基于PLC控制的矿用侧卷式风门研究与设计

陈 春

（山西三元福达煤业有限公司， 山西 长治 046000）

引言

煤矿井下在开采出优质的煤炭资源时[1]，会释放出二氧化碳、甲烷、矿尘等大量对人体有害的气体，严重地影响了井下工作人员的生命健康安全。煤矿井下需要通过通风系统将地面新鲜空气持续地输送至井下各个巷道内，保证工人的呼吸供给，进而保障井下工人的生命安全和煤矿绿色安全高效的开采。在煤矿井下通风系统中，风门起着调节巷道风量和风速的作用，用于达到保证井下巷道内的各种气体浓度在安全范围内的作用[2]。

目前煤矿普遍使用的风门存在功能单一，结构形式复杂等问题，且长期使用开式风门会产生一定的误差，会造成闭合不紧产生漏风的现象，对巷道中的风流造成一定的影响。针对上述问题，提出了基于PLC的矿用侧卷式风门的研究与设计，实现对煤矿巷道各种通风参数全天候监测，并且能够根据程序设定自动调节侧卷式风门的开启和关闭程度，很好地改善了传统风门需要风窗配合进行风量调节的弊端，实现了煤矿井下巷道风量的智能自动调节。

1 煤矿井下侧卷式风门的结构设计

煤矿井下侧卷式风门的研究与设计是为了解决传统风门必须依靠风窗配合调节巷道内风量、传统风门启闭程度单一和传统风门不能做到长时间密封等问题，达到调节精度高、操作过程简便及智能化程度高等优点。

煤矿井下侧卷式风门主要由左右侧卷式卷帘、手动摇把开关装置、限位门框、卷帘卷筒、支座、安装座等构件组成，进风门侧应安装有风量和风速传感器组成信号采集部分，遥控开关置于门框处，门框卷帘应在门框内左右移动，并且门框上安装有限位开关以及多圈式编码器等。矿用侧卷式风门安装示意图如图1所示。

图1 矿用侧卷式风门安装示意图

2 煤矿井下侧卷式风门的工作原理

基于PLC的矿用侧卷式风门无需测风工作人员在井下巷道进行多次人工测量，可通过设置在侧卷式风门周围的风量传感器与风速传感器，实现多点检测巷道内的风量和风速情况[3]，对检测到的巷道内的风量和风速等数据进行实时显示，并将数据进行处理存储后传送给PLC控制器，装置内的PLC控制模块将实时检测数据与设定值进行对比，通过内部设定程序的算法处理后，将实际检测的结果与设定值之间的差距判断出来，判断结果作为装置自动调节的依据。

当检测的实时数据与系统设定值有偏差时，控制箱显示器上显示出实测数据以及偏差值，并实时控制侧卷式风门的卷帘轴防爆电机启动，驱动卷帘大轴转动，卷帘大轴转动带动卷帘做卷曲运动，卷帘做卷曲运动会使得风门的启闭程度发生变化，从而导致通风面积发生变化，通风面积发生改变后，风量传感器和风速传感器等进行实时检测，直到装置检测到巷道内的风量、风速达到系统内部设定值，电机停止转动风门闭锁。装置在调节过程中主要是对装置的电机部分进行控制，电机带动卷帘大轴运动，卷帘的卷曲运动会改变风门的开口面积，根据实时数据变化反馈风量风速的相关信息进行实时调节[4]。矿用侧卷式风门工作流程图如下页图2所示。

图2 矿用侧卷式风门工作流程图

3 煤矿井下侧卷式风门的电气控制设计

3.1 电气控制部分设计

煤矿侧卷式风门是由主控单元来进行操作控制的，主控单元主要为PLC控制，PLC又名可编程逻辑控制器，是主要应用在工业上的数字运算操作电子系统，主要通过数字信号的输入和输出对各种类型的机械或者工业设备进行操作控制。根据系统的功能要求、控制指令的复杂程度等因素，基于PLC的矿用侧卷式风门选择西门子S7-200SMART系列PLC，主控制器模块选用S7-200SMART ST30 PLC。煤矿井下侧卷式风门设计通过PLC自动控制与特殊情况下的手动控制，来实现煤矿井下巷道风量风速的自动调节，自动控制能够保证在无需人员干扰的情况下对风门的开口面积进行自主快速调节，手动控制能够保证在特殊紧急情况发生时，工作人员能够手动操作对风门进行控制，保证了风门的高安全性、高机动性和高智能化。矿用侧卷式风门控制流程图如图3所示。

3.2 人机界面设计

煤矿井下侧卷式风门通过设置触摸屏与组态编程软件，来实现使用用户与整个控制系统进行媒介的交换。触摸屏的设置使得人员操作时，仅通过触摸屏上设置的控制按钮就能对煤矿井下侧卷式风门进行控制。为了触摸屏的控制方便，煤矿井下侧卷式风门采用MT441TE显示触摸屏以及利用Kiinco HMIware组态编程软件。

煤矿井下侧卷式风门的触控屏界面如图4所示，屏幕界面上显示有偏差、风速、风量、门内外热释传感器、电机状态显示、风门状态显示、警报显示等巷道内的基本信息。能够为井下工作人员提供比较完善的通风系统参数以及详细的巷道信息，是一个比较集中方便的信息操作界面。

图3 矿用侧卷式风门控制流程图

图4 触控屏人机界面图

4 结论

矿用侧卷式风门装置的提出能够有效地解决传统风门必须结合风窗进行风量调节、响应慢等弊端，保证了煤矿井下的通风安全、工人的生命安全和煤矿的安全绿色高效开采，加快了智慧绿色矿山建设的进程。