基于PLC的煤矿井下风门自动控制系统设计

义海能源有限责任公司大煤沟煤矿 刘合山 刘青亮

针对煤矿井下风门存在的问题，设计一种基于PLC的风门自动控制装置，介绍了无压风门的结构，给出了风门PLC自动控制系统的组成及工作原理，分配了PLC输入输出地址，设计了PLC控制流程图。该系统结构简单，安全可靠，提高风门自动控制的可靠性。

煤矿井下风门系统对于矿井通风和安全生产来讲都是至关重要的组成部分，目前很多煤矿井下风门采用人工控制方式，自动化程度低，劳动强度大，影响运输效率。行人在关闭风门时冲击较大，容易出现风门伤人事故。随着矿井信息化自动化水平的提高，煤矿井下风门自动控制显得尤为重要（[1]杨英兵,徐帅.现代化大型矿井气动风门的研究与应用[J].煤矿安全,2018,49(S1):49-52;[2]张立辉,张运增.补连塔煤矿井下同向气动式自动风门[J].煤矿安全,2017,48(S1):48-51;[3]肖琳.矿井用风门的自动控制系统设计[J].自动化应用,2013(6):92-94;[4]张俊.基于PLC的井下矿用风门自动控制系统设计[J].煤矿机械,2012,33(4):161-163）。

本文针对大煤沟煤矿井下风门存在的问题，设计一种基于PLC的风门自动控制装置，适用于煤矿井下风门的自动控制，当行人和矿车通过风门时，风门电控装置实现风门的自动开启、关闭，同时实现闭锁功能。

1.无压风门结构及工作原理

大煤沟煤矿井下风门采用无压风门，无压风门也称为压力平衡式风门，它通过机械连杆机构把风压转化为内力，当该机械连杆机开启时，保障风门的开启力与风压大小及风向无关，达到了平衡内外风压的目的（[5]刘志忠,聂立新,刘建慧.矿井自动风门智能控制系统设计[J].矿山机械,2012,40(8):24-27;[6]韩素媛,吴波.基于PLC的平衡式自动风门研究[J].科学之友,2013(1):11-12）。无压风门主要用于煤矿井下进回风巷和主要进加风巷之间每个联络巷中，是目前所用风门的更新换代产品。无压风门机械结构分为硬连接机械驱动结构和软链接机械驱动结构。从具体实现形式来分，又可细分为气动和液压两种。软连接机械驱动结构由气缸、支架、滑轮、钢丝绳、配种等部分组成。气缸、支架、滑轮等固定在机架上，牵引钢丝绳一端固定在风门的中部，另一端通过滑轮固定在机架上，机架固定在巷壁上。开门靠气缸缩回牵引力带动滑轮通过钢丝绳把门拉开，关门时气缸伸长，靠配重桶将风门关闭。此种结构需要配套相应的闭锁装置。

2.无压风门自动控制系统设计

2.1 PLC控制系统结构及工作原理

由于PLC结构简单、工作可靠、使用方便，在工业控制系统中应用广泛（[4]张俊.基于PLC的井下矿用风门自动控制系统设计[J].煤矿机械,2012,33(4):161-163;[5]刘志忠,聂立新,刘建慧.矿井自动风门智能控制系统设计[J].矿山机械,2012,40(8):24-27;[6]韩素媛,吴波.基于PLC的平衡式自动风门研究[J].科学之友,2013(1):11-12;[7]徐圣,李晓林.矿井风门智能控制系统[J].煤矿安全,2013,44(8):94-95,98）。本文采用了PLC实现风门自动控制。风门具有自动控制、手动控制两种工作模式，在停电或无气源状态下不影响人工开启和关闭风门。风门开启或关闭时，现场可实现语音声光报警提示。自动控制风门控制系统结构图如图1所示，它主要是由风门驱动装置、防爆电磁阀、PLC防爆控制箱、矿用本安型红外传感器、矿用热释光传感器、矿用本安型接近开关、矿用隔爆型控制按钮、语音声光报警及其他附件组成。

图1 风门自动控制系统结构图

风门自动控制系统工作原理如下：矿用本安型红外传感器安装在风门两侧，在风门的两端分别形成检测区域，当A门有人或车辆经过时，红外传感器发出信号，送给PLC。A门的声光语音箱提示语音为“风门准备打开，请注意安全”，绿灯常亮，同时电磁阀1通电，A门的气缸工作，打开A风门，同时B门的气缸闭锁上B门。风门上装有矿用本安型接近开关传感器，检测风门的开、关状态。当最后一个行人或车辆通过红外传感器后，经过适当延时，电磁阀2通电，气缸工作关闭A门。若B门未关闭，当A门有人或车辆经过时，红外线检测发出触发信号，A门的声光语音箱提示语音为“前方风门闭锁，请您稍候”，红灯常亮，A门不能打开。

在有行人或者行车通过风门时，为了防止风门误动作，夹住正在通过的物体，在风门的两侧安装防夹车光电开关。防夹车光电开关采用矿用隔爆型光电开关，由发射端和接收端组成，根据发射端和接收端之间光的强弱变化转换为高低电平，来确定开关的打开与否。当光电开关接收、发射距离在有效范围内，接收与发射中间有物体隔挡时，光电开关动作，输出高电平；当在无物体隔挡时，光电开关不动作，输出低电平，该传感器输入PLC，由PLC完成判断和控制。

表1 PLC的I/0接口地址分配表

2.2 PLC控制系统硬件设计

由风门自动控制方案可知，PLC控制箱是风门自动控制的核心。PLC控制箱内部由隔离开关、本安电源、隔离栅、PLC控制器等部分组成。PLC控采用是西门子公司的s7-200型PLC。按钮、开关、外部传感器等信号经过隔离开关进入PLC控制箱，PLC输出信号经过继电器驱动电磁阀和声光报警装置。所有信号均为开关量信号，输入端信号为12个，输出端信号为9个，PLC的I/0接口地址分配如表1所示。

2.2 PLC控制程序设计

根据煤矿井下风门工作环境的特定要求，以A门到B门为例，其中B门是否关闭到位，作为下一道风门开启的必要条件，即便A门红外传感器有信号输入，但B门还未完全关闭到位时，A门是无法开启，因为A门和B门是电气与机械相互闭锁的，只有B门完全关到位的状态下，闭锁关系才能够解除。图2为PLC软件流程图。

图2 PLC程序控制流程图

4.结语

基于S7-200小型PLC的风门自动控制系统，结构简单，安全可靠。在硬件设计上采用非接触式的传感器用于行人、车辆风门状态检测，减小了接触式传感器损坏的概率，提高风门自动控制的可靠性。