基于PLC的煤礦井下風(fēng)門自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

義海能源有限責(zé)任公司大煤溝煤礦 劉合山 劉青亮

針對煤礦井下風(fēng)門存在的問題，設(shè)計(jì)一種基于PLC的風(fēng)門自動控制裝置，介紹了無壓風(fēng)門的結(jié)構(gòu)，給出了風(fēng)門PLC自動控制系統(tǒng)的組成及工作原理，分配了PLC輸入輸出地址，設(shè)計(jì)了PLC控制流程圖。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，提高風(fēng)門自動控制的可靠性。

煤礦井下風(fēng)門系統(tǒng)對于礦井通風(fēng)和安全生產(chǎn)來講都是至關(guān)重要的組成部分，目前很多煤礦井下風(fēng)門采用人工控制方式，自動化程度低，勞動強(qiáng)度大，影響運(yùn)輸效率。行人在關(guān)閉風(fēng)門時沖擊較大，容易出現(xiàn)風(fēng)門傷人事故。隨著礦井信息化自動化水平的提高，煤礦井下風(fēng)門自動控制顯得尤為重要（[1]楊英兵,徐帥.現(xiàn)代化大型礦井氣動風(fēng)門的研究與應(yīng)用[J].煤礦安全,2018,49(S1):49-52;[2]張立輝,張運(yùn)增.補(bǔ)連塔煤礦井下同向氣動式自動風(fēng)門[J].煤礦安全,2017,48(S1):48-51;[3]肖琳.礦井用風(fēng)門的自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動化應(yīng)用,2013(6):92-94;[4]張俊.基于PLC的井下礦用風(fēng)門自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2012,33(4):161-163）。

本文針對大煤溝煤礦井下風(fēng)門存在的問題，設(shè)計(jì)一種基于PLC的風(fēng)門自動控制裝置，適用于煤礦井下風(fēng)門的自動控制，當(dāng)行人和礦車通過風(fēng)門時，風(fēng)門電控裝置實(shí)現(xiàn)風(fēng)門的自動開啟、關(guān)閉，同時實(shí)現(xiàn)閉鎖功能。

1.無壓風(fēng)門結(jié)構(gòu)及工作原理

大煤溝煤礦井下風(fēng)門采用無壓風(fēng)門，無壓風(fēng)門也稱為壓力平衡式風(fēng)門，它通過機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)把風(fēng)壓轉(zhuǎn)化為內(nèi)力，當(dāng)該機(jī)械連桿機(jī)開啟時，保障風(fēng)門的開啟力與風(fēng)壓大小及風(fēng)向無關(guān)，達(dá)到了平衡內(nèi)外風(fēng)壓的目的（[5]劉志忠,聶立新,劉建慧.礦井自動風(fēng)門智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].礦山機(jī)械,2012,40(8):24-27;[6]韓素媛,吳波.基于PLC的平衡式自動風(fēng)門研究[J].科學(xué)之友,2013(1):11-12）。無壓風(fēng)門主要用于煤礦井下進(jìn)回風(fēng)巷和主要進(jìn)加風(fēng)巷之間每個聯(lián)絡(luò)巷中，是目前所用風(fēng)門的更新?lián)Q代產(chǎn)品。無壓風(fēng)門機(jī)械結(jié)構(gòu)分為硬連接機(jī)械驅(qū)動結(jié)構(gòu)和軟鏈接機(jī)械驅(qū)動結(jié)構(gòu)。從具體實(shí)現(xiàn)形式來分，又可細(xì)分為氣動和液壓兩種。軟連接機(jī)械驅(qū)動結(jié)構(gòu)由氣缸、支架、滑輪、鋼絲繩、配種等部分組成。氣缸、支架、滑輪等固定在機(jī)架上，牽引鋼絲繩一端固定在風(fēng)門的中部，另一端通過滑輪固定在機(jī)架上，機(jī)架固定在巷壁上。開門靠氣缸縮回牽引力帶動滑輪通過鋼絲繩把門拉開，關(guān)門時氣缸伸長，靠配重桶將風(fēng)門關(guān)閉。此種結(jié)構(gòu)需要配套相應(yīng)的閉鎖裝置。

2.無壓風(fēng)門自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

由于PLC結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、使用方便，在工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛（[4]張俊.基于PLC的井下礦用風(fēng)門自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2012,33(4):161-163;[5]劉志忠,聶立新,劉建慧.礦井自動風(fēng)門智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].礦山機(jī)械,2012,40(8):24-27;[6]韓素媛,吳波.基于PLC的平衡式自動風(fēng)門研究[J].科學(xué)之友,2013(1):11-12;[7]徐圣,李曉林.礦井風(fēng)門智能控制系統(tǒng)[J].煤礦安全,2013,44(8):94-95,98）。本文采用了PLC實(shí)現(xiàn)風(fēng)門自動控制。風(fēng)門具有自動控制、手動控制兩種工作模式，在停電或無氣源狀態(tài)下不影響人工開啟和關(guān)閉風(fēng)門。風(fēng)門開啟或關(guān)閉時，現(xiàn)場可實(shí)現(xiàn)語音聲光報(bào)警提示。自動控制風(fēng)門控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，它主要是由風(fēng)門驅(qū)動裝置、防爆電磁閥、PLC防爆控制箱、礦用本安型紅外傳感器、礦用熱釋光傳感器、礦用本安型接近開關(guān)、礦用隔爆型控制按鈕、語音聲光報(bào)警及其他附件組成。

圖1 風(fēng)門自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

風(fēng)門自動控制系統(tǒng)工作原理如下：礦用本安型紅外傳感器安裝在風(fēng)門兩側(cè)，在風(fēng)門的兩端分別形成檢測區(qū)域，當(dāng)A門有人或車輛經(jīng)過時，紅外傳感器發(fā)出信號，送給PLC。A門的聲光語音箱提示語音為“風(fēng)門準(zhǔn)備打開，請注意安全”，綠燈常亮，同時電磁閥1通電，A門的氣缸工作，打開A風(fēng)門，同時B門的氣缸閉鎖上B門。風(fēng)門上裝有礦用本安型接近開關(guān)傳感器，檢測風(fēng)門的開、關(guān)狀態(tài)。當(dāng)最后一個行人或車輛通過紅外傳感器后，經(jīng)過適當(dāng)延時，電磁閥2通電，氣缸工作關(guān)閉A門。若B門未關(guān)閉，當(dāng)A門有人或車輛經(jīng)過時，紅外線檢測發(fā)出觸發(fā)信號，A門的聲光語音箱提示語音為“前方風(fēng)門閉鎖，請您稍候”，紅燈常亮，A門不能打開。

在有行人或者行車通過風(fēng)門時，為了防止風(fēng)門誤動作，夾住正在通過的物體，在風(fēng)門的兩側(cè)安裝防夾車光電開關(guān)。防夾車光電開關(guān)采用礦用隔爆型光電開關(guān)，由發(fā)射端和接收端組成，根據(jù)發(fā)射端和接收端之間光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)換為高低電平，來確定開關(guān)的打開與否。當(dāng)光電開關(guān)接收、發(fā)射距離在有效范圍內(nèi)，接收與發(fā)射中間有物體隔擋時，光電開關(guān)動作，輸出高電平；當(dāng)在無物體隔擋時，光電開關(guān)不動作，輸出低電平，該傳感器輸入PLC，由PLC完成判斷和控制。

表1 PLC的I/0接口地址分配表

2.2 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由風(fēng)門自動控制方案可知，PLC控制箱是風(fēng)門自動控制的核心。PLC控制箱內(nèi)部由隔離開關(guān)、本安電源、隔離柵、PLC控制器等部分組成。PLC控采用是西門子公司的s7-200型PLC。按鈕、開關(guān)、外部傳感器等信號經(jīng)過隔離開關(guān)進(jìn)入PLC控制箱，PLC輸出信號經(jīng)過繼電器驅(qū)動電磁閥和聲光報(bào)警裝置。所有信號均為開關(guān)量信號，輸入端信號為12個，輸出端信號為9個，PLC的I/0接口地址分配如表1所示。

2.2 PLC控制程序設(shè)計(jì)

根據(jù)煤礦井下風(fēng)門工作環(huán)境的特定要求，以A門到B門為例，其中B門是否關(guān)閉到位，作為下一道風(fēng)門開啟的必要條件，即便A門紅外傳感器有信號輸入，但B門還未完全關(guān)閉到位時，A門是無法開啟，因?yàn)锳門和B門是電氣與機(jī)械相互閉鎖的，只有B門完全關(guān)到位的狀態(tài)下，閉鎖關(guān)系才能夠解除。圖2為PLC軟件流程圖。

圖2 PLC程序控制流程圖

4.結(jié)語

基于S7-200小型PLC的風(fēng)門自動控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠。在硬件設(shè)計(jì)上采用非接觸式的傳感器用于行人、車輛風(fēng)門狀態(tài)檢測，減小了接觸式傳感器損壞的概率，提高風(fēng)門自動控制的可靠性。