井下自動風門雙電源控制開關技術設計

白仁喜

(陜西神延煤炭有限責任公司，陜西 榆林 719302)

0 引言

近年來，隨著煤炭行業(yè)不斷向數(shù)字化、智能化方向邁進，礦用自動風門也由傳統(tǒng)的人力開啟、關閉，向自動化、智能化控制開、關方向逐步發(fā)展[1-3]。目前國內礦用防爆自動風門控制開關技術的落后也日益顯著，單電源防爆自動風門控制開關往往存在停電無法自動運行的情況，對煤礦井下生產輔助運輸造成很大的影響[4-6]。此外，目前防爆自動風門控制開關技術結構單一，無法實現(xiàn)設備運行狀態(tài)的遠程操控和運行數(shù)據(jù)的實時傳遞。為解決這一難題，開發(fā)研究煤礦井下自動風門雙電源控制開關技術，結合實際生產需要，對開關設備的電氣原理、機械結構等展開設計、試驗及論證，現(xiàn)研發(fā)的開關設備已在神東石圪臺煤礦22上206回風巷口投入安裝使用。

1 自動風門控制開關作用及原理

風門作為通風系統(tǒng)中的重要設施，一般安裝在進回風之間的聯(lián)絡巷，起到既能割斷風流又能行人過車的作用。在行人或通車不多的地方，可構筑普通風門，然而在行人通車比較頻繁的主要運輸巷道上則應構筑防爆自動控制風門。安裝防爆自動控制風門不僅可降低煤礦人力成本，還可以避免因人的不安全行為、環(huán)境的不安全因素等造成的安全隱患。在防爆自動風門的安裝和使用過程中，自動風門控制開關作為控制的主要設備起到至關重要的作用。風門自動控制系統(tǒng)結構示意，如圖1所示。

1-1號風門外紅外感應傳感器；2-1號風門內紅外感應傳感器；3-2號風門外紅外感應傳感器；4-2號風門內紅外感應傳感器；5-1號風門開到位傳感器；6-1號風門關到位傳感器；7-2號風門開到位傳感器；8-2號風門關到位傳感器；9-1號風門；10-2號風門圖1 自動風門控制結構示意圖

車輛從1號風門通過，至2號風門駛出的自動控制原理，可分為3個階段描述。

第1階段1號風門打開，當人員駕駛車輛1號風門通過時，車輛燈光晃動使得1號紅外傳感器接收信號，傳輸至自動風門控制開關，使得M2電機得電正轉，帶動液壓油缸動作，拉動1號風門打開。當1號風門打開至5號限位傳感器動作時，自動風門控制開關接收信號停止M2電機。

第2階段1號風門關閉，2號風門打開。延時60 s，當車輛進入1號風門后，自動控制開關輸出M2電機反轉，1號風門關閉。當1號風門關閉至6號風門關到位傳感器動作時，自動控制開關輸出M2電機反轉停止，M1電機正轉動作，2號風門打開。當2號風門打開至7號風門開到位傳感器動作，自動風門控制開關接收信號輸出M1電機正轉停止。

第3階段為2號風門關閉，當車輛駛出2號風門后，延時60 s，自動風門控制器輸出M1電機反轉，2號風門關閉至8號風門關到位傳感器動作，自動風門控制器接收信號輸出M1電機反轉停止。

2 自動風門控制系統(tǒng)分類及存在的問題

煤礦采用的自動風門控制系統(tǒng)主要有以下3種[7-9]：①半自動控制系統(tǒng)，可采用氣動系統(tǒng)或電動系統(tǒng)組成，但是需要員工手動操作按鈕，實現(xiàn)風門打開和關閉；②全自動控制系統(tǒng)分為2種，一種是電氣控制的電力推動風門系統(tǒng)；另一種是電氣控制的氣動推動風門系統(tǒng)；③雙電源全自動智能控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)設備兩回路電源的自動切換及運行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控與傳遞。

當前煤礦采用電氣控制的電力推動風門系統(tǒng)，在實際使用的過程中存在線路斷電、防爆風門厚重造成手動開啟不便的問題，增加了通風安全隱患，同時也影響井下生產輔助運輸?shù)男?。為保證重要通道的防爆自動風門能夠安全、可靠的運行，設計安裝時會再單獨配置一臺雙電源自動切換開關。但是這也造成防爆自動風門運行成本的增加，也增加了后期工人的維護、檢修成本。其次，現(xiàn)有防爆風門自動控制開關未配置設備運行數(shù)據(jù)顯示屏不能直觀的查看開關的運行狀態(tài)，記錄實時運行數(shù)據(jù)。最后，現(xiàn)有防爆自動風門控制開關未配置網(wǎng)絡接口，不能直接接入煤礦井下環(huán)網(wǎng)中，無法實現(xiàn)遠程控制和數(shù)據(jù)實時傳遞。

因此雙電源全自動智能控制系統(tǒng)的自動風門控制開關技術的研究已經(jīng)成為煤礦井下防爆自動風門安全運行所急需解決的實際問題，是提高防爆自動風門可靠運行的重要保障。

3 自動風門雙電源控制開關原理設計

設計一種滿足煤礦井下實際生產需要的隔爆型雙電源自動風門控制開關必須從電氣原理和開關機械結構兩個方向展開研究。結合礦用隔爆型雙電源開關和礦用隔爆型風門自動控制開關的電氣原理、配件作用、機械結構等，設計雙電源自動風門控制開關。設計自動風門控制開關的電氣原理圖，如圖2所示，實現(xiàn)開關的雙電源自動切換，同時配備液晶顯示屏，可實時的查看設備的運行狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)，還可配備網(wǎng)絡接口實現(xiàn)光口、電口的接入，并就近接入井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)中。

3.1 自動風門雙電源控制開關的工作原理

圖2 自動風門雙電源控制開關內部接觸器結構示意圖

圖2為自動風門雙電源控制開關內部接觸器結構示意圖。打開上腔接入雙電源，雙電源在接入時應進行電源合相，避免因電源不同相序產生故障等情況。手動合上隔離開關HK1、HK2，軟件設置的優(yōu)先電源1或電源2供電回路提供工作電源，KM1或KM2合閘，另一電源做備用。每組接觸器之間都有機械互鎖和電氣互鎖，所有控制都會進行閉鎖檢查，即不會存在由PLC導致的KM1與KM2、KM3與KM4、KM5與KM6中兩個接觸器同時合閘情況。

3.2 自動風門雙電源控制開關的工作流程

雙電源切換：①雙電源同一時間只能使用其中一路，同時有電時優(yōu)先使用哪一路由設置決定；②當其中任何正在使用的一路無電，則自動切換回另一路供電；③具有無電報警功能。

圖3 自動風門雙電源控制系統(tǒng)結構示意圖

風門自動控制流程：從1號門來車與從2號門來車控制過程相同，現(xiàn)只對1號門來車說明，紅外傳感器閃爍與長亮效果相同，現(xiàn)只按閃爍的方式說明，圖3為自動風門雙電源控制系統(tǒng)結構示意圖。①當1號門來車時，閃燈3次1號風門打開。等待過車時間結束后1號門關閉，2號門自動打開。若車到2號門里側，并閃燈3次，會直接關閉1號門并不再等待過車延時；②若只閃爍1號門內側紅外傳感器，只會使1號門開關1次；③若在1號門防夾傳感器投入且有效的情況下，1號門不會關閉，或關的過程中重新打開；④自動控制具有電機上電關門功能，具有長時間開門后關門功能。雙重保護用于保證風門關閉狀態(tài)；⑤自動控制具有風門邏輯保護功能，風門從打開開始計時，10 s之后關反饋信號還在，則直接報故障。須檢查故障后復位。關閉過程類似；⑥具有合閘失敗故障報警，打開故障報警，關閉故障報警。任何一個故障都會使自動控制結束。須檢查故障后復位。

風門手動控制：①若要手動控制，須先切換回手動控制模式；②手動控制可通過屏幕鼠標操作、上位機操作與按鈕操作；③按鈕控制時，自動手動通過點動循環(huán)切換，復位為點動。長按門開則開門，松開門開則停止開門。長按門關則關門，松開門關則停止關門；④確保手動按鈕完好，否則將影響所有手動控制；⑤手動控制，風門開到位或關到位會自動停止風門的開關動作。

紅綠燈控制：①紅燈長亮則表示對面風門打開，綠燈長亮則表示對面風門已關閉；②綠燈閃爍表示本風門的防夾有效，此時可以自動控制；③紅燈閃爍表示風門全開，此時可以自動控制；④紅綠燈同時閃爍表示有故障，風門無法自動控制。

4 自動風門雙電源開關結構及人機界面

4.1 自動風門雙電源控制開關內部結構

自動風門雙電源控制開關主要結構由隔爆型殼體和上下兩層本體組成。殼體分為上下兩個腔，上腔為接線腔，包括兩路電源及兩路負載以及控制接線端子。下腔為控制器本體，本體分上下兩側安裝，上層為PLC控制板，安裝有PLC開關電源、紅綠燈控制器BNHL-1各1只及BZSR-1輸入控制器2只；下層為開關本體板，包括安裝有6只接觸器、8只繼電器、3只變壓器、2只隔離開關、2只互感器和阻容吸收、若干保險等設備組成。整體結構緊湊、簡潔，上下兩層本體之間通過接線端子排連接，方便拆卸、維修。

4.2 自動風門雙電源控制開關外部結構

自動風門雙電源控制開關的隔爆殼體為方形，采用上下平移式快開門結構，左右兩側面各裝有一個隔離開關操作手柄和急停按鈕操作機構，控制雙電源的輸入，前門和隔離開關操作手柄之間采用閉鎖螺栓聯(lián)鎖機構。當隔離開關閉合時，前門不能打開，隔離開關斷開后，前門方能打開。前門安裝有觸摸屏，可以顯示與風門有關的運行數(shù)據(jù)等內容。

殼體接線腔有6個φ68的電源進線喇叭口，可進φ15～φ40的電纜；4個M33和20個M20的控制回路引線喇叭口，可出φ5～φ17.9的電纜。

4.3 自動風門雙電源控制開關智能控制界面

工作界面：“工作界面”在自動風門雙電源控制開關送電后首先顯示的界面。工作界面是自動風門雙電源控制開關第一個界面，主要顯示兩個風門的工作狀態(tài)以及控制面板，包括電壓、電流、運行狀態(tài)、故障類型以及自動手動切換、兩個風門的開、關、停、復位等功能按鍵。各個開關工作界面如圖4所示。

圖4 自動風門雙電源控制開關工作界面圖

工作界面的控制：工作界面的控制區(qū)域有“自動”和“手動”兩種控制方式，需要切換控制方式可以用鼠標左鍵單擊“自動”或者“手動”按鍵框或者點“手動/自動”切換按鈕，當該按鍵框變?yōu)樗{色即為選中該功能。選中“自動”按鍵框變?yōu)樗{色，風門為自動控制方式。選中“手動”按鍵框變?yōu)樗{色后，鼠標左鍵單擊或者按動按鈕“門1開”，控制1號門開接觸器吸合，電動機轉動，1號門打開，直到1號門開到最大位置到達開限位傳感器位置自動停開或者在到達限位傳感器位置之前點動“復位”，接觸器釋放，電動機停轉，1號門停止打開；鼠標左鍵單擊或者按動1號門按鈕“門1關”，控制1號門關接觸器吸合，電動機轉動，1號門關閉，直到1號門關到關限位傳感器位置自動停關或者在到達關限位傳感器位置之前點動“復位”，接觸器釋放，電動機停轉，1號門停止關閉。選中“手動”按鍵框變?yōu)樗{色時，如有上位機，可以實現(xiàn)上位機的控制。2號門控制方式及過程同1號門一致，值得注意的是在“手動”控制方式下，1號門與2號門之間沒有電氣互鎖，即在“手動”控制時，1號門與2號門可同時打開。當控制器出現(xiàn)故障時，可以使用鼠標左鍵單擊“復位”按鍵或者點動復位按鈕進行故障復位。當控制器出現(xiàn)故障時，1號門或者2號門外的紅綠燈進行閃爍，不同的閃爍類型，代表不同的故障級別。

參數(shù)設置：按下“翻屏”按鍵或者用鼠標左鍵單擊設置按鈕，顯示切換到“參數(shù)設置”，如圖5所示。屏幕上可以看到，額定電流、門開關時間、過車時間、過載倍數(shù)等各種參數(shù)以及各種功能鍵。若想更改參數(shù)，用鼠標左鍵單擊“額定電流”數(shù)據(jù)框或按下數(shù)據(jù)鍵，這時屏幕會彈出“數(shù)據(jù)型”對話框(圖6)，用鼠標選中“數(shù)據(jù)型”框內原有數(shù)據(jù)，單擊需要輸入的數(shù)值，完成后點擊確認即完成數(shù)據(jù)的修改。功能鍵的選擇可以使用鼠標左鍵單擊需要的功能框即可。

圖5 自動風門雙電源控制開關參數(shù)設置圖

圖6 自動風門雙電源控制開關“數(shù)據(jù)型”設置界面

數(shù)據(jù)界面：數(shù)據(jù)界面如圖7所示，PLC所有的輸入輸出點和各個傳感器的數(shù)據(jù)均在此界面上顯示出來，當PLC的I/O點或者傳感器反饋點工作時，相應的點在數(shù)據(jù)界面的方框應該變?yōu)樗{色，從而說明該點工作正常。

圖7 自動風門雙電源控制開關數(shù)據(jù)界面

故障界面：故障界面是記錄控制器故障的窗口，當風門發(fā)生故障時，記錄了發(fā)生故障的時間，故障類型以及常見故障的排除方法等信息，方便用戶進行維修判斷。所有故障按照故障的嚴重程度可分為一級故障、二級故障及三級、四級報警，影響自動控制的為二級故障。一級故障由于關門檢測，最終體現(xiàn)為二級故障，并使自動控制結束。三級、四級報警可以通過設置取消，所有故障均上電復位。圖8為自動風門雙電源控制開關故障界面。

圖8 自動風門雙電源控制開關故障界面

歷史曲線：歷史曲線界面記錄了一定時間內電動機電流的運行歷史曲線，使用鼠標方便查看電動機的運行情況，發(fā)生故障時方便用戶對故障進行維修判斷。圖9為自動風門雙電源控制開關歷史曲線界面。

圖9 自動風門雙電源控制開關歷史曲線界面

5 結論

(1)自動風門雙電源控制開關的使用能夠實現(xiàn)風門自動控制開關的雙電源自動切換，保證了自動風門安全可靠的運行，為礦井輔助運輸?shù)脑霎a、增效奠定了堅實的基礎。

(2)自動風門雙電源控制開關接入工業(yè)環(huán)網(wǎng)中，設備的運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)等在上位機上進行實時監(jiān)測、監(jiān)控，實現(xiàn)了設備的自動化和智能化管理。

(3)此項技術已經(jīng)獲得國家知識產權局實用新型專利授權專利號(ZL201720597123.7)[10]，試生產的開關已在神東石圪臺煤礦22上206回風口安裝使用，運行取得很好的效果。