CN109578049A - 一种无压风门启动闭锁控制*** - Google Patents
一种无压风门启动闭锁控制*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于矿用安防设备技术领域，具体涉及一种无压风门启动闭锁控制***，包括安装在巷道中的风门，所述风门包括风门A和风门B，所述风门A和风门B主要由门框，门轴和门扇组成，所述风门A以及风门B的进出口侧均安装有微波传感器，所述微波传感器与PLC信号连接，所述风门A和风门B的进出口侧分别形成微波检测区A和微波检测区B，两个所述门扇上分别安装有连杆A和连杆B，所述连杆A和连杆B之间连接有助力气缸；本发明利用多个微波传感器检测的信号，对风门区域的人车通行进行状态评估与分类处理，采用状态机视图描述控制***的静态结构和动态行为，提高了风门控制的可靠性，同时节约生产成本，可给企业带来可观的经济效益。
Description
技术领域
本发明属于矿用安防设备技术领域，具体涉及一种无压风门启动闭锁控制***。
背景技术
煤矿井下发生火灾或瓦斯***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***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入通风***总回风巷，一个基础设施就是自动风门，煤矿井下风门对于通风安全和生产运输***都是至关重要的环节。
目前，在国内外矿井通风***中，自动风门的控制***按照控制方式可分为：继电器控制***，单片机控制***和PLC控制***。
继电器控制***是针对一定的生产机械，固定的生产工艺设计的，采用硬接线方式将人们熟悉的各种定时器，继电器，接触器，开关等电器的触点装配而成。由于各电器功能直观，价格低廉，在一定范围能够满足控制要求，在电工技术与控制领域一直占主导地位。但是继电器控制***只能完成既定的逻辑控制，定时等功能，一旦生产工艺过程改变，则控制柜必须重新设计，重新配线，而且继电器控制***体积大，接线复杂，可靠性差，很难满足现代控制设备的要求。如，赵崇忱等研制开发了适用于人车回风斜井和电机车运输巷道的自动开闭风门，通过电液控制和伺服装置控制风门的开或闭，同时发出灯光报警。继电器控制***由于继电器故障率高，控制***功能单一且不可扩展，已很少采用。
单片机控制***具有体积小，质量轻，价格便宜，功耗低等优点，为应用提供了便利的同时也节省了开支。如蒋曙光等研制了以单片机为主的可编程序控制***，该***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***通信的功能。蒋曙光等还开发了由多道风门组成的采区反风***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，UPS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。李堂军等研制了单片机控制自动风门，采用MCS-51系列8位单片机作为***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***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***抗干扰性差，***工作不稳定，目前也已很少采用。
由于PLC本身抗干扰能力强，编程简单直观，扩展性好，编程方便，可以随时修改程序。能够自动检测控制过程，***稳定，安全可靠。PLC控制***在矿用自动风门中的应用日益广泛。如，李少鹏等将PLC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。廉自生等研制了KHFM-1型自动风门，其控制***由PLC，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。郑运廷等研制了PLC控制自动风门，其执行机构采用电液推杆。蒋曙光等研制了以PLC为控制***的推拉式自动风门***，该***不仅能控制风门可靠开启和关闭，还实现了对风门的软件互锁以及对***故障的诊断与处理功能。
控制方法工作过程是：当物体传感器检测到有人车经过时PLC驱动风门开启；当风门前后的传感器检测不到有人车经过时，***经过一定时间的延时控制风门关闭；矿车通常会编队以组队的形式运行，运行情况相对稳定，风门动作相对固定；而人员通过具有很大的随机性，人员通过时的数量，通行速度等情况较为复杂，可能出现被风门夹伤的危险，可见，现有的风机自动启动闭锁***仍不能满足多变的运行要求，使用简单的控制方法其控制效果较差，控制***缺少合宜性，自动化技术的优势未得到体现。
目前在国内外矿井通风***中，矿井自动风门的应用比较广泛，不但提高了工作效率，而且保证了矿井通风***的稳定，但在实际生产过程中，由于负压大需要费很大的力气方可开启风门，当行人与车辆在同一时间对向通过风门时，还易造成伤人事故，现有的自动风门控制***对人员和矿车不加区分，采取相同的简单控制方式，不能满足多变的运行要求，适应性较差。
发明内容
为解决上述背景技术中提出的问题。本发明提供了一种无压风门启动闭锁控制***，具有结构合理，安全可靠和使用灵活的特点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种无压风门启动闭锁控制***，包括安装在巷道中的风门，所述风门包括风门A和风门B，所述风门A和风门B主要由门框，门轴和门扇组成，所述风门A以及风门B的进出口侧均安装有微波传感器，所述微波传感器与PLC信号连接，所述风门A和风门B的进出口侧分别形成微波检测区A和微波检测区B，两个所述门扇上分别安装有连杆A和连杆B，所述连杆A和连杆B之间连接有助力气缸，且两个所述门扇的转向相反，所述PLC通过电磁阀与所述助力气缸信号连接，所述PLC通过远程通信模块与井下环网连接。
作为本发明的一种无压风门启动闭锁控制***优选技术方案，所述连杆B上铰接有缓冲气缸，所述缓冲气缸一端铰接在所述连杆A上，另一端通过丝杆连接件与所述助力气缸刚性连接。
作为本发明的一种无压风门启动闭锁控制***优选技术方案，巷道内还安装有闭锁装置，所述闭锁装置主要由壳体，重锤，闭锁器和气缸组成，所述闭锁器铰接在所述壳体的内壁，两个所述重锤分别滑动在所述闭锁器的两侧，两个所述闭锁器通过钢缆绳分别与所述风门A和风门B上的联动件连接，所述气缸固定在所述壳体的外壁，且所述闭锁器固定在所述气缸的输出端。
作为本发明的一种无压风门启动闭锁控制***优选技术方案，所述闭锁器呈倒置的等腰三角形，所述壳体的内壁安装有与所述重锤配合的滑轨，所述闭锁器的宽度大于两个所述重锤之间的间距。
作为本发明的一种无压风门启动闭锁控制***优选技术方案，所述气缸与应急开关信号连接。
作为本发明的一种无压风门启动闭锁控制***优选技术方案，所述闭锁器的两对称部均通过弹性元件连接在所述壳体的内壁。
作为本发明的一种无压风门启动闭锁控制***优选技术方案，所述微波传感器的数量为八个，其中四个位于所述风门A的进出口侧，且与所述微波检测区A对应分布，另外四个位于所述风门B的进出口侧，且所述微波检测区B对应分布。
作为本发明的一种无压风门启动闭锁控制***优选技术方案，还包括声光报警模块，所述声光报警模块信号连接在所述PLC的输出端。
作为本发明的一种无压风门启动闭锁控制***优选技术方案，还包括***自检模块，所述***自检模块与所述PLC信号连接。
作为本发明的一种无压风门启动闭锁控制***优选技术方案，所述PLC输出端连接有风压站。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1，本发明利用多个微波传感器检测的信号，对风门区域的人车通行进行状态评估与分类处理，采用状态机视图描述控制***的静态结构和动态行为，提高了风门控制的可靠性，同时节约生产成本，可给企业带来可观的经济效益。
2，本发明具有较广泛的推广市场，可见，在全公司的所有矿井都安装和使用风门启动闭锁控制***的经济效益是非常可观的，如果能在全国的所有煤矿推广使用，将会产生巨大的经济效益。
3，本发明将风门启动闭锁控制水平和通风安全水平有效提高，其将极大地保障煤矿的安全生产，从而减少可能因通风事故造成的经济损失和人员伤亡，全国各大煤矿企业下属许多个矿井，均可推广本***，因此该项目必将有广阔的应用前景，更具有重要的经济效益和社会效益。
4，本发明对风门的启动和闭锁全部实现自动化，对提高煤矿井下通风安全的自动化水平以及井下工作人员的安全作业，有很大的推动和促进作用。
5，本发明实现了风门状态的监控和数据远程传输，有效地提高了煤矿通风安全技术和管理水平。
6，本发明是集监控和管理于一体的综合***，能够有效提高煤矿企业生产管理的效率，实现监控和管理的自动化和信息化。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中的风门结构示意图；
图3为本发明中的门扇开启方向状态图；
图4为本发明中的闭锁装置结构示意图；
图5为本发明中的***框图；
图6为本发明中的微波传感器布置及人员通行状态图；
图7为本发明中的风门控制状态转换图；
图中：1，风门；101，门框；102，门轴；103，门扇；104，连杆A；105，连杆B；11，风门A；111，微波检测区A；12，风门B；121，微波检测区B；2，微波传感器；3，助力气缸；31，丝杆连接件；32，缓冲气缸；4，闭锁装置；401，滑轨；41，壳体；42，重锤；421，钢缆绳；43，闭锁器；44，气缸。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：一种无压风门启动闭锁控制***，包括安装在巷道中的风门1，风门1包括风门A11和风门B12，风门A11和风门B12主要由门框101，门轴102和门扇103组成，风门A11以及风门B12的进出口侧均安装有微波传感器2，微波传感器2与PLC信号连接，风门A11和风门B12的进出口侧分别形成微波检测区A111和微波检测区B121，两个门扇103上分别安装有连杆A104和连杆B105，连杆A104和连杆B105之间连接有助力气缸3，且两个门扇103的转向相反，PLC通过电磁阀与助力气缸3信号连接，PLC通过远程通信模块与井下环网连接。
本实施例中，针对大型现代化矿井以无轨胶轮车作为主要辅助运输的矿井和以行人为主的巷道，本发明研制出基于PLC控制的自动风门控制***，该自动风门***使用了双扇异向同步开闭的无压门扇103，采用气压站配合助力气缸3的方式作为传动机构，***由PLC，检测风门状态的接近传感器，检测人车行进状态的微波传感器2，助力气缸3，门状态指示灯和控制按钮等设备组成，***利用多个微波传感器2检测的信号，对风门区域的人车通行进行状态评估与分类处理，采用状态机视图描述控制***的静态结构和动态行为，提高了风门控制的可靠性。
本实施方案中，为解决负压使得风门1难以打开的问题，采用气动无压风门技术，门扇103顶部安装有动力气缸3，当动力气缸3伸出端供气则两个门扇103分别推拉异向打开，收缩端供气则门扇103关闭，因此，利用电磁阀来切换动力气缸3供气源就可以达到控制风门开闭的功能。
具体的，连杆B105上铰接有缓冲气缸32，缓冲气缸32一端铰接在连杆A104上，另一端通过丝杆连接件31与助力气缸3刚性连接。
本实施例中，门框101用钢材焊接而成，门扇103用钢材制作，保证了风门1开闭可靠。
具体的，巷道内还安装有闭锁装置4，闭锁装置4主要由壳体41，重锤42，闭锁器43和气缸44组成，闭锁器43铰接在壳体41的内壁，两个重锤42分别滑动在闭锁器43的两侧，两个闭锁器43通过钢缆绳421分别与风门A11和风门B12上的联动件连接，气缸44固定在壳体41的外壁，且闭锁器43固定在气缸44的输出端。
具体的，闭锁器43呈倒置的等腰三角形，壳体41的内壁安装有与重锤42配合的滑轨401，闭锁器43的宽度大于两个重锤42之间的间距。
具体的，气缸44与应急开关信号连接。
具体的，闭锁器43的两对称部均通过弹性元件连接在壳体41的内壁。
本实施例中，闭锁装置4在非救灾模式可阻止两道门风门A11和风门B12同时打开，防止风流短路，在救灾模式启动后闭锁装置可自动去除闭锁功能，允许两道门风门A11和风门B12同时打开。
本实施例中，重锤42通过钢缆绳421与风门1联动装置相连，当风门1关闭时重锤42的重力可辅助风门1的闭合，开门时可防止风门1开门动作过快而损坏；闭锁器43可阻止两侧重锤42同时提升，进而阻止两侧风门A11和风门B12同时打开并防止风流短路；气缸44可推动闭锁器43向前移动和复位，即起到关闭和打开闭锁功能的作用；外壳41起到固定重锤42，闭锁器43，气缸44及其他附属装置的作用。
具体的，微波传感器2的数量为八个，其中四个位于风门A11的进出口侧，且与微波检测区A111对应分布，另外四个位于风门B12的进出口侧，且微波检测区B121对应分布。
本实施例中，风门1区域的人车状态检测使用微波传感器2，每个风门1检测区域使用了4个模块，对现有的微波雷达感应模块进行了重新设计，根据平均人员行走速度设置检测电平阈值，微波传感器2通过单片机进行回波信号检测，只有人车行走速度处于正常范围(一般要求大于0.4m/s)，传感器才无延时的输出有效信号，减小了检测死区和丢失有效信号的概率，传感器布置及人员通行状态如图6所示。
***周期检测微波传感器2信号，人车运动过程中会触发微波传感器2输出信号，***则根据传感器信号执行开关风门1和风门1互锁，人车接近风1时，两侧风门1的微波传感器2检测到有效运动速度信号，首先进行信号竞争，根据竞争结果开启某一风门1，2个风门入口信号4选1采取竞争方法进行选择，即微波移动传感器A1，A4，B1，B4输出信号处于竞争状态，一个检测周期内，只有一个信号有效，根据人员所处的区域可进行风门控制策略设计。
实现方法：
风门自动控制***状态转换和控制策略采用有限状态机(FSM)理论，包含有限的状态，在任一给定时刻只能处于其中的一个状态，***的状态变化受事件的驱动，事件是***的活动或外部输入信号，它受当前状态约束，因此，风门控制只需在其状态空间中找到状态转换的轨迹，每个状态都有其特定的输出，即***状态转换伴随着***的性能指标随时间的变化，风门自动控制***的动态特性就是通过状态转换表现出来，巷道风门检测区域内人员行进过程中的每个有效位置都相当于一个状态，在任何时刻风门只能处于一个工况状态，工况间的转换受传感器信号即事件的驱动，当传感器信号满足进入某一工况的条件时，风门立即进入该工况下运行，一旦外部事件不受该工况下条件的约束时，风门立即离开该工况寻找另一个工况。每个风门区域可以作为一个对象，该对象有微波传感器2和定时器属性，属性取值为开或关，两个操作开门和关门，根据人车通行过程和风门对象属性值的不同组合，可以把工作流程划分为5个状态：初始态，状态1，状态2，状态3，状态4。状态转换如图7所示。
图7中对不同区域设置不同传感器配合定时器对人车运动状态进行分类，从初始状态开始，当人车运动速度满足最低传感器1阈值接近区域入口时，风门开启进入状态l，此时开启定时器1；若在定时时间到后区域检测不到信号则判断为人车退出风门区域，返回初始状态；若微波传感器2信号有效则进入状态2，同时开启定时器2，此时判断人车进入风门1，人车的行走不会影响状态的改变，直到传感器3信号有效；状态2和状态3的人员已经进入风门1，***处于等待人车通过风门区域；传感器4有效时进入状态4，此时人车前端已经通过风门1，***等待其他部分通过风门区域；此时如果传感器没有信号则进行短暂延时后关闭风门1。
具体的，还包括声光报警模块，声光报警模块信号连接在PLC的输出端。
具体的，还包括***自检模块，***自检模块与PLC信号连接。
具体的，PLC输出端连接有风压站。
本实施例中，微波传感器2采用单片机作为控制芯片，实时监测人员状态，并根据状态输出有效电平，风门控制***采用西门PLC作为控制核心，根据各种传感器信息利用状态图转换控制策略进行风门控制，另外，配置了以太网通信模块，与其他***进行信息交换，决定处于***救灾和非救灾状态，***均采用本安和隔爆型设计，满足矿井安全生产需要，硬件框图如图5所示。
风门启动闭锁控制***，必须能够保证风门开启关闭的安全可靠运行，如果控制***出现故障，长时间停止运行，会严重影响井下通风，因此，必须能够实时监控风门的开关状况，以便在出现故障时能够及时地进行处理，可通过井下安全监控网络及时传送监控点，以便实时监控风门开关状况，因此，本***应当具备与井下监控***通信的功能，可以实时地将有关的状态信息通过网络传送到监控***终端，目前大部分矿井千兆交换机已配备至井下，可利用以太网模块接入井下环网，实现远程通信。
煤矿井下风门是通风***的重要设施，井下正常通风是煤矿安全生产的重要保证，除了风门本身需要符合煤矿设备的有关安全性认证之外，还需要采取一些必要的措施能够及时准确的掌握风门的安全运行状况，井下设备自身一般都要具有故障报警的功能，在出现故障时能及时切除设备电源和实现开关自锁，同时提供声光报警，以便井下维护人员能够及时解除故障，减小设备故障带来的安全隐患和可能的损失，因此，煤矿井下设备必须具有必要的故障报警功能。风门控制***能够声光报警，采用一般的蜂鸣器和发光二极管组成报警***。
本实施例中，无压风门启动闭锁控制***设计结构合理，抗干扰性强，整机体积小，安装和维护方便，操作可行，安全可靠，技术先进，使用灵活，通过安装和使用风门启动闭锁控制***，真正实现风门各种状况下的全自动化操作，适合在各类煤矿使用，不受井下空间环境的制约，能安装在各类巷道内。
风门启动闭锁控制***工作电压为直流24V，电压允许波动范围为75％～110％。工作环境温度40℃～60℃。
本发明所涉及的包括传感器，微控制器和通信模块等均为矿用常规型号。
本发明的工作原理及使用流程：风门1和闭锁装置4的机械结构以及各部件设计在考虑功能需求以及井下巷道的安装环境和空间尺寸的情况下，采用机械设计理论和技术进行初步的设计，然后运用计算机辅助设计软件，如AUTOCAD软件等进行设计，设计完成之后通过仿真分析软件如ANSYS等对采用不同材料的部件的进行分析，然后根据分析结果进行改进和完善。
风门启动闭锁控制***的设计采用的技术手段包括：采用微波传感器2进行人员或车辆的速度和状态测算；采用电磁接近开关确定风门开关状态，均采用本安设备。
风门控制算法采用状态机视图描述方式实现，根据人员行进的最终位置分为不同的状态估计，结合定时器对人员状态进行状态估计和制定控制策略，用状态机视图描述风门控制***的静态结构和动态行为，既提高了风门控制***的自动化水平，也改善了风门控制***的可靠性。控制***仿真实验实现可以通过MATLAB软件来进行。
风门启动闭锁控制***的远距离通讯可以采用工业以太网技术实现设备和井下网络之间的信息传递，西门子PLC可直接配置以太网模块，利用井下环网进行通信，及时有效将风门有关信息上传，实现远程监控。
本发明通过将传感器技术，微控制器技术，通信技术技术，计算机仿真以及机械设计技术等，实现一种集监控和管理于一体的智能化，信息化的风门启动闭锁控制***，风门启动闭锁控制***的研究和开发，对风机的启动和闭锁全部实现自动化，对提高煤矿井下通风安全的自动化水平以及井下工作人员的安全作业，有很大的推动和促进作用。且具有一下特色：
1)本发明针对井下风门的自动启动闭锁控制难题进行研究，到目前为止，国内外已有相关或类似的产品存在控制方法简单，无法辨识人车等问题。因此，研究和开发本***具有较大的创新性和很强的实用性，可有效提高通风安全水平。
2)无压风门启动闭锁控制***设计结构合理，抗干扰性强，整机体积小，安装和维护方便，使用灵活，适合在各类煤矿使用，不受井下空间环境的制约，能安装在各类巷道内。
3)本发明所涉及的关键技术包括传感器技术，微控制器技术，通信技术，计算机仿真以及机械设计技术等诸多方面。
4)***总体达到操作可行，安全可靠，设置科学，技术先进。通过安装和使用风门启动闭锁控制***，真正实现风门各种状况下的全自动化操作。
5)风门启动闭锁控制***的研究和开发，对风机的启动和闭锁全部实现自动化，对提高煤矿井下通风安全的自动化水平以及井下工作人员的安全作业，有很大的推动和促进作用。
6)该***具有体积小，结构简单，安装方便，适用性强，设备均采用本安和防爆型设计，符合《煤矿安全规程》的有关规定。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种无压风门启动闭锁控制***，包括安装在巷道中的风门，所述风门包括风门A和风门B，所述风门A和风门B主要由门框，门轴和门扇组成，其特征在于：所述风门A以及风门B的进出口侧均安装有微波传感器，所述微波传感器与PLC信号连接，所述风门A和风门B的进出口侧分别形成微波检测区A和微波检测区B，两个所述门扇上分别安装有连杆A和连杆B，所述连杆A和连杆B之间连接有助力气缸，且两个所述门扇的转向相反，所述PLC通过电磁阀与所述助力气缸信号连接，所述PLC通过远程通信模块与井下环网连接。
2.根据权利要求1所述的一种无压风门启动闭锁控制***，其特征在于：所述连杆B上铰接有缓冲气缸，所述缓冲气缸一端铰接在所述连杆A上，另一端通过丝杆连接件与所述助力气缸刚性连接。
3.根据权利要求1所述的一种无压风门启动闭锁控制***，其特征在于：巷道内还安装有闭锁装置，所述闭锁装置主要由壳体，重锤，闭锁器和气缸组成，所述闭锁器铰接在所述壳体的内壁，两个所述重锤分别滑动在所述闭锁器的两侧，两个所述闭锁器通过钢缆绳分别与所述风门A和风门B上的联动件连接，所述气缸固定在所述壳体的外壁，且所述闭锁器固定在所述气缸的输出端。
4.根据权利要求3所述的一种无压风门启动闭锁控制***，其特征在于：所述闭锁器呈倒置的等腰三角形，所述壳体的内壁安装有与所述重锤配合的滑轨，所述闭锁器的宽度大于两个所述重锤之间的间距。
5.根据权利要求3所述的一种无压风门启动闭锁控制***，其特征在于：所述气缸与应急开关信号连接。
6.根据权利要求3所述的一种无压风门启动闭锁控制***，其特征在于：所述闭锁器的两对称部均通过弹性元件连接在所述壳体的内壁。
7.根据权利要求1所述的一种无压风门启动闭锁控制***，其特征在于：所述微波传感器的数量为八个，其中四个位于所述风门A的进出口侧，且与所述微波检测区A对应分布，另外四个位于所述风门B的进出口侧，且所述微波检测区B对应分布。
8.根据权利要求1所述的一种无压风门启动闭锁控制***，其特征在于：还包括声光报警模块，所述声光报警模块信号连接在所述PLC的输出端。
9.根据权利要求1所述的一种无压风门启动闭锁控制***，其特征在于：还包括***自检模块，所述***自检模块与所述PLC信号连接。
10.根据权利要求1所述的一种无压风门启动闭锁控制***，其特征在于：所述PLC输出端连接有风压站。
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