光控无压自动风门的研制与应用

光控无压自动风门的研制与应用1王保朕，罗新荣，吴电军，牟文荷，孟翠翠中国矿业大学安全工程学院徐州校区，江苏徐州 (221008)E-mail：wbzlcdx@摘要：本文分析了无压风门的压力平衡原理，并介绍了风门的控制开启关闭过程，在原有光控基础之上，利用与门74LS11和或门74LS32设计了三种控制方式电路，包括红外控制、按钮控制、远程控制，同时利用风门接近开关实现了两道风门之间的闭锁，并增加风门的声光提示辅助功能。

利用与KJ86N监测监控系统的连接，通过监视风门接近开关的常开常闭开关状态来监视风门的开启关闭状态。

同时通过监测监控系统的开关量输出的高电平，经三极管转化成低电平之后控制风门的开启，实现自动风门的地面远程控制。

关键词：自动风门；风门闭锁；监测监控中图分类号：TD 751. 光控自动无压风门该型风门是一种光控气动无压风门，此风门包括三部分：无压风门门体部分、驱动装置和控制装置。

该风门门体结构简单、具有强度高、密封严密等优点。

控制部分采用红外探测、汽缸驱动和气动控制箱组成。

1.1 风门控制过程风门的控制部分由光控自动风门控制装置的控制电路（含红外探头）、气源三联件、电磁换向阀、汽缸等组成。

风门控制过程如下：当有物体在红外传感器的探测范围之内移动，即红外传感器接受到信号之后，内部电路接通，向外输出低电平，控制电路中的常开开关闭合，与常开开关相连的防爆线圈得电，电磁换向阀动作，高压气体流向改变，汽缸动作，推杆伸出，拉动钢丝绳，打开风门（见图1）。

图1 控制开门流程图Figure1 Open Control Process风门打开后，当红外传感器没有信号输入时，即没有低电平输出给控制电路，延时电路接通。

延时时间到，常开开关断开，防爆线圈失电，电磁换向阀恢复高压气体的初始流向，汽缸推杆缩进，风门依靠配重重量自行关闭（见图2）。

1本课题得到国家重大产业技术开发专项的资助。

图2 控制关门流程图Figure2 Close Control Process1.2 气动原理分析风门的开启是通过汽缸推杆作用在钢丝绳上的压力，然后由钢丝绳拉动四连杆机构一起运动，打开风门；关闭时，汽缸推杆无作用力在钢丝绳上面，通过配重重量拉动四连杆机构运动，风门自动关闭。

在此过程中，电磁换向阀起到了很重要的作用，通过它改变气体流向，决定汽缸的运动方向，控制风门的自动开启关闭。

自动风门的气动装置主要由气源三联件、电磁换向阀及汽缸组成。

气源三联件包括过滤器、减压阀和油雾器三部分，有过滤、净化、调压驱动空气的作用。

高压气体首先流入三联件，经过换向阀再流入汽缸，控制汽缸的动作。

下面以图3来表示防爆线圈得电前后气体的流向变化。

图3 线圈得电前后气体流动方向Figure3 Direction of Air Flow when the Magnetic Coil Gets Power or Not图3中左半部分表示了线圈得电前气体流动方向。

高压气体依次通过1-2-3-4-5，流入汽缸右半部分，由于汽缸左半部分气体压强小，隔板在压差的作用下向左移动，汽缸左半部分的气体在隔板压力的作用下通过6-7排出换向阀外。

这时汽缸推杆缩进，对钢丝绳没有作用力，风门关闭。

图3中右半部分表示了线圈得电后气体流动方向。

线圈得电，换向阀内腔在电磁铁的作用下发生位移，改变了换向阀的出气、进气位置，这时的气体依次流过1-2-3-8-6，流入汽缸左半部分，这时汽缸右半部分气体压强小，隔板就在左右压差的作用下向右移动，汽缸右半部分的气体在隔板压力的作用下通过5-9排出换向阀外。

汽缸推杆伸出，对钢丝绳产生作用力，带动四连杆机构打开风门。

2. 自动风门三种控制方式的设计上述光控自动无压风门是由红外传感器采集信号控制。

当红外探头出现故障时，风门就不能实现自动开启。

如果增加一个本安型按钮，在红外探头出现意外故障时，行人可以通过操作按钮打开风门。

增加一种本地控制方式，加强了风门的可靠性与稳定性。

另外，监测监控系统在矿井通风中的具有着重要作用。

监测监控系统要求操作人员在地面控制机房能够实时了解井下被监测监控对象的状态及变化过程，并能够对对象进行控制。

风门作为通风系统中控制风流流向的重要构筑物，若将风门的控制系统接入监测监控系统，地面操作人员不仅能够监测到井下风门的开启关闭状态，丰富“可视化”内容，还能实施远程控制，某些特殊情况下在地面就能控制井下风门的开启关闭。

3. 红外传感器工作原理红外线传感器有热释电型和光子型两种，本文中用到的是热释电红外线传感器，它是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。

探测元件能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转化为微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出，并可驱动控制电路。

光控自动无压风门将红外探头装在风门两侧距离5m左右的地方，当探头的检测区域内有行人或车辆活动时，它就会处理并输出信号，接通外部电路，实现风门自动打开。

4. 本安型按钮工作原理本安型按钮接线原理图见图4。

图中，VCC接电源正端，GND为公共端，发光二极管正向串联在VCC端和GND端两端，S端的作用相当于红外传感器中的信号端，1、2、3、4为四个静触点。

当按钮未按下时，与按钮相连的动接触片与常闭开关1、2触点相连，发光二极管正向导通发光，表明VCC端和GND端处于导通状态；按下按钮后，动接触片与常开开关3、4触点相连，S端和GND端导通，向外输出低电平给控制器，驱动电磁换向阀改变气体流向，风门自动打开。

同时VCC端和GND端断开，发光二极管不发光。

当松开按钮后，动接触片在弹簧的压力下恢复原状[1]。

图4本安型按钮内部接线示意图Figure 4 Internal Circuit of Safety Button5. 远程控制实现方法远程控制指的是从地面监控中心控制井下设备。

风门的自动控制是结合天津中煤电子公司开发的KJ86N监测监控系统来实现的。

KJ86N监测监控系统采用工业以太环网和CANBUS现场总线传输控制技术，充分发挥各自的优势，实现井下作业场所风量、风速、瓦斯浓度等参数的实时监测。

工业以太网，是指技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面都能满足工业现场的需要。

项目中采用环网冗余技术，可以使网络在中断后300ms 之内自行恢复，增加了数据交换的可靠性。

CAN全称为Controller Area Network，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一，是一种特别适合于组建互连的设备网络系统或子系统。

CAN总线采用串行数据通信协议，具有高度的可靠性和数据完整性。

根据矿井工业以太网与CAN总线的快速、高可靠性网络传输的思想，结合最先进的计算机网络技术，在煤矿综合信息网络平台的Intranet管理+工业以太冗余环网+设备层网络的三层结构模式上，构建风网监控设备信息传输与实时控制网。

风速、瓦斯浓度等传感器传输的是模拟量，多功能监控器既可以传输开关量，又可以传输模拟量，和其它传感器一起连接到设备层网络的。

风门开关控制需要开关量，可以连接到多功能监控器上（图5）。

图5风门开关接入监测监控系统的结构示意图Figure 5 Structure Figure of Air Door Switch to Join the Monitor System图5中风门开关连接的多功能监控器具有7路开出量（1路作蜂鸣器用）、4路开入量。

由于两道风门为一组，形成闭锁，每扇风门各需要一个远程控制端，所以需要两路开出量控制风门开启，两路开入量表示风门状态，实现“可视化”。

在KJ86N监测监控系统的主界面上，点击菜单“控制\操作”，输入设置的密码后会弹出对话框，设备网址是连接多功能监控器的以太网交换机的IP地址，中继器号是连接在此以太网交换机的中继器的编号，设备地址是多功能控制器的编号，通过输入这几个设备参数，就可以根据地址限制找到连接风门开关的多功能监控器。

在操作命令一栏，假设风门连接监控器的开关控制输出量是第1路和第3路，需要打开某扇风门时，只需将对应1路或3路的二进制数字由“0”变为“1”，并点击“发送命令”按钮，对应开关控制量将向外输出高电平，并传送给井下多功能监控器。

井下多功能监控器接收到控制指令时，即时输出对应开关控制量的高电平，驱动换向阀，打开风门。

需要关闭时，只需在地面监控室将“1”变为“0”，并点击“发送命令”按钮即可，使得多功能开出量输出“低”电平，延时开始，延时时间到达之后，控制器断开，风门在配重的拉力下自动关闭。

上述是通过KJ86N系统中的多功能监控器控制风门打开关闭的方法。

同样，风门状态的监测可以通过多功能监控器的开入量来实现。

每道风门配备一个接近开关，内部接线示意图见6。

接近开关主要有两个作用，一是用于远程监测风门的状态，二是用于两道风门之间的闭锁。

图6 风门开关内部示意图Figure 6 Internality of Air Door Switch图6中，2端是常开端，4端是常闭端，3端是公共端。

当风门关闭时，3、4两端导通，称为常闭触点；2、3两端断开，称为常开触点。

将3、4端连接多功能监控器的开入量，用3、4两端的导通状态与否表示风门的打开关闭状态。

风门关闭时，3、4端导通，多功能监控器对应的开入量为低电平；风门打开时，3、4端断开，开入量为高电平。

通过多功能监控器的开入量，由系统内部定义的变量连接，在监测监控系统中可以形象的表示出风门的状态。

红外传感器和本安按钮动作之后直接有低电平输出，但KJ86N监测监控系统的多功能监控器的开出量输出的是高电平，由于风门的控制系统需要低电平触发，所以必须将高电平转化为低电平，才能控制风门开启。

在监测监控系统开出量的输出端接入一个三极管，当发射结正向偏置，集电结也正向偏置时，此时的晶体管处于饱和状态，相当于短路，这样就将KJ86N监测监控系统输出的高电平转化成了低电平，触发风门控制器。

6. 三种控制方式实现方法风门组中每扇风门配有两个红外传感器，两个本安型按钮，一个远程控制端。

红外传感器(光控1、2)、本安按钮（手控1、2）分别并联，实现功能相同。

三种控制方式的实现借助于与门（74LS11）和或门（74LS32）。

与门输出远程控制光控1光控2手控2图7与门74LS11接线示意图Figure 7 Wiring Diagram of Coincidence Gate与门74LS11有三个输入端，其中1端连接远程控制端（即多功能监控器的开出量），2端连接红外探头，3端连接本安按钮（见图7），4端是与门的输出端。

与门74LS11真值表见表1（低电平用0表示，高电平用1表示）。