煤矿井下风门自动控制系统的设计与应用

王金刚

(霍州煤电集团金能煤业有限公司，山西 忻州 034000)

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引言

煤矿井下的生产和运输系统，采用人工方式启闭风门会造成人力的浪费，降低了生产运输效率，甚至会造成人员的伤害。为了有效避免风门装置对人身的伤害，降低作业人员的劳动强度，有效控制成本，提高生产运输效率，最近一些年来，我们对此进行了深入地分析和研究。随着煤矿安全生产自动化水平的不断提升，我矿利用自动控制系统、信息传输技术以及传感技术设计研发了煤矿井下风门自动控制系统。

1 自动化技术的优缺点

可编程逻辑控制器简称PLC，这是一种专门为在工业环境下应用而涉及到的数字运算操作控制系统。它采用一种可编程的存储器，在它的内部执行逻辑运算、程序控制、定时以及计数等指令，通过数字式、模拟式信号的输入输出来控制不同的机械设备或者是生产过程。PLC技术在机械设备的生产中体现了非常高的应用性能，归结如下：PLC技术成熟，性能稳定，抗干扰能力强。例如，当生产环节条件较为复杂苛刻时，通过PLC可编程程程序，也能保证复查生产环节生产条件下的逻辑关系，可靠操控设备，达到设备按规定指令运行，保证安全生产。PLC也可以保证机电设备不会受到任何干扰而得以正常运转。与此同时，PLC技术对数据稳定、安全的传输起到了保障性作用。另外，通过采用PLC技术不仅使操作流程得以简化，而且通过采用PLC技术还可以修改和编程一些机械设备任务，从而使矿山的生产效率得以提高。PLC技术虽然具有以上很多的优点，但是PLC技术也有它的不足之处，那就是，PLC技术连线多、触电多、耗电大等。而最为突出的就是继电器的使用寿命较短，因此，就要经常更换继电器来保证机械设备的正常运转，也就使得生产成本的间接提高。

2 现有控制技术

目前各矿井所使用的自动风门，他们的控制方法大致相同，原理都是如此：当传感器感应到人或是车辆通过时，就会打开风门，相反，在没有感应到信息时，就会自动关闭风门，这当中肯定会有适当的延时。现在，风门自动化系统用来检测人、车的活动形式主要有光敏传感器和对射式红外光电传感器，他们都把PLC作为控制核心，把电动、液压或气压作为动力，通过传感器输入信号，经PLC控制系统做出判断，发出信号，由继电器执行，自动完成风门的开启或关闭。光敏传感器因为产品型号多，生产量大，技术较成熟，安装使用方便等诸多优点，所以使用较为广泛。但是，光敏传感器由于技术方面，再加上受井下环境的影响，对人员或车辆的自动识别不是很灵敏，当有如下因素存在时，光敏传感器有时会发出错误的信号。例如，当煤矿巷道中的水滴经过光线时，当自动风门的墙体、门框、门扇因为受到来自巷道周围岩石的压力而变形时，红外传感器就无法做出准确的定位，自然会导致影响风门的顺利开关。在对经过的是人还是车辆进行区别的主要方法是采用比对PLC测得光电传感器发出的脉冲宽度和固定时长(如400ms)来进行识别，如果脉冲宽度和固定时长存在波动或误判，也会影响风门的正常开启或关闭。另外，该系统对人员行走来往的情况，以及是单人还是多人通过的情况不能做出准确的区别。所以，在单人出入时不能有效开启、关闭风门，会对通行过程造成一定的影响。

3 井下风门自动控制系统

3.1 结构组成

井下风门自动控制系统的主要组成部分为：2道单式风门、1套机械闭锁装置、1套PLC电控箱、1台防爆液压站及高压管、2套风门驱动装置(液压缸传动机构)、6套光敏传感器、4套位置传感器还有矿用低压馈电开关等。光敏传感器的安装位置通常是在风门两侧，目的是检测人或车辆通过的信号;而位置传感器的安装位置则是在风门框架的上面，目的是检测风门的开、闭;液压缸传动会带动风门的开闭。图1就是风门自动控制系统安装示意图。

3.2 设备与传感器选型

西门子PLC有不同的产品系列，如高端的S7-1500系列，中端的S7-1200系列，低端的S7-200 SMART(以下简称SMART)系列，我们选用S7-200系列的可编程控制器，是14输入/10继电器的输出型PLC。2)驱动装置的选择这类型驱动程序主要用于做直线往复运动，选用液压推动式装置。3)传感器选型现行采用干簧管风门传感器检测风门到位信号，传感器由内部集成装干簧管电路并带引出电缆线的感应部和内置永久性磁铁的磁铁部两个部分组成，如果要达到感应部内的干簧管不接触磁铁而断开时，门扇就需要被打开。干簧管直接接触磁铁而吸合时，就需要关闭门扇。这种传感器输出的信号是无源开关量信号，使得PLC装置控制系统信号可靠稳定。如果应用在检测过往人流量与过往车辆信号的传感器则选择使用脉冲光源式的光敏传感器，继电器是输出型。

图1 风门自动控制系统安装示意图

4 PLC主控箱

此风门自动控制体系两个风门是由一台机器来进行操控的，这两个风门互相制约，保证不会同时开启，因此对风流没有任何影响，不会产生短路问题。组成PLC主控箱的是西门子S7-200PLC、2个24VDC电源和6个24V的继电器。

通过上方的安装示意图可以看出，PLC的输入端会检测以下信号:风门A开、关到位I04、I05、风门A外传感器I10和I00、及内传感器I01、风门B开、关到位I06和I07、B门内、外传感器I03、I11和I02。

5 系统实现的原理

安装在风门两侧的巷道墙壁上的光敏传感器，在风门的两旁就生成一个检测线，不管是行人还是车辆，不管从哪一个方向进入，传感器都会自动检测同时会给控制设备发送信息，为了防止串风，应该关闭前后的两道风门，不可以在同一个时间打开。每道风门的外面都会配有2个光敏传感器，其中，一个光敏传感器安装在距风门外10m处的地方，另外一个则安装在距风门外5m处，这样，当最外面的传感器在感应到人或者车辆通过时会启动液压电动机，而另一个则会启动风门液压推杆，打开风门，最后，再分别安装一个传感器在两道风门中间接近风门3m的位置，用以感应从各个位置进入后才能开、关不同的风门。

如图2，如果当A门光敏传感器感应到信号输入时，而B门却没有充分关闭到位，则A门无法开启，这是由于A门和B门是互相闭锁的，只有在B门完全关闭到位的情况下，才会解除这种闭锁关系[2]。也就是说，B门关闭到位情况，决定了下一个风门是否开启。

图2 风门自动控制系统流程图

结束语

1)本设计采用了过补偿和全补偿相结合的控制策略。在电网正常运行时采用过补偿的工作方式，可进一步限制电网正常时的中性点电压位移;在发生单相接地后，使消弧线圈运行在全补偿状态下，进一步减小残流。2)二次调感式消弧线圈已在唐口、枣庄、龙口等矿务局的部分煤矿电网投入了运行，经实际现场测量，其无功残流均<5A，满足了煤矿规定的补偿要求。在电网运行期间，曾发生多次接地故障，其消弧线圈均正确动作，运行可靠性高，提高了供电安全性。