基于PLC控制的礦用側(cè)卷式風(fēng)門研究與設(shè)計

陳 春

（山西三元福達煤業(yè)有限公司， 山西 長治 046000）

引言

煤礦井下在開采出優(yōu)質(zhì)的煤炭資源時[1]，會釋放出二氧化碳、甲烷、礦塵等大量對人體有害的氣體，嚴重地影響了井下工作人員的生命健康安全。煤礦井下需要通過通風(fēng)系統(tǒng)將地面新鮮空氣持續(xù)地輸送至井下各個巷道內(nèi)，保證工人的呼吸供給，進而保障井下工人的生命安全和煤礦綠色安全高效的開采。在煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)中，風(fēng)門起著調(diào)節(jié)巷道風(fēng)量和風(fēng)速的作用，用于達到保證井下巷道內(nèi)的各種氣體濃度在安全范圍內(nèi)的作用[2]。

目前煤礦普遍使用的風(fēng)門存在功能單一，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜等問題，且長期使用開式風(fēng)門會產(chǎn)生一定的誤差，會造成閉合不緊產(chǎn)生漏風(fēng)的現(xiàn)象，對巷道中的風(fēng)流造成一定的影響。針對上述問題，提出了基于PLC的礦用側(cè)卷式風(fēng)門的研究與設(shè)計，實現(xiàn)對煤礦巷道各種通風(fēng)參數(shù)全天候監(jiān)測，并且能夠根據(jù)程序設(shè)定自動調(diào)節(jié)側(cè)卷式風(fēng)門的開啟和關(guān)閉程度，很好地改善了傳統(tǒng)風(fēng)門需要風(fēng)窗配合進行風(fēng)量調(diào)節(jié)的弊端，實現(xiàn)了煤礦井下巷道風(fēng)量的智能自動調(diào)節(jié)。

1 煤礦井下側(cè)卷式風(fēng)門的結(jié)構(gòu)設(shè)計

煤礦井下側(cè)卷式風(fēng)門的研究與設(shè)計是為了解決傳統(tǒng)風(fēng)門必須依靠風(fēng)窗配合調(diào)節(jié)巷道內(nèi)風(fēng)量、傳統(tǒng)風(fēng)門啟閉程度單一和傳統(tǒng)風(fēng)門不能做到長時間密封等問題，達到調(diào)節(jié)精度高、操作過程簡便及智能化程度高等優(yōu)點。

煤礦井下側(cè)卷式風(fēng)門主要由左右側(cè)卷式卷簾、手動搖把開關(guān)裝置、限位門框、卷簾卷筒、支座、安裝座等構(gòu)件組成，進風(fēng)門側(cè)應(yīng)安裝有風(fēng)量和風(fēng)速傳感器組成信號采集部分，遙控開關(guān)置于門框處，門框卷簾應(yīng)在門框內(nèi)左右移動，并且門框上安裝有限位開關(guān)以及多圈式編碼器等。礦用側(cè)卷式風(fēng)門安裝示意圖如圖1所示。

圖1 礦用側(cè)卷式風(fēng)門安裝示意圖

2 煤礦井下側(cè)卷式風(fēng)門的工作原理

基于PLC的礦用側(cè)卷式風(fēng)門無需測風(fēng)工作人員在井下巷道進行多次人工測量，可通過設(shè)置在側(cè)卷式風(fēng)門周圍的風(fēng)量傳感器與風(fēng)速傳感器，實現(xiàn)多點檢測巷道內(nèi)的風(fēng)量和風(fēng)速情況[3]，對檢測到的巷道內(nèi)的風(fēng)量和風(fēng)速等數(shù)據(jù)進行實時顯示，并將數(shù)據(jù)進行處理存儲后傳送給PLC控制器，裝置內(nèi)的PLC控制模塊將實時檢測數(shù)據(jù)與設(shè)定值進行對比，通過內(nèi)部設(shè)定程序的算法處理后，將實際檢測的結(jié)果與設(shè)定值之間的差距判斷出來，判斷結(jié)果作為裝置自動調(diào)節(jié)的依據(jù)。

當檢測的實時數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)定值有偏差時，控制箱顯示器上顯示出實測數(shù)據(jù)以及偏差值，并實時控制側(cè)卷式風(fēng)門的卷簾軸防爆電機啟動，驅(qū)動卷簾大軸轉(zhuǎn)動，卷簾大軸轉(zhuǎn)動帶動卷簾做卷曲運動，卷簾做卷曲運動會使得風(fēng)門的啟閉程度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致通風(fēng)面積發(fā)生變化，通風(fēng)面積發(fā)生改變后，風(fēng)量傳感器和風(fēng)速傳感器等進行實時檢測，直到裝置檢測到巷道內(nèi)的風(fēng)量、風(fēng)速達到系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定值，電機停止轉(zhuǎn)動風(fēng)門閉鎖。裝置在調(diào)節(jié)過程中主要是對裝置的電機部分進行控制，電機帶動卷簾大軸運動，卷簾的卷曲運動會改變風(fēng)門的開口面積，根據(jù)實時數(shù)據(jù)變化反饋風(fēng)量風(fēng)速的相關(guān)信息進行實時調(diào)節(jié)[4]。礦用側(cè)卷式風(fēng)門工作流程圖如下頁圖2所示。

圖2 礦用側(cè)卷式風(fēng)門工作流程圖

3 煤礦井下側(cè)卷式風(fēng)門的電氣控制設(shè)計

3.1 電氣控制部分設(shè)計

煤礦側(cè)卷式風(fēng)門是由主控單元來進行操作控制的，主控單元主要為PLC控制，PLC又名可編程邏輯控制器，是主要應(yīng)用在工業(yè)上的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，主要通過數(shù)字信號的輸入和輸出對各種類型的機械或者工業(yè)設(shè)備進行操作控制。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求、控制指令的復(fù)雜程度等因素，基于PLC的礦用側(cè)卷式風(fēng)門選擇西門子S7-200SMART系列PLC，主控制器模塊選用S7-200SMART ST30 PLC。煤礦井下側(cè)卷式風(fēng)門設(shè)計通過PLC自動控制與特殊情況下的手動控制，來實現(xiàn)煤礦井下巷道風(fēng)量風(fēng)速的自動調(diào)節(jié)，自動控制能夠保證在無需人員干擾的情況下對風(fēng)門的開口面積進行自主快速調(diào)節(jié)，手動控制能夠保證在特殊緊急情況發(fā)生時，工作人員能夠手動操作對風(fēng)門進行控制，保證了風(fēng)門的高安全性、高機動性和高智能化。礦用側(cè)卷式風(fēng)門控制流程圖如圖3所示。

3.2 人機界面設(shè)計

煤礦井下側(cè)卷式風(fēng)門通過設(shè)置觸摸屏與組態(tài)編程軟件，來實現(xiàn)使用用戶與整個控制系統(tǒng)進行媒介的交換。觸摸屏的設(shè)置使得人員操作時，僅通過觸摸屏上設(shè)置的控制按鈕就能對煤礦井下側(cè)卷式風(fēng)門進行控制。為了觸摸屏的控制方便，煤礦井下側(cè)卷式風(fēng)門采用MT441TE顯示觸摸屏以及利用Kiinco HMIware組態(tài)編程軟件。

煤礦井下側(cè)卷式風(fēng)門的觸控屏界面如圖4所示，屏幕界面上顯示有偏差、風(fēng)速、風(fēng)量、門內(nèi)外熱釋傳感器、電機狀態(tài)顯示、風(fēng)門狀態(tài)顯示、警報顯示等巷道內(nèi)的基本信息。能夠為井下工作人員提供比較完善的通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)以及詳細的巷道信息，是一個比較集中方便的信息操作界面。

圖3 礦用側(cè)卷式風(fēng)門控制流程圖

圖4 觸控屏人機界面圖

4 結(jié)論

礦用側(cè)卷式風(fēng)門裝置的提出能夠有效地解決傳統(tǒng)風(fēng)門必須結(jié)合風(fēng)窗進行風(fēng)量調(diào)節(jié)、響應(yīng)慢等弊端，保證了煤礦井下的通風(fēng)安全、工人的生命安全和煤礦的安全綠色高效開采，加快了智慧綠色礦山建設(shè)的進程。