1. 引言
煤矿井下通风系统是保障安全生产的基础性环节，而风门作为调控风流分布的重要设施，其闭锁可靠性的高低直接关系到矿井通风系统的稳定性与安全性。当前普遍使用的传统机械式闭锁装置如钢丝绳软闭锁等存在诸多不足，严重制约了通风系统的运行效率与安全水平。
首先，传统机械闭锁设计存在结构性缺陷，其允许两道风门在特定角度(约45˚)范围内同时开启，容易引发风流短路，从而导致局部通风量不足、瓦斯积聚，进而增加爆炸风险。其次，该类闭锁装置报警频发，增加了运行管理负担。以南屯煤矿为例，现有风门172组，单周内报警次数高达176次。尽管采取了人工巡检与现场看护等措施，但由于交接班期间人员流动频繁，仍难以彻底规避风门双开问题。此外，机械闭锁装置运行可靠性较低，易出现磨损，导致维护频率高、故障排查难度大，从而显著提升了矿井运营成本。
上述问题在深井开采或通风阻力较大的矿井中表现尤为突出。因此，研发一种具备高可靠性、智能化水平的风门闭锁装置，已成为提升矿井通风系统安全性与智能化管理能力的迫切需求。
2. 风门控制系统研究现状
近年来，随着煤矿智能化建设的不断推进，风门作为井下通风系统与辅助运输系统的重要设施，其智能化监控技术也得到了广泛关注。国外煤炭工业起步较早，井下监测技术和风门控制系统相对成熟，已形成完善的监控理论与技术体系。然而，由于我国煤矿井下环境复杂、开采条件特殊，国外技术难以直接适配，我国风门监控系统主要是在引进与吸收的基础上进行本土化改进与再创新[1]。
国内风门监控系统的研究起步相对较晚，但发展迅速。目前，各类研究主要围绕系统的自动控制、远程监控、信息融合及安全响应等方向展开。以中国矿业大学为代表的苗双涛[2]研究团队提出基于PLC的风门自动控制系统，能够实现灾害自动监测与远程控制，显著提升了风门的智能响应能力与煤矿的自动化水平。相关研究还探索了风门的远程遥控和可视化监控手段，使管理人员能够实时掌握风门状态，提高通风系统的稳定性[3] [4]。
此外，为解决多模块功能间相互独立、系统集成度不高等问题，部分研究[5]采用了以太网和OPC协议，实现了不同系统之间的高效通信，推动监控系统朝向信息融合、协同联动方向发展。也有学者[6]在智能化风门系统的基础上，将音频控制与环境控制融合，实现了对矿井灾害事故的监测与控制，有效的预防了灾害的发生。
尽管当前风门监控系统研究取得了积极进展，但在实际应用中仍暴露出诸多问题。为此，本文提出采用电磁闭锁装置替代传统机械闭锁结构，以提升风门控制系统的智能化与可靠性。电磁闭锁方式通过电信号精确控制闭锁状态，能够快速响应上位机指令，实现对风门启闭过程的实时监控与智能决策。表1为目前智能风门监控系统及相关特点。
Table 1. Comparative analysis of various types of damper control systems
表1. 各类风门控制系统对比分析
对比项目 |
基于PLC的本地控制系统 |
以太网 + OPC协议系统 |
电磁闭锁 + LoRa系统 |
通信方式 |
有线连接，抗干扰性强，但布线复杂 |
有线以太网通信，需依赖网络交换系统 |
LoRa无线通信，传输距离远，部署灵活 |
系统结构 |
控制器 + 继电器 + 有线传感器 |
PLC + 服务器 + OPC平台，结构复杂 |
STC12单片机 + PLC + 无线模块，模块化设计 |
互锁逻辑 |
基于继电器或PLC逻辑实现，灵活性一般 |
基于网络逻辑配置，适应性需定制 |
单片机 + PLC协同判断，联锁更可靠 |
部署难度 |
初期布线复杂，安装周期长 |
对施工要求高，实施成本大 |
无需布线，即插即用，施工周期短 |
运维成本 |
接线老化或磨损导致维护频繁 |
系统调试复杂，需专业维护人员 |
热插拔维护，模块替换简单，人工成本低 |
适应性 |
适用于环境相对整洁、有固定结构的场所 |
适用于现代化高集成矿井 |
适用于高湿、高粉尘、布置多变等井下环境 |
安全性能 |
有接触点，可靠性受磨损影响 |
逻辑联控强，但物理闭锁方式依赖定制组件 |
电磁吸附闭锁 + 互锁判断，双重保障 |
典型应用场景 |
中浅部煤矿、人工检修方便区域 |
高度自动化示范矿井 |
中小型煤矿、通风复杂区域、改造项目优选 |
3. 风门电磁闭锁装置系统组成
系统分为四个子单元模块，硬件功能单元模块；中央控制单元模块；无线收发传输系统模块；工作电源与外壳。该风门电磁闭锁装置的整体系统架构图如图1所示。
Figure 1. Overall system architecture diagram of the electromagnetic interlock device
图1. 电磁闭锁装置整体系统架构图
3.1. 硬件功能单元模块
硬件功能单元模块由电磁防爆磁力锁、干簧管磁性接近开关和声光报警器组成，是系统执行闭锁与状态反馈的核心部件。电磁防爆磁力锁采用DC 12 V供电，吸合力达800 N，防护等级为IP67，通过磁吸力实现风门硬性闭锁，确保门体在井下负压环境下稳定闭合；干簧管磁性接近开关通过非接触式磁感应原理检测风门状态，门体闭合时输出高电平信号，开启时输出低电平信号，具有无机械触点、抗粉尘腐蚀、寿命长等优势；声光报警器集成高亮LED与100 dB蜂鸣器，在风门异常时通过2 Hz红光闪烁与高分贝警报提示人员，其供电与电磁锁共享DC 12 V电源。三者协同工作：风门闭合时，干簧管触发锁闭并关闭报警；双门异常开启时，控制单元切断电磁锁供电并激活声光报警，形成闭环控制。硬件功能单元模块如图2所示。
Figure 2. The display diagram of the hardware function module
图2. 硬件功能模块展示图
3.2. 中央控制单元模块
中央控制单元模块以STC12微处理器为核心，辅以PLC逻辑控制板，承担信号处理与指令执行功能。STC12微处理器主频11.0592 MHz，配备8路数字输入接口(接收干簧管信号)和4路MOSFET输出接口(驱动电磁锁)，通过UART与无线模块通信，实时解析风门状态并执行闭锁逻辑；PLC逻辑控制板作为冗余单元，与STC12协同实现复杂判决，其编程逻辑包含条件判断，若双门同时开启则强制闭锁并触发报警。信号处理流程涵盖信号采集(经光耦隔离)、消抖滤波(20 ms时间窗口)、逻辑判决(比对双门状态)及指令输出(控制电磁锁通断)，确保响应速度 ≤ 50 ms，误判率 < 0.1%。图3为STC12单片微处理系统以及单片晶体管输入输出控制板部分原理图以及PCB图。
Figure 3. The schematic diagram and PCB diagram of the control board part
图3. 控制板部分原理图及PCB图
3.3. 无线收发传输系统模块
无线收发传输系统模块基于LoRa技术构建，采用410~525 MHz频段与扩频调制(SF = 10, BW = 125 kHz)，支持2 km直线传输与中继扩展，具备CRC校验和前向纠错功能，误码率 < 10−5。系统采用主从架构：主节点部署于调度室，接收各风门状态并下发指令；从节点集成于风门端，定时上传状态数据并支持紧急事件实时上报。数据帧格式包含帧头、设备ID、状态码及校验位，确保通信可靠性。部署时，天线外置于防爆箱顶部以减少屏蔽效应，并采用动态信道切换算法规避同频干扰，功耗优化至休眠模式 < 1 mA，适应矿井长时运行需求。图4为Lora无线传输模块的收发频率、发射功率等参数的配置图。
Figure 4. Configuration diagram of LoRa wireless transmission module
图4. LoRa无线传输模块配置图
Figure 5. Flowchart of program design
图5. 程序设计流程图
本软件系统基于Keil开发环境进行开发，程序采用C语言编写。系统的整体运行流程如下：
(1) 在系统上电后进行初始化操作；随后进入传感器数据采集阶段。系统需连接与风门状态相关的多个传感器，并实时采集其数据，这些数据将作为后续分析与控制逻辑的输入。
(2) 进入数据处理与分析模块。系统对采集到的原始传感器数据进行预处理与特征提取，包括消抖处理、信号滤波等算法操作，以提升数据的准确性与稳定性，并据此判断风门的当前状态。
(3) 根据分析结果进行逻辑决策，即驱动控制模块。该模块依据处理后的传感器信息作出风门控制的逻辑判定，并控制相关驱动器执行相应的操作指令，从而实现对风门的智能管理。
(4) 程序通过串口通信方式进行固化下载，使用CH340驱动将编译生成的可执行程序写入控制器芯片中，完成系统部署。
程序的整体设计流程如图5所示。
3.4. 工作电源与外壳模块
工作电源与外壳模块为系统提供安全供电与物理防护。防爆电源箱输入AC 127 V，输出DC 12 V/5 A本安电源，转换效率 > 85%，配备6A自恢复保险丝防止过载；电源分配方案中，电磁锁占用12 V/3 A (峰值)，微处理器与无线模块分别通过LDO降压至5 V和3.3 V。外壳采用厚度2 mm的304不锈钢材质，尺寸35 cm × 45 cm × 19 cm，防爆等级Ex d IIB T4，密封设计包含硅胶垫圈与IP68防爆螺纹接口。散热通过内置防尘网的自然对流孔与温度监控实现，同时模块间通过16 AWG电源线、屏蔽双绞信号线及快插端子连接，支持热插拔维护，并通过LED指示灯区分电源、通信及传感器故障，满足井下高可靠性与易维护性需求。图6为工作电源与外壳模块展示图。
Figure 6. Display of working power supply and shell module
图6. 工作电源与外壳模块展示图
4. 风门电磁闭锁装置工作原理
煤矿风门电磁闭锁装置通过多模块协同工作，实现风门的智能化控制与硬性闭锁，其核心原理如下：
(1) 状态检测：风门关闭时，干簧管磁性开关感应门体磁铁，输出高电平至中央控制单元(STC12)，表明风门关闭；若风门开启，磁场消失，输出低电平。
(2) 闭锁执行：控制单元接收到关闭信号后，立即给电磁锁通电，在12 V直流电下产生大雨于800 N吸力，紧密吸附门体与门框，形成物理闭锁。
(3) 互锁逻辑：系统通过LoRa模块实时监测相邻风门状态，当一道风门被合法开启，另一道将被强制闭锁，实现“一开一闭”互锁机制，防止双开。
(4) 异常处理：如检测到两道风门同时尝试开启，系统自动断电解锁，并触发100 dB蜂鸣器与红色LED报警，同时通过无线模块发送紧急信号至调度室。
(5) 电源与通信保障：防爆电源箱将AC 127 V转为DC 12 V本安电源，LoRa模块基于410~525 MHz频段，支持2 km内状态回传，保障远程监控与控制。
5. 井下应用情况分析
该电磁闭锁装置在南屯煤矿井下实际应用中表现出显著效果，有效解决了传统机械闭锁的痛点。具体应用成效如下：
(1) 报警次数清零：装置投用后，原单周176次的双风门报警彻底消除，实现“零报警”目标，避免了因风流短路导致的局部微风或无风问题。
(2) 互锁可靠性提升：通过LoRa 410~525 MHz频段无线通信与电磁硬性闭锁协同，确保相邻风门无法同时开启，彻底杜绝人为误操作或设备失效引发的双开风险。
(3) 维护成本降低：电磁锁无机械磨损，干簧管传感器寿命达107次以上，较传统钢丝绳闭锁维护频率减少80%，年运维成本下降约35%。
(4) 适应性验证：在井下高湿、高粉尘环境中，装置连续运行6个月无故障，IP68防爆电源箱与304不锈钢外壳有效抵御腐蚀与冲击。
(5) 操作便捷性提高：模块化设计支持热插拔更换，故障平均修复时间缩短至15分钟，井下人员经1天培训即可熟练操作。