韓素媛，吳 波

（1.西山煤電集團技術(shù)工學校，山西 太原 030024；2.太原理工大學機械工程學院，山西 太原 030024）

風門是礦井通風設備中的重要設備。風門正常是保證礦井通風系統(tǒng)正常的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。煤礦用風門一般由兩道風門組成，其作用是避免風流短路，保證通車和行人。目前，礦用風門根據(jù)開啟動力主要有手動風門、電動風門和自動風門等；根據(jù)開啟方式主要有推拉式和平衡式兩種。手動風門和電動風門受人為因素的影響。經(jīng)常存在兩道風門全部打開，或車輛通過后無人關(guān)閉風門等現(xiàn)象，造成風流短路，給礦井安全生產(chǎn)造成直接影響。另外，這兩種風門開啟緩慢，嚴重制約了礦井通車效率，制約了礦井的自動化、現(xiàn)代化。

目前，隨著礦井向高產(chǎn)高效、年產(chǎn)千萬噸級發(fā)展，無軌膠輪車輔助運輸已成為主流。為適應高產(chǎn)高效、無軌膠輪車輔助運輸?shù)膶崿F(xiàn)，輔助巷道的斷面達到21m2左右。這樣傳統(tǒng)的手動風門、對開式自動風門由于壓力過大，造成開啟困難，阻礙了礦井的發(fā)展。根據(jù)實際情況，需要對風門的受力分析、傳動原理、控制系統(tǒng)進行合理的研究，才能開發(fā)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

實現(xiàn)煤礦井下通車風門的自動化，既可提高礦井通車效率，保證風流不短路，還可以減少井下工人的數(shù)量。針對大型現(xiàn)代化礦井以無軌膠輪車作為主要輔助運輸?shù)牡V，我們研制出基于PLC控制的平衡式自動風門。

1 平衡式自動風門的組成、工作原理和功能

1.1 風門組成

平衡式自動風門主要由兩道平衡式風門、一套控制柜及傳感器組成。平衡式風門主要由防爆電液推桿、鋼絲繩、連桿、左門、右門、配重組成；風門的開啟由風門驅(qū)動裝置電液推桿驅(qū)動，風門的關(guān)閉由配重的重力完成。

隔爆控制柜主要由防爆控制箱、PLC、聯(lián)鎖接觸器、變壓器、本安電源、綜合保護器、熔斷器等組成。

傳感器主要有開限傳感器、閉限傳感器、防夾車光電開關(guān)、信號燈、光敏申請開關(guān)。開、閉限傳感器安裝于風門框架上部，用于檢測風門的開、閉位置；防夾車光電開關(guān)用于防止風門關(guān)閉時夾住處于中間的行人、車輛或其他物體；信號燈安裝于兩道風門外側(cè)的框架上部，用于風門狀態(tài)顯示及車輛通行指揮；光敏傳感器安裝在風門門體兩側(cè)，供車燈或頭燈照射申請開門。

1.2 風門的工作原理

每一道門有內(nèi)申請和外申請兩套光敏申請開關(guān)：處于兩道門之間的光敏申請定義為內(nèi)申請，處于兩道門外部的光敏申請為外申請。燈光照射內(nèi)申請光敏傳感器時，只有被照射的門開啟。燈光照射外申請光敏傳感器時，被照射的門首先開啟，車輛或行人通過并延時后自動關(guān)閉，第一道門關(guān)閉后另一道門會自動打開，在延時后自動關(guān)閉。

信號燈分紅、綠指示燈，用于提示風門目前所處的開閉狀態(tài)以及看不到的另一道門的開啟狀態(tài)。假設膠輪車從進風巷到回風巷，平衡式自動風門的工作過程為：當車輛到達1#門前時，車輛車燈照射風門光敏傳感器（外）連續(xù)閃燈3次。PLC接收到1#門外申請信號時，PLC控制1#門電機正轉(zhuǎn)，電機驅(qū)動液壓缸回縮，液壓缸桿帶動鋼絲繩開啟風門。這時電機需克服風阻、配重阻力和摩擦阻力。當1#風門達到開限位置時，PLC控制1#門電機停止運行，1#門信號燈由紅色變?yōu)榫G色，提示駕駛?cè)碎T體已處于完全開啟狀態(tài)，車輛可通過。2#外信號燈為閃爍狀態(tài)時，提示對面來車1#門正外于打開狀態(tài)，2#門無法打開。車輛通過后且1#門開門延時時間結(jié)束后，若防夾車光電開關(guān)未發(fā)現(xiàn)障礙物，1#門電機反轉(zhuǎn)，電機驅(qū)動液壓缸伸出，風門在配重拉力作用下關(guān)閉風門，由于液壓回路有雙向鎖，風門勻速運動，同時1#門信號燈變?yōu)榧t色并閃爍，提示將要關(guān)門，此時禁止車輛通行。當1#風門達到閉限位置時，1#門電機停止運行，1#門信號燈變?yōu)榧t色。PLC收到1#門關(guān)閉信號后，發(fā)指令給2#門接觸器，使2#電機正轉(zhuǎn)開門。當2#風門達到開限位置時，2#門電機停止運行，此時2#門處于開啟狀態(tài)，車輛可以通過2#風門。當2#門關(guān)門延時時間到后，若防夾車光電開關(guān)未發(fā)現(xiàn)障礙物，2#門電機反轉(zhuǎn)，2#門信號燈變?yōu)榧t色并閃爍。當2#風門達到閉限位置時，2#門電機停止運行，此時2#門被關(guān)閉，2#門信號燈變?yōu)榧t色，完成了進風巷到回風巷行車的過程?；仫L巷到進風巷行車的工作過程與此類似。

當車輛處于兩道門之間時，車輛可用車燈照射風門光敏傳感器（內(nèi)），連續(xù)閃燈3次，風門內(nèi)申請信號被PLC接收后，如果另一道門仍未關(guān)閉，PLC控制其關(guān)門。在此道門關(guān)閉后，PLC控制被內(nèi)申請的風門打開，車輛駛出風門區(qū)，然后PLC控制其延時關(guān)閉。在程序上1#、2#風門設置互鎖，以保證任何時候至少有一道風門是關(guān)閉的。

1.3 功能

平衡式自動風門控制系統(tǒng)有以下功能。

1.3.1 閉鎖功能

任何情況下，兩道自動風門只允許有一道處于開啟狀態(tài)，且開啟時間是設定的，開啟時間結(jié)束后，會自動關(guān)閉。當一道門處于打開狀態(tài)時，另外一道是無法打開的。

1.3.2 通信接口功能

該風門礦用隔爆兼本質(zhì)安全型控制柜采用AB公司的RS232通信接口模塊，可以通過礦井環(huán)網(wǎng)將風門開啟狀態(tài)以及數(shù)上傳調(diào)度中心的監(jiān)控系統(tǒng)。

1.3.3 多種風門開閉方式

正常情況下，風門開啟由PLC控制器自動完成。在如檢修維護、安裝調(diào)試、出現(xiàn)故障時等，可以手動操作按鈕完成風門的開閉。斷電情況下，人工推動開啟風門，風門關(guān)閉會在配重作用下自動關(guān)閉。

2 機械傳動原理

控制箱控制防爆電機正反向轉(zhuǎn)動，驅(qū)動雙向液壓泵正反產(chǎn)生壓力油，壓力油經(jīng)過雙向保壓鎖，流入油缸有桿腔或無桿腔，實現(xiàn)風門的開啟或關(guān)閉。液壓回路中設有過載保護的溢流閥，從而可保護電機不因過載而損壞。液壓回路中有桿腔側(cè)還設有手動截止閥，當由于過載或停電造成一道風門處于打開狀態(tài)時，可手動打開截止閥，使有桿腔側(cè)油流回油箱，風門在配重的作用下關(guān)閉。

3 自動控制系統(tǒng)設計

平衡式自動風門控制系統(tǒng)由礦用隔爆兼本質(zhì)安全型控制柜、本質(zhì)安全型風門限位傳感器、光敏傳感器、防夾車光電開關(guān)、信號燈、防爆手動操作按鈕、防爆交流電機等組成。礦用隔爆兼本質(zhì)安全型控制柜的主要元器件有PLC、本安電源、隔離開關(guān)、礦用變壓器、互鎖交流接觸器、電流互感器、綜合保護器、熔斷器等組成。

可編程序控制器選用了AB公司的MicroLogix1500，由CPU模塊、12路擴展輸入模塊、輸出模塊以及RS232通信接口模塊組成。外部傳感器如風門限位開關(guān)、光敏傳感器、防夾車光電開關(guān)、信號燈等，由隔爆兼本質(zhì)安全型控制箱內(nèi)的DC24V本安電源供電。礦用隔爆兼本質(zhì)安全型控制箱內(nèi)的互鎖交流接觸器、綜合保護器、本安電源、自動手動控制等以及信號燈由PLC的基本I/O檢測與控制，其他外部輸入信號由擴展的輸入模塊檢測。接觸器KM1、KM2控制1#門電機的正反轉(zhuǎn)，接觸器KM3、KM4控制2#門電機的正反轉(zhuǎn)。

為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和實用性，在硬件設計上采取了一些措施。所有的傳感器都采用具有光學原理非接觸式元件，這樣大大減少了接觸式損壞的概率。門限傳感器選用無接觸遠距離接近開關(guān)作為風門的開、閉限位置檢測裝置，以提高傳感器的可靠性和使用壽命；光敏傳感器選用可由礦燈或車燈照射的自然光光敏開關(guān)用于開門申請，使開門申請操作更加簡便和實用；防夾車裝置選用遠距離透射型光電開關(guān)，以減少水汽和塵土對檢測的影響；信號燈采用高亮度發(fā)光二極管陣列，以降低功耗，提高其可靠性和使用壽命。

4 試驗及問題

該大型平衡式自動控制風門從2005年開始首先在同煤塔山礦試用，保證了通風正常和膠輪車正常通行。它的研制成功，對保證礦井正常通風、提高礦井生產(chǎn)的安全性，對煤礦生產(chǎn)綜合自動化改造以及煤礦行業(yè)的減員增效都具有一定的意義。這種風門在我國同煤塔山礦、神東補連塔礦、大柳塔礦、上灣礦、榆家梁礦、哈拉溝礦等年產(chǎn)千萬噸礦井中使用。

使用中存在的問題：①防夾車開關(guān)誤動作。由于煤礦巷道中有滴水現(xiàn)象，當風門正處于關(guān)閉過程中時，有水滴經(jīng)過防夾檢測光線時，風門會往復運行，導致關(guān)門時間過長。解決辦法：可在頂上搭防雨篷布。②礦井負壓過大時，平衡式風門會出現(xiàn)張嘴現(xiàn)象，導致漏風嚴重。這種現(xiàn)象是由于巷道斷面過大，門體尺寸過寬時，平衡連桿過長、剛度不足造成。解決辦法：可將左右門做成非對稱式，順風側(cè)門體比逆風側(cè)門體略寬些。

5 結(jié)論

平衡式自動風門采用平衡開啟方式和PLC控制系統(tǒng)軟、硬件有機結(jié)合，保證了風門的自動運行，采用硬件、軟件雙重優(yōu)化技術(shù)及冗余技術(shù)措施，確?？刂葡到y(tǒng)運行的可靠性和準確性。這種平衡式自動風門經(jīng)過多年的使用，也暴露出了一些問題。我們對存在的問題進行了深入研究，找到了問題的原因，提出了解決辦法。經(jīng)過現(xiàn)場試驗，這些問題已經(jīng)解決。實踐表明，該平衡式自動風門可以適應不同的現(xiàn)場條件及要求，是一個可靠性高、使用維護方便的設備。

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