基于PLC的礦井風(fēng)門自動(dòng)控制系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)

劉嘉鑫

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦安監(jiān)站，山西 大同 037000）

引言

目前，井下風(fēng)門控制一般采用人工手動(dòng)控制方式，只能完成風(fēng)門的啟閉功能，無法根據(jù)礦井實(shí)際環(huán)境情況自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)門開閉程度，也無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制，自動(dòng)化程度低，當(dāng)工人或者礦車通過風(fēng)門時(shí)，風(fēng)門阻力較大，開啟困難，會(huì)對(duì)人身安全造成一定的危險(xiǎn)，同時(shí)采用人工方式啟閉風(fēng)門會(huì)造成人力的浪費(fèi)，降低了生產(chǎn)運(yùn)輸效率[1-2]。

為此本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC的礦井風(fēng)門自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過環(huán)境傳感器可對(duì)井下巷道內(nèi)的空氣狀況進(jìn)行監(jiān)控，通過紅外感應(yīng)器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、電動(dòng)球閥不僅可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)門的自動(dòng)啟閉，而且還可以根據(jù)監(jiān)控結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)門開合度的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下風(fēng)量的精確調(diào)節(jié)和控制，極大地提升煤礦井下綜采作業(yè)的自動(dòng)化程度和安全性。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

整個(gè)風(fēng)門自動(dòng)控制系統(tǒng)由上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)、PLC控制器、各類環(huán)境傳感檢測(cè)模塊、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、紅外線檢測(cè)傳感器、電動(dòng)球閥裝置等組成，系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 風(fēng)門自動(dòng)控制系統(tǒng)總體方案

上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)由工控機(jī)、服務(wù)器、打印機(jī)等組成，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)以曲線形式監(jiān)測(cè)井下風(fēng)門周圍的環(huán)境參數(shù)信息，也可通過視頻畫面監(jiān)測(cè)，同時(shí)可遠(yuǎn)程控制風(fēng)門的啟閉、開合程度，另外還具有數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能；環(huán)境傳感檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)采集風(fēng)門周圍的環(huán)境參數(shù)信息，并上傳給PLC控制器，為精確調(diào)節(jié)風(fēng)門開合程度提供依據(jù)；視頻監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集風(fēng)門及風(fēng)門周圍的視頻圖像，負(fù)責(zé)為工作人員的遠(yuǎn)程控制提供更為全面的信息支持；紅外線檢測(cè)裝置負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)行人或者運(yùn)輸車輛的通行情況，為自動(dòng)控制風(fēng)門的啟閉提供反饋信息；電動(dòng)球閥負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)風(fēng)門，實(shí)現(xiàn)不同程度的開合；PLC控制器負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)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(yuǎn)程控制中心提供操作支持，同時(shí)還支持聲光報(bào)警、液晶顯示等功能。

2 硬件部分方案設(shè)計(jì)與選型

2.1 主控制器選型

選用西門子PLC-300作為系統(tǒng)主控制器。該系列PLC可靠性高、通用性強(qiáng)，具有很好的擴(kuò)展性[3]。此外，配置了SM331模擬量輸入模塊、SM322數(shù)字量輸出模塊和SM321數(shù)字量輸入模塊。溫度、風(fēng)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(fēng)門的啟閉信號(hào)通過SM321數(shù)字量輸入模塊送入PLC，通過SM322數(shù)字量輸出模塊則可以控制風(fēng)門的啟閉和開合程度大小。

2.2 傳感器檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)與選型

傳感器檢測(cè)模塊是整個(gè)系統(tǒng)最基礎(chǔ)也是最重要的部分，控制風(fēng)門開合程度的大小依賴于實(shí)際環(huán)境的參數(shù)信息，包括風(fēng)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(zhǔn)的風(fēng)門開合程度控制，本文對(duì)需求的傳感器進(jìn)行了詳細(xì)選型，如表1所示。

表1 所需傳感器型號(hào)及功能

系統(tǒng)的位置傳感器安裝在風(fēng)門框架的上方，用于檢測(cè)風(fēng)門的開閉。同時(shí)PLC控制器在設(shè)計(jì)過程中會(huì)預(yù)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(hào)的接入。

2.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型

視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括井下視頻采集裝置、遠(yuǎn)程監(jiān)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(shè)備全身為不銹鋼構(gòu)造，可防腐、防塵、防水，安全性非常高。同時(shí)配置一臺(tái)單路視頻光端機(jī)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(tǒng)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(fēng)門的開關(guān)程度，該型號(hào)電磁閥為三位五通型電磁閥，由左右兩路電信號(hào)進(jìn)行控制。

3 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STEP7 V5.5軟件進(jìn)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(gè)子程序模塊，通過主程序調(diào)用子程序的方式來執(zhí)行系統(tǒng)操作，具有很高的效率。包括環(huán)境檢測(cè)子程序、風(fēng)門自動(dòng)啟閉子程序、聲光報(bào)警子程序、液晶顯示子程序、風(fēng)門開度調(diào)節(jié)子程序、RS485通信子程序等。圖2所示為風(fēng)門自動(dòng)啟閉子程序流程框圖。

圖2 風(fēng)門自動(dòng)啟閉子程序流程框圖

系統(tǒng)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(fēng)門的外側(cè)，一組安裝在兩扇風(fēng)門之間，兩組位置傳感器安裝在兩扇風(fēng)門的內(nèi)測(cè)。首先在風(fēng)門的外側(cè)會(huì)形成一個(gè)檢測(cè)網(wǎng)，不管是行人還是車輛，不管從哪一個(gè)方向進(jìn)入，紅外傳感器都會(huì)自動(dòng)檢測(cè)同時(shí)會(huì)給控制設(shè)備發(fā)送信息。

安裝在風(fēng)門內(nèi)測(cè)的位置傳感器，距離風(fēng)門3 m處，用來實(shí)時(shí)檢測(cè)風(fēng)門的開閉信號(hào)。實(shí)際礦井下，兩扇風(fēng)門A和B是存在閉鎖關(guān)系的，如果當(dāng)A門內(nèi)測(cè)位置傳感器檢測(cè)到信號(hào)輸入時(shí)，B門沒有充分關(guān)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(guān)閉到位的情況下，才會(huì)解除這種閉鎖關(guān)系。也就是說，B門關(guān)閉到位情況，決定了下一個(gè)風(fēng)門是否開啟[5]，這樣的閉鎖關(guān)系可以避免A、B兩扇門同時(shí)開啟帶來的漏風(fēng)問題，提高了礦井的安全性。

4 實(shí)際應(yīng)用效果分析與總結(jié)

該風(fēng)門自動(dòng)化控制系統(tǒng)于2019年6月布設(shè)，截至目前位置，歷時(shí)將近一年半的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，可以遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)風(fēng)門的自動(dòng)啟閉，而且兩風(fēng)門之間的閉鎖功能完美運(yùn)行，尚未發(fā)生一起巷道風(fēng)流紊亂事故；而且系統(tǒng)可以根據(jù)巷道實(shí)際環(huán)境信息自動(dòng)調(diào)整風(fēng)門的開合程度，節(jié)省了大量的人力物力，提高了礦井的安全性和穩(wěn)定性，通過預(yù)算，安裝該風(fēng)門自動(dòng)化控制系統(tǒng)后，一年可節(jié)約勞動(dòng)成本費(fèi)用達(dá)58余萬元，節(jié)約設(shè)備維修成本費(fèi)用達(dá)25萬元，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。