煤礦通風(fēng)機自動控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計

許 潔

(山西焦煤集團(tuán)公司 投資有限公司， 山西 太原 030024)

近年來，隨著煤炭資源需求量的增大，礦井生產(chǎn)量也在逐步提升，礦井巷道的數(shù)量和采掘深度也隨之增大，使巷道管網(wǎng)阻力也相應(yīng)地增大，直接造成礦井通風(fēng)不良，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生[1].因此，礦井通風(fēng)系統(tǒng)需要具備自動調(diào)節(jié)控制功能以適應(yīng)井下復(fù)雜多變的通風(fēng)要求。礦井通風(fēng)機自動控制方法有PID控制、模糊控制及模糊PID控制[2]等。其中，PID控制滯后性小、系統(tǒng)穩(wěn)定性好，但是當(dāng)滯后時間較長時，通風(fēng)機風(fēng)量會產(chǎn)生最大偏差量，導(dǎo)致調(diào)節(jié)至穩(wěn)態(tài)的時間變長；模糊控制主要適用于時變、非線性系統(tǒng)，但其參數(shù)不易整定且確定規(guī)則后也不能輕易改動，并當(dāng)被控對象變化時，往往也達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)[3]；而模糊PID控制具備響應(yīng)速度快、控制效果好、無超調(diào)，且出現(xiàn)時滯時，會出現(xiàn)超調(diào)，但是穩(wěn)定性比較好[4].因此，為保證煤礦井下掘進(jìn)作業(yè)所需的通風(fēng)量，同時達(dá)到節(jié)約能源的目的，本文主要應(yīng)用模糊PID技術(shù)、變頻調(diào)速方法對通風(fēng)機自動控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計研究，使各工作面滿足風(fēng)量需求。

1 設(shè)計思路

通風(fēng)機自動控制系統(tǒng)設(shè)計思路是應(yīng)用模糊PID技術(shù)、變頻調(diào)速對通風(fēng)機交流異步電機的輸入頻率進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，進(jìn)而實現(xiàn)對通風(fēng)機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)控制，完成對井下掘進(jìn)工作面風(fēng)量的閉環(huán)控制，并在保證礦井作業(yè)所需要通風(fēng)量的條件下，有效節(jié)約能源。其工作原理是利用監(jiān)控裝置傳感器采集數(shù)據(jù)信息，將采集到的信息傳輸給PLC，通過模糊控制算法、邏輯比較后，PLC再將輸出信號的信息反饋給變頻器，實現(xiàn)對通風(fēng)機轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。此外，通風(fēng)機控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線和上位機監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行信息交換，針對通風(fēng)機距離井下掘進(jìn)工作面比較長，通過串口光端機，將監(jiān)測裝置傳感器發(fā)送的其他信號轉(zhuǎn)為光信號實現(xiàn)傳輸功能。該系統(tǒng)主要由系統(tǒng)主機、傳輸接口、傳輸電纜、電源箱、光端機、工業(yè)以太網(wǎng)交換機等組成。

2 通風(fēng)機變頻調(diào)速原理

目前，井下通風(fēng)機電機多采用異步電機[5]，為實現(xiàn)變頻通風(fēng)控制，本質(zhì)上是異步電機的變頻調(diào)速過程，通過改變電動機供電頻率，同步轉(zhuǎn)速也發(fā)生變化，進(jìn)而對電機調(diào)速，實現(xiàn)對通風(fēng)機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。交流異步電機轉(zhuǎn)速公式[6]為：

(1)

其中，n為電機轉(zhuǎn)速，r/min；f為電源頻率，Hz；p為異步電機的磁極對數(shù)；s為電動機的轉(zhuǎn)差率；ω為相應(yīng)的角頻率，rad/s.

s=(ns-n)/ns-(ω1-ω)/ω1

(2)

其中，ns為異步電機的同步轉(zhuǎn)速[7]，r/min；ω為固有角頻率，rad/s.

ns=60f/p=60ω1/2πp

(3)

對于同一臺通風(fēng)機，當(dāng)轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2時，通風(fēng)機各項參數(shù)[8]關(guān)系如下：

(4)

其中，n1、n2為通風(fēng)機轉(zhuǎn)速，r/min；H1、H2為通風(fēng)機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后的風(fēng)壓，Pa；N1、N2為通風(fēng)機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后的功率，kW.

因此，當(dāng)通風(fēng)機的風(fēng)量、風(fēng)壓不足或者存在富余量時，可通過調(diào)整通風(fēng)機轉(zhuǎn)速對通風(fēng)機的輸入功率進(jìn)行改變。設(shè)定井下掌子面需風(fēng)量是Q2，掘進(jìn)初期通風(fēng)機管路風(fēng)阻值是H1，距達(dá)到最長管路風(fēng)阻值是H2，通風(fēng)機工頻運行時，風(fēng)機風(fēng)壓、風(fēng)量關(guān)系曲線圖見圖1.

圖1中，掘進(jìn)初期，當(dāng)通風(fēng)機工頻運行時，通風(fēng)機送風(fēng)量是Q1，輸出功率為矩形OH1AQ1面積；變頻調(diào)速運行時，通風(fēng)機輸出功率為矩形OH3CQ2面積，矩形OH1AQ1面積明顯大于矩形OH3CQ2面積，這兩個矩形面積之差就是井下需要節(jié)省的風(fēng)量。當(dāng)遇通風(fēng)最困難時期，通風(fēng)機以最大轉(zhuǎn)速進(jìn)入全功率運行狀態(tài)時，不再需要調(diào)節(jié)，直接切換為工頻運行，通風(fēng)機工況為(Q2，H2)，輸出功率面積為OH2BQ2.

圖1 風(fēng)機風(fēng)壓、風(fēng)量關(guān)系曲線圖

3 通風(fēng)機自動控制調(diào)節(jié)

通風(fēng)機自動變頻系統(tǒng)是通過對傳感器監(jiān)測的物質(zhì)濃度進(jìn)行模糊控制處理、邏輯比較，當(dāng)出現(xiàn)任一物質(zhì)的濃度值達(dá)到設(shè)定值時，控制信號立馬對變頻控制單元發(fā)送指令，使通風(fēng)機頻率增大，并隨有害物質(zhì)濃度的增加，通風(fēng)機頻率也隨之增大，供風(fēng)量也增大；當(dāng)有害物質(zhì)濃度過高時，且通風(fēng)機滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)仍達(dá)不到要求，系統(tǒng)就會自動進(jìn)行報警。若井下某工作面風(fēng)量需求較小或者暫停供風(fēng)時，隨有害物質(zhì)濃度的降低，通風(fēng)機通過自動控制調(diào)節(jié)，運行頻率逐漸降低，供風(fēng)量減小，并再次達(dá)到新的平衡狀態(tài)，直到供風(fēng)量達(dá)到設(shè)定的最小通風(fēng)量。通風(fēng)機自動控制系統(tǒng)工作流程見圖2.

圖2 通風(fēng)機自動控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖

由于井下掘進(jìn)工作面的環(huán)境、有害物質(zhì)濃度屬于控制參數(shù)，且這些參數(shù)都是通風(fēng)一段時間后才發(fā)生改變，也就是說通風(fēng)機的調(diào)節(jié)與控制參數(shù)的變化有一定的滯后。同時，不同環(huán)境參數(shù)和通風(fēng)機運行參數(shù)又不能建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此，應(yīng)用模糊PID控制[8]方法對通風(fēng)機自動調(diào)節(jié)，通過計算機來解決復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，并執(zhí)行人的控制策略。模糊PID控制系統(tǒng)圖見圖3.

模糊控制系統(tǒng)的基本組成見圖4.結(jié)合井下施工通風(fēng)的要求，應(yīng)用前饋式智能模糊控制方法，先依據(jù)通風(fēng)機風(fēng)管供風(fēng)量來計算頻率參數(shù)，然后通過變頻通風(fēng)控制系統(tǒng)對通風(fēng)機轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖3 模糊PID控制系統(tǒng)圖

圖4 模糊控制器的基本組成圖

通風(fēng)機變頻控制系統(tǒng)可建立一氧化碳濃度、粉塵濃度、氮氧化物和溫度4個相互獨立的模糊控制單元，還可以依據(jù)掘進(jìn)面實際工作環(huán)境，建立相應(yīng)的模糊控制單元。模糊控制系統(tǒng)將通過傳感器監(jiān)測的有害物質(zhì)濃度與標(biāo)準(zhǔn)要求濃度進(jìn)行對比，計算得到有害物質(zhì)濃度的偏差、偏差變化率；并依據(jù)井下有害物質(zhì)濃度的模糊控制表，得到通風(fēng)量以及最低風(fēng)速要求的通風(fēng)量中的較大值，實時控制調(diào)節(jié)變頻器的頻率，通過對風(fēng)機電機轉(zhuǎn)速改變對通風(fēng)機轉(zhuǎn)速、供風(fēng)量進(jìn)行改變，從而實現(xiàn)對礦井下作業(yè)環(huán)境風(fēng)量的自動控制調(diào)節(jié)。

4 結(jié) 論

為保證煤礦井下掘進(jìn)作業(yè)所需的通風(fēng)量，同時達(dá)到節(jié)約能源的目的，對通風(fēng)機自動控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計研究，主要應(yīng)用模糊PID技術(shù)、變頻調(diào)速對通風(fēng)機交流異步電機的輸入頻率進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，進(jìn)而實現(xiàn)對通風(fēng)機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)控制，并利用自動控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)對掘進(jìn)工作面各種有害物質(zhì)濃度指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，實時調(diào)整各工作面風(fēng)量大小需求，實現(xiàn)節(jié)能控制。