井下自动风门双电源控制开关技术设计

白仁喜

(陕西神延煤炭有限责任公司，陕西 榆林 719302)

0 引言

近年来，随着煤炭行业不断向数字化、智能化方向迈进，矿用自动风门也由传统的人力开启、关闭，向自动化、智能化控制开、关方向逐步发展[1-3]。目前国内矿用防爆自动风门控制开关技术的落后也日益显著，单电源防爆自动风门控制开关往往存在停电无法自动运行的情况，对煤矿井下生产辅助运输造成很大的影响[4-6]。此外，目前防爆自动风门控制开关技术结构单一，无法实现设备运行状态的远程操控和运行数据的实时传递。为解决这一难题，开发研究煤矿井下自动风门双电源控制开关技术，结合实际生产需要，对开关设备的电气原理、机械结构等展开设计、试验及论证，现研发的开关设备已在神东石圪台煤矿22上206回风巷口投入安装使用。

1 自动风门控制开关作用及原理

风门作为通风系统中的重要设施，一般安装在进回风之间的联络巷，起到既能割断风流又能行人过车的作用。在行人或通车不多的地方，可构筑普通风门，然而在行人通车比较频繁的主要运输巷道上则应构筑防爆自动控制风门。安装防爆自动控制风门不仅可降低煤矿人力成本，还可以避免因人的不安全行为、环境的不安全因素等造成的安全隐患。在防爆自动风门的安装和使用过程中，自动风门控制开关作为控制的主要设备起到至关重要的作用。风门自动控制系统结构示意，如图1所示。

1-1号风门外红外感应传感器；2-1号风门内红外感应传感器；3-2号风门外红外感应传感器；4-2号风门内红外感应传感器；5-1号风门开到位传感器；6-1号风门关到位传感器；7-2号风门开到位传感器；8-2号风门关到位传感器；9-1号风门；10-2号风门图1 自动风门控制结构示意图

车辆从1号风门通过，至2号风门驶出的自动控制原理，可分为3个阶段描述。

第1阶段1号风门打开，当人员驾驶车辆1号风门通过时，车辆灯光晃动使得1号红外传感器接收信号，传输至自动风门控制开关，使得M2电机得电正转，带动液压油缸动作，拉动1号风门打开。当1号风门打开至5号限位传感器动作时，自动风门控制开关接收信号停止M2电机。

第2阶段1号风门关闭，2号风门打开。延时60 s，当车辆进入1号风门后，自动控制开关输出M2电机反转，1号风门关闭。当1号风门关闭至6号风门关到位传感器动作时，自动控制开关输出M2电机反转停止，M1电机正转动作，2号风门打开。当2号风门打开至7号风门开到位传感器动作，自动风门控制开关接收信号输出M1电机正转停止。

第3阶段为2号风门关闭，当车辆驶出2号风门后，延时60 s，自动风门控制器输出M1电机反转，2号风门关闭至8号风门关到位传感器动作，自动风门控制器接收信号输出M1电机反转停止。

2 自动风门控制系统分类及存在的问题

煤矿采用的自动风门控制系统主要有以下3种[7-9]：①半自动控制系统，可采用气动系统或电动系统组成，但是需要员工手动操作按钮，实现风门打开和关闭；②全自动控制系统分为2种，一种是电气控制的电力推动风门系统；另一种是电气控制的气动推动风门系统；③双电源全自动智能控制系统，可实现设备两回路电源的自动切换及运行数据的实时监控与传递。

当前煤矿采用电气控制的电力推动风门系统，在实际使用的过程中存在线路断电、防爆风门厚重造成手动开启不便的问题，增加了通风安全隐患，同时也影响井下生产辅助运输的效率。为保证重要通道的防爆自动风门能够安全、可靠的运行，设计安装时会再单独配置一台双电源自动切换开关。但是这也造成防爆自动风门运行成本的增加，也增加了后期工人的维护、检修成本。其次，现有防爆风门自动控制开关未配置设备运行数据显示屏不能直观的查看开关的运行状态，记录实时运行数据。最后，现有防爆自动风门控制开关未配置网络接口，不能直接接入煤矿井下环网中，无法实现远程控制和数据实时传递。

因此双电源全自动智能控制系统的自动风门控制开关技术的研究已经成为煤矿井下防爆自动风门安全运行所急需解决的实际问题，是提高防爆自动风门可靠运行的重要保障。

3 自动风门双电源控制开关原理设计

设计一种满足煤矿井下实际生产需要的隔爆型双电源自动风门控制开关必须从电气原理和开关机械结构两个方向展开研究。结合矿用隔爆型双电源开关和矿用隔爆型风门自动控制开关的电气原理、配件作用、机械结构等，设计双电源自动风门控制开关。设计自动风门控制开关的电气原理图，如图2所示，实现开关的双电源自动切换，同时配备液晶显示屏，可实时的查看设备的运行状态和运行数据，还可配备网络接口实现光口、电口的接入，并就近接入井下工业环网中。

3.1 自动风门双电源控制开关的工作原理

图2 自动风门双电源控制开关内部接触器结构示意图

图2为自动风门双电源控制开关内部接触器结构示意图。打开上腔接入双电源，双电源在接入时应进行电源合相，避免因电源不同相序产生故障等情况。手动合上隔离开关HK1、HK2，软件设置的优先电源1或电源2供电回路提供工作电源，KM1或KM2合闸，另一电源做备用。每组接触器之间都有机械互锁和电气互锁，所有控制都会进行闭锁检查，即不会存在由PLC导致的KM1与KM2、KM3与KM4、KM5与KM6中两个接触器同时合闸情况。

3.2 自动风门双电源控制开关的工作流程

双电源切换：①双电源同一时间只能使用其中一路，同时有电时优先使用哪一路由设置决定；②当其中任何正在使用的一路无电，则自动切换回另一路供电；③具有无电报警功能。

图3 自动风门双电源控制系统结构示意图

风门自动控制流程：从1号门来车与从2号门来车控制过程相同，现只对1号门来车说明，红外传感器闪烁与长亮效果相同，现只按闪烁的方式说明，图3为自动风门双电源控制系统结构示意图。①当1号门来车时，闪灯3次1号风门打开。等待过车时间结束后1号门关闭，2号门自动打开。若车到2号门里侧，并闪灯3次，会直接关闭1号门并不再等待过车延时；②若只闪烁1号门内侧红外传感器，只会使1号门开关1次；③若在1号门防夹传感器投入且有效的情况下，1号门不会关闭，或关的过程中重新打开；④自动控制具有电机上电关门功能，具有长时间开门后关门功能。双重保护用于保证风门关闭状态；⑤自动控制具有风门逻辑保护功能，风门从打开开始计时，10 s之后关反馈信号还在，则直接报故障。须检查故障后复位。关闭过程类似；⑥具有合闸失败故障报警，打开故障报警，关闭故障报警。任何一个故障都会使自动控制结束。须检查故障后复位。

风门手动控制：①若要手动控制，须先切换回手动控制模式；②手动控制可通过屏幕鼠标操作、上位机操作与按钮操作；③按钮控制时，自动手动通过点动循环切换，复位为点动。长按门开则开门，松开门开则停止开门。长按门关则关门，松开门关则停止关门；④确保手动按钮完好，否则将影响所有手动控制；⑤手动控制，风门开到位或关到位会自动停止风门的开关动作。

红绿灯控制：①红灯长亮则表示对面风门打开，绿灯长亮则表示对面风门已关闭；②绿灯闪烁表示本风门的防夹有效，此时可以自动控制；③红灯闪烁表示风门全开，此时可以自动控制；④红绿灯同时闪烁表示有故障，风门无法自动控制。

4 自动风门双电源开关结构及人机界面

4.1 自动风门双电源控制开关内部结构

自动风门双电源控制开关主要结构由隔爆型壳体和上下两层本体组成。壳体分为上下两个腔，上腔为接线腔，包括两路电源及两路负载以及控制接线端子。下腔为控制器本体，本体分上下两侧安装，上层为PLC控制板，安装有PLC开关电源、红绿灯控制器BNHL-1各1只及BZSR-1输入控制器2只；下层为开关本体板，包括安装有6只接触器、8只继电器、3只变压器、2只隔离开关、2只互感器和阻容吸收、若干保险等设备组成。整体结构紧凑、简洁，上下两层本体之间通过接线端子排连接，方便拆卸、维修。

4.2 自动风门双电源控制开关外部结构

自动风门双电源控制开关的隔爆壳体为方形，采用上下平移式快开门结构，左右两侧面各装有一个隔离开关操作手柄和急停按钮操作机构，控制双电源的输入，前门和隔离开关操作手柄之间采用闭锁螺栓联锁机构。当隔离开关闭合时，前门不能打开，隔离开关断开后，前门方能打开。前门安装有触摸屏，可以显示与风门有关的运行数据等内容。

壳体接线腔有6个φ68的电源进线喇叭口，可进φ15～φ40的电缆；4个M33和20个M20的控制回路引线喇叭口，可出φ5～φ17.9的电缆。

4.3 自动风门双电源控制开关智能控制界面

工作界面：“工作界面”在自动风门双电源控制开关送电后首先显示的界面。工作界面是自动风门双电源控制开关第一个界面，主要显示两个风门的工作状态以及控制面板，包括电压、电流、运行状态、故障类型以及自动手动切换、两个风门的开、关、停、复位等功能按键。各个开关工作界面如图4所示。

图4 自动风门双电源控制开关工作界面图

工作界面的控制：工作界面的控制区域有“自动”和“手动”两种控制方式，需要切换控制方式可以用鼠标左键单击“自动”或者“手动”按键框或者点“手动/自动”切换按钮，当该按键框变为蓝色即为选中该功能。选中“自动”按键框变为蓝色，风门为自动控制方式。选中“手动”按键框变为蓝色后，鼠标左键单击或者按动按钮“门1开”，控制1号门开接触器吸合，电动机转动，1号门打开，直到1号门开到最大位置到达开限位传感器位置自动停开或者在到达限位传感器位置之前点动“复位”，接触器释放，电动机停转，1号门停止打开；鼠标左键单击或者按动1号门按钮“门1关”，控制1号门关接触器吸合，电动机转动，1号门关闭，直到1号门关到关限位传感器位置自动停关或者在到达关限位传感器位置之前点动“复位”，接触器释放，电动机停转，1号门停止关闭。选中“手动”按键框变为蓝色时，如有上位机，可以实现上位机的控制。2号门控制方式及过程同1号门一致，值得注意的是在“手动”控制方式下，1号门与2号门之间没有电气互锁，即在“手动”控制时，1号门与2号门可同时打开。当控制器出现故障时，可以使用鼠标左键单击“复位”按键或者点动复位按钮进行故障复位。当控制器出现故障时，1号门或者2号门外的红绿灯进行闪烁，不同的闪烁类型，代表不同的故障级别。

参数设置：按下“翻屏”按键或者用鼠标左键单击设置按钮，显示切换到“参数设置”，如图5所示。屏幕上可以看到，额定电流、门开关时间、过车时间、过载倍数等各种参数以及各种功能键。若想更改参数，用鼠标左键单击“额定电流”数据框或按下数据键，这时屏幕会弹出“数据型”对话框(图6)，用鼠标选中“数据型”框内原有数据，单击需要输入的数值，完成后点击确认即完成数据的修改。功能键的选择可以使用鼠标左键单击需要的功能框即可。

图5 自动风门双电源控制开关参数设置图

图6 自动风门双电源控制开关“数据型”设置界面

数据界面：数据界面如图7所示，PLC所有的输入输出点和各个传感器的数据均在此界面上显示出来，当PLC的I/O点或者传感器反馈点工作时，相应的点在数据界面的方框应该变为蓝色，从而说明该点工作正常。

图7 自动风门双电源控制开关数据界面

故障界面：故障界面是记录控制器故障的窗口，当风门发生故障时，记录了发生故障的时间，故障类型以及常见故障的排除方法等信息，方便用户进行维修判断。所有故障按照故障的严重程度可分为一级故障、二级故障及三级、四级报警，影响自动控制的为二级故障。一级故障由于关门检测，最终体现为二级故障，并使自动控制结束。三级、四级报警可以通过设置取消，所有故障均上电复位。图8为自动风门双电源控制开关故障界面。

图8 自动风门双电源控制开关故障界面

历史曲线：历史曲线界面记录了一定时间内电动机电流的运行历史曲线，使用鼠标方便查看电动机的运行情况，发生故障时方便用户对故障进行维修判断。图9为自动风门双电源控制开关历史曲线界面。

图9 自动风门双电源控制开关历史曲线界面

5 结论

(1)自动风门双电源控制开关的使用能够实现风门自动控制开关的双电源自动切换，保证了自动风门安全可靠的运行，为矿井辅助运输的增产、增效奠定了坚实的基础。

(2)自动风门双电源控制开关接入工业环网中，设备的运行状态、数据等在上位机上进行实时监测、监控，实现了设备的自动化和智能化管理。

(3)此项技术已经获得国家知识产权局实用新型专利授权专利号(ZL201720597123.7)[10]，试生产的开关已在神东石圪台煤矿22上206回风口安装使用，运行取得很好的效果。