煤礦井下風門自動閉鎖系統的研究與設計

王志軍

（山西煤炭進出口集團左云長春興煤業有限公司，山西大同 037000）

0 引言

井下通風是煤礦采掘作業前一個重要的基本環節，對于礦井的安全建設和工作生產順利進行具有重大影響[1]。在井下巷道內需要對風流進行控制、隔斷和引導，使風流按照指定方向流通，其中風門就屬于井下常見的風流隔斷設備。按照井下通風的整體設計規劃，在工人和礦車通過但不允許風流存在的巷道內，需要安裝風門對風流進行阻斷，并且還要保證工作線的通行暢通，避免在開關門時發生碰撞事故。

目前許多企業仍采用人工控制風門開啟、關閉，勞動強度大、效率低下，在開、關門時還容易發生碰撞事故，這種落后的控制方式無法滿足現代煤礦的需求。本文設計了一種基于PLC 和光敏傳感器的煤礦井下風門自動閉鎖系統，不僅實現了風門的自動化控制[2]，還可在不同的對象通過時進行智能識別，并且在硬件的選型設計時滿足了防爆的特殊需求。

1 系統設計總體方案

根據井下實際需求，在巷道內需要設置A、B 兩扇風門，當一扇風門處于開啟狀態時，另一扇風門應當關閉且不能被打開，只有關閉了開啟風門后，另一扇風門才可開啟[3]，實現互鎖，以此保證巷道內的風流平衡。風門自動閉鎖系統具有自動和手動兩種風門控制模式，系統正常運行時，A、B風門的開啟關閉均由PLC 實現自動控制，在發生故障或檢修時，可切換至手動模式通過按鈕實現開關風門。系統整體結構如圖1所示，其中每扇風門都包含2個用于檢測風門狀態的開關門到位傳感器[4]、1 組用于辨別通行目標是行人或礦車的光電傳感器、1 個提供動力的液壓缸、2 個二位四通電磁閥和1 個用于提示報警的聲光報警箱以及手動控制按鈕。風門的傳動裝置采用液壓泵站配合液壓缸的形式，液壓站含有2 臺液壓泵，采用一主一備的工作方式提高系統可靠性。當無工人或礦車通過時，風門處于關閉狀態，當有目標通過時，傳感器檢測并傳輸不同的信號至PLC，PLC控制液壓缸開啟風門；當目標通過后，檢測區域的傳感器不再發出信號，PLC 延遲一段時間后關閉風門，具體延遲時間可設置[5]。

圖1 系統整體結構圖

2 硬件方案設計及選型

由于井下特殊環境的要求，在進行硬件方案設計時要盡可能符合本質安全的原則，不滿足本質安全的設備和電路需集成在防爆箱內進行隔爆處理。

PLC 控制器是本系統的核心部分之一，本文選用西門子S7-200 可編程控制器。S7-200 PLC體積小巧、價格低廉、擴展性能強大，完全滿足本系統的控制需求。PLC 的CPU 選擇S7-226，該CPU 采用24 V DC 輸入、輸出，具有24 路數字量輸入和16路數字量輸出，允許最大擴展7個I/O模塊，集成多種通訊功能，可實現RS-485、PPI 和MPI 通訊，同時還具有自整定PID、在線編程、數據記錄等多種功能。

光電傳感器也是本系統的核心部分，每扇風門附近都對稱設置了2個光電傳感器，形成了一個通行目標檢測區域。傳感器采用對射式安裝，既增大了檢測的輻射面積，又減少了由碰撞、摩擦等引起的意外損害和故障，傳感器檢測區域如圖2所示。

圖2 檢測區域示意圖

工人正常的移動速度一般為1～1.5 m/s，人體前后寬度一般在0.3 m以內；礦車的移動速度一般為2～4 m/s，且車身長度一般在1.5 m以上。當工人正常通過檢測區域時，光電傳感器會發出大于或等于350 ms的脈沖[6]；當礦車通過時，光電傳感器發出的脈沖大于或等于450 ms，光電傳感器將不同的脈沖信號傳送至PLC 后，PLC 執行運算即可區分通過目標是工人還是礦車，不需增加傳感器數量即可實現智能識別。

本文選用ZP-12G 型礦用光電傳感器，額定工作電壓為12 V DC，額定工作電流小于或等于30 mA，探測范圍大于或等于5 m，當檢測到人體或礦車信號時刻瞬時做出反應，輸出不同的脈沖信號。

開關門到位傳感器用于檢測風門狀態，保證A、B風門的互鎖，本文選用GFK40 型礦用風門開閉狀態傳感器，其接電容量為DC12 V/0.05 A，當風門開啟時，“開”狀態常開接點閉合，此時低電壓小于0.5 V；當風門關閉，“關”狀態常開接點斷開，此時漏電阻大于100 kΩ，可實現風門狀態的判斷。

聲光報警箱可在門開啟、關閉或者發生故障、進行維修維護等不同狀態下發出對應的聲光報警信號，語音信號放大采用TDF8546J汽車音頻放大器實現，其輸出功率較大，抗干擾性能良好，電路也較為簡單，其功能電路板都集成于獨立的防爆箱內，以滿足隔爆要求[7]。

3 軟件方案設計

系統控制主流程如圖3 所示。當有目標通過檢測區域時，傳感器A1 檢測到并向系統發出信號，PLC控制風門A 開啟，目標通過風門A。計時器T1 用于記錄通過目標的脈寬以判斷目標是行人還是礦車，當傳感器A2 檢測到有目標通過時，T1啟動計時，當A2檢測不到目標時，停止發送信號，T1計時停止并清零，若T1計時小于或等于350 ms，說明是行人通過，若計時大于或等于450 ms，則說明是礦車通過。

圖3 系統控制主流程圖

在系統中還設置了2 個延時定時器，用于判斷礦車和行人是否全部通過，分別為礦車信號延時定時器T2和行人信號延時定時器T3[8]。T2的初始設定值為1 s，T3的設定值需大于T2。當有目標通過并被傳感器A2檢測到時，每有一個通過目標都會使A2發送一個上升沿電平信號將T2置0，目標通過后A2 發出下降沿信號，T2 重新開始計時。當有一組礦車通過時，每節車廂通過的間隔時間遠小于1 s，T2在此期間不斷被清零，當最后一節車廂通過后，A2發出下降沿信號，T2開始計時，直到T2達到1 s設定值時，說明這組礦車已全部通過。當T2 達到設定值1 s 時，系統會通過T1 的計時情況判斷通過目標是礦車還是行人，如果是礦車，則符合上述過程，礦車通過后關閉A門即可，若此時T1判斷通過目標為行人，T3開始工作。T3 的計時過程和T2 相同，但T3 的延時設定值大于T2，所以T3 只在T2 計時達到設定值并且T1 計時判斷通過目標為行人后工作，從而通過T2、T3兩個延時定時器將礦車和行人進行了區分。

系統在T3每次計時結束時都會查看傳感器A4有無檢測信號發出，如果有信號，則說明風門B側有工人在等待風門B開啟通過，在確保風門A關閉后將風門B開啟；若A4無檢測信號發出，則檢測傳感器A1是否有新信號發出，如果有，說明后續有其他目標要通過風門A，系統控制風門A持續開啟，保證后續人員通過。

4 結束語

本文設計的基于PLC 的煤礦井下風門自動閉鎖制系統在實際測試中，可以根據不同目標通過風門區域時所產生的不同脈寬的信號，實現對行人和礦車的智能識別，并采取不同的方式區別控制，系統的控制精度、穩定性、自動化程度都得到了提升，具有良好的經濟效益和應用前景。