煤矿常闭互锁风门组自动控制系统论文.docx
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煤矿常闭互锁风门组自动控制系统论文
煤矿
常闭互锁风门组自动控制系统
引言
此次我们所设计了煤矿常闭互锁风门组自动控制系统，是因为矿井风门在整个煤矿系统中有着不可取代的作用，是井下通风安全的保障。
煤矿常闭互锁风门组是煤矿矿井下通风安全管理的主要设施之一。
其作用是避免进风系统和回风系统的风流短路，同时有不影响进、回风系统间的过车和行人。
而煤矿常闭风门组的自动控制是保证常闭风门组互锁有不影响过车和行人的唯一手段（手动控制难以保证其安全性）。
也是煤矿现代化和自动化的标志之一。
本次毕业设计，只是笔者将三年的所学致之所用，设计的产品也并非完美。
随着现代新技术的发展，智能技术的应用，越来越多的智能产品的层出不穷，我们的生活不断的变化着，科学的利用世界所赋予我们的一切来完善我们生活，从而使我们的明天更美好。
目录
第一章系统介绍………………………………………1
第二章PLC控制系统介绍……………………………23
第三章电机的选用……………………………………
第四章液压泵…………………………………………
第五章液压控制阀……………………………………
第六章液压缸…………………………………………
第七章液压油…………………………………………
第八章连接件的说明…………………………………
第九章电源控制………………………………………
第十章计算证明………………………………………
第十一章参考文献………………………………………
1系统介绍
1.1选用液压系统的原因
在这次毕业设计中之所以使用液压系统作为主动力，是因为液压传动与机械传动、电气传动相比，液压传动有以下优点：
1、液压传动的各种元件，可以根据需要方便、灵活地来布置；
2、重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快；
3、操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达2000：
1）；
4、可自动实现过载保护；
5、一般采用矿物油为工作介质，相对运动面可以自行润滑，使用寿命长；
6、很容易实现直线运动；
7、容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现遥控。
1.1.1液压传动的主要缺点及克服方法
当然液压传动也是有一定的缺点的，下面将针对主要的缺点只出在实际设计中的注意事项和改良措施：
1、由于流体流动的阻力损失和泄漏较大，所以效率较低。
如果处理不当，泄露不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故。
故在选用液压元件时经过详细计算其动力完全能达到开启风门的要求；选用液压油的时候，采用了矿井专用阻燃液压油，所以其安全性能完全复合矿井的条件要求。
2、工作性能易受温度变化的影响，因此不宜在很高或很底的温度条件下工作。
因为两道风门之间的温度在四季之中变化不是太大所以对此系统影响不明显。
3、液压元件的制造精度要求较高，因而价格较贵，但考虑到系统带来的安全性，和所用的地方是现代化大型矿井。
4、由于液体介质的泄漏及可压缩性能影响，不能得到严格的定比传动。
在选用各个元件时已经将其各种损失因数计算再内了，所以可以达到较稳定的传动比。
5、液压传动出故障时不易找出原因；使用和维修要求有较高的技术水平。
此系统中的液压元件并不是太多，所以维护起来比较容易，只要做到定期检查，可保证系统的安全性能。
1.2电路和控制
系统所用的电源是矿井专用电源380V、127V，由矿井隔爆开关控制电机和PLC控制器的电源。
井下专用电动机为动力源，由泵、阀、液压缸和液压辅助元件所组成的液压系统控制风门的开启和关闭。
在这个系统中只能是反向风门才能实现整个动作过程。
2PLC控制系统介绍
2.1PLC控制常闭互锁风门组的优点
井下风门是一种开启频繁的控风设备，其控制系统的可靠性是影响其广泛使用的关键因素。
采用SIEMENSS7-200PLC，由于其具有结构紧凑，扩展良好，指令强大，可靠性好等特点，对于提高煤矿常闭风门组的自动控制系统运行的性能和可靠性有很大的帮助。
2.2煤矿常闭风门组的特点
在煤矿进，回风系统间需要过车行人的时候，必须开设一条巷道和设置一组常闭风门组（两道风门为一组），如图1所示
图1常闭风门组示意图FM1—常闭风门1；FM2—常闭风门2；
……表示风门开启状态
左侧为进风系统（高风压区），右侧为回风系统（底风压区），当FM1和FM2都开启的时候，则形成进风与回风系统短路，是造成煤矿通风系统不安全的重大隐患，必须杜绝。
所以我们在老师的知道和帮助下设计了风门互锁安全系统，其常闭风门组可能的运行状态如表1所示
表1常闭风门组可能的运行状态
FM1
FM2
风流阻力
运行状态
安全性
关
关
∞
常态
安全
开
关
∞
闭锁
安全
关
开
∞
闭锁
安全
开
开
0
短路
不安全
为了实现常闭风门组的正常运行，杜绝短路，必须设置自动控制。
2.3常闭风门组的自动控制系统组成
常闭风门组的自动控制系统由PLC可编程控制器、传感器和风门执行机构组成。
PLC可编程控制器SIEMENSS7–200（224CPU），14I/O输入、10继电器的设置如图1所示。
I0.0、I0.1、I0.2、I0.3为OMRON光电开关，分别设在FM1和FM2的两侧，用来检测两道风门前后的过车行人情况；I0.4、I0.5、I0.6、I0.7为OMRON接近开关，分别检测FM1和FM2的开、关到位情况。
PLC与各传感器的连接以及控制风门执行机构的能流输出如图2所示。
图2PLC控制器、各传感器和能流输出的连接示意图
其中I0.0~I0.7与图1的I0.0~I0.7一一对应：
Q0.0、Q0.1对应FM1的开、关能流输出：
Q0.2、Q0.3对应FM2的开、关能流输出；Q0.4、Q0.5对应FM1和FM2的开、关到位显示（关为0，开为1）和开关过程闪烁显示（0.5s为0，0.5s为1）。
2.4常闭风门组的自动控制逻辑分析
常闭风门组的自动控制逻辑要求作到两道风门闭锁不短路，同时又不影响过车或行人。
下面就PLC的编程控制特点详细叙述如何实现其自动控制。
1．过车或行人的信号检测
采用中断方式检测I0.0~I0.3的过车或行人信号。
I0.0~I0.3各对应一个中断事件，执行一个中断程序。
中断程序中建立其镜像变量VB10（Byte）相“或”保存检测到的信号，VB10的底4位与I0.0~I0.3一一对应。
中断程序相“或”
运算如下；
I0.0ORVB10.0→VB10.0中断事件1，中断程序1
I0.1ORVB10.1→VB10.1中断事件3，中断程序2
I0.2ORVB10.2→VB10.2中断事件5，中断程序3
I0.3ORVB10.3→VB10.3中断事件7，中断程序4
采用中断程序相“或”运算的目的是将其信号保存在镜像变量中，从而不丢失任何一道门的过车或行人信号，因为I0.0~I0.3只有在所监测的位置有过车或行人为1（执行中断程序），过后马上为0。
I0.0~I0.3每检测到一次信号，则执行一次中断程序。
2．FM1开启FM2闭锁
根据VB10，若VB10.0或VB10.1为1，说明FM1处于过车或过人：
若满足开门条件（既FM1是关闭的〈I10.4=1〉，FM2也是关闭的〈I0.6=1〉，且风门开启标志VB100=0），则置位FM1的开门能流输出（Q0.0=1，开门）并保持能流输出，同时置位风门开启标志VB100（VB100≠0，避免在FM1的开启期间，FM2的开启条件也满足，两道风门同时打开而短路，既实现FM2的闭锁）。
风门到位后，马上复位FM1的开启能流输出（既Q0.0=0，开门停止），同时启动定时器延时，延时到则置位FM1的关门能流输出（Q0.1=，关门）并保持能流输出；若延时期间仍有过车或行人信号，则复位定时器（即定时重新定时），确保没有过车或行人后且延时时间到，则置位关门能流输出（Q0.1=1，关门）；关门期间，若再检测到FM1处的过车或行人信号，则再打开FM1，延时后再关门，直到关门到位。
关门到位时，应立即复位关门能流输出（Q0.1=0，关门停止），清除相关变量和处理过的信号并复位开门标志VB100=0。
值得注意的是：
开门期间，开门到位或关门期间，都应复位VB10.0和VB10.1，即令：
VB10.0=0
VB10.1=0
因为本次开门请求已经满足，不在保留。
若不满足上述开门条件，说明或者FM1处于开启状态，或者FM2处于开启状态，这两种情况都不能再开启FM1。
3．FM2开启FM1闭锁
根究VB10，若VB10.2或VB10.3为1，说明FM2处于过车或行人：
若满足开门条件（即FM1是关闭的〈10.4=1〉，FM2也是关闭的〈I0.6=1〉，且风门开启标志VB100.0=0），则置位FM2的开门能流输出（Q0.2=1，开门）并保持能流输出，同时置位风门开启标志VB100（VB100≠0，避免在FM2的开启期间，FM1的开启条件也满足，两道风门同时打开而短路，即实现FM1的闭锁）。
风门到位后，马上复位FM2的开启能流输出（即Q0.2=0，开门停止），同时启动定时器延时，延时到则置位FM2的关门能流输出（Q0.3=1，关门）并保持能流输出；若延时期间仍有过车或行人信号，则复位定时器（即定时重新定时），即确保没有过车或行人后且延时时间到，则置位关门能流输出（Q0.3=1，关门）；关门期间，若再检测到FM2处的过车或行人信号，则再打开FM2，延时后再关门，直到关门到位。
关门到位是，应立即复位关门能流输出（Q0.3=0，关门停止），清除相关变量和处理过的信号并复位开门标志VB100=0。
值得注意的是：
开门期间，开门到位或关门期间，都应复位VB10.2和VB10.3，即令：
VB10.2=0
VB10.3=0
因为本次开门请求已经满足，不再保留；若不满足上述开门条件，说明或者FM1处于开启状态，或者FM2处于开启状态，这两种情况不能再开启FM2。
4．同时检测到过出或行人信号的处理
若同时检测到FM1和FM2处都有过车或行人信号，且两道门都是关闭的，则需要根据当时程序运行所处的位置，可能先开FM1，也可能先开FM2，FM1和FM2没有设置优先级。
2.5结论
根据上述控制逻辑分析，可编程系统控制程序流程，即在PLC（SIEMENSS7—200）上编制梯形图。
实现了常闭风门组两道风门的相互闭锁，同时又不影响正常的过车或行人，且控制系统的运行性能和可靠性都得到了较大的提高。
3电机的选用
3.1三相异步电动机基本概述
异步电动机具有结构简单，制造、使用和维修方便，运行可靠以及造价较低等优点，并且具有较高的效率以及接近恒速的负载特性，能适应大多数生产机械的驱动要求，因此，是目前各种电动机中产量最大，应用范围最广的一种电动机。
在一般环境条件下，作一般用途使用的三相异步电动机具有标准功率等级和标准安装尺寸，称为三相异步电动机的基本系列。
我国目前产品有Y（IP44）、Y（IP23）等系列。
为满足各种特殊使用要求，在基本系列基础上做某些局部改变，或与其它机件联结成一整体，或为特殊环境需要在电气或结构方面做若干更动而形成派生系列。
如YX系列高效率三相异步电动机，YR系列绕线转子电动机，YD系列变极多速电动机，YB系列隔爆异步电动机等。
专用系列电动机不是从基本系列派生的，其外形及结构安装形式等与基本系列不同，是按使用要求专门设计的电动机。
例如，冶金及起重用三相异步电动机，煤矿采掘工作面设备用各类隔爆电动机。
本系统因工作环境条件，选用YB132M1—8隔爆电动机。
电机的技术数据
功率
kW
型号
电流
（A）
转速
r/min
堵转转矩
额定转矩
堵转电流
额定电流
最大转矩
额定转矩
重量
（kg）
4
YB132M1-8
9.4
960
2.0
6.5
2.0
90
YB系列隔爆型三相异步电动机为全封闭自扇冷式，它是Y系列（IP44）的派生产品，是全国统一设计取代BJ02系列的更新换代产品。
该系列从80~355共13个机坐号，共107个规格，额定功率0.55~315kW。
其功率等级和安装尺寸的对应关系、额定频率、同步转速、工作制、结构及安装型式、噪声与振动标准均与Y系列（IP44）相应规格基本相同，并符合DIN42673标准。
电动机主体外壳防护等级为IP44或IP54，接线盒为IP54，电动机额定电压为220、380、660、220/380、380/660V。
由于结构特征不同，电动机外形尺寸与Y系列（IP44）稍有差异，使用环境温度及海拔高度与Y系列相同。
电动机采用F级绝缘，但温升按B级考核。
YB132M1—8隔爆电动机外形尺寸
机座号
安装尺寸（mm）
外行尺寸（mm）
H
A
B
C
D
E
G
K
AB
AD
AC
HD
L
132M
132
216
178
89
38
80
33
12
280
240
265
470
550
YB132M1—8隔爆电动机外形图
该系列电动机符合GB3836.1—83《爆炸性环境用电气设备—通用要求》和GB3836.2—83《爆炸性环境用电气设备—隔爆型电气设备“d”》的规定。
电动机隔爆结构和参数设计均按IEC79—1、BS4683和DIN50018及VED0170/0171的规定制造。
电动机制成隔爆型，适用于有爆炸性气体混合物存在的场所。
当隔爆等级为EXdI时，适用于甲烷或煤尘爆炸性混合物存在的采掘工作面。
电动机冷却方式按IEC34—和BS4999的规定为IC0141。
4液压泵
4.1叶片泵的说明
在选用的液压泵的时候，通过详细的计算采用YB1系列叶片泵就能达到系统所需要的力学性能。
下面就其工作原理作出详细说明。
叶片泵具有结构紧凑、体积小、重量轻、流量均匀、噪声小、寿命长等优点；但吸入特性不太好，对油液的污染比较敏感，制造工艺要求也较高。
叶片泵根据每转次数不同，分为双作用和单作用式两大类。
一般叶片泵的工作压力为7MPa，高压叶片泵的工作压力可达25~32MPa。
泵的转速范围一般在600~1500r/min。
双作用叶片泵一般为定量泵，单作用叶片泵一般为变量泵。
叶片泵广泛应用在机床、工程机械、船舶、压铸机和冶金设备中。
4.2YB1系列叶片泵
YB1系列叶片泵为中压、双作用、定量叶片泵，通常说的“方形叶片泵”指的是这种泵。
YB1型是广州机床研究所组织联合设计组设计的新型更新换代产品，它取代了老型号YB型叶片泵。
YB1系列叶片泵设计为浮动配油盘，用来补偿轴向间隙，不会产生压力升高而轴向间隙增大，容积效率降低的现象。
在结构、制造工艺、技术性能等方面，比YB型叶片泵更合理、优越。
它不仅有单级泵，还可按需要任意组合成双联泵，公称压力为6.3MPa；公称流量为2.56~100mL/r。
这种叶片泵可广泛用于各类机床、冶金设备、塑料注射机和各种中、低压的液压传动系统中。
这里我们选用YB1—10型号的叶片泵。
YB1单叶片泵结构
YB1—10叶片泵的技术参数
型号规格
排量
（mL/r）
压力
（MPa）
转速
（r/min）
容积效率
（%）
驱动功率
（kW）
重量
（kg）
YB1—10
10
6.3
960
≥88
2.3
9
YB1—10型号的叶片泵的外行尺寸如图
YB1—10叶片泵的尺寸参数
L
L1
L2
B
B1
H
S
D1
D2
d
d1
C
t
b
186
98
38
45
20
145
110
φ90dc
φ128
φ20d
φ11
5
21.9
5
此种型号的叶片泵适合在井下使用，
5液压控制阀
5.1液压阀的选用
在液压系统中液压控制阀有很重要的作用，这里我们要求系统的安全性和控制方向，所以选用了溢流阀和电磁换向阀。
下面分别对这两种阀做出说明：
5.1.1溢流阀
溢流阀是压力控制阀是控制系统中压力的阀类，溢流阀的主要用途有以下两点：
一是用来保持系统或回路的压力恒定（如在节流条素系统中，用以保持泵的出口压力恒定）；二是在系统中作安全阀用，在系统正常工作时，溢流阀处于关闭状态，只是在系统压力大于或等于其调定压力时才开启溢流，对系统起过载保护作用。
在本次设计的系统中我们选用YF3—10L型溢流阀，它的通经为10mm，额定流量是63L/min，调压范围是0.5~6.5Mpa,卸荷压力是0.45Mpa，重量是kg。
以上数据能够达到系统的要求。
溢流阀外形尺寸
5.1.2电磁换向阀
现代液压传动的方向是采用电气控制。
通过电气系统实现液压化的手动。
半自动和全自动的循环，这将使机器提高其完善性及自动化程度。
连接电气控制系统和液压工作系统的是电磁操纵阀门，即电磁换向阀及电液换向阀。
电磁换向阀简称电磁阀，是用电磁铁操纵的小型四通换向阀。
较大通经的油路，顺使用电磁阀和液动换向阀组成的电液换向阀。
电磁阀一般用于控制导阀，通过手动按扭开关，限位开关，行程开关，压力继电器以及其它装置的电气信号，使电磁阀动作以进行油路卸载（将溢流阀的遥控口通回油箱）顺序动作，以及改变油流方向。
在此系统中我们选用三位四通O型滑阀机能电磁换向阀，其型号是：
34DO-B6C-T
三位四通电磁换向阀外形尺寸
34DO-B6C-T基本尺寸
公称通经
尺寸（mm）
mm
in
A
B
C
K
S
T
W
C2
6
1/4
259
72
75.5
33.5
27
23
9
49
34DO-B6C-T技术参数
位数
通路数
公称通径
流量L/min
压力MPa
滑阀机能
电磁铁
弹簧
重量kg
mm
in
3
4
6
1/8
7
14
OH
双
对
5
电磁换向阀结构
1-阀体；2-阀心；3-推杆；4-电磁铁；5-对中弹簧
当两端电磁铁4都断电时，滑阀2在两端弹簧5推动下处于阀体1中间位置，滑阀将A,B,P,O各腔密封。
当右端电磁铁通电时（此时左端电磁铁断电），电磁铁推动右推杆及滑阀2向左移动，这时阀体内各沉割槽与滑阀处于一定位置，P腔与A腔相通，与B腔密封，而B腔与O腔相通。
反之，当左端电磁铁通电（此时右端电磁铁断电）推动左推杆及滑阀2向右移动，滑阀与阀体处于一定位置，这时P腔与B腔密封，而A腔与O腔相通。
6液压缸
6.1液压缸介绍
液压缸是将液压能转变为机械能，用来实现直线往复运动的执行元件。
其结构简单、制造容易，工作可靠，应用广泛。
在这里我们根据工作条件的需要选择双作用液压缸，单活塞杆液压缸。
这种液压缸单边有杆，双向液压驱动，双向推力和速度不等。
由以上条件所得此系统中选用HSG*01系列液压缸。
6.2HSG*01系列液压缸
HSG*01系列双作用单杆活塞式液压缸，是液压系列中作往复直线运动的执行机构。
具有结构简单，工作可靠，装拆方便，易于维修，可带缓冲装置及连接方式多样等特点。
它适用于机械、矿山机械、起重运输机械及其它机械等。
这类液压缸是应用较广的一种16MPa液压缸。
这里我们选用HSGK01—100/dE型液压缸，其活塞杆端为外螺纹杆头耳环连接。
这个标准的液压缸的具体参数是：
公称压力是16MPa，缸径D为100mm，所用的传动比是1.33，则杆径d为50mm，最大行程s是800mm，具体尺寸将在装配图上表示出来，这里不在做详细说明。
其液压缸外形是：
活塞杆端部为耳环连接尺寸表
D
φ
d
d1
R
b
L7
L17
L14
L15
L1
H1
2-M1
100
127
50
45
50
60
110
60
77
340+S
20
M27×2
7液压油
7.1液压油性质说明
液体传动是以液体为工作介质的流体传动，包括液力传动和液压传动。
液压传动是主要利用油液压力能的液体传动。
油液的主要物理性质：
0
（1）粘性油液在外力作用下，液层作相对运动时产生内摩擦力的性质，叫做油液的粘性。
摩擦阻力是油液粘性的表现形式，只有在运动时才出现粘性，静止油液不出现粘性。
粘性是油液的基本属性。
（2）压缩性液体体积随压力变化而变化。
在一定温度下，每增加一个单位压力，液体体积的相对变化值，称为液体的压缩性。
相对气体而言，液体压缩性小，体积弹性系数大。
（3）油液中的气体对粘性及压缩性的影响气体以混入和溶入两种形式存在油液中。
溶入的气体对油液的粘性及压缩性基本上不产生影响；而油液中混有不溶解性气体，对油液的粘性和表示油液压缩性的体积弹性系数均产生影响，而且对后者的影响极大。
液压油在整个液压系统中有着很重要的作用，它不仅是传递动力的主要介质，而且对整个系统起到了润滑保护作用。
7.2液压油的选择
选用液压油、液需要考虑以下几个因素：
1．液压系统所处的环境，既液压设备在地下、水下、室内、室外作业，或是处于温度变化的寒区、严寒区；附近有无高热源或火等。
以便选用适当品种的液压油、液。
2．液压系统的工况，如油泵的类型；工作压力、温度；液压元件使用的金属、密封件和的性质；系统运转时间和工作特点等。
以便选用合适品种与系统的金属、蜜蜂件和涂料相适应，并选择适宜的黏度。
3．液压油、液的性质如液压油、液的理化指标，使用性能和各类油液的特点。
4．经济性即要综合考虑液压油、液的价格，使用寿命；以及液压系统的维护，安全运行周期等各方面情况，着眼于经济效益好。
通常，在液压系统中油泵对液压油的黏度和粘温性能是最敏感的元件之一。
因此，把满足系统油泵要求作为选择液压油、液的重要依据。
抗燃的液压有都是合成油其中含有：
有机酯、磷酸酯、有机硅等物质。
在煤矿的井下作业中首先想到是安全，所以在选用液压油的时候一定要把抗燃性放在第一位。
对液压系统来说，在液压油、液品种选择适宜后，黏度的选择具有决定的意义。
如粘度选择适当，就可以提高系统的工作效率，灵敏度与可靠性；还可以减少温升和降低摩擦，从而延长系统和元件的使用寿命。
根据以上条件分析在此系统中我们选用HFAS液压液。
7.3HFAS液压液
HFAS液压液是七十年代中期发展的一种含有化学添加剂的高水基抗燃液（或称HWBF或HMC）。
是呈透明状的真溶液，或微乳化液，其中含水95%。
通常，高水基液除95%的水以外，还要加少量的乳化剂、油性剂、抗磨剂、润湿剂、气相、液相防锈剂、抗泡剂、杀菌剂和稠化剂，以满足液压系统的要求。
在高水基液中，合成溶液比乳化液容易配制。
它和乳化液相比易清洗、更抗燃、稳定、容易处理。
在叶片泵中，乳化液比合成溶液磨损小，微乳化液更小。
而在柱塞泵中，它们均有良好的使用性能。
高水基液使用添加剂的目的之一，是为了保持液体的pH在8~9.5之间。
这有助于防锈和抵制细菌的繁殖。
但是，高碱性侵蚀铝、镁、锌、镀锌网和镉。
因此，在高水基液系统中应避免使用这类金属。
高水基液不燃，无压缩性，具有高的热容和导热性，冷却效果好，一般系统运行温度要比油的系统底。
且黏度底、污物沉降快，价廉、仅是矿物油成本的1/5~1/1
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