基于PLC控制的礦用側卷式風門研究與設計

陳 春

（山西三元福達煤業有限公司， 山西 長治 046000）

引言

煤礦井下在開采出優質的煤炭資源時[1]，會釋放出二氧化碳、甲烷、礦塵等大量對人體有害的氣體，嚴重地影響了井下工作人員的生命健康安全。煤礦井下需要通過通風系統將地面新鮮空氣持續地輸送至井下各個巷道內，保證工人的呼吸供給，進而保障井下工人的生命安全和煤礦綠色安全高效的開采。在煤礦井下通風系統中，風門起著調節巷道風量和風速的作用，用于達到保證井下巷道內的各種氣體濃度在安全范圍內的作用[2]。

目前煤礦普遍使用的風門存在功能單一，結構形式復雜等問題，且長期使用開式風門會產生一定的誤差，會造成閉合不緊產生漏風的現象，對巷道中的風流造成一定的影響。針對上述問題，提出了基于PLC的礦用側卷式風門的研究與設計，實現對煤礦巷道各種通風參數全天候監測，并且能夠根據程序設定自動調節側卷式風門的開啟和關閉程度，很好地改善了傳統風門需要風窗配合進行風量調節的弊端，實現了煤礦井下巷道風量的智能自動調節。

1 煤礦井下側卷式風門的結構設計

煤礦井下側卷式風門的研究與設計是為了解決傳統風門必須依靠風窗配合調節巷道內風量、傳統風門啟閉程度單一和傳統風門不能做到長時間密封等問題，達到調節精度高、操作過程簡便及智能化程度高等優點。

煤礦井下側卷式風門主要由左右側卷式卷簾、手動搖把開關裝置、限位門框、卷簾卷筒、支座、安裝座等構件組成，進風門側應安裝有風量和風速傳感器組成信號采集部分，遙控開關置于門框處，門框卷簾應在門框內左右移動，并且門框上安裝有限位開關以及多圈式編碼器等。礦用側卷式風門安裝示意圖如圖1所示。

圖1 礦用側卷式風門安裝示意圖

2 煤礦井下側卷式風門的工作原理

基于PLC的礦用側卷式風門無需測風工作人員在井下巷道進行多次人工測量，可通過設置在側卷式風門周圍的風量傳感器與風速傳感器，實現多點檢測巷道內的風量和風速情況[3]，對檢測到的巷道內的風量和風速等數據進行實時顯示，并將數據進行處理存儲后傳送給PLC控制器，裝置內的PLC控制模塊將實時檢測數據與設定值進行對比，通過內部設定程序的算法處理后，將實際檢測的結果與設定值之間的差距判斷出來，判斷結果作為裝置自動調節的依據。

當檢測的實時數據與系統設定值有偏差時，控制箱顯示器上顯示出實測數據以及偏差值，并實時控制側卷式風門的卷簾軸防爆電機啟動，驅動卷簾大軸轉動，卷簾大軸轉動帶動卷簾做卷曲運動，卷簾做卷曲運動會使得風門的啟閉程度發生變化，從而導致通風面積發生變化，通風面積發生改變后，風量傳感器和風速傳感器等進行實時檢測，直到裝置檢測到巷道內的風量、風速達到系統內部設定值，電機停止轉動風門閉鎖。裝置在調節過程中主要是對裝置的電機部分進行控制，電機帶動卷簾大軸運動，卷簾的卷曲運動會改變風門的開口面積，根據實時數據變化反饋風量風速的相關信息進行實時調節[4]。礦用側卷式風門工作流程圖如下頁圖2所示。

圖2 礦用側卷式風門工作流程圖

3 煤礦井下側卷式風門的電氣控制設計

3.1 電氣控制部分設計

煤礦側卷式風門是由主控單元來進行操作控制的，主控單元主要為PLC控制，PLC又名可編程邏輯控制器，是主要應用在工業上的數字運算操作電子系統，主要通過數字信號的輸入和輸出對各種類型的機械或者工業設備進行操作控制。根據系統的功能要求、控制指令的復雜程度等因素，基于PLC的礦用側卷式風門選擇西門子S7-200SMART系列PLC，主控制器模塊選用S7-200SMART ST30 PLC。煤礦井下側卷式風門設計通過PLC自動控制與特殊情況下的手動控制，來實現煤礦井下巷道風量風速的自動調節，自動控制能夠保證在無需人員干擾的情況下對風門的開口面積進行自主快速調節，手動控制能夠保證在特殊緊急情況發生時，工作人員能夠手動操作對風門進行控制，保證了風門的高安全性、高機動性和高智能化。礦用側卷式風門控制流程圖如圖3所示。

3.2 人機界面設計

煤礦井下側卷式風門通過設置觸摸屏與組態編程軟件，來實現使用用戶與整個控制系統進行媒介的交換。觸摸屏的設置使得人員操作時，僅通過觸摸屏上設置的控制按鈕就能對煤礦井下側卷式風門進行控制。為了觸摸屏的控制方便，煤礦井下側卷式風門采用MT441TE顯示觸摸屏以及利用Kiinco HMIware組態編程軟件。

煤礦井下側卷式風門的觸控屏界面如圖4所示，屏幕界面上顯示有偏差、風速、風量、門內外熱釋傳感器、電機狀態顯示、風門狀態顯示、警報顯示等巷道內的基本信息。能夠為井下工作人員提供比較完善的通風系統參數以及詳細的巷道信息，是一個比較集中方便的信息操作界面。

圖3 礦用側卷式風門控制流程圖

圖4 觸控屏人機界面圖

4 結論

礦用側卷式風門裝置的提出能夠有效地解決傳統風門必須結合風窗進行風量調節、響應慢等弊端，保證了煤礦井下的通風安全、工人的生命安全和煤礦的安全綠色高效開采，加快了智慧綠色礦山建設的進程。