基于PLC的礦井風門自動控制系統研究和設計

劉嘉鑫

（晉能控股煤業集團晉華宮礦安監站，山西 大同 037000）

引言

目前，井下風門控制一般采用人工手動控制方式，只能完成風門的啟閉功能，無法根據礦井實際環境情況自動調節風門開閉程度，也無法實現遠程監測和控制，自動化程度低，當工人或者礦車通過風門時，風門阻力較大，開啟困難，會對人身安全造成一定的危險，同時采用人工方式啟閉風門會造成人力的浪費，降低了生產運輸效率[1-2]。

為此本文設計了一種基于PLC的礦井風門自動控制系統，通過環境傳感器可對井下巷道內的空氣狀況進行監控，通過紅外感應器、視頻監控系統、電動球閥不僅可以實現風門的自動啟閉，而且還可以根據監控結果實現對風門開合度的調整，實現對井下風量的精確調節和控制，極大地提升煤礦井下綜采作業的自動化程度和安全性。

1 系統方案設計

整個風門自動控制系統由上位機監控平臺、PLC控制器、各類環境傳感檢測模塊、視頻監控系統、紅外線檢測傳感器、電動球閥裝置等組成，系統總體方案如圖1所示。

圖1 風門自動控制系統總體方案

上位機監控平臺由工控機、服務器、打印機等組成，負責實時以曲線形式監測井下風門周圍的環境參數信息，也可通過視頻畫面監測，同時可遠程控制風門的啟閉、開合程度，另外還具有數據查詢、數據存儲等功能；環境傳感檢測模塊負責采集風門周圍的環境參數信息，并上傳給PLC控制器，為精確調節風門開合程度提供依據；視頻監控系統負責采集風門及風門周圍的視頻圖像，負責為工作人員的遠程控制提供更為全面的信息支持；紅外線檢測裝置負責監測行人或者運輸車輛的通行情況，為自動控制風門的啟閉提供反饋信息；電動球閥負責驅動風門，實現不同程度的開合；PLC控制器負責轉換處理傳感器采集到的信息，通過融合處理和智能決策，為遠程控制中心提供操作支持，同時還支持聲光報警、液晶顯示等功能。

2 硬件部分方案設計與選型

2.1 主控制器選型

選用西門子PLC-300作為系統主控制器。該系列PLC可靠性高、通用性強，具有很好的擴展性[3]。此外，配置了SM331模擬量輸入模塊、SM322數字量輸出模塊和SM321數字量輸入模塊。溫度、風速、煙霧、粉塵濃度、一氧化碳濃度等模擬量通過SM331模擬量輸入模塊送入PLC，風門的啟閉信號通過SM321數字量輸入模塊送入PLC，通過SM322數字量輸出模塊則可以控制風門的啟閉和開合程度大小。

2.2 傳感器檢測模塊設計與選型

傳感器檢測模塊是整個系統最基礎也是最重要的部分，控制風門開合程度的大小依賴于實際環境的參數信息，包括風速、井下溫度、煙霧濃度、粉塵濃度、一氧化碳濃度等。為保證精準的風門開合程度控制，本文對需求的傳感器進行了詳細選型，如表1所示。

表1 所需傳感器型號及功能

系統的位置傳感器安裝在風門框架的上方，用于檢測風門的開閉。同時PLC控制器在設計過程中會預留2路RS485接口、3路（4～20 mA）電流或（0～5 V）電壓采集接口，確保其他傳感器信號的接入。

2.3 視頻監控系統設計與選型

視頻監控系統包括井下視頻采集裝置、遠程監控中心控制室兩部分。井下視頻采集裝置選擇KBA115礦用隔爆型光纖攝像儀，該設備全身為不銹鋼構造，可防腐、防塵、防水，安全性非常高。同時配置一臺單路視頻光端機用于視頻傳輸，視頻傳輸采用光纜方式。

2.4 電磁閥選型

本系統選用DFB-8-DH-1.0礦用隔爆型本安型電磁閥[4]，通過控制氣缸的收縮來控制風門的開關程度，該型號電磁閥為三位五通型電磁閥，由左右兩路電信號進行控制。

3 系統軟件方案設計

系統采用STEP7 V5.5軟件進行編程。編程語言為梯形圖方式[3]。將各程序模塊化，分為主程序和各個子程序模塊，通過主程序調用子程序的方式來執行系統操作，具有很高的效率。包括環境檢測子程序、風門自動啟閉子程序、聲光報警子程序、液晶顯示子程序、風門開度調節子程序、RS485通信子程序等。圖2所示為風門自動啟閉子程序流程框圖。

圖2 風門自動啟閉子程序流程框圖

系統采用了三組紅外線傳感器和兩組位置傳感器，兩組紅外傳感器安裝在兩扇風門的外側，一組安裝在兩扇風門之間，兩組位置傳感器安裝在兩扇風門的內測。首先在風門的外側會形成一個檢測網，不管是行人還是車輛，不管從哪一個方向進入，紅外傳感器都會自動檢測同時會給控制設備發送信息。

安裝在風門內測的位置傳感器，距離風門3 m處，用來實時檢測風門的開閉信號。實際礦井下，兩扇風門A和B是存在閉鎖關系的，如果當A門內測位置傳感器檢測到信號輸入時，B門沒有充分關閉到位，那么A門無法開啟，這是由于A門和B門是互相閉鎖的，只有在B門完全關閉到位的情況下，才會解除這種閉鎖關系。也就是說，B門關閉到位情況，決定了下一個風門是否開啟[5]，這樣的閉鎖關系可以避免A、B兩扇門同時開啟帶來的漏風問題，提高了礦井的安全性。

4 實際應用效果分析與總結

該風門自動化控制系統于2019年6月布設，截至目前位置，歷時將近一年半的現場應用發現，自動化控制系統可以穩定運行，可以遠程實現風門的自動啟閉，而且兩風門之間的閉鎖功能完美運行，尚未發生一起巷道風流紊亂事故；而且系統可以根據巷道實際環境信息自動調整風門的開合程度，節省了大量的人力物力，提高了礦井的安全性和穩定性，通過預算，安裝該風門自動化控制系統后，一年可節約勞動成本費用達58余萬元，節約設備維修成本費用達25萬元，具有很好的經濟效益。