韓素媛，吳 波

（1.西山煤電集團(tuán)技術(shù)工學(xué)校，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

風(fēng)門(mén)是礦井通風(fēng)設(shè)備中的重要設(shè)備。風(fēng)門(mén)正常是保證礦井通風(fēng)系統(tǒng)正常的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。煤礦用風(fēng)門(mén)一般由兩道風(fēng)門(mén)組成，其作用是避免風(fēng)流短路，保證通車(chē)和行人。目前，礦用風(fēng)門(mén)根據(jù)開(kāi)啟動(dòng)力主要有手動(dòng)風(fēng)門(mén)、電動(dòng)風(fēng)門(mén)和自動(dòng)風(fēng)門(mén)等；根據(jù)開(kāi)啟方式主要有推拉式和平衡式兩種。手動(dòng)風(fēng)門(mén)和電動(dòng)風(fēng)門(mén)受人為因素的影響。經(jīng)常存在兩道風(fēng)門(mén)全部打開(kāi)，或車(chē)輛通過(guò)后無(wú)人關(guān)閉風(fēng)門(mén)等現(xiàn)象，造成風(fēng)流短路，給礦井安全生產(chǎn)造成直接影響。另外，這兩種風(fēng)門(mén)開(kāi)啟緩慢，嚴(yán)重制約了礦井通車(chē)效率，制約了礦井的自動(dòng)化、現(xiàn)代化。

目前，隨著礦井向高產(chǎn)高效、年產(chǎn)千萬(wàn)噸級(jí)發(fā)展，無(wú)軌膠輪車(chē)輔助運(yùn)輸已成為主流。為適應(yīng)高產(chǎn)高效、無(wú)軌膠輪車(chē)輔助運(yùn)輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，輔助巷道的斷面達(dá)到21m2左右。這樣傳統(tǒng)的手動(dòng)風(fēng)門(mén)、對(duì)開(kāi)式自動(dòng)風(fēng)門(mén)由于壓力過(guò)大，造成開(kāi)啟困難，阻礙了礦井的發(fā)展。根據(jù)實(shí)際情況，需要對(duì)風(fēng)門(mén)的受力分析、傳動(dòng)原理、控制系統(tǒng)進(jìn)行合理的研究，才能開(kāi)發(fā)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

實(shí)現(xiàn)煤礦井下通車(chē)風(fēng)門(mén)的自動(dòng)化，既可提高礦井通車(chē)效率，保證風(fēng)流不短路，還可以減少井下工人的數(shù)量。針對(duì)大型現(xiàn)代化礦井以無(wú)軌膠輪車(chē)作為主要輔助運(yùn)輸?shù)牡V，我們研制出基于PLC控制的平衡式自動(dòng)風(fēng)門(mén)。

1 平衡式自動(dòng)風(fēng)門(mén)的組成、工作原理和功能

1.1 風(fēng)門(mén)組成

平衡式自動(dòng)風(fēng)門(mén)主要由兩道平衡式風(fēng)門(mén)、一套控制柜及傳感器組成。平衡式風(fēng)門(mén)主要由防爆電液推桿、鋼絲繩、連桿、左門(mén)、右門(mén)、配重組成；風(fēng)門(mén)的開(kāi)啟由風(fēng)門(mén)驅(qū)動(dòng)裝置電液推桿驅(qū)動(dòng)，風(fēng)門(mén)的關(guān)閉由配重的重力完成。

隔爆控制柜主要由防爆控制箱、PLC、聯(lián)鎖接觸器、變壓器、本安電源、綜合保護(hù)器、熔斷器等組成。

傳感器主要有開(kāi)限傳感器、閉限傳感器、防夾車(chē)光電開(kāi)關(guān)、信號(hào)燈、光敏申請(qǐng)開(kāi)關(guān)。開(kāi)、閉限傳感器安裝于風(fēng)門(mén)框架上部，用于檢測(cè)風(fēng)門(mén)的開(kāi)、閉位置；防夾車(chē)光電開(kāi)關(guān)用于防止風(fēng)門(mén)關(guān)閉時(shí)夾住處于中間的行人、車(chē)輛或其他物體；信號(hào)燈安裝于兩道風(fēng)門(mén)外側(cè)的框架上部，用于風(fēng)門(mén)狀態(tài)顯示及車(chē)輛通行指揮；光敏傳感器安裝在風(fēng)門(mén)門(mén)體兩側(cè)，供車(chē)燈或頭燈照射申請(qǐng)開(kāi)門(mén)。

1.2 風(fēng)門(mén)的工作原理

每一道門(mén)有內(nèi)申請(qǐng)和外申請(qǐng)兩套光敏申請(qǐng)開(kāi)關(guān)：處于兩道門(mén)之間的光敏申請(qǐng)定義為內(nèi)申請(qǐng)，處于兩道門(mén)外部的光敏申請(qǐng)為外申請(qǐng)。燈光照射內(nèi)申請(qǐng)光敏傳感器時(shí)，只有被照射的門(mén)開(kāi)啟。燈光照射外申請(qǐng)光敏傳感器時(shí)，被照射的門(mén)首先開(kāi)啟，車(chē)輛或行人通過(guò)并延時(shí)后自動(dòng)關(guān)閉，第一道門(mén)關(guān)閉后另一道門(mén)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，在延時(shí)后自動(dòng)關(guān)閉。

信號(hào)燈分紅、綠指示燈，用于提示風(fēng)門(mén)目前所處的開(kāi)閉狀態(tài)以及看不到的另一道門(mén)的開(kāi)啟狀態(tài)。假設(shè)膠輪車(chē)從進(jìn)風(fēng)巷到回風(fēng)巷，平衡式自動(dòng)風(fēng)門(mén)的工作過(guò)程為：當(dāng)車(chē)輛到達(dá)1#門(mén)前時(shí)，車(chē)輛車(chē)燈照射風(fēng)門(mén)光敏傳感器（外）連續(xù)閃燈3次。PLC接收到1#門(mén)外申請(qǐng)信號(hào)時(shí)，PLC控制1#門(mén)電機(jī)正轉(zhuǎn)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓缸回縮，液壓缸桿帶動(dòng)鋼絲繩開(kāi)啟風(fēng)門(mén)。這時(shí)電機(jī)需克服風(fēng)阻、配重阻力和摩擦阻力。當(dāng)1#風(fēng)門(mén)達(dá)到開(kāi)限位置時(shí)，PLC控制1#門(mén)電機(jī)停止運(yùn)行，1#門(mén)信號(hào)燈由紅色變?yōu)榫G色，提示駕駛?cè)碎T(mén)體已處于完全開(kāi)啟狀態(tài)，車(chē)輛可通過(guò)。2#外信號(hào)燈為閃爍狀態(tài)時(shí)，提示對(duì)面來(lái)車(chē)1#門(mén)正外于打開(kāi)狀態(tài)，2#門(mén)無(wú)法打開(kāi)。車(chē)輛通過(guò)后且1#門(mén)開(kāi)門(mén)延時(shí)時(shí)間結(jié)束后，若防夾車(chē)光電開(kāi)關(guān)未發(fā)現(xiàn)障礙物，1#門(mén)電機(jī)反轉(zhuǎn)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓缸伸出，風(fēng)門(mén)在配重拉力作用下關(guān)閉風(fēng)門(mén)，由于液壓回路有雙向鎖，風(fēng)門(mén)勻速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)1#門(mén)信號(hào)燈變?yōu)榧t色并閃爍，提示將要關(guān)門(mén)，此時(shí)禁止車(chē)輛通行。當(dāng)1#風(fēng)門(mén)達(dá)到閉限位置時(shí)，1#門(mén)電機(jī)停止運(yùn)行，1#門(mén)信號(hào)燈變?yōu)榧t色。PLC收到1#門(mén)關(guān)閉信號(hào)后，發(fā)指令給2#門(mén)接觸器，使2#電機(jī)正轉(zhuǎn)開(kāi)門(mén)。當(dāng)2#風(fēng)門(mén)達(dá)到開(kāi)限位置時(shí)，2#門(mén)電機(jī)停止運(yùn)行，此時(shí)2#門(mén)處于開(kāi)啟狀態(tài)，車(chē)輛可以通過(guò)2#風(fēng)門(mén)。當(dāng)2#門(mén)關(guān)門(mén)延時(shí)時(shí)間到后，若防夾車(chē)光電開(kāi)關(guān)未發(fā)現(xiàn)障礙物，2#門(mén)電機(jī)反轉(zhuǎn)，2#門(mén)信號(hào)燈變?yōu)榧t色并閃爍。當(dāng)2#風(fēng)門(mén)達(dá)到閉限位置時(shí)，2#門(mén)電機(jī)停止運(yùn)行，此時(shí)2#門(mén)被關(guān)閉，2#門(mén)信號(hào)燈變?yōu)榧t色，完成了進(jìn)風(fēng)巷到回風(fēng)巷行車(chē)的過(guò)程?；仫L(fēng)巷到進(jìn)風(fēng)巷行車(chē)的工作過(guò)程與此類(lèi)似。

當(dāng)車(chē)輛處于兩道門(mén)之間時(shí)，車(chē)輛可用車(chē)燈照射風(fēng)門(mén)光敏傳感器（內(nèi)），連續(xù)閃燈3次，風(fēng)門(mén)內(nèi)申請(qǐng)信號(hào)被PLC接收后，如果另一道門(mén)仍未關(guān)閉，PLC控制其關(guān)門(mén)。在此道門(mén)關(guān)閉后，PLC控制被內(nèi)申請(qǐng)的風(fēng)門(mén)打開(kāi)，車(chē)輛駛出風(fēng)門(mén)區(qū)，然后PLC控制其延時(shí)關(guān)閉。在程序上1#、2#風(fēng)門(mén)設(shè)置互鎖，以保證任何時(shí)候至少有一道風(fēng)門(mén)是關(guān)閉的。

1.3 功能

平衡式自動(dòng)風(fēng)門(mén)控制系統(tǒng)有以下功能。

1.3.1 閉鎖功能

任何情況下，兩道自動(dòng)風(fēng)門(mén)只允許有一道處于開(kāi)啟狀態(tài)，且開(kāi)啟時(shí)間是設(shè)定的，開(kāi)啟時(shí)間結(jié)束后，會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)一道門(mén)處于打開(kāi)狀態(tài)時(shí)，另外一道是無(wú)法打開(kāi)的。

1.3.2 通信接口功能

該風(fēng)門(mén)礦用隔爆兼本質(zhì)安全型控制柜采用AB公司的RS232通信接口模塊，可以通過(guò)礦井環(huán)網(wǎng)將風(fēng)門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)以及數(shù)上傳調(diào)度中心的監(jiān)控系統(tǒng)。

1.3.3 多種風(fēng)門(mén)開(kāi)閉方式

正常情況下，風(fēng)門(mén)開(kāi)啟由PLC控制器自動(dòng)完成。在如檢修維護(hù)、安裝調(diào)試、出現(xiàn)故障時(shí)等，可以手動(dòng)操作按鈕完成風(fēng)門(mén)的開(kāi)閉。斷電情況下，人工推動(dòng)開(kāi)啟風(fēng)門(mén)，風(fēng)門(mén)關(guān)閉會(huì)在配重作用下自動(dòng)關(guān)閉。

2 機(jī)械傳動(dòng)原理

控制箱控制防爆電機(jī)正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)雙向液壓泵正反產(chǎn)生壓力油，壓力油經(jīng)過(guò)雙向保壓鎖，流入油缸有桿腔或無(wú)桿腔，實(shí)現(xiàn)風(fēng)門(mén)的開(kāi)啟或關(guān)閉。液壓回路中設(shè)有過(guò)載保護(hù)的溢流閥，從而可保護(hù)電機(jī)不因過(guò)載而損壞。液壓回路中有桿腔側(cè)還設(shè)有手動(dòng)截止閥，當(dāng)由于過(guò)載或停電造成一道風(fēng)門(mén)處于打開(kāi)狀態(tài)時(shí)，可手動(dòng)打開(kāi)截止閥，使有桿腔側(cè)油流回油箱，風(fēng)門(mén)在配重的作用下關(guān)閉。

3 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

平衡式自動(dòng)風(fēng)門(mén)控制系統(tǒng)由礦用隔爆兼本質(zhì)安全型控制柜、本質(zhì)安全型風(fēng)門(mén)限位傳感器、光敏傳感器、防夾車(chē)光電開(kāi)關(guān)、信號(hào)燈、防爆手動(dòng)操作按鈕、防爆交流電機(jī)等組成。礦用隔爆兼本質(zhì)安全型控制柜的主要元器件有PLC、本安電源、隔離開(kāi)關(guān)、礦用變壓器、互鎖交流接觸器、電流互感器、綜合保護(hù)器、熔斷器等組成。

可編程序控制器選用了AB公司的MicroLogix1500，由CPU模塊、12路擴(kuò)展輸入模塊、輸出模塊以及RS232通信接口模塊組成。外部傳感器如風(fēng)門(mén)限位開(kāi)關(guān)、光敏傳感器、防夾車(chē)光電開(kāi)關(guān)、信號(hào)燈等，由隔爆兼本質(zhì)安全型控制箱內(nèi)的DC24V本安電源供電。礦用隔爆兼本質(zhì)安全型控制箱內(nèi)的互鎖交流接觸器、綜合保護(hù)器、本安電源、自動(dòng)手動(dòng)控制等以及信號(hào)燈由PLC的基本I/O檢測(cè)與控制，其他外部輸入信號(hào)由擴(kuò)展的輸入模塊檢測(cè)。接觸器KM1、KM2控制1#門(mén)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，接觸器KM3、KM4控制2#門(mén)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和實(shí)用性，在硬件設(shè)計(jì)上采取了一些措施。所有的傳感器都采用具有光學(xué)原理非接觸式元件，這樣大大減少了接觸式損壞的概率。門(mén)限傳感器選用無(wú)接觸遠(yuǎn)距離接近開(kāi)關(guān)作為風(fēng)門(mén)的開(kāi)、閉限位置檢測(cè)裝置，以提高傳感器的可靠性和使用壽命；光敏傳感器選用可由礦燈或車(chē)燈照射的自然光光敏開(kāi)關(guān)用于開(kāi)門(mén)申請(qǐng)，使開(kāi)門(mén)申請(qǐng)操作更加簡(jiǎn)便和實(shí)用；防夾車(chē)裝置選用遠(yuǎn)距離透射型光電開(kāi)關(guān)，以減少水汽和塵土對(duì)檢測(cè)的影響；信號(hào)燈采用高亮度發(fā)光二極管陣列，以降低功耗，提高其可靠性和使用壽命。

4 試驗(yàn)及問(wèn)題

該大型平衡式自動(dòng)控制風(fēng)門(mén)從2005年開(kāi)始首先在同煤塔山礦試用，保證了通風(fēng)正常和膠輪車(chē)正常通行。它的研制成功，對(duì)保證礦井正常通風(fēng)、提高礦井生產(chǎn)的安全性，對(duì)煤礦生產(chǎn)綜合自動(dòng)化改造以及煤礦行業(yè)的減員增效都具有一定的意義。這種風(fēng)門(mén)在我國(guó)同煤塔山礦、神東補(bǔ)連塔礦、大柳塔礦、上灣礦、榆家梁礦、哈拉溝礦等年產(chǎn)千萬(wàn)噸礦井中使用。

使用中存在的問(wèn)題：①防夾車(chē)開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作。由于煤礦巷道中有滴水現(xiàn)象，當(dāng)風(fēng)門(mén)正處于關(guān)閉過(guò)程中時(shí)，有水滴經(jīng)過(guò)防夾檢測(cè)光線時(shí)，風(fēng)門(mén)會(huì)往復(fù)運(yùn)行，導(dǎo)致關(guān)門(mén)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。解決辦法：可在頂上搭防雨篷布。②礦井負(fù)壓過(guò)大時(shí)，平衡式風(fēng)門(mén)會(huì)出現(xiàn)張嘴現(xiàn)象，導(dǎo)致漏風(fēng)嚴(yán)重。這種現(xiàn)象是由于巷道斷面過(guò)大，門(mén)體尺寸過(guò)寬時(shí)，平衡連桿過(guò)長(zhǎng)、剛度不足造成。解決辦法：可將左右門(mén)做成非對(duì)稱(chēng)式，順風(fēng)側(cè)門(mén)體比逆風(fēng)側(cè)門(mén)體略寬些。

5 結(jié)論

平衡式自動(dòng)風(fēng)門(mén)采用平衡開(kāi)啟方式和PLC控制系統(tǒng)軟、硬件有機(jī)結(jié)合，保證了風(fēng)門(mén)的自動(dòng)運(yùn)行，采用硬件、軟件雙重優(yōu)化技術(shù)及冗余技術(shù)措施，確?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)行的可靠性和準(zhǔn)確性。這種平衡式自動(dòng)風(fēng)門(mén)經(jīng)過(guò)多年的使用，也暴露出了一些問(wèn)題。我們對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，找到了問(wèn)題的原因，提出了解決辦法。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，這些問(wèn)題已經(jīng)解決。實(shí)踐表明，該平衡式自動(dòng)風(fēng)門(mén)可以適應(yīng)不同的現(xiàn)場(chǎng)條件及要求，是一個(gè)可靠性高、使用維護(hù)方便的設(shè)備。

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