圈4l 。 m m ”1 4 网 匣嘲 哪姗岫 沁嘲舢锄l 棚豳 置瞳互 幽4 1 计算机控制系统配制图 模拟训练自动化控制系统的主要功能包括：控制功能、显示功能、语音功能、操作 功能、数据通信功能、综台信息管理功能。 1 ) 控制功能：操作人员在主控室，可以通过计算机的w i n c c 控制画面来设定模拟 演习巷道的目标温度值，这个温度值传送到p l c 的存储器中，p l c 根据现场检测的温 度实际值与上面的设定值相比较然后进行p 运算( 这是因为加热系统的热惯性很 大) ，再去控制温升系统的输出，来达到自动控温的目的。 2 ) 显示功能：操作人员在主控室能够通过w i n c c 的主控画面就可以知道系统的 运行状况，如升温系统、产烟系统、风机的工作状态以及温度的设定值和巷道内温度的 实际值：通过监控系统可以监视训练队员的状态，如训练的实际情景、是否有人员的危 险等：通过人员定位系统可以知道每个队员在巷道中的相对位置，这就避免了当烟雾过 浓。能见度过低时监控系统的不足，在国际上已经成功用于井下人员的定位控制。 3 ) 语音功能：指挥员在主控宣可以通过语音系统对演习队员提供技术指导，也可 直接发布命令，提高了实际训练的效果和灵活性。 够一 曩r 西安科技大学工程硕士学位论文 4 ) 数据通讯功能：p l c 与主控室w i n c c 系统通过p r 0 肋u sd p 网络进行实时数据 交换。 5 ) 操作功能：控制人员不仅可以在主控室对系统进行操作，而且可以通过模拟巷 道入口处的控制柜上的手动操作按钮进行操控。 6 ) 综合信息管理功能：控制系统的运行参数可以被存储，包括系统的故障信息， 这为训练系统的工作性能和维护提供方便，具体内容后面有详细的叙述。 4 1 3 控制软件 监控和管理模拟训练各个区域的所有设备和仪表。中央监控计算机的功能是对整个 模拟训练环境进行监控，通过中央监控计算机可对整个模拟训练环境运行进行管理。监 控人员可以在中央监控计算机上查看各个训练区域的环境参数、实时数据；遥控设备、 调整工艺运行参数；处理报表等。 ( 1 ) s i m a t l cs 7 3 0 0 可编程序控制器 s i m a t i cs 7 3 0 0 可编程序控制器是模块化结构设计，能满足中等性能要求的应用。 各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展1 6 0 】。 s i m a t i cs 7 3 0 0 的大量功能支持和帮助用户进行编程、启动和维护。 高速的指令处理 0 6 0 1 p s 的指令处理时问在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新应用领域。 浮点数运算 用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算。 方便用户的参数赋值 一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参数赋值，这样就节省了入门和培 训的费用。 诊断功能 c p u 的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件 ( 例如：超时，模块更换，等等) 。 口令保护 多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许复制和修改。 操作方式选择开关 操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式。这 样就防止非法删除或改写用户程序。 d 烈标准导轨安装 只需简单地将模块钩在d i n 标准的安装导轨上，转动到位，然后用螺栓锁紧。 集成的背板总线 4 矿山应急救援综合模拟演习系统功能研究 背板总线集成在模块上，模块通过总线连接器相连，总线连接器插在机壳的背后。 更换模块简单并且不会弄错 更换模块时，只需松开安装螺钉。很简单地拔下已经接线的f j 连接器。在连接器上 的编码防止将已接线的连接器插到其他的模块上。 可靠的接线端子 对于信号模块可以使用螺钉型接线端子或弹簧型接线端子；采用一个带螺钉或夹紧 连接的1 至3 线系统进行预接线。或者直接在信号模块上进行接线。 ( 2 ) 监控软件w i n c c 监控软件w i n c c 的各项功能满足系统的各项要求，利用w i n c c 可有效地监视并 控制机器和过程，这是一种易用的，可集成的，基于组件的h m i 系统。w i n c c 基于 m i c r o s o rw i n d o w sn t 厂w i n d o w s9 8 厂w i n d o w s 2 0 0 0 平台设计，并且是第一个把a c t i v e x 控制嵌入画面的h m i 软件包。由于可与s i e m e n s 产品集成，w i n c c 为监视和运行控 制系统提供了极大灵活性【6 1 1 。从功能强大的可扩展性到有效的多产工具，w m c c 增强 的可重复使用性节省了开发时间并降低开发费用。 图形与动画 w i n c c 提供的绘图工具可生成简单或复杂的图形对象或文本，以及包含许多常用 图形对象的库，可以将这些图形对象拖放到画面中。也可以使用其它绘图软件包如 a u t o c a d 和c o r e l d r a w 生成的对象。使用w i n c c 动画控制可以激活图形对象以使它 们反映出过程变化。 报警监视 可对开关量或模拟量标签组态报警，并使用警告摘要窗口显示报警信息。可以自定 义报警摘要窗口，如使用颜色标明警告严重性等级，以使操作者易于发现警告，或按时 间顺序或严重性等级排列报警信息，或过滤警告，这样就只会看到那些希望看到的警告。 登录 在运行时纪录系统信息。动作登录记录了系统动作，如命令或宏的执行、系统信息、 错误、以及通讯错误。报警登录纪录报警信息，即在报警监视中，当某标签进入报警状 态、脱离报警状态、报警被确认、以及报警被强制时登录信息。数据登录记录了一定条 件下的标签值或数据。这些条件在数据登录模式中定义。登录的数据存贮在文件中，并 可进行趋势显示。所有登录住处保存为d b a s ei v ( d b f ) 格式，且能在第三方软件如 m i c r o s o re x c e l ，c 巧s t a lr e p o r t 和f o x p r o 中使用。 趋势 利用w i n c c ，您可在一个趋势中绘制1 6 条标签曲线，并且当标签穿越参考值时使 用阴影来突出显示。组态趋势可在运行时动态调整坐标轴以控制数据的显示。 事件检测 西安科技大学工程硕士学位论文 事件是可触发动作的w 酣c c 表达式。利用事件检测使应用软件能对系统和过程中 的事件进行自动响应。 安全系统 项目级安全系统允许限制用户或用户组访问特定的画面或改变某些标签值。系统级 安全系统允许将用户锁定在w i n c c 应用软件中，即不能退出到w i n d o w s 操作系统。 重复使用标签数据库 只要打开w i n c c 标签浏览器，可以导入逻辑编程软件中使用的全部数据库，或者 选择您需要的梯形逻辑所用的标签，而不需导入整个数据库。w i n c c 提供了方便直观 的文件夹结构以使组织和重新利用标签更容易。 重复利用画面 w i n c c 支持许多标准图形文件格式，可以使用现存的图形而不必重画。可以拖放 图形文件，或复制并粘贴到w i n c c 画面，或使用w i n c c 图形库而不必亲自绘制复杂 的对象。w i n c c 带有成百个图形对象，可将它们拖放到画面中。对经常使用的图形对 象，可以创建自己的库。 扩展和升级您的项目与系统 当项目扩展时，可以容易的将w i n c c 软件升级到更多标签数据库限制版本，最多 可扩展到6 4 k 个点，而对项目无需任何改变。因为w i n c c 项目在w i n d o w s9 5 和w i n d o w s n t w i n d o w s 2 0 0 操作系统间完全兼容，可以在任一个操作系统上运行同一个项目。只需 要重新组态p l c 驱动程序名称。 互操作性 s i e m e n s 的产品可以集成工作，因而可以建立自定义应用程序。例如，可以在 w i n c c 中选择逻辑编程所使用的标签。利用软件包集成的通讯驱动程序，可以直接建 立梯形图编程软件和w i n c c 与处理器的通讯。 利用w i n c c 的开放式设计可容易地与m i c r o s o r 产品共享信息。w i n c c 标签数据 库是o d b c 兼容数据库，可以利用其它数据库工具浏览并管理标签，如m i c r o s o