基于PLC的平衡式自動風(fēng)門研究

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)門是礦井通風(fēng)設(shè)備中的重要設(shè)備。風(fēng)門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)門一般由兩道風(fēng)門組成，其作用是避免風(fēng)流短路，保證通車和行人。目前，礦用風(fēng)門根據(jù)開啟動力主要有手動風(fēng)門、電動風(fēng)門和自動風(fēng)門等；根據(jù)開啟方式主要有推拉式和平衡式兩種。手動風(fēng)門和電動風(fēng)門受人為因素的影響。經(jīng)常存在兩道風(fēng)門全部打開，或車輛通過后無人關(guān)閉風(fēng)門等現(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)門開啟緩慢，嚴(yán)重制約了礦井通車效率，制約了礦井的自動化、現(xiàn)代化。

目前，隨著礦井向高產(chǎn)高效、年產(chǎn)千萬噸級發(fā)展，無軌膠輪車輔助運(yùn)輸已成為主流。為適應(yīng)高產(chǎn)高效、無軌膠輪車輔助運(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)的手動風(fēng)門、對開式自動風(fēng)門由于壓力過大，造成開啟困難，阻礙了礦井的發(fā)展。根據(jù)實(shí)際情況，需要對風(fēng)門的受力分析、傳動原理、控制系統(tǒng)進(jìn)行合理的研究，才能開發(fā)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

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

1 平衡式自動風(fēng)門的組成、工作原理和功能

1.1 風(fēng)門組成

平衡式自動風(fēng)門主要由兩道平衡式風(fēng)門、一套控制柜及傳感器組成。平衡式風(fēng)門主要由防爆電液推桿、鋼絲繩、連桿、左門、右門、配重組成；風(fēng)門的開啟由風(fēng)門驅(qū)動裝置電液推桿驅(qū)動，風(fēng)門的關(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。

傳感器主要有開限傳感器、閉限傳感器、防夾車光電開關(guān)、信號燈、光敏申請開關(guān)。開、閉限傳感器安裝于風(fēng)門框架上部，用于檢測風(fēng)門的開、閉位置；防夾車光電開關(guān)用于防止風(fēng)門關(guān)閉時夾住處于中間的行人、車輛或其他物體；信號燈安裝于兩道風(fēng)門外側(cè)的框架上部，用于風(fēng)門狀態(tài)顯示及車輛通行指揮；光敏傳感器安裝在風(fēng)門門體兩側(cè)，供車燈或頭燈照射申請開門。

1.2 風(fēng)門的工作原理

每一道門有內(nèi)申請和外申請兩套光敏申請開關(guān)：處于兩道門之間的光敏申請定義為內(nèi)申請，處于兩道門外部的光敏申請為外申請。燈光照射內(nèi)申請光敏傳感器時，只有被照射的門開啟。燈光照射外申請光敏傳感器時，被照射的門首先開啟，車輛或行人通過并延時后自動關(guān)閉，第一道門關(guān)閉后另一道門會自動打開，在延時后自動關(guān)閉。

信號燈分紅、綠指示燈，用于提示風(fēng)門目前所處的開閉狀態(tài)以及看不到的另一道門的開啟狀態(tài)。假設(shè)膠輪車從進(jìn)風(fēng)巷到回風(fēng)巷，平衡式自動風(fēng)門的工作過程為：當(dāng)車輛到達(dá)1#門前時，車輛車燈照射風(fēng)門光敏傳感器（外）連續(xù)閃燈3次。PLC接收到1#門外申請信號時，PLC控制1#門電機(jī)正轉(zhuǎn)，電機(jī)驅(qū)動液壓缸回縮，液壓缸桿帶動鋼絲繩開啟風(fēng)門。這時電機(jī)需克服風(fēng)阻、配重阻力和摩擦阻力。當(dāng)1#風(fēng)門達(dá)到開限位置時，PLC控制1#門電機(jī)停止運(yùn)行，1#門信號燈由紅色變?yōu)榫G色，提示駕駛?cè)碎T體已處于完全開啟狀態(tài)，車輛可通過。2#外信號燈為閃爍狀態(tài)時，提示對面來車1#門正外于打開狀態(tài)，2#門無法打開。車輛通過后且1#門開門延時時間結(jié)束后，若防夾車光電開關(guān)未發(fā)現(xiàn)障礙物，1#門電機(jī)反轉(zhuǎn)，電機(jī)驅(qū)動液壓缸伸出，風(fēng)門在配重拉力作用下關(guān)閉風(fēng)門，由于液壓回路有雙向鎖，風(fēng)門勻速運(yùn)動，同時1#門信號燈變?yōu)榧t色并閃爍，提示將要關(guān)門，此時禁止車輛通行。當(dāng)1#風(fēng)門達(dá)到閉限位置時，1#門電機(jī)停止運(yùn)行，1#門信號燈變?yōu)榧t色。PLC收到1#門關(guān)閉信號后，發(fā)指令給2#門接觸器，使2#電機(jī)正轉(zhuǎn)開門。當(dāng)2#風(fēng)門達(dá)到開限位置時，2#門電機(jī)停止運(yùn)行，此時2#門處于開啟狀態(tài)，車輛可以通過2#風(fēng)門。當(dāng)2#門關(guān)門延時時間到后，若防夾車光電開關(guān)未發(fā)現(xiàn)障礙物，2#門電機(jī)反轉(zhuǎn)，2#門信號燈變?yōu)榧t色并閃爍。當(dāng)2#風(fēng)門達(dá)到閉限位置時，2#門電機(jī)停止運(yùn)行，此時2#門被關(guān)閉，2#門信號燈變?yōu)榧t色，完成了進(jìn)風(fēng)巷到回風(fēng)巷行車的過程?；仫L(fēng)巷到進(jìn)風(fēng)巷行車的工作過程與此類似。

當(dāng)車輛處于兩道門之間時，車輛可用車燈照射風(fēng)門光敏傳感器（內(nèi)），連續(xù)閃燈3次，風(fēng)門內(nèi)申請信號被PLC接收后，如果另一道門仍未關(guān)閉，PLC控制其關(guān)門。在此道門關(guān)閉后，PLC控制被內(nèi)申請的風(fēng)門打開，車輛駛出風(fēng)門區(qū)，然后PLC控制其延時關(guān)閉。在程序上1#、2#風(fēng)門設(shè)置互鎖，以保證任何時候至少有一道風(fēng)門是關(guān)閉的。

1.3 功能

平衡式自動風(fēng)門控制系統(tǒng)有以下功能。

1.3.1 閉鎖功能

任何情況下，兩道自動風(fēng)門只允許有一道處于開啟狀態(tài)，且開啟時間是設(shè)定的，開啟時間結(jié)束后，會自動關(guān)閉。當(dāng)一道門處于打開狀態(tài)時，另外一道是無法打開的。

1.3.2 通信接口功能

該風(fēng)門礦用隔爆兼本質(zhì)安全型控制柜采用AB公司的RS232通信接口模塊，可以通過礦井環(huán)網(wǎng)將風(fēng)門開啟狀態(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)門開閉方式

正常情況下，風(fēng)門開啟由PLC控制器自動完成。在如檢修維護(hù)、安裝調(diào)試、出現(xiàn)故障時等，可以手動操作按鈕完成風(fēng)門的開閉。斷電情況下，人工推動開啟風(fēng)門，風(fēng)門關(guān)閉會在配重作用下自動關(guān)閉。

2 機(jī)械傳動原理

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

3 自動控制系統(tǒng)設(shè)計

平衡式自動風(fēng)門控制系統(tǒng)由礦用隔爆兼本質(zhì)安全型控制柜、本質(zhì)安全型風(fēng)門限位傳感器、光敏傳感器、防夾車光電開關(guān)、信號燈、防爆手動操作按鈕、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)門限位開關(guān)、光敏傳感器、防夾車光電開關(guān)、信號燈等，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、自動手動控制等以及信號燈由PLC的基本I/O檢測與控制，其他外部輸入信號由擴(kuò)展的輸入模塊檢測。接觸器KM1、KM2控制1#門電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，接觸器KM3、KM4控制2#門電機(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。門限傳感器選用無接觸遠(yuǎn)距離接近開關(guān)作為風(fēng)門的開、閉限位置檢測裝置，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燈照射的自然光光敏開關(guān)用于開門申請，使開門申請操作更加簡便和實(shí)用；防夾車裝置選用遠(yuǎn)距離透射型光電開關(guān)，以減少水汽和塵土對檢測的影響；信號燈采用高亮度發(fā)光二極管陣列，以降低功耗，提高其可靠性和使用壽命。

4 試驗及問題

該大型平衡式自動控制風(fēng)門從2005年開始首先在同煤塔山礦試用，保證了通風(fēng)正常和膠輪車正常通行。它的研制成功，對保證礦井正常通風(fēng)、提高礦井生產(chǎn)的安全性，對煤礦生產(chǎn)綜合自動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)門在我國同煤塔山礦、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)千萬噸礦井中使用。

使用中存在的問題：①防夾車開關(guān)誤動作。由于煤礦巷道中有滴水現(xiàn)象，當(dāng)風(fēng)門正處于關(guān)閉過程中時，有水滴經(jīng)過防夾檢測光線時，風(fēng)門會往復(fù)運(yùn)行，導(dǎo)致關(guān)門時間過長。解決辦法：可在頂上搭防雨篷布。②礦井負(fù)壓過大時，平衡式風(fēng)門會出現(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大，門體尺寸過寬時，平衡連桿過長、剛度不足造成。解決辦法：可將左右門做成非對稱式，順風(fēng)側(cè)門體比逆風(fēng)側(cè)門體略寬些。

5 結(jié)論

平衡式自動風(fēng)門采用平衡開啟方式和PLC控制系統(tǒng)軟、硬件有機(jī)結(jié)合，保證了風(fēng)門的自動運(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。這種平衡式自動風(fēng)門經(jīng)過多年的使用，也暴露出了一些問題。我們對存在的問題進(jìn)行了深入研究，找到了問題的原因，提出了解決辦法。經(jīng)過現(xiàn)場試驗，這些問題已經(jīng)解決。實(shí)踐表明，該平衡式自動風(fēng)門可以適應(yīng)不同的現(xiàn)場條件及要求，是一個可靠性高、使用維護(hù)方便的設(shè)備。

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