矿用自动风门技术的发展及其分析比较.pdf

第 1期 2 0 1 0年 1月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a n d M i n e Aut o ma t i on No ． 1 J a n ．2 01 0 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 0 0 1 0 0 6 1 0 5 矿用自动风门技术的发展及其分析比较 吴 海卫 ， 张 宜明。 ， 吴征艳 ， 蒋 曙光 。 ， 王 兰云 ， 王 杰 1 ． 中 国矿 业大 学煤 炭资 源与安 全 开采 国家 重点 实验 室 ， 江 苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ． 中国矿业 大学 安全 工程 学 院 ， 江 苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ； 3 ． 中煤 大屯公 司龙 东煤 矿 ， 江苏 徐州2 2 1 6 1 3 * 摘要 文章从控制 系统、 信号检测方式以及机械传动机构 3个方面介绍了矿 用自动风 门技术的发展及应 用现状 ， 分析 了目前较为常见的矿用 自动风 门的工作原理 ， 并比较 了其各 自的优缺点 ， 最后 介绍了一种新型 的隔爆 兼本安 型风 门控 制 器。 关键 词 矿 井 ；自动风 门；控制 系统 ； 信 号检 测 ；机械 传 动机 构 ；风 门控 制 器 中图分 类号 T D 7 2 6 文献 标识 码 A De v e l op me nt ， Ana l y s i s a nd Co mpa r i s o n o f Te c hn o l o g i e s o f M i ne us e d Aut o ma t i c Ai r Do o r s W U Ha i we i 一， ZHANG Yi mi n g 。 ， W U Z h e n g y a n 一， J I ANG S h u g u a n g 一， W ANG La n y u n 一． WANG J i e ， 。 1 ． S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f Co a l Re s o u r c e a n d M i n e S a f e t y o f CUMT． ，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a 2． Sc h o ol o f Sa f e t y En gi ne e r i n g o f CU M T ． ，Xuz ho u 2 21 11 6，Chi n a．3． Lo ng do n g Co a l M i ne o f Da t u n C o r p o r a t i o n o f Ch i n a Na t i o n a l Co a l Gr o u p ，Xu z h o u 2 2 1 6 1 3，Ch i n a Ab s t r a c t Fr om t h e s i d e s o f c o nt r o l s ys t e m s ，s i g na l de t e c t i o n me t h od s a n d me c h a ni c a l d r i vi n g d e v i c e s ， t he p a pe r i n t r o du c e d de v e l op me nt a n d a pp l i c a t i o n s t a t us of t e c hn ol o g i e s o f mi ne - us e d a ut o ma t i c a i r d o or s ， a na l y z e d wo r ki n g p r i nc i pl e o f c ommon mi ne u s e d a ut o ma t i c a i r d oo r s a t pr e s e nt ， a n d c o mpa r e d t he i r a dv a n t a g e s a nd d i s a dv a n t a g e s ．Fi na l l y，i t i nt r o du c e d a ne w t yp e o f f l a me p r oo f a n d i n t r i ns i c s a f e t y a i r d o o r c o nt r ol l e r ． Ke y wo r d s mi ne ，a ut o m a t i c a i r do o r ，c on t r ol s y s t e m ，s i gn a l d e t e c t i on，me c h a n i c a l d r i vi ng d e v i c e ，a i r d oo r c o nt r o e r 0 引言 煤 矿井 下发生 火灾 或瓦斯 爆 炸等灾 害 时直接 造 成 的人 员伤 亡是很 少 的 ， 造 成 人 员 群 死 群伤 的主 要 原 因是 灾害 发生 时产生 的大 量有 毒有 害气体 向采 区 收稿 日期 2 0 0 9 0 9 0 4 *基金项 目 国家 自然科学基金重点项 目 5 0 5 3 4 0 9 0 ， “ 十一五” 国家科技支撑计划重点项 目 2 0 0 6 B AK0 3 B 0 5 作者简介 吴海 卫 1 9 8 4 一 ， 男 ， 江苏徐州人 ， 中国矿业大学安全 工程学院在读硕士 研究 生， 研 究方 向 为煤矿 安全 监测 监 控技 术及 自动化仪表。E ma i l h a i we i wu 3 2 1 g ma i l ． c o rn 侵入和蔓延 ， 导致采 区内的人员 中毒 和窒息死亡。 如 何保 证矿 井通 风 系 统 稳定 ， 将 有 毒 有 害 气体 限制 在 局部 区域 ， 防止其 继续 蔓延 与扩散 ， 或将 有毒 有 害 气体导人通风系统总 回风巷 ， 一个基础设施就是 自 动风门。目前 ， 矿井 自动风门的应用 比较广泛 ， 其控 制方式和动力源类 型多样 。本文首先从控制 系统 、 信号检测 、 机械传动机构 3个方面对 目前较常见的 矿用 自动风门技术的原理进行 阐述 ， 分析其优缺点 ， 最后介绍一种新型矿用 自动风门控制器 ， 旨在为煤 矿工程技术人员在 自动风门的设计和使用选择方面 提 供参 考 。 6 2 工矿 自动化 2 O 1 0年 1月 1 矿 用 自动风 门的控制 系统 。M I l ” I I 言 鑫 图 1 矿 用 自动 风 f ] 的 单 片 机控 制 系统 结 构 框 图 单 片机体积 小 、 质 量 轻 、 价 格 便 宜 、 功 耗 低 ， 为 应用 提供 了便 利 的 同 时也 节 省 了开 支 。 1 9 9 4年 蒋 曙光 等_ 2 ] 研 制 了 以 单 片 机 为 主 的 可 编 程 序 控 制 系 统 ， 该 系统用 红外光 电传感 器作为 控制触 发源 ， 采用 硬件与软件相结合的抗 干扰设计 ， 并具有与地 面监 测监 控系统 通 信 的 功 能 。1 9 9 8年蒋 曙光 等 开 发 了 由多 道风 门组 成 的采 区反 风系统并 在平 顶 山一 矿得 到应 用 ， 其特 点是 采用 单 片 机控 制 ， 远 程 遥控 反 风 ， 压气驱动风门， UP S不间断电源确保在灾害时期非 正常 断 电的情 况下仍 能 可靠 运行 。1 9 9 5年 ， 李 堂军 等_ 3 研 制 了单 片 机 控 制 自动 风 门 ， 采 用 MC S一5 1 系列 8位单 片机作 为 系统 主机 ， 采 用雷 达 微 波探 测 技术 全方位检 测移 动物体 ， 以电磁 阀、 气 缸作 为风 门 开关 执行 机构 ， 共 同构成 井下 自动 风门 。 单 片机控制 系统能 有针对 性地 解决各 类工业 控 制 问题 ， 特别适用 于 较 高速 和较 复杂 的实 时控 制 应 用 。但是 单片机 控 制 系统 抗 干扰 性 差 ， 系 统工 作 不 稳定 。 3 P L C控 制 系统 P L C是 以微处 理 为基 础 ， 综合 计算 机 与 自动 化 技术而开发的新一代工业控制器， 是现代工业控制 中进行 直接数字 控 制 D D C 的最理 想 的 控制 设 备 。 众所周知， P L C有极高的可靠性， 据有关资料介绍， 其 MB丁 F 平均无故障时 间 2 0 k h ， 修复时间 1 0 mi n ， 能在 严酷 的工作 条件下 长期 可靠 地 工作 ] ， 因此 ， 在 工业 生产 自动 化 控 制过 程 中得 到 了广 泛 的 应 用 。图 2为矿 用 自动 风 门 的 P L C控 制 系 统结 构 图 。 磊面 矿车位置 风 门状态 辞 正常 1 控制人行门指示 1人行门状态反馈 人行门 1 人行 门 2 控制液压站电源． I 风门1 液压站 _ _ 1璺 里 兰 控制风 门电磁阀广一 强 制 开 启t 鼍 蓁 l 赢 风 门 状 态 显 示 l I 苎 兰 图 2矿 用 自动 风 门 的 P LC控 制 系 统 结构 图 P L C控 制 系统 与传 统 的继 电器 控 制 系 统 相 比 有如 下优 点 反 应速 度 快 ， 噪音 低 ， 能 耗小 ； 体 积小 ； 功能强大 ， 编程方便 ， 可 以随时修改程序 ； 能够 自动 检测控制过程； 系统稳定 ， 安全 可靠 。 自动 风 门是 煤 矿 重要 的通 风 设施 ， 其 安 全性 能 直接 关系 到矿井 的通 风及运 输安全 。要求 自动 风 门 要有 较高 的可靠 性 ， 而 自动风 门的控 制 机 理属 于典 型 的过 程 控 制 ， P L C 自然 成 为 首选 控 制 器 ， 以此 为 核心 组成 自动控 制系统 。 1 9 9 7 年李 少鹏 等 一 将 P L C用 于煤 矿 井 下 自动 风 门 中 ， 进一步 提高 了煤矿 自动风 门 的运 行 可靠性 。 2 0 0 1年廉 自生等 研 制 了 KHF M一1型 自动 风 门， 其控 制 系 统 由 P L C、 传 感 器 组 成 ， 执 行 机 构 由 防爆 电机 、 减 速器和 钢丝绳 构成 ， 通过控 制 电机正反 转带 动 风 门开 关 。2 0 0 5年郑 运 廷 等l_ 8 ] 研 制 了 P L C控 制 自动风门， 其执行机构采用 电液推杆。2 0 0 8年蒋曙 光等研制 了以 P L C为控制系统 的推拉式 自动风 门 系统 ， 该 系统不 仅能 控制风 门可靠 开启 和关 闭 ， 还实 2 0 1 0年第 1 期 吴海卫等 矿用 自动风 门技 术的发展及其分析比较 6 3 现了对风门的软件互锁以及对系统故障的诊断与处 理功 能 。 2 矿 用 自动风 门的信 号检 测 目前煤 矿 中 自动 风 门的行人 或过 车信 号检 测方 式主要有机械触发式传感器 位置开关 信号检测 、 超声波及雷达微波信号检测、 电磁感应信号检测 、 红 外线信号检测 、 脉冲光源式光敏传感器信号检测等 。 1 机械触发式传感器信号检测 机械触 发式 传感 器检 测通 过在运 输铁 轨上 埋设 触动 开关 ， 靠 车轮压 动开关 来获 取信 号 ， 再 通过 控 制 系统 控制 机械传 动机 构动 作来 实现 风 门的开启 或关 闭。由于其触发信号不必经过再处理即可直接控制 风 门 电机 的 电路 开关 ， 故 其控制 电路 较简 单 ， 铺 设 方 便。因为其信号获取需靠车轮压动 ， 行人时需另设 开关 ， 故 多用 于 支 护 状 况 较 好 、 行 车 行 人 少 的巷 道 中 ， 但往往 寿命 较短 ， 且 易受污 水 、 粉 尘等 腐蚀 。 2 超声波、 雷达微波信号检测 超声波、 雷达微波信号检测采用调频 、 调幅波或 超声 波通 过发 射和 接 收 装 置获 取 控 制 信 号 ， 再 通 过 控制系统控制机械传动机构动作来实现风门的开启 或关 闭 ， 并 可实 现 远 距 离 遥控 功 能 。 由于 调 频 发 射 波 的抗 干扰能 力强 ， 遥控 距离远 ， 多在 电机车 通行 的 巷道 中采 用 。但是 超 声 波 、 雷 达微 波 检 测 方 式 结 构 复 杂 ， 安装 维 护 比较 困难 。 3 感应式信号检测 感应 式信 号 检测 分 为 红 外感 应 和 电磁 感 应 2种。 红外感应元件中有一类对人体 或接 近人 体体 温的物体特别敏感 ， 当行人经过风门两边 的红外线 传感器时， 人体热量产生的红外线经过透镜的汇聚， 激发 红外 线接 收器产 生 一种微 弱 的低频 信号 。信 号 经 过放 大 、 状 态转换 后 通 过 控 制 系统 控 制 机 械 传 动 机构 动作 来实 现风 门 的开启或 关 闭 。电磁感 应技 术 与 红外感 应技 术 的原 理 相 同 ， 其 信 号 的获 取 是 在 人 或物体接近时引起电磁振荡电路的振荡频率发生改 变来 实 现 的 。此 类 风 门 多被 用 于 主 要 行 人 或 风 门 两 端压 差较大 的重 要人 口间的连 锁风 门上 。 4 脉冲光源式光敏传感器信号检测 脉 冲光源 式光 敏传 感器 信号 检测方 法是 在巷 道 一 侧 安装 红外 线发 射 管 或 其 它 可见 光 源 ， 另 一 侧 安 装 红外 线接 收管或 光敏 元件 。接 收方式 有直 接接 收 式和反射接收式 2种。当人或物体 矿车等 通过时 阻断光线， 导致接收信号改变 ， 获得触发信号后， 再 通过控制系统控制机械传动机构动作来实现风门的 开 启 或关 闭 。但 由于受行 车 和行人 运行 速度 差别 的 影 响 ， 风 门的 开闭 时间长 短不 一 ， 且 容易 受 烟雾或 粉 尘 遮 挡 的影 响产生误 动作 ， 因此 ， 在粉尘 较 大的巷 道 中 ， 该 类 风 门的选用 受 到限制 。 3矿用 自动 风 门的机械 传 动机构 目前煤矿井下 自动风门的传动机构按动力源分 类 大致分为撞杆式 双撞杆或单撞杆 、 压气驱动式、 液压 驱 动式 和 电机 驱 动式 4种 。 1 撞 杆式 双撞 杆或 单撞 杆 撞 杆式 风 门 门扇 采 用 双 扇梯 形 门扇 ， 门轴 倾 角 为 8 0 。 ～8 5 。 。当矿 车 通过 撞 击 铁 撞 杆 时 ， 因矿 车 对 撞杆挤压， 将两门扇同时打开。风门撞开后 ， 能靠 自 重关 闭 。 以往多 采用撞 杆 式开启 风 门 ， 当车辆 通过 时 ， 利 用车辆直接撞击 风 门拉杆 ， 使 风 门打开 ； 车辆通过 后 ， 利用 风 门 自重 和风 流 压 力 自动关 闭 。但 是 撞 杆 式风门体积大， 加上风流压力， 行人通过时开门较费 力 。 由于车 辆直 接撞 击风 门 ， 使 风 门很 容 易损坏 ， 维 修工作较繁重。 2 压气驱 动式 压 气驱 动装 置采 用矿井 空 压站 为掘进 而提 供 的 压缩空气作为风门的驱动力。压气管路通过支管和 高 压软 管与 电磁 阀 连接 ， 正 常 时期 电磁 阀处 于关 闭 状态 ； 控风时期电磁 阀打开 ， 高压气体进入气缸 ， 使 撑杆伸长。撑杆与钢丝绳及滑轮组成的连动系统机 构 相连 接 ， 撑 杆 的运动 带 动钢丝 绳 ， 并 牵 引风 门完成 开启或关闭动作 。在电磁阀之后安设泄压三通阀或 两 位三 通 电磁 阀 ， 实现 风 门复位 功能 。 整 个控 制 系 统 是 电力 驱 动 的 。在 矿 井 灾 害 时 期 ， 灾 区 电力 供应 往往 切 断 ， 为 了保证 控 制系统 的正 常工作 ， 必须提供蓄电池作为备用电源。 3 液压 驱动 式 液 压 驱 动 利用 静 水 压力 作 为 驱动 风 门的动 力 。 静 水压 是靠 垂直 高 差 形 成位 能 ， 通 过 管 路 和 液压 元 件 转换 为机 械 能推 动 风 门 ， 动 作原 理 与压 气 驱 动 式 相 似 。 4 电机 驱动 式 驱 动 电机 通 电 后 旋 转 ， 经 过 减 速 ， 带 动 丝 杠 螺 母 ， 从 而把 电机 的 圆周 运 动变 为直线 运动 ， 并利 用 电 机 的正 、 反旋 转 完 成 推拉 动作 。电动 推 杆 驱 动 系统 与液 气 压驱动系统相比， 可省去复杂的管路 、 阀和 液 气 压 源 。电动 推 杆 为 系列 防爆 产 品 ， 可 供 煤 矿 选择使用。 6 4 工矿 自动化 2 0 1 0年 1月 不 同动力源 的风 门性 能 比较如表 1 所示 。 表 1 不 同动 力 源 的风 门 性 能 比较 表 4一种新 型隔爆兼 本安型 风 门控 制器 如前 文所 述 ， 继 电 器 控 制 系统 体 积 大 、 接 线 复 杂、 可靠性差 ， 很难满足现代控制设备的要求 ； 单片 机控 制系统抗 干扰 性差 ， 系统工作 不稳定 ， 对 于煤矿 中 自动风 门的行人 或者过 车信号 检测方 式也 有寿命 较短且易受污水、 粉尘等腐蚀， 结构复杂， 安装维护 比较 困难 ， 容易受 烟雾 或 粉尘 遮 挡 的影 响产 生误 动 作 等缺点 。鉴于此 ， 中 国矿业 大 学 蒋 曙光 等 人设 计 了普 通 式 、 推 拉 式 、 吊 桥 式 等 新 型矿 用 自动 风 门[ 9 - 1 1 ] ， 自动风 门 门体 采 用 钢 丝 绳 牵 引 ， 风 门 的 门 体设 计能够 做到 防夹 、 开关 灵 活 、 阻力 小 、 漏 风 少 等 特点。考虑到用高压气体作为 自动风门的动力源 ， 电磁 阀选用 气动 型 。 在此 基 础上 ， 蒋 曙光 教 授开 发 了井 下火 灾 应 急 救援 系统 。在采 区 内预 先设 置 多 道 电控 气 动 风 门 ， 由风 门控 制 器 远 程 控 制 这 些 电 控 气 动 风 门 ， 组 成 一 个 灾害应 急救援 系 统 ， 其 中一 部 分 风 门处 于 常 开 状态， 另一部分处于常闭状态。当灾害发生时， 通过 自动风 门的风 门控制 器 控 制风 门开 闭 ， 处 于 常 开状 态 的风 门立 即关 闭 ， 切 断进入采 区 的进 风 ， 采 区 内的 有毒 有 害 气 体不 能 流 动 和蔓 延 ， 避免 了灾 害 的 进一步扩大； 而原来处于常闭状态的风门立即打开 ， 将有毒有害气体直接导入采区总 回风巷 ， 达到救灾 的 目的。 该 系统 的风 门控制 器 以 P L C为 核心单 元 ， 防爆 型 式为 隔爆 兼本 安型 。系统 的软件设 计在地 面服 务 器 上位 机 上完 成 ， 通 过 光缆 与 风 门控 制 器 下 位 机 形成 环路通 信 方式 。地 面服 务器 轮 询 访 问各 风 门控 制器 ， 接 收各风 门控 制器 获 取 的来 自各个 传 感 器的开关量和模拟量输入信号， 对输入信号进行分 析 ， 得 出系统所 处 的工 作状 态 ， 并 对风 门控制器 发 出 相应的指令。在使用过程中， 若出现交流断电情况， 风 门控 制 器 中 的 UP S不 问 断 电源可 给 主机 内部 供 电至少 2 h 。在安装 或维修过程 中， 若 打开控制器 防爆 盖 ， 控制器 可 实 现 自动 断 电 功能 。井 下 火灾 应 急救援系统风门控制器的连接方式如图 3所示 。 风门 控制器 下位机 风门 1 风门 2 图 3 井下火灾应急救援 系统 风门控制器的连接方式图 5 结 论 1 通 过 对 矿 用 自动 风 门各 类 控 制 系 统 的分 析， 可知 P L C控制系统具有性能稳定、 安全可靠 、 控 制精度 高等优 点 ， 应 是矿 井首选 控制 系统 ， 也是 今后 矿用 自动风 门控制 系统发 展 的必 然趋 势 。 2 信 号 取 样 是 自动 风 门 控 制 系 统 的窗 口部 分， 信号检测应根据实际情况 ， 选用准确 、 可靠的信 一 ll～ 一 一一 一一 一 一lI一 ．主 一 一 咖 一 一 ～ 一 一 一 一 2 0 1 0年 第 1期 昊海卫 等 矿 用 自动 风 门技 术 的发展 及 其分析 比较 6 5 欢 迎订 阅 工矿 自动化 杂 志 工矿 自动化 杂志 原名 煤矿 自动化 创刊于 1 9 7 8年 ， 是由中国煤矿安全监察局主管、 煤炭科学研究 总院常州 自动化研究院主办的、 以报道煤矿及其它工矿企业生产过程 自动化、 信息化和数字化为中心内容的 专业性技术期刊， 系中国科技论文统计源期刊 中国科技核心期刊 I S TI C 、 中国学术期刊综合评价数据库 来源期刊 C NKI 、 中国期刊网 C NK I 、 中国学术期刊 C D 全文收录期刊、 中国科学引文数据库来 源期刊、 中国煤炭 学会煤 矿 自动化 专业 委员 会 和 中国煤炭 工业 技术 委 员会 信 息 与 自动 化专 业 委 员会 会 刊 ， 还 被煤 炭 科学 图书馆 、 美 国 乌利希 期 刊指南 、 英 国 科 学 文摘 I NS P E C 、 美 国 剑 桥科 学 文 摘 C S A 、 波 兰 哥 白 尼索 引 I C 等检 索刊物 和数 据库 收 录 。 工 矿 自动化 杂志 主要 报道 内容 工矿环 境 安全 、 设备状 态 监测 监控 技术 、 生产 过程 自动 化技术 、 电力 调 度监测监控技术、 生产过程 自动化技术 、 电力调度监测监控技术 、 通信与信号技术 、 工矿用传感器及仪器／ 仪 表技 术 、 工矿用 电子产 品测试 与标 准化技 术 、 计算 机在 工矿 领域 的应 用技 术 、 工 矿 电气节 能技 术等 。 工矿 自动化 杂志的主要对象为煤炭行业 相关技术领域 的研究设计人员 、 工程技术人员、 管理人员及 大中专院校师生。 本刊 承接 广告业 务 ， 欢迎 刊登 刊号 CN 3 2 1 6 2 7 ／ TP、 I S S N 1 6 7 1 2 5 1 X 刊期 月 刊 ， 大 1 6开 本 定价 每册 1 O 元 ， 全 年 1 2 0元 发行 范 围 国内外公 开发 行 订购 地点 全 国各地 邮政 局 邮发 代号 2 8 1 6 2 地址 江苏 省 常州市 木梳路 1 号 工 矿 自动化 编辑 部 邮编 2 1 3 0 1 5 电话 0 5 1 9 8 6 9 9 8 0 9 8 ， 8 6 9 9 8 5 1 5 ， 8 6 9 9 8 2 1 7 传真 0 5 1 9 8 6 9 9 8 0 9 8 邮箱 e d i t o r c a r i ． c o rn． c n 网址 www． g k z d h ． c n，mk z d ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． a n