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避难舱环境模拟分析及测试系统的研制

作　者: 汪强
导　师: 张昱
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 避难舱测试系统呼吸代谢 PLC
分类号: TD774
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

我国作为煤炭生产大国，煤炭产量约占世界总产量的三分之一左右，然而每年由于矿难事故造成伤亡人数却占世界总伤亡人数的80%，居世界之首。频发的矿难事故引起了世界各国的关注，目前各国都致力于井下避难舱系统的研制，然而避难舱系统设计完成后如何对其进行测试成为一个关键问题。因此，为评估测试避难舱的环境控制和生命保障系统有效性，本文在对避难舱进行环境模拟分析的基础上，研制了避难舱测试系统。该系统可以替代真人进舱实验，模拟1-36人代谢过程，实时监测舱内氧气、二氧化碳等气体浓度以及温度、湿度等舱内的环境变化，从而为避难舱系统的检验提供测试和依据标准。本文对测试系统模拟人体代谢工作原理、测试系统各模拟分系统的设计以及上位机软件的设计等都进行了详细的介绍。理论方面通过建立人体在舱内的换气模型，仿真模拟舱内各气体浓度和压力变化过程，根据人体呼吸代谢原理，本文提出几种可行的模拟人体代谢方案，并分别对比分析，最终采用抽取置换气体的方案。系统硬件设计选择西门子中档型S7-300PLC作为系统控制主机，同时开发设计了模拟人体热辐射和产湿功能的温湿度系统以及模拟人体代谢的仿人工呼吸机，并对仿人工呼吸机的机械结构和工作原理做了具体论述。软件方面下位机控制系统在STEP7软件平台上进行硬件组态和编程，上位机监控软件选择组态王进行界面设计和编程，实现对舱内各环境参数的显示、报警、数据存储和报表输出等功能。本测试系统经实际现场运行测试，能够满足设计要求，模拟人体代谢，实时监测舱内环境变化，可以实现对避难舱系统的检测和评估的功能。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-14
  1.1 课题研究背景及目的和意义  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-10
  1.3 测试系统的功能  10-12
    1.3.1 系统简介  10-11
    1.3.2 仿生模拟人体代谢  11-12
    1.3.3 舱内环境监测  12
  1.4 课题主要研究内容  12-14
第2章避难舱环境模拟分析  14-25
  2.1 避难舱环境控制和生命保障系统  14-17
    2.1.1 氧气供给单元  15-16
    2.1.2 温湿度控制单元  16
    2.1.3 有害气体处理单元  16-17
  2.2 舱内环境模拟仿真系统  17-24
    2.2.1 仿真系统概述  17-18
    2.2.2 模型建立  18-21
    2.2.3 模型仿真结果及分析  21-24
  2.3 本章小结  24-25
第3章测试系统方案设计  25-31
  3.1 系统设计功能要求  25
  3.2 模拟人体代谢方案比较与选择  25-30
    3.2.1 碳比例氧化方案  26-27
    3.2.2 丙烷燃烧方案  27-28
    3.2.3 抽取置换气体方案  28-30
  3.3 总体方案设计  30
  3.4 本章小结  30-31
第4章测试系统设计  31-51
  4.1 代谢模拟系统设计  31-35
    4.1.1 仿人工呼吸机设计  32-33
    4.1.2 温湿度分系统设计  33-35
  4.2 控制系统设计  35-42
    4.2.1 控制系统核心PLC简介  35-38
    4.2.2 PLC模组选择与连接  38-39
    4.2.3 硬件组态  39-40
    4.2.4 控制柜设计  40-42
  4.3 下位机软件设计  42-45
    4.3.1 STEP 7 软件编程  42-43
    4.3.2 编程语言选择  43
    4.3.3 程序设计  43-45
  4.4 上位机软件设计  45-50
    4.4.1 组态王简介  45-46
    4.4.2 上位机界面设计  46-50
  4.5 本章小结  50-51
第5章系统测试与分析  51-58
  5.1 测试系统整机调试  51-52
  5.2 系统工作环境及测试指标  52-53
  5.3 测试数据及分析  53-56
  5.4 测试系统误差分析  56-57
  5.5 本章小结  57-58
结论  58-60
参考文献  60-64
致谢  64

避难舱环境模拟分析及测试系统的研制

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