煤礦主通風(fēng)機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)研究與應(yīng)用

武 波

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司西曲礦， 山西 太原 030000）

引言

礦井主通風(fēng)機(jī)素有“礦井肺腑”之稱，擔(dān)負(fù)著向煤礦井下工作面輸送新鮮空氣、排出有毒有害氣體和粉塵的重任，是保證礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)煤礦安全生產(chǎn)的重要工作。礦井通風(fēng)機(jī)作為礦井通風(fēng)系統(tǒng)主要通風(fēng)設(shè)備，在日常生產(chǎn)中由于通風(fēng)機(jī)數(shù)量較多，在正常運(yùn)行過程中通風(fēng)機(jī)存在間歇時(shí)間長、通風(fēng)效率低、低負(fù)載運(yùn)行等問題，嚴(yán)重浪費(fèi)電能。所以對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速是十分重要的。此前廖麗等[1]在分析礦井通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的前提下，對(duì)PLC 控制平臺(tái)及礦井通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制進(jìn)行分析，給出了相應(yīng)的風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，為其余礦井通風(fēng)變頻控制系統(tǒng)的構(gòu)建提供參考。蔣金慶[2]針對(duì)通風(fēng)機(jī)不能根據(jù)需風(fēng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)風(fēng)量控制的問題，在原有通風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，并給出了相應(yīng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)過程，并通過現(xiàn)場實(shí)踐驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的變頻控制系統(tǒng)的可行性。本文利用PID 控制器對(duì)礦井通風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)研究，有效地提升了礦井通風(fēng)機(jī)的工作效率，為礦井高效生產(chǎn)提供一定的參考。

1 自適應(yīng)模糊PID 控制技術(shù)

傳統(tǒng)通風(fēng)機(jī)有大慣性、模型時(shí)變及大時(shí)滯等特性，其運(yùn)行過程中的控制量不能準(zhǔn)確反映系統(tǒng)的擾動(dòng)，所以通風(fēng)機(jī)的控制十分復(fù)雜。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷發(fā)展，智能化逐步運(yùn)用于礦井開采中，基于自適應(yīng)模糊PID 控制可以較好地實(shí)現(xiàn)變頻控制。自適用模糊PID 控制器是采用自適應(yīng)模糊推理的方式，對(duì)PID 調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行整定，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制[3]。自適應(yīng)模糊PID 控制器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 自適應(yīng)模糊PID 控制器結(jié)構(gòu)圖

由圖1 可以看出，自適用模糊PID 控制器的工作流程為對(duì)控制器進(jìn)行給定值的輸入，給定值輸入后對(duì)給定值與實(shí)際值進(jìn)行比較分析，確定兩者的差值，此時(shí)模糊推理控制模塊會(huì)對(duì)差值進(jìn)行分析，從而得出修改PID 控制器的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)一直持續(xù)循環(huán)以上過程，實(shí)現(xiàn)控制器的最優(yōu)化管理。

通風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)原理同樣是對(duì)給定值進(jìn)行一系列的計(jì)算，從而對(duì)比得出變頻器輸入量，實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)控制，達(dá)到控制風(fēng)量的目的[4]。

對(duì)比分析自適應(yīng)模糊PID 控制與模糊控制響應(yīng)曲線，首先進(jìn)行仿真模擬的數(shù)據(jù)設(shè)置。由于兩者為單一變量對(duì)比，所以兩者的參數(shù)設(shè)置應(yīng)當(dāng)一致，完成模型的設(shè)置后進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 仿真模擬曲線

如圖2 所示，當(dāng)延時(shí)為1 s 時(shí)，此時(shí)的自適應(yīng)模糊PID 控制曲線在60 s 時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，而相應(yīng)的模糊控制曲線120 s 達(dá)到穩(wěn)定，所以在延時(shí)為1 s 時(shí)的模糊控制曲線達(dá)到穩(wěn)定的速度較自適應(yīng)模糊PID 控制曲線慢。當(dāng)延時(shí)為10 s 時(shí)，此時(shí)的自適應(yīng)模糊PID控制曲線在120 s 時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，而相應(yīng)的模糊控制曲線160 s 達(dá)到穩(wěn)定，延時(shí)為10 s 時(shí)的自適應(yīng)模糊PID控制曲線達(dá)到穩(wěn)定的速度較模糊控制曲線要快。從以上分析可以看出，自適用模糊PID 控制對(duì)風(fēng)量的控制響應(yīng)較快，能較好地解決系統(tǒng)控制的時(shí)滯性。

2 變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過仿真研究確定了自適應(yīng)模糊PID 控制技術(shù)后，對(duì)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文的PLC 控制器選定S7-400H 為核心控制器，利用傳感器對(duì)系統(tǒng)的風(fēng)壓等參數(shù)進(jìn)行采集，通過通信模塊實(shí)現(xiàn)控制器與變頻器的數(shù)據(jù)交流，同時(shí)利用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)的顯示。PLC 控制器的輸出電流為10 A，接口模塊為IMI153，數(shù)字量輸出輸入模塊分別為6ES7322-1CF0-0AA0 和6ES7321-7BH01-0AB0，模擬量的輸入輸出模塊分別為6ES7331-7KF02-0AB0和6ES7322-5HF00-0AB0，與上位機(jī)采用CP1623通信板卡連接。

對(duì)通風(fēng)機(jī)的控制程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，程序的控制流程如圖3 所示。

根據(jù)圖3 可以看出，程序運(yùn)行可分為手動(dòng)及自動(dòng)模式兩種，其中手動(dòng)模式是操作人員根據(jù)實(shí)際的通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行切換，自動(dòng)模式是控制器對(duì)分支風(fēng)道內(nèi)部的負(fù)壓和風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)控。為了避免風(fēng)流短路事故，在程序中增加兩組立風(fēng)門和平風(fēng)門，兩風(fēng)門為互鎖狀態(tài)，當(dāng)1 號(hào)風(fēng)機(jī)發(fā)生故障且短時(shí)間內(nèi)無法恢復(fù)時(shí)，此時(shí)2 號(hào)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。在風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行過程中控制器通過對(duì)采集數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，當(dāng)出現(xiàn)采集風(fēng)量與標(biāo)準(zhǔn)值差距較大的情況時(shí)，此時(shí)程序會(huì)對(duì)偏差進(jìn)行計(jì)算，得出變壓器的頻率變動(dòng)值，同時(shí)為了保證控制的效果，設(shè)定閾值為±4 Hz，避免調(diào)節(jié)過大造成的沖擊，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的變頻控制[5]。

圖3 程序的控制流程

對(duì)上位機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，人機(jī)界面為人與系統(tǒng)交流的媒介，其主要用于參數(shù)的顯示，同時(shí)上位機(jī)需要對(duì)風(fēng)機(jī)、風(fēng)門及變頻器等設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，上位機(jī)的組態(tài)軟件框架如圖4 所示。

圖4 上位機(jī)的組態(tài)軟件框架

從圖4 可以看出，上位機(jī)的組態(tài)系統(tǒng)共4 個(gè)部分，分別為畫面組態(tài)、腳本程序、報(bào)警設(shè)置及網(wǎng)絡(luò)配置，其中畫面組態(tài)包括風(fēng)機(jī)運(yùn)行畫面、風(fēng)量控制界面、報(bào)警顯示界面、報(bào)表查詢界面及高壓開關(guān)柜狀態(tài)，同時(shí)系統(tǒng)可以將運(yùn)行狀態(tài)及風(fēng)量等隨時(shí)間變化曲線進(jìn)行繪制，便于對(duì)比研究。報(bào)警系統(tǒng)可以監(jiān)測風(fēng)機(jī)的速度、溫度、風(fēng)流量、負(fù)壓等參數(shù)，根據(jù)提前設(shè)定的閥值，從而給出報(bào)警范圍，當(dāng)檢測的數(shù)據(jù)超過正常范圍時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并亮起故障燈[6]。

對(duì)設(shè)計(jì)的變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用研究，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況測定的給風(fēng)量7 500 m3/min 進(jìn)行設(shè)定，將風(fēng)量輸入至上位機(jī)組態(tài)軟件，開始進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行。根據(jù)系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)可以看出，頻率值為25.5 Hz，控制器的輸出頻率不斷上升，此時(shí)風(fēng)量上升至7500m3/min，由于存在一定的滯后性，使得風(fēng)量超過給定值，此時(shí)顯示的輸出頻率降低；風(fēng)量維持在7 500 m3/min，此時(shí)變頻器的數(shù)值持續(xù)保持在25.5 Hz，自適應(yīng)模糊PID 風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果。

3 結(jié)論

本文對(duì)自適應(yīng)模糊PID 控制技術(shù)原理進(jìn)行分析，并對(duì)比模糊控制技術(shù)及自適應(yīng)模糊PID 控制技術(shù)的響應(yīng)速度，發(fā)現(xiàn)自適用模糊PID 控制對(duì)風(fēng)量的控制響應(yīng)較快，給出了自適應(yīng)模糊PID 變頻控制通風(fēng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)，并對(duì)變頻控制系統(tǒng)的硬件及軟件進(jìn)行分析，給出了自適應(yīng)模糊PID 變頻控制系統(tǒng)。通過對(duì)變頻控制系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過優(yōu)化后的自適應(yīng)模糊PID 風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果。