煤礦井下風(fēng)門自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王金剛

(霍州煤電集團(tuán)金能煤業(yè)有限公司，山西 忻州 034000)

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引言

煤礦井下的生產(chǎn)和運(yùn)輸系統(tǒng)，采用人工方式啟閉風(fēng)門會造成人力的浪費(fèi)，降低了生產(chǎn)運(yùn)輸效率，甚至?xí)斐扇藛T的傷害。為了有效避免風(fēng)門裝置對人身的傷害，降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效控制成本，提高生產(chǎn)運(yùn)輸效率，最近一些年來，我們對此進(jìn)行了深入地分析和研究。隨著煤礦安全生產(chǎn)自動(dòng)化水平的不斷提升，我礦利用自動(dòng)控制系統(tǒng)、信息傳輸技術(shù)以及傳感技術(shù)設(shè)計(jì)研發(fā)了煤礦井下風(fēng)門自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 自動(dòng)化技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

可編程邏輯控制器簡稱PLC，這是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而涉及到的數(shù)字運(yùn)算操作控制系統(tǒng)。它采用一種可編程的存儲器，在它的內(nèi)部執(zhí)行邏輯運(yùn)算、程序控制、定時(shí)以及計(jì)數(shù)等指令，通過數(shù)字式、模擬式信號的輸入輸出來控制不同的機(jī)械設(shè)備或者是生產(chǎn)過程。PLC技術(shù)在機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)中體現(xiàn)了非常高的應(yīng)用性能，歸結(jié)如下：PLC技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。例如，當(dāng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)條件較為復(fù)雜苛刻時(shí)，通過PLC可編程程程序，也能保證復(fù)查生產(chǎn)環(huán)節(jié)生產(chǎn)條件下的邏輯關(guān)系，可靠操控設(shè)備，達(dá)到設(shè)備按規(guī)定指令運(yùn)行，保證安全生產(chǎn)。PLC也可以保證機(jī)電設(shè)備不會受到任何干擾而得以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，PLC技術(shù)對數(shù)據(jù)穩(wěn)定、安全的傳輸起到了保障性作用。另外，通過采用PLC技術(shù)不僅使操作流程得以簡化，而且通過采用PLC技術(shù)還可以修改和編程一些機(jī)械設(shè)備任務(wù)，從而使礦山的生產(chǎn)效率得以提高。PLC技術(shù)雖然具有以上很多的優(yōu)點(diǎn)，但是PLC技術(shù)也有它的不足之處，那就是，PLC技術(shù)連線多、觸電多、耗電大等。而最為突出的就是繼電器的使用壽命較短，因此，就要經(jīng)常更換繼電器來保證機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，也就使得生產(chǎn)成本的間接提高。

2 現(xiàn)有控制技術(shù)

目前各礦井所使用的自動(dòng)風(fēng)門，他們的控制方法大致相同，原理都是如此：當(dāng)傳感器感應(yīng)到人或是車輛通過時(shí)，就會打開風(fēng)門，相反，在沒有感應(yīng)到信息時(shí)，就會自動(dòng)關(guān)閉風(fēng)門，這當(dāng)中肯定會有適當(dāng)?shù)难訒r(shí)?，F(xiàn)在，風(fēng)門自動(dòng)化系統(tǒng)用來檢測人、車的活動(dòng)形式主要有光敏傳感器和對射式紅外光電傳感器，他們都把PLC作為控制核心，把電動(dòng)、液壓或氣壓作為動(dòng)力，通過傳感器輸入信號，經(jīng)PLC控制系統(tǒng)做出判斷，發(fā)出信號，由繼電器執(zhí)行，自動(dòng)完成風(fēng)門的開啟或關(guān)閉。光敏傳感器因?yàn)楫a(chǎn)品型號多，生產(chǎn)量大，技術(shù)較成熟，安裝使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以使用較為廣泛。但是，光敏傳感器由于技術(shù)方面，再加上受井下環(huán)境的影響，對人員或車輛的自動(dòng)識別不是很靈敏，當(dāng)有如下因素存在時(shí)，光敏傳感器有時(shí)會發(fā)出錯(cuò)誤的信號。例如，當(dāng)煤礦巷道中的水滴經(jīng)過光線時(shí)，當(dāng)自動(dòng)風(fēng)門的墻體、門框、門扇因?yàn)槭艿絹碜韵锏乐車鷰r石的壓力而變形時(shí)，紅外傳感器就無法做出準(zhǔn)確的定位，自然會導(dǎo)致影響風(fēng)門的順利開關(guān)。在對經(jīng)過的是人還是車輛進(jìn)行區(qū)別的主要方法是采用比對PLC測得光電傳感器發(fā)出的脈沖寬度和固定時(shí)長(如400ms)來進(jìn)行識別，如果脈沖寬度和固定時(shí)長存在波動(dòng)或誤判，也會影響風(fēng)門的正常開啟或關(guān)閉。另外，該系統(tǒng)對人員行走來往的情況，以及是單人還是多人通過的情況不能做出準(zhǔn)確的區(qū)別。所以，在單人出入時(shí)不能有效開啟、關(guān)閉風(fēng)門，會對通行過程造成一定的影響。

3 井下風(fēng)門自動(dòng)控制系統(tǒng)

3.1 結(jié)構(gòu)組成

井下風(fēng)門自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要組成部分為：2道單式風(fēng)門、1套機(jī)械閉鎖裝置、1套PLC電控箱、1臺防爆液壓站及高壓管、2套風(fēng)門驅(qū)動(dòng)裝置(液壓缸傳動(dòng)機(jī)構(gòu))、6套光敏傳感器、4套位置傳感器還有礦用低壓饋電開關(guān)等。光敏傳感器的安裝位置通常是在風(fēng)門兩側(cè)，目的是檢測人或車輛通過的信號;而位置傳感器的安裝位置則是在風(fēng)門框架的上面，目的是檢測風(fēng)門的開、閉;液壓缸傳動(dòng)會帶動(dòng)風(fēng)門的開閉。圖1就是風(fēng)門自動(dòng)控制系統(tǒng)安裝示意圖。

3.2 設(shè)備與傳感器選型

西門子PLC有不同的產(chǎn)品系列，如高端的S7-1500系列，中端的S7-1200系列，低端的S7-200 SMART(以下簡稱SMART)系列，我們選用S7-200系列的可編程控制器，是14輸入/10繼電器的輸出型PLC。2)驅(qū)動(dòng)裝置的選擇這類型驅(qū)動(dòng)程序主要用于做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，選用液壓推動(dòng)式裝置。3)傳感器選型現(xiàn)行采用干簧管風(fēng)門傳感器檢測風(fēng)門到位信號，傳感器由內(nèi)部集成裝干簧管電路并帶引出電纜線的感應(yīng)部和內(nèi)置永久性磁鐵的磁鐵部兩個(gè)部分組成，如果要達(dá)到感應(yīng)部內(nèi)的干簧管不接觸磁鐵而斷開時(shí)，門扇就需要被打開。干簧管直接接觸磁鐵而吸合時(shí)，就需要關(guān)閉門扇。這種傳感器輸出的信號是無源開關(guān)量信號，使得PLC裝置控制系統(tǒng)信號可靠穩(wěn)定。如果應(yīng)用在檢測過往人流量與過往車輛信號的傳感器則選擇使用脈沖光源式的光敏傳感器，繼電器是輸出型。

圖1 風(fēng)門自動(dòng)控制系統(tǒng)安裝示意圖

4 PLC主控箱

此風(fēng)門自動(dòng)控制體系兩個(gè)風(fēng)門是由一臺機(jī)器來進(jìn)行操控的，這兩個(gè)風(fēng)門互相制約，保證不會同時(shí)開啟，因此對風(fēng)流沒有任何影響，不會產(chǎn)生短路問題。組成PLC主控箱的是西門子S7-200PLC、2個(gè)24VDC電源和6個(gè)24V的繼電器。

通過上方的安裝示意圖可以看出，PLC的輸入端會檢測以下信號:風(fēng)門A開、關(guān)到位I04、I05、風(fēng)門A外傳感器I10和I00、及內(nèi)傳感器I01、風(fēng)門B開、關(guān)到位I06和I07、B門內(nèi)、外傳感器I03、I11和I02。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的原理

安裝在風(fēng)門兩側(cè)的巷道墻壁上的光敏傳感器，在風(fēng)門的兩旁就生成一個(gè)檢測線，不管是行人還是車輛，不管從哪一個(gè)方向進(jìn)入，傳感器都會自動(dòng)檢測同時(shí)會給控制設(shè)備發(fā)送信息，為了防止串風(fēng)，應(yīng)該關(guān)閉前后的兩道風(fēng)門，不可以在同一個(gè)時(shí)間打開。每道風(fēng)門的外面都會配有2個(gè)光敏傳感器，其中，一個(gè)光敏傳感器安裝在距風(fēng)門外10m處的地方，另外一個(gè)則安裝在距風(fēng)門外5m處，這樣，當(dāng)最外面的傳感器在感應(yīng)到人或者車輛通過時(shí)會啟動(dòng)液壓電動(dòng)機(jī)，而另一個(gè)則會啟動(dòng)風(fēng)門液壓推桿，打開風(fēng)門，最后，再分別安裝一個(gè)傳感器在兩道風(fēng)門中間接近風(fēng)門3m的位置，用以感應(yīng)從各個(gè)位置進(jìn)入后才能開、關(guān)不同的風(fēng)門。

如圖2，如果當(dāng)A門光敏傳感器感應(yīng)到信號輸入時(shí)，而B門卻沒有充分關(guān)閉到位，則A門無法開啟，這是由于A門和B門是互相閉鎖的，只有在B門完全關(guān)閉到位的情況下，才會解除這種閉鎖關(guān)系[2]。也就是說，B門關(guān)閉到位情況，決定了下一個(gè)風(fēng)門是否開啟。

圖2 風(fēng)門自動(dòng)控制系統(tǒng)流程圖

結(jié)束語

1)本設(shè)計(jì)采用了過補(bǔ)償和全補(bǔ)償相結(jié)合的控制策略。在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)采用過補(bǔ)償?shù)墓ぷ鞣绞?，可進(jìn)一步限制電網(wǎng)正常時(shí)的中性點(diǎn)電壓位移;在發(fā)生單相接地后，使消弧線圈運(yùn)行在全補(bǔ)償狀態(tài)下，進(jìn)一步減小殘流。2)二次調(diào)感式消弧線圈已在唐口、棗莊、龍口等礦務(wù)局的部分煤礦電網(wǎng)投入了運(yùn)行，經(jīng)實(shí)際現(xiàn)場測量，其無功殘流均<5A，滿足了煤礦規(guī)定的補(bǔ)償要求。在電網(wǎng)運(yùn)行期間，曾發(fā)生多次接地故障，其消弧線圈均正確動(dòng)作，運(yùn)行可靠性高，提高了供電安全性。