白仁喜

(陜西神延煤炭有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719302)

0 引言

近年來(lái)，隨著煤炭行業(yè)不斷向數(shù)字化、智能化方向邁進(jìn)，礦用自動(dòng)風(fēng)門也由傳統(tǒng)的人力開啟、關(guān)閉，向自動(dòng)化、智能化控制開、關(guān)方向逐步發(fā)展[1-3]。目前國(guó)內(nèi)礦用防爆自動(dòng)風(fēng)門控制開關(guān)技術(shù)的落后也日益顯著，單電源防爆自動(dòng)風(fēng)門控制開關(guān)往往存在停電無(wú)法自動(dòng)運(yùn)行的情況，對(duì)煤礦井下生產(chǎn)輔助運(yùn)輸造成很大的影響[4-6]。此外，目前防爆自動(dòng)風(fēng)門控制開關(guān)技術(shù)結(jié)構(gòu)單一，無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程操控和運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞。為解決這一難題，開發(fā)研究煤礦井下自動(dòng)風(fēng)門雙電源控制開關(guān)技術(shù)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需要，對(duì)開關(guān)設(shè)備的電氣原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)等展開設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及論證，現(xiàn)研發(fā)的開關(guān)設(shè)備已在神東石圪臺(tái)煤礦22上206回風(fēng)巷口投入安裝使用。

1 自動(dòng)風(fēng)門控制開關(guān)作用及原理

風(fēng)門作為通風(fēng)系統(tǒng)中的重要設(shè)施，一般安裝在進(jìn)回風(fēng)之間的聯(lián)絡(luò)巷，起到既能割斷風(fēng)流又能行人過(guò)車的作用。在行人或通車不多的地方，可構(gòu)筑普通風(fēng)門，然而在行人通車比較頻繁的主要運(yùn)輸巷道上則應(yīng)構(gòu)筑防爆自動(dòng)控制風(fēng)門。安裝防爆自動(dòng)控制風(fēng)門不僅可降低煤礦人力成本，還可以避免因人的不安全行為、環(huán)境的不安全因素等造成的安全隱患。在防爆自動(dòng)風(fēng)門的安裝和使用過(guò)程中，自動(dòng)風(fēng)門控制開關(guān)作為控制的主要設(shè)備起到至關(guān)重要的作用。風(fēng)門自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意，如圖1所示。

1-1號(hào)風(fēng)門外紅外感應(yīng)傳感器；2-1號(hào)風(fēng)門內(nèi)紅外感應(yīng)傳感器；3-2號(hào)風(fēng)門外紅外感應(yīng)傳感器；4-2號(hào)風(fēng)門內(nèi)紅外感應(yīng)傳感器；5-1號(hào)風(fēng)門開到位傳感器；6-1號(hào)風(fēng)門關(guān)到位傳感器；7-2號(hào)風(fēng)門開到位傳感器；8-2號(hào)風(fēng)門關(guān)到位傳感器；9-1號(hào)風(fēng)門；10-2號(hào)風(fēng)門圖1 自動(dòng)風(fēng)門控制結(jié)構(gòu)示意圖

車輛從1號(hào)風(fēng)門通過(guò)，至2號(hào)風(fēng)門駛出的自動(dòng)控制原理，可分為3個(gè)階段描述。

第1階段1號(hào)風(fēng)門打開，當(dāng)人員駕駛車輛1號(hào)風(fēng)門通過(guò)時(shí)，車輛燈光晃動(dòng)使得1號(hào)紅外傳感器接收信號(hào)，傳輸至自動(dòng)風(fēng)門控制開關(guān)，使得M2電機(jī)得電正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)液壓油缸動(dòng)作，拉動(dòng)1號(hào)風(fēng)門打開。當(dāng)1號(hào)風(fēng)門打開至5號(hào)限位傳感器動(dòng)作時(shí)，自動(dòng)風(fēng)門控制開關(guān)接收信號(hào)停止M2電機(jī)。

第2階段1號(hào)風(fēng)門關(guān)閉，2號(hào)風(fēng)門打開。延時(shí)60 s，當(dāng)車輛進(jìn)入1號(hào)風(fēng)門后，自動(dòng)控制開關(guān)輸出M2電機(jī)反轉(zhuǎn)，1號(hào)風(fēng)門關(guān)閉。當(dāng)1號(hào)風(fēng)門關(guān)閉至6號(hào)風(fēng)門關(guān)到位傳感器動(dòng)作時(shí)，自動(dòng)控制開關(guān)輸出M2電機(jī)反轉(zhuǎn)停止，M1電機(jī)正轉(zhuǎn)動(dòng)作，2號(hào)風(fēng)門打開。當(dāng)2號(hào)風(fēng)門打開至7號(hào)風(fēng)門開到位傳感器動(dòng)作，自動(dòng)風(fēng)門控制開關(guān)接收信號(hào)輸出M1電機(jī)正轉(zhuǎn)停止。

第3階段為2號(hào)風(fēng)門關(guān)閉，當(dāng)車輛駛出2號(hào)風(fēng)門后，延時(shí)60 s，自動(dòng)風(fēng)門控制器輸出M1電機(jī)反轉(zhuǎn)，2號(hào)風(fēng)門關(guān)閉至8號(hào)風(fēng)門關(guān)到位傳感器動(dòng)作，自動(dòng)風(fēng)門控制器接收信號(hào)輸出M1電機(jī)反轉(zhuǎn)停止。

2 自動(dòng)風(fēng)門控制系統(tǒng)分類及存在的問(wèn)題

煤礦采用的自動(dòng)風(fēng)門控制系統(tǒng)主要有以下3種[7-9]：①半自動(dòng)控制系統(tǒng)，可采用氣動(dòng)系統(tǒng)或電動(dòng)系統(tǒng)組成，但是需要員工手動(dòng)操作按鈕，實(shí)現(xiàn)風(fēng)門打開和關(guān)閉；②全自動(dòng)控制系統(tǒng)分為2種，一種是電氣控制的電力推動(dòng)風(fēng)門系統(tǒng)；另一種是電氣控制的氣動(dòng)推動(dòng)風(fēng)門系統(tǒng)；③雙電源全自動(dòng)智能控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備兩回路電源的自動(dòng)切換及運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與傳遞。

當(dāng)前煤礦采用電氣控制的電力推動(dòng)風(fēng)門系統(tǒng)，在實(shí)際使用的過(guò)程中存在線路斷電、防爆風(fēng)門厚重造成手動(dòng)開啟不便的問(wèn)題，增加了通風(fēng)安全隱患，同時(shí)也影響井下生產(chǎn)輔助運(yùn)輸?shù)男?。為保證重要通道的防爆自動(dòng)風(fēng)門能夠安全、可靠的運(yùn)行，設(shè)計(jì)安裝時(shí)會(huì)再單獨(dú)配置一臺(tái)雙電源自動(dòng)切換開關(guān)。但是這也造成防爆自動(dòng)風(fēng)門運(yùn)行成本的增加，也增加了后期工人的維護(hù)、檢修成本。其次，現(xiàn)有防爆風(fēng)門自動(dòng)控制開關(guān)未配置設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示屏不能直觀的查看開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)，記錄實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。最后，現(xiàn)有防爆自動(dòng)風(fēng)門控制開關(guān)未配置網(wǎng)絡(luò)接口，不能直接接入煤礦井下環(huán)網(wǎng)中，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞。

因此雙電源全自動(dòng)智能控制系統(tǒng)的自動(dòng)風(fēng)門控制開關(guān)技術(shù)的研究已經(jīng)成為煤礦井下防爆自動(dòng)風(fēng)門安全運(yùn)行所急需解決的實(shí)際問(wèn)題，是提高防爆自動(dòng)風(fēng)門可靠運(yùn)行的重要保障。

3 自動(dòng)風(fēng)門雙電源控制開關(guān)原理設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種滿足煤礦井下實(shí)際生產(chǎn)需要的隔爆型雙電源自動(dòng)風(fēng)門控制開關(guān)必須從電氣原理和開關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向展開研究。結(jié)合礦用隔爆型雙電源開關(guān)和礦用隔爆型風(fēng)門自動(dòng)控制開關(guān)的電氣原理、配件作用、機(jī)械結(jié)構(gòu)等，設(shè)計(jì)雙電源自動(dòng)風(fēng)門控制開關(guān)。設(shè)計(jì)自動(dòng)風(fēng)門控制開關(guān)的電氣原理圖，如圖2所示，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的雙電源自動(dòng)切換，同時(shí)配備液晶顯示屏，可實(shí)時(shí)的查看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，還可配備網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)光口、電口的接入，并就近接入井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)中。

3.1 自動(dòng)風(fēng)門雙電源控制開關(guān)的工作原理

圖2 自動(dòng)風(fēng)門雙電源控制開關(guān)內(nèi)部接觸器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為自動(dòng)風(fēng)門雙電源控制開關(guān)內(nèi)部接觸器結(jié)構(gòu)示意圖。打開上腔接入雙電源，雙電源在接入時(shí)應(yīng)進(jìn)行電源合相，避免因電源不同相序產(chǎn)生故障等情況。手動(dòng)合上隔離開關(guān)HK1、HK2，軟件設(shè)置的優(yōu)先電源1或電源2供電回路提供工作電源，KM1或KM2合閘，另一電源做備用。每組接觸器之間都有機(jī)械互鎖和電氣互鎖，所有控制都會(huì)進(jìn)行閉鎖檢查，即不會(huì)存在由PLC導(dǎo)致的KM1與KM2、KM3與KM4、KM5與KM6中兩個(gè)接觸器同時(shí)合閘情況。

3.2 自動(dòng)風(fēng)門雙電源控制開關(guān)的工作流程

雙電源切換：①雙電源同一時(shí)間只能使用其中一路，同時(shí)有電時(shí)優(yōu)先使用哪一路由設(shè)置決定；②當(dāng)其中任何正在使用的一路無(wú)電，則自動(dòng)切換回另一路供電；③具有無(wú)電報(bào)警功能。

圖3 自動(dòng)風(fēng)門雙電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

風(fēng)門自動(dòng)控制流程：從1號(hào)門來(lái)車與從2號(hào)門來(lái)車控制過(guò)程相同，現(xiàn)只對(duì)1號(hào)門來(lái)車說(shuō)明，紅外傳感器閃爍與長(zhǎng)亮效果相同，現(xiàn)只按閃爍的方式說(shuō)明，圖3為自動(dòng)風(fēng)門雙電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。①當(dāng)1號(hào)門來(lái)車時(shí)，閃燈3次1號(hào)風(fēng)門打開。等待過(guò)車時(shí)間結(jié)束后1號(hào)門關(guān)閉，2號(hào)門自動(dòng)打開。若車到2號(hào)門里側(cè)，并閃燈3次，會(huì)直接關(guān)閉1號(hào)門并不再等待過(guò)車延時(shí)；②若只閃爍1號(hào)門內(nèi)側(cè)紅外傳感器，只會(huì)使1號(hào)門開關(guān)1次；③若在1號(hào)門防夾傳感器投入且有效的情況下，1號(hào)門不會(huì)關(guān)閉，或關(guān)的過(guò)程中重新打開；④自動(dòng)控制具有電機(jī)上電關(guān)門功能，具有長(zhǎng)時(shí)間開門后關(guān)門功能。雙重保護(hù)用于保證風(fēng)門關(guān)閉狀態(tài)；⑤自動(dòng)控制具有風(fēng)門邏輯保護(hù)功能，風(fēng)門從打開開始計(jì)時(shí)，10 s之后關(guān)反饋信號(hào)還在，則直接報(bào)故障。須檢查故障后復(fù)位。關(guān)閉過(guò)程類似；⑥具有合閘失敗故障報(bào)警，打開故障報(bào)警，關(guān)閉故障報(bào)警。任何一個(gè)故障都會(huì)使自動(dòng)控制結(jié)束。須檢查故障后復(fù)位。

風(fēng)門手動(dòng)控制：①若要手動(dòng)控制，須先切換回手動(dòng)控制模式；②手動(dòng)控制可通過(guò)屏幕鼠標(biāo)操作、上位機(jī)操作與按鈕操作；③按鈕控制時(shí)，自動(dòng)手動(dòng)通過(guò)點(diǎn)動(dòng)循環(huán)切換，復(fù)位為點(diǎn)動(dòng)。長(zhǎng)按門開則開門，松開門開則停止開門。長(zhǎng)按門關(guān)則關(guān)門，松開門關(guān)則停止關(guān)門；④確保手動(dòng)按鈕完好，否則將影響所有手動(dòng)控制；⑤手動(dòng)控制，風(fēng)門開到位或關(guān)到位會(huì)自動(dòng)停止風(fēng)門的開關(guān)動(dòng)作。

紅綠燈控制：①紅燈長(zhǎng)亮則表示對(duì)面風(fēng)門打開，綠燈長(zhǎng)亮則表示對(duì)面風(fēng)門已關(guān)閉；②綠燈閃爍表示本風(fēng)門的防夾有效，此時(shí)可以自動(dòng)控制；③紅燈閃爍表示風(fēng)門全開，此時(shí)可以自動(dòng)控制；④紅綠燈同時(shí)閃爍表示有故障，風(fēng)門無(wú)法自動(dòng)控制。

4 自動(dòng)風(fēng)門雙電源開關(guān)結(jié)構(gòu)及人機(jī)界面

4.1 自動(dòng)風(fēng)門雙電源控制開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

自動(dòng)風(fēng)門雙電源控制開關(guān)主要結(jié)構(gòu)由隔爆型殼體和上下兩層本體組成。殼體分為上下兩個(gè)腔，上腔為接線腔，包括兩路電源及兩路負(fù)載以及控制接線端子。下腔為控制器本體，本體分上下兩側(cè)安裝，上層為PLC控制板，安裝有PLC開關(guān)電源、紅綠燈控制器BNHL-1各1只及BZSR-1輸入控制器2只；下層為開關(guān)本體板，包括安裝有6只接觸器、8只繼電器、3只變壓器、2只隔離開關(guān)、2只互感器和阻容吸收、若干保險(xiǎn)等設(shè)備組成。整體結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)潔，上下兩層本體之間通過(guò)接線端子排連接，方便拆卸、維修。

4.2 自動(dòng)風(fēng)門雙電源控制開關(guān)外部結(jié)構(gòu)

自動(dòng)風(fēng)門雙電源控制開關(guān)的隔爆殼體為方形，采用上下平移式快開門結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)面各裝有一個(gè)隔離開關(guān)操作手柄和急停按鈕操作機(jī)構(gòu)，控制雙電源的輸入，前門和隔離開關(guān)操作手柄之間采用閉鎖螺栓聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)。當(dāng)隔離開關(guān)閉合時(shí)，前門不能打開，隔離開關(guān)斷開后，前門方能打開。前門安裝有觸摸屏，可以顯示與風(fēng)門有關(guān)的運(yùn)行數(shù)據(jù)等內(nèi)容。

殼體接線腔有6個(gè)φ68的電源進(jìn)線喇叭口，可進(jìn)φ15～φ40的電纜；4個(gè)M33和20個(gè)M20的控制回路引線喇叭口，可出φ5～φ17.9的電纜。

4.3 自動(dòng)風(fēng)門雙電源控制開關(guān)智能控制界面

工作界面：“工作界面”在自動(dòng)風(fēng)門雙電源控制開關(guān)送電后首先顯示的界面。工作界面是自動(dòng)風(fēng)門雙電源控制開關(guān)第一個(gè)界面，主要顯示兩個(gè)風(fēng)門的工作狀態(tài)以及控制面板，包括電壓、電流、運(yùn)行狀態(tài)、故障類型以及自動(dòng)手動(dòng)切換、兩個(gè)風(fēng)門的開、關(guān)、停、復(fù)位等功能按鍵。各個(gè)開關(guān)工作界面如圖4所示。

圖4 自動(dòng)風(fēng)門雙電源控制開關(guān)工作界面圖

工作界面的控制：工作界面的控制區(qū)域有“自動(dòng)”和“手動(dòng)”兩種控制方式，需要切換控制方式可以用鼠標(biāo)左鍵單擊“自動(dòng)”或者“手動(dòng)”按鍵框或者點(diǎn)“手動(dòng)/自動(dòng)”切換按鈕，當(dāng)該按鍵框變?yōu)樗{(lán)色即為選中該功能。選中“自動(dòng)”按鍵框變?yōu)樗{(lán)色，風(fēng)門為自動(dòng)控制方式。選中“手動(dòng)”按鍵框變?yōu)樗{(lán)色后，鼠標(biāo)左鍵單擊或者按動(dòng)按鈕“門1開”，控制1號(hào)門開接觸器吸合，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，1號(hào)門打開，直到1號(hào)門開到最大位置到達(dá)開限位傳感器位置自動(dòng)停開或者在到達(dá)限位傳感器位置之前點(diǎn)動(dòng)“復(fù)位”，接觸器釋放，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，1號(hào)門停止打開；鼠標(biāo)左鍵單擊或者按動(dòng)1號(hào)門按鈕“門1關(guān)”，控制1號(hào)門關(guān)接觸器吸合，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，1號(hào)門關(guān)閉，直到1號(hào)門關(guān)到關(guān)限位傳感器位置自動(dòng)停關(guān)或者在到達(dá)關(guān)限位傳感器位置之前點(diǎn)動(dòng)“復(fù)位”，接觸器釋放，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，1號(hào)門停止關(guān)閉。選中“手動(dòng)”按鍵框變?yōu)樗{(lán)色時(shí)，如有上位機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的控制。2號(hào)門控制方式及過(guò)程同1號(hào)門一致，值得注意的是在“手動(dòng)”控制方式下，1號(hào)門與2號(hào)門之間沒(méi)有電氣互鎖，即在“手動(dòng)”控制時(shí)，1號(hào)門與2號(hào)門可同時(shí)打開。當(dāng)控制器出現(xiàn)故障時(shí)，可以使用鼠標(biāo)左鍵單擊“復(fù)位”按鍵或者點(diǎn)動(dòng)復(fù)位按鈕進(jìn)行故障復(fù)位。當(dāng)控制器出現(xiàn)故障時(shí)，1號(hào)門或者2號(hào)門外的紅綠燈進(jìn)行閃爍，不同的閃爍類型，代表不同的故障級(jí)別。

參數(shù)設(shè)置：按下“翻屏”按鍵或者用鼠標(biāo)左鍵單擊設(shè)置按鈕，顯示切換到“參數(shù)設(shè)置”，如圖5所示。屏幕上可以看到，額定電流、門開關(guān)時(shí)間、過(guò)車時(shí)間、過(guò)載倍數(shù)等各種參數(shù)以及各種功能鍵。若想更改參數(shù)，用鼠標(biāo)左鍵單擊“額定電流”數(shù)據(jù)框或按下數(shù)據(jù)鍵，這時(shí)屏幕會(huì)彈出“數(shù)據(jù)型”對(duì)話框(圖6)，用鼠標(biāo)選中“數(shù)據(jù)型”框內(nèi)原有數(shù)據(jù)，單擊需要輸入的數(shù)值，完成后點(diǎn)擊確認(rèn)即完成數(shù)據(jù)的修改。功能鍵的選擇可以使用鼠標(biāo)左鍵單擊需要的功能框即可。

圖5 自動(dòng)風(fēng)門雙電源控制開關(guān)參數(shù)設(shè)置圖

圖6 自動(dòng)風(fēng)門雙電源控制開關(guān)“數(shù)據(jù)型”設(shè)置界面

數(shù)據(jù)界面：數(shù)據(jù)界面如圖7所示，PLC所有的輸入輸出點(diǎn)和各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)均在此界面上顯示出來(lái)，當(dāng)PLC的I/O點(diǎn)或者傳感器反饋點(diǎn)工作時(shí)，相應(yīng)的點(diǎn)在數(shù)據(jù)界面的方框應(yīng)該變?yōu)樗{(lán)色，從而說(shuō)明該點(diǎn)工作正常。

圖7 自動(dòng)風(fēng)門雙電源控制開關(guān)數(shù)據(jù)界面

故障界面：故障界面是記錄控制器故障的窗口，當(dāng)風(fēng)門發(fā)生故障時(shí)，記錄了發(fā)生故障的時(shí)間，故障類型以及常見(jiàn)故障的排除方法等信息，方便用戶進(jìn)行維修判斷。所有故障按照故障的嚴(yán)重程度可分為一級(jí)故障、二級(jí)故障及三級(jí)、四級(jí)報(bào)警，影響自動(dòng)控制的為二級(jí)故障。一級(jí)故障由于關(guān)門檢測(cè)，最終體現(xiàn)為二級(jí)故障，并使自動(dòng)控制結(jié)束。三級(jí)、四級(jí)報(bào)警可以通過(guò)設(shè)置取消，所有故障均上電復(fù)位。圖8為自動(dòng)風(fēng)門雙電源控制開關(guān)故障界面。

圖8 自動(dòng)風(fēng)門雙電源控制開關(guān)故障界面

歷史曲線：歷史曲線界面記錄了一定時(shí)間內(nèi)電動(dòng)機(jī)電流的運(yùn)行歷史曲線，使用鼠標(biāo)方便查看電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況，發(fā)生故障時(shí)方便用戶對(duì)故障進(jìn)行維修判斷。圖9為自動(dòng)風(fēng)門雙電源控制開關(guān)歷史曲線界面。

圖9 自動(dòng)風(fēng)門雙電源控制開關(guān)歷史曲線界面

5 結(jié)論

(1)自動(dòng)風(fēng)門雙電源控制開關(guān)的使用能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)門自動(dòng)控制開關(guān)的雙電源自動(dòng)切換，保證了自動(dòng)風(fēng)門安全可靠的運(yùn)行，為礦井輔助運(yùn)輸?shù)脑霎a(chǎn)、增效奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(2)自動(dòng)風(fēng)門雙電源控制開關(guān)接入工業(yè)環(huán)網(wǎng)中，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)等在上位機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的自動(dòng)化和智能化管理。

(3)此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)獲得國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局實(shí)用新型專利授權(quán)專利號(hào)(ZL201720597123.7)[10]，試生產(chǎn)的開關(guān)已在神東石圪臺(tái)煤礦22上206回風(fēng)口安裝使用，運(yùn)行取得很好的效果。