CN105804779B - 一种煤矿井下风窗双气缸式自动调控系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿井下风窗双气缸式自动调控系统及其控制方法，它包括信号采集系统和控制调节系统，所述信号采集系统包括风速传感器、拉线式位移传感器及顺序连接的PLC控制器；所述控制调节系统包括风窗卷帘闸、移动式卷帘风窗、定位气缸、离合锁母、动力气缸、第一电磁阀、第二电磁阀、PLC控制器、辅助元件和气源。本发明可实时监测巷道风量，实现自动化定量化风窗通风面积的调节，并以风量差值|(Qmin+Qmax)/2‑Q|为风量调节值，避免以Q‑Qmin或Qmax‑Q为风量调节值而增加风窗调节频率的问题，提高设备使用寿命和使用效率，降低成本，满足井下风量易变场所的通风要求，有效保证井下通风量的分配。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿井下风窗双气缸式自动调控系统及其控制方法，适用于煤矿井下智能精确控制卷帘风窗通风面积大小，是一种煤矿井下通风装置。
背景技术
煤炭产业为我国经济和社会发展做了重大贡献，是我国占主导地位的行业。随着煤炭工业的发展，煤炭产量增加，但是开采规模的扩大及科技发展速度滞后于经济发展速度，我国煤炭事故频发，严重威胁矿井安全生产。据统计，2012年全年至2013年上半年我国发生煤炭事故800多起，死亡约1654人，其中将近半数重特大事故与矿井通风系统不完善有密切关系。
矿井通风是矿山生产中的一个非常重要的工作，井下通风好坏直接关系到整个矿山的安全生产和经济效益。煤矿生产发展迅速，随着矿井生产进行，矿井风阻变化大，为确保安全生产，必须实时调节矿井风网的风量。而现有的风量调节设施技术存在一些问题和不足，大部分风门风窗需要人工调节，由于风窗处于巷道上部，安装和人工调节都极为不便。如“煤矿井下风门调节风窗”(201220189186.6)、“井下调节风窗”(201220343078.x)，前者所述的调节风窗结构及操作虽然简单，但需要人工调节风量大小，风量调节控制不精确，且无法满足井巷风量实时调节的要求，后者所述的风窗能达到精确控制风量的大小，但调节需要人工来实现，操作较为不便；有的矿井则定性的控制井巷通风，存在浪费人力、控制不精确等缺陷。因此，能够智能控制的可调节风窗可以很好的解决人工调节不方便的问题。专利号201310730281.1公开了一种智能调节风窗通风面积的系统和方法，优点是能够根据井下巷道的实际需风量智能控制风窗通风面积大小，不需人工手动调节风窗但是其应用的动力气缸控制风门，智能化高；但缺点是：PLC对动力气缸发出停止命令后，受气体压力作用的动力气缸推拉杆由于其向前缓冲而无法立即停止，且不能根据风量的大小来调节出适当的风窗大小，而是生硬的在当风量大于或小于设定的巷道风量上限值及风量下限值时，直接调至风窗调节范围内的最大风窗口或最小风窗口，从而引起频繁的对风窗大小的调整，降低设备的使用寿命，提高使用成本，降低效率，且调节风窗后对风量的控制不适宜，不能实现风窗移动距离的精确定位控制。
因此，应该提供一种新的技术方案解决上述问题。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种煤矿井下风窗双气缸式自动调控系统及其控制方法，可实时监测巷道风量大小，风量不满足巷道生产需要的风量范围(Qmin，Qmax)时，控制系统通过其自动化、定量化调节风窗通风面积大小，来精确控制巷道风量，并以风量差值|(Qmin+Qmax)/2-Q|为风量调节值，避免了以Q-Qmin或Qmax-Q为风量调节差值而增加风窗调节频率的问题，提高设备使用寿命和使用效率的同时降低了成本，满足了井下风量易变场所的通风要求，有效保证井下通风量的分配。
2、技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
所述的一种煤矿井下风窗双气缸式自动调控系统，它包括信号采集系统和控制调节系统，所述信号采集系统包括风速传感器、拉线式位移传感器、与所述拉线式位移传感器顺序连接的PLC控制器；所述控制调节系统包括风窗卷帘闸、移动式卷帘风窗、定位气缸、离合锁母、动力气缸、第一电磁阀、第二电磁阀、PLC控制器、辅助元件和气源，所述风窗卷帘闸内框设有风窗轨道，所述风窗轨上滑动设有移动式卷帘风窗，且所述移动式卷帘风窗的一侧与动力气缸的活塞推拉杆二连接，所述离合锁母分别与所述动力气缸和定位气缸的推拉杆连接；所述第一电磁阀两个输出端分别与所述动力气缸的气缸前腔和气缸后腔相连，所述第二电磁阀的两个输出端分别与所述定位气缸的气缸前腔和气缸后腔相连，所述第一电磁阀和第二电磁阀的控制端均与所述PLC控制器电连接，所述气源通过辅助元件分别与动力气缸和定位气缸的输入端连接为气缸提供气体；所述拉线式位移传感器的输入端通过牵引绳与移动式卷帘风窗连接，所述风速传感器和拉线式位移传感器的输出端均与PLC控制器的输入端电连接。
优选地，所述风速传感器布置在距风窗前方14-16m稳定风流处，其探头与风窗中心点处于同一水平线上；风速传感器测量探头牢固地安装在测量位置，进风方向与风速传感器探头垂直。
优选地，所述拉线式位移传感器采用MPS-M-4000拉线式位移传感器。
优选地，所述PLC控制器的CPU采用S7-226CNPLC控制器。
优选地，所述辅助元件为过滤器、减压阀和油雾器。
优选地，所述离合锁母包括底座、转动连接于所述底座上的两个相同的转动座、定位气缸的活塞推拉杆一、设于所述推拉杆一另一端的定位气缸的进出气管、复位弹性元件、分别从下至上依次设于所述转动座上的半圆制动锁紧板和弹簧固定板，所述推拉杆一穿过所述转动座顶端并与另一转动座顶端固定连接，所述两转动座上固定的弹簧固定板之间设有复位弹性元件，所述两半圆制动锁紧板组成的圆腔内穿设有动力气缸的活塞推拉杆二。
优选地，所述复位弹性元件包括伸缩杆和弹簧，所述弹簧设于所述伸缩杆外围，且所述伸缩杆和弹簧均分别与两转动座上固定的弹簧固定板连接。
一种煤矿井下风窗双气缸式自动调控系统的控制方法，包括如下步骤：
(1)启动装置，在控制器PLC的操作面板上设定满足巷道生产需要的风量范围(Qmin，Qmax)；
(2)控制器PLC利用风速传感器实时采集该巷道的风量值，并判断采集的风量值是否满足巷道的需风要求；
(3)如果风量满足需风要求，则进行步骤(2)；
(4)如果风量不满足需风要求：
①、控制器PLC根据实时采集的风量与该巷道所需风量进行比较，并计算风窗移动方向及距离；
a、如果实时风量值Q>Qmax,则控制器PLC计算后得到卷帘风窗向左移动来减小风窗的通风面积，并根据差值|(Qmin+Qmax)/2-Q|计算风窗移动距离；
b、如果实时风量值Q<Qmin,则控制器PLC计算后得到卷帘风窗向右移动来增大风窗的通风面积，并根据差值|(Qmin+Qmax)/2-Q|计算风窗移动距离；
②、控制器PLC将指令传输给第一电磁阀，第一电磁阀启动，打开动力气缸来控制推拉杆移动；
③、拉线式位移传感器实时监测风窗移动距离，并将数据传输给控制器PLC，控制器PLC判断风窗移动距离是否满足要求：
a、如果风窗移动距离不满足要求，则转向进行步骤③；
b、如果风窗移动距离满足要求，则控制器PLC将指令传输给第二电磁阀，第二电磁阀启动，打开定位气缸，定位气缸打开且推拉杆向前移动，使离合锁母抱紧动力气缸的推拉杆，让卷帘风窗立即停下；同时，控制器PLC也将停止动作指令传输给第一电磁阀，关闭动力气缸。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明将风速传感器安装在通风巷道内，风速传感器实时监测风窗所在巷道风量，将监测数据传输给控制器，经控制器处理后，将指令传给第一电磁阀，从而第一电磁阀启动控制动力气缸中前腔和后腔压气的输入，使推拉杆推动移动式卷帘风窗，当控制器检测到风窗所在巷道风量符合要求时，控制器将指令传给第二电磁阀，第二电磁阀启动控制定位气缸中前腔和后腔压气的输入，使推拉杆向前移动，使离合锁母抱紧动力气缸的推拉杆，让卷帘风窗立即停下，使得移动式风窗准确停在控制器控制要求的位置，即符合风窗所在巷道风量的要求值，从而通过改变风窗的通风面积大小，自动调节通过风窗的风量，实现巷道风量的精确自动控制。
(2)本发明所述煤矿井下风窗双气缸智能控制系统能根据风速传感器监测的数据，智能化、定量化调节风窗通风面积的大小，从而精确控制巷道风量。根据风窗所在巷道实际配风量大小的稳定范围，在控制器上设定巷道风量上限值及风量下限值，当风速传感器所监测巷道风量大于上限值或小于下限值时，控制器根据差值|(Qmin+Qmax)/2-Q|计算风窗移动距离，自动将风窗调节到合适通风面积位置处，从而避免了以Q-Qmin或Qmax-Q为风量调节差值时而增加风窗调节频率的问题，提高设备使用寿命和使用效率的同时降低了成本。
(3)本发明安全可靠，可实时监测巷道风量大小，风量不稳定时可及时报警，其控制系统能够实现自动化、定量化调节风窗通风面积大小，从而精确控制巷道风量，满足了井下风量易变场所的通风要求，有效保证井下通风量的分配。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的俯视示意图；
图3为本发明所述离合锁母的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1
如图1-3所示，一种煤矿井下风窗双气缸式自动调控系统，它包括信号采集系统和控制调节系统，所述信号采集系统包括风速传感器16、拉线式位移传感器8、与所述拉线式位移传感器8顺序连接的PLC控制器14；所述控制调节系统包括风窗卷帘闸1、移动式卷帘风窗2、定位气缸4、离合锁母6、动力气缸7、第一电磁阀10、第二电磁阀11、PLC控制器14、辅助元件12和气源13，所述风窗卷帘闸1内框设有风窗轨道3，所述风窗轨道3上滑动设有移动式卷帘风窗2，且所述移动式卷帘风窗2的一侧与动力气缸7的活塞推拉杆二5连接，所述离合锁母6分别与所述动力气缸7和定位气缸4的推拉杆连接；所述第一电磁阀10两个输出端分别与所述动力气缸7的气缸前腔和气缸后腔相连，所述第二电磁阀11的两个输出端分别与所述定位气缸4的气缸前腔4-2和气缸后腔4-1相连，所述第一电磁阀10和第二电磁阀11的控制端均与所述PLC控制器14电连接，所述气源13通过辅助元件12分别与动力气缸7和定位气缸4的输入端连接为气缸提供气体；所述拉线式位移传感器8的输入端通过牵引绳9与移动式卷帘风窗2连接，所述风速传感器16和拉线式位移传感器8的输出端均与PLC控制器14的输入端电连接。
优选地，所述风速传感器16布置在距风窗前方14-16m稳定风流处，其探头与风窗中心点处于同一水平线上；风速传感器16测量探头牢固地安装在测量位置，进风方向与风速传感器16探头垂直。
优选地，所述拉线式位移传感器8采用MPS-M-4000拉线式位移传感器。
优选地，所述PLC控制器14的CPU采用S7-226CNPLC控制器。
优选地，所述辅助元件12为过滤器、减压阀和油雾器。
优选地，所述离合锁母6包括底座19、转动连接于所述底座19上的两个相同的转动座18、定位气缸4的活塞推拉杆一23、设于所述推拉杆一23另一端的定位气缸4的进出气管17、复位弹性元件21、分别从下至上依次设于所述转动座18上的半圆制动锁紧板20和弹簧固定板22，所述推拉杆一23穿过所述转动座18顶端并与另一转动座18顶端固定连接，所述两转动座18上固定的弹簧固定板22之间设有复位弹性元件21，所述两半圆制动锁紧板20组成的圆腔内穿设有动力气缸7的活塞推拉杆二5。
优选地，所述复位弹性元件21包括伸缩杆和弹簧，所述弹簧设于所述伸缩杆外围，且所述伸缩杆和弹簧均分别与两转动座18上固定的弹簧固定板22连接。
一种煤矿井下风窗双气缸式自动调控系统的控制方法，包括如下步骤：
(1)启动装置，在控制器PLC的操作面板上设定满足巷道生产需要的风量范围(Qmin，Qmax)；
(2)控制器PLC利用风速传感器实时采集该巷道的风量值，并判断采集的风量值是否满足巷道的需风要求；
(3)如果风量满足需风要求，则进行步骤(2)；
(4)如果风量不满足需风要求：
①、控制器PLC根据实时采集的风量与该巷道所需风量进行比较，并计算风窗移动方向及距离；
a、如果实时风量值Q>Qmax,则控制器PLC计算后得到卷帘风窗向左移动来减小风窗的通风面积，并根据差值|(Qmin+Qmax)/2-Q|计算风窗移动距离；
b、如果实时风量值Q<Qmin,则控制器PLC计算后得到卷帘风窗向右移动来增大风窗的通风面积，并根据差值|(Qmin+Qmax)/2-Q|计算风窗移动距离；
②、控制器PLC将指令传输给第一电磁阀，第一电磁阀启动，打开动力气缸来控制推拉杆移动；
③、拉线式位移传感器实时监测风窗移动距离，并将数据传输给控制器PLC，控制器PLC判断风窗移动距离是否满足要求：
a、如果风窗移动距离不满足要求，则转向进行步骤③；
b、如果风窗移动距离满足要求，则控制器PLC将指令传输给第二电磁阀，第二电磁阀启动，打开定位气缸，定位气缸打开且推拉杆向前移动，使离合锁母抱紧动力气缸的推拉杆，让卷帘风窗立即停下；同时，控制器PLC也将停止动作指令传输给第一电磁阀，关闭动力气缸。
制动气缸原理是，含有半圆形制动片的两个转动座在复位弹簧的作用下处于撑开状态，动力气缸的推杆能自由活动，当需要定位时，定位气缸动作，使双半圆形制动片锁死动力气缸推杆，完成定位动作。而后复位弹簧撑开双半圆形制动片，从而复位动力气缸的推杆，如此循环，完成精确定位功能。
基于上述，本发明通过风速传感器安装在通风巷道内，风速传感器实时监测风窗所在巷道风量，将监测数据传输给控制器，经控制器处理后，将指令传给第一电磁阀，从而第一电磁阀启动控制动力气缸中前腔和后腔压气的输入，使推拉杆推动移动式卷帘风窗，当控制器检测到风窗所在巷道风量符合要求时，控制器将指令传给第二电磁阀，第二电磁阀启动控制定位气缸中前腔和后腔压气的输入，使推拉杆向前移动，使离合锁母抱紧动力气缸的推拉杆，让卷帘风窗立即停下，使得移动式风窗停在控制器控制要求的位置，即符合风窗所在巷道风量的要求值，从而通过改变风窗的通风面积大小，自动调节通过风窗的风量，实现巷道风量的自动控制。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种煤矿井下风窗双气缸式自动调控系统，其特征在于，它包括信号采集系统和控制调节系统，所述信号采集系统包括风速传感器(16)、拉线式位移传感器(8)、与所述拉线式位移传感器(8)顺序连接的PLC控制器(14)；所述控制调节系统包括风窗卷帘闸(1)、移动式卷帘风窗(2)、定位气缸(4)、离合锁母(6)、动力气缸(7)、第一电磁阀(10)、第二电磁阀(11)、PLC控制器(14)、辅助元件(12)和气源(13)，所述风窗卷帘闸(1)内框设有风窗轨道(3)，所述风窗轨道(3)上滑动设有移动式卷帘风窗(2)，且所述移动式卷帘风窗(2)的一侧与动力气缸(7)的活塞推拉杆二(5)连接，所述离合锁母(6)分别与所述动力气缸(7)和定位气缸(4)的推拉杆连接；所述第一电磁阀(10)两个输出端分别与所述动力气缸(7)的气缸前腔和气缸后腔相连，所述第二电磁阀(11)的两个输出端分别与所述定位气缸(4)的气缸前腔(4-2)和气缸后腔(4-1)相连，所述第一电磁阀(10)和第二电磁阀(11)的控制端均与所述PLC控制器(14)电连接，所述气源(13)通过辅助元件(12)分别与动力气缸(7)和定位气缸(4)的输入端连接为气缸提供气体；所述拉线式位移传感器(8)的输入端通过牵引绳(9)与移动式卷帘风窗(2)连接，所述风速传感器(16)和拉线式位移传感器(8)的输出端均与PLC控制器(14)的输入端电连接。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下风窗双气缸式自动调控系统，其特征在于，所述风速传感器(16)布置在距风窗前方14-16m稳定风流处，其探头与风窗中心点处于同一水平线上；风速传感器(16)测量探头牢固地安装在测量位置，进风方向与风速传感器(16)探头垂直。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下风窗双气缸式自动调控系统，其特征在于，所述拉线式位移传感器(8)采用MPS-M-4000拉线式位移传感器。
4.根据权利要求1所述的一种煤矿井下风窗双气缸式自动调控系统，其特征在于，所述PLC控制器(14)的CPU采用S7-226CNPLC控制器。
5.根据权利要求1所述的一种煤矿井下风窗双气缸式自动调控系统，其特征在于，所述辅助元件(12)为过滤器、减压阀和油雾器。
6.根据权利要求1所述的一种煤矿井下风窗双气缸式自动调控系统，其特征在于，所述离合锁母(6)包括底座(19)、转动连接于所述底座(19)上的两个相同的转动座(18)、定位气缸4的活塞推拉杆一(23)、设于所述推拉杆一(23)另一端的定位气缸4的进出气管(17)、复位弹性元件(21)、分别从下至上依次设于所述转动座(18)上的半圆制动锁紧板(20)和弹簧固定板(22)，所述推拉杆一(23)穿过所述转动座(18)顶端并与另一转动座(18)顶端固定连接，所述两转动座(18)上固定的弹簧固定板(22)之间设有复位弹性元件(21)，所述两半圆制动锁紧板(20)组成的圆腔内穿设有动力气缸(7)的活塞推拉杆二(5)。
7.根据权利要求6所述的一种煤矿井下风窗双气缸式自动调控系统，其特征在于，所述复位弹性元件(21)包括伸缩杆和弹簧，所述弹簧设于所述伸缩杆外围，且所述伸缩杆和弹簧均分别与两转动座(18)上固定的弹簧固定板(22)连接。
8.如权利要求1-7任一项所述的一种煤矿井下风窗双气缸式自动调控系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)启动装置，在控制器PLC的操作面板上设定满足巷道生产需要的风量范围(Qmin，Qmax)；
(2)控制器PLC利用风速传感器实时采集该巷道的风量值，并判断采集的风量值是否满足巷道的需风要求；
(3)如果风量满足需风要求，则进行步骤(2)；
(4)如果风量不满足需风要求：
①、控制器PLC根据实时采集的风量与该巷道所需风量进行比较，并计算风窗移动方向及距离；
a、如果实时风量值Q>Qmax,则控制器PLC计算后得到卷帘风窗向左移动来减小风窗的通风面积，并根据差值|(Qmin+Qmax)/2-Q|计算风窗移动距离；
b、如果实时风量值Q<Qmin,则控制器PLC计算后得到卷帘风窗向右移动来增大风窗的通风面积，并根据差值|(Qmin+Qmax)/2-Q|计算风窗移动距离；
②、控制器PLC将指令传输给第一电磁阀，第一电磁阀启动，打开动力气缸来控制推拉杆移动；
③、拉线式位移传感器实时监测风窗移动距离，并将数据传输给控制器PLC，控制器PLC判断风窗移动距离是否满足要求：
a、如果风窗移动距离不满足要求，则转向进行步骤③；
b、如果风窗移动距离满足要求，则控制器PLC将指令传输给第二电磁阀，第二电磁阀启动，打开定位气缸，定位气缸打开且推拉杆向前移动，使离合锁母抱紧动力气缸的推拉杆，让卷帘风窗立即停下；同时，控制器PLC也将停止动作指令传输给第一电磁阀，关闭动力气缸。
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