基于PLC的平衡式自动风门研究

韩素媛，吴 波

（1.西山煤电集团技术工学校，山西 太原 030024；2.太原理工大学机械工程学院，山西 太原 030024）

风门是矿井通风设备中的重要设备。风门正常是保证矿井通风系统正常的关键环节。煤矿用风门一般由两道风门组成，其作用是避免风流短路，保证通车和行人。目前，矿用风门根据开启动力主要有手动风门、电动风门和自动风门等；根据开启方式主要有推拉式和平衡式两种。手动风门和电动风门受人为因素的影响。经常存在两道风门全部打开，或车辆通过后无人关闭风门等现象，造成风流短路，给矿井安全生产造成直接影响。另外，这两种风门开启缓慢，严重制约了矿井通车效率，制约了矿井的自动化、现代化。

目前，随着矿井向高产高效、年产千万吨级发展，无轨胶轮车辅助运输已成为主流。为适应高产高效、无轨胶轮车辅助运输的实现，辅助巷道的断面达到21m2左右。这样传统的手动风门、对开式自动风门由于压力过大，造成开启困难，阻碍了矿井的发展。根据实际情况，需要对风门的受力分析、传动原理、控制系统进行合理的研究，才能开发出优质产品。

实现煤矿井下通车风门的自动化，既可提高矿井通车效率，保证风流不短路，还可以减少井下工人的数量。针对大型现代化矿井以无轨胶轮车作为主要辅助运输的矿，我们研制出基于PLC控制的平衡式自动风门。

1 平衡式自动风门的组成、工作原理和功能

1.1 风门组成

平衡式自动风门主要由两道平衡式风门、一套控制柜及传感器组成。平衡式风门主要由防爆电液推杆、钢丝绳、连杆、左门、右门、配重组成；风门的开启由风门驱动装置电液推杆驱动，风门的关闭由配重的重力完成。

隔爆控制柜主要由防爆控制箱、PLC、联锁接触器、变压器、本安电源、综合保护器、熔断器等组成。

传感器主要有开限传感器、闭限传感器、防夹车光电开关、信号灯、光敏申请开关。开、闭限传感器安装于风门框架上部，用于检测风门的开、闭位置；防夹车光电开关用于防止风门关闭时夹住处于中间的行人、车辆或其他物体；信号灯安装于两道风门外侧的框架上部，用于风门状态显示及车辆通行指挥；光敏传感器安装在风门门体两侧，供车灯或头灯照射申请开门。

1.2 风门的工作原理

每一道门有内申请和外申请两套光敏申请开关：处于两道门之间的光敏申请定义为内申请，处于两道门外部的光敏申请为外申请。灯光照射内申请光敏传感器时，只有被照射的门开启。灯光照射外申请光敏传感器时，被照射的门首先开启，车辆或行人通过并延时后自动关闭，第一道门关闭后另一道门会自动打开，在延时后自动关闭。

信号灯分红、绿指示灯，用于提示风门目前所处的开闭状态以及看不到的另一道门的开启状态。假设胶轮车从进风巷到回风巷，平衡式自动风门的工作过程为：当车辆到达1#门前时，车辆车灯照射风门光敏传感器（外）连续闪灯3次。PLC接收到1#门外申请信号时，PLC控制1#门电机正转，电机驱动液压缸回缩，液压缸杆带动钢丝绳开启风门。这时电机需克服风阻、配重阻力和摩擦阻力。当1#风门达到开限位置时，PLC控制1#门电机停止运行，1#门信号灯由红色变为绿色，提示驾驶人门体已处于完全开启状态，车辆可通过。2#外信号灯为闪烁状态时，提示对面来车1#门正外于打开状态，2#门无法打开。车辆通过后且1#门开门延时时间结束后，若防夹车光电开关未发现障碍物，1#门电机反转，电机驱动液压缸伸出，风门在配重拉力作用下关闭风门，由于液压回路有双向锁，风门匀速运动，同时1#门信号灯变为红色并闪烁，提示将要关门，此时禁止车辆通行。当1#风门达到闭限位置时，1#门电机停止运行，1#门信号灯变为红色。PLC收到1#门关闭信号后，发指令给2#门接触器，使2#电机正转开门。当2#风门达到开限位置时，2#门电机停止运行，此时2#门处于开启状态，车辆可以通过2#风门。当2#门关门延时时间到后，若防夹车光电开关未发现障碍物，2#门电机反转，2#门信号灯变为红色并闪烁。当2#风门达到闭限位置时，2#门电机停止运行，此时2#门被关闭，2#门信号灯变为红色，完成了进风巷到回风巷行车的过程。回风巷到进风巷行车的工作过程与此类似。

当车辆处于两道门之间时，车辆可用车灯照射风门光敏传感器（内），连续闪灯3次，风门内申请信号被PLC接收后，如果另一道门仍未关闭，PLC控制其关门。在此道门关闭后，PLC控制被内申请的风门打开，车辆驶出风门区，然后PLC控制其延时关闭。在程序上1#、2#风门设置互锁，以保证任何时候至少有一道风门是关闭的。

1.3 功能

平衡式自动风门控制系统有以下功能。

1.3.1 闭锁功能

任何情况下，两道自动风门只允许有一道处于开启状态，且开启时间是设定的，开启时间结束后，会自动关闭。当一道门处于打开状态时，另外一道是无法打开的。

1.3.2 通信接口功能

该风门矿用隔爆兼本质安全型控制柜采用AB公司的RS232通信接口模块，可以通过矿井环网将风门开启状态以及数上传调度中心的监控系统。

1.3.3 多种风门开闭方式

正常情况下，风门开启由PLC控制器自动完成。在如检修维护、安装调试、出现故障时等，可以手动操作按钮完成风门的开闭。断电情况下，人工推动开启风门，风门关闭会在配重作用下自动关闭。

2 机械传动原理

控制箱控制防爆电机正反向转动，驱动双向液压泵正反产生压力油，压力油经过双向保压锁，流入油缸有杆腔或无杆腔，实现风门的开启或关闭。液压回路中设有过载保护的溢流阀，从而可保护电机不因过载而损坏。液压回路中有杆腔侧还设有手动截止阀，当由于过载或停电造成一道风门处于打开状态时，可手动打开截止阀，使有杆腔侧油流回油箱，风门在配重的作用下关闭。

3 自动控制系统设计

平衡式自动风门控制系统由矿用隔爆兼本质安全型控制柜、本质安全型风门限位传感器、光敏传感器、防夹车光电开关、信号灯、防爆手动操作按钮、防爆交流电机等组成。矿用隔爆兼本质安全型控制柜的主要元器件有PLC、本安电源、隔离开关、矿用变压器、互锁交流接触器、电流互感器、综合保护器、熔断器等组成。

可编程序控制器选用了AB公司的MicroLogix1500，由CPU模块、12路扩展输入模块、输出模块以及RS232通信接口模块组成。外部传感器如风门限位开关、光敏传感器、防夹车光电开关、信号灯等，由隔爆兼本质安全型控制箱内的DC24V本安电源供电。矿用隔爆兼本质安全型控制箱内的互锁交流接触器、综合保护器、本安电源、自动手动控制等以及信号灯由PLC的基本I/O检测与控制，其他外部输入信号由扩展的输入模块检测。接触器KM1、KM2控制1#门电机的正反转，接触器KM3、KM4控制2#门电机的正反转。

为了提高系统的稳定性、可靠性和实用性，在硬件设计上采取了一些措施。所有的传感器都采用具有光学原理非接触式元件，这样大大减少了接触式损坏的概率。门限传感器选用无接触远距离接近开关作为风门的开、闭限位置检测装置，以提高传感器的可靠性和使用寿命；光敏传感器选用可由矿灯或车灯照射的自然光光敏开关用于开门申请，使开门申请操作更加简便和实用；防夹车装置选用远距离透射型光电开关，以减少水汽和尘土对检测的影响；信号灯采用高亮度发光二极管阵列，以降低功耗，提高其可靠性和使用寿命。

4 试验及问题

该大型平衡式自动控制风门从2005年开始首先在同煤塔山矿试用，保证了通风正常和胶轮车正常通行。它的研制成功，对保证矿井正常通风、提高矿井生产的安全性，对煤矿生产综合自动化改造以及煤矿行业的减员增效都具有一定的意义。这种风门在我国同煤塔山矿、神东补连塔矿、大柳塔矿、上湾矿、榆家梁矿、哈拉沟矿等年产千万吨矿井中使用。

使用中存在的问题：①防夹车开关误动作。由于煤矿巷道中有滴水现象，当风门正处于关闭过程中时，有水滴经过防夹检测光线时，风门会往复运行，导致关门时间过长。解决办法：可在顶上搭防雨篷布。②矿井负压过大时，平衡式风门会出现张嘴现象，导致漏风严重。这种现象是由于巷道断面过大，门体尺寸过宽时，平衡连杆过长、刚度不足造成。解决办法：可将左右门做成非对称式，顺风侧门体比逆风侧门体略宽些。

5 结论

平衡式自动风门采用平衡开启方式和PLC控制系统软、硬件有机结合，保证了风门的自动运行，采用硬件、软件双重优化技术及冗余技术措施，确保控制系统运行的可靠性和准确性。这种平衡式自动风门经过多年的使用，也暴露出了一些问题。我们对存在的问题进行了深入研究，找到了问题的原因，提出了解决办法。经过现场试验，这些问题已经解决。实践表明，该平衡式自动风门可以适应不同的现场条件及要求，是一个可靠性高、使用维护方便的设备。

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