礦井局部通風(fēng)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張金銘，于 波

（1.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)忻州窯礦，山西 大同 037021；2.大同煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 大同 037001）

引言

煤炭是我國(guó)主要的能源形式，在煤炭的開(kāi)采過(guò)程中，瓦斯是危害煤礦安全的主要因素。針對(duì)瓦斯事故的分析顯示，瓦斯爆炸與礦井內(nèi)的通風(fēng)不暢有關(guān)，瓦斯事故大多發(fā)生在掘進(jìn)工作面，這是由于掘進(jìn)工作面是獨(dú)頭的巷道，掘進(jìn)中產(chǎn)生的大量瓦斯及煙塵等危險(xiǎn)氣體不能有效的排除，造成安全隱患。礦井局部通風(fēng)系統(tǒng)是保證巷道掘進(jìn)必備的通風(fēng)系統(tǒng)，將工作面的瓦斯等氣體排出，輸入新鮮的空氣，可保證生產(chǎn)的安全[1]。在使用過(guò)程中，局部通風(fēng)系統(tǒng)的控制長(zhǎng)期處于恒定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)，不能依據(jù)工作面瓦斯?jié)舛鹊淖兓M(jìn)行風(fēng)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使用效果不好[2]。對(duì)局部通風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)智能化的通風(fēng)控制，保證工作面進(jìn)行自動(dòng)化的瓦斯?jié)舛日{(diào)節(jié)，提高煤礦的安全生產(chǎn)水平。

1 礦井局部通風(fēng)智能控制算法的設(shè)計(jì)

礦井內(nèi)部對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，由于井下的環(huán)境較為復(fù)雜，受到多種因素的影響，無(wú)法建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，常規(guī)的PID 控制無(wú)法及時(shí)反應(yīng)被控對(duì)象的變化，模糊控制系統(tǒng)采用基于規(guī)則的控制方式，不需要準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，將兩者之間進(jìn)行結(jié)合，在常規(guī)的PID 控制中，利用模糊控制對(duì)其參數(shù)進(jìn)行自整定[3]，建立模糊自適應(yīng)控制算法。

通風(fēng)機(jī)對(duì)工作面瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行調(diào)節(jié)，還受到井下多種環(huán)境因素的作用，將井下多種不確定因素進(jìn)行考慮，采用T-S 模型的模糊預(yù)測(cè)控制算法，從模糊模型及模糊規(guī)則兩方面提高礦井局部通風(fēng)控制的精度[4]。T-S模型利用線(xiàn)性系統(tǒng)理論與模糊理論相結(jié)合，從結(jié)構(gòu)及參數(shù)兩方面對(duì)模型進(jìn)行定義，包括模型的輸入輸出量、模糊規(guī)則及隸屬函數(shù)，建立T-S 模糊預(yù)測(cè)控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)控制的時(shí)間預(yù)測(cè)。在Simulink 環(huán)境中搭建模糊預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的模型如圖1 所示。

圖1 模糊預(yù)測(cè)系統(tǒng)模型

采用仿真的形式對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的控制進(jìn)行模擬分析，設(shè)定系統(tǒng)的輸出風(fēng)量為350 m3/min，設(shè)置系統(tǒng)的延時(shí)分別為1 s 及10 s，控制時(shí)域及預(yù)測(cè)時(shí)域?yàn)?，對(duì)T-S 模糊預(yù)測(cè)及模糊自適應(yīng)控制方式進(jìn)行仿真分析，得到系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)如圖2 所示。從圖2 中可以看出，在系統(tǒng)的延時(shí)為1 s 時(shí)，T-S 模糊預(yù)測(cè)控制的調(diào)節(jié)時(shí)間要小于模糊自適應(yīng)控制，且輸出結(jié)果沒(méi)有超調(diào)量；在系統(tǒng)延時(shí)為10 s 時(shí)，T-S 模糊預(yù)測(cè)控制的調(diào)節(jié)時(shí)間同樣小于模糊自適應(yīng)控制，系統(tǒng)存在6%的超調(diào)量，超調(diào)量小于模糊自適應(yīng)控制，且超調(diào)時(shí)間短。由此可知，采用基于T-S 模糊預(yù)測(cè)控制的局部通風(fēng)控制系統(tǒng)具有較好的控制效果，能夠依據(jù)瓦斯?jié)舛鹊淖兓M(jìn)行預(yù)測(cè)性自動(dòng)化調(diào)節(jié)，較快的達(dá)到系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)[5]，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井工作面風(fēng)量的調(diào)節(jié)。

圖2 通風(fēng)系統(tǒng)不同控制算法響應(yīng)曲線(xiàn)

2 通風(fēng)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

采用基于T-S 模糊預(yù)測(cè)控制建立礦井局部通風(fēng)系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井局部通風(fēng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)主要包括井下的控制分站、變頻器調(diào)速系統(tǒng)、瓦斯?jié)舛葯z測(cè)的傳感器系統(tǒng)及上位機(jī)組成[6]，系統(tǒng)的主要架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 礦井局部通風(fēng)智能控制系統(tǒng)主要架構(gòu)

礦井工作面的瓦斯?jié)舛燃皽囟?、風(fēng)速等狀態(tài)信息通過(guò)傳感器系統(tǒng)的采集，將數(shù)據(jù)傳輸至井下的控制分站，控制分站將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)中，上位機(jī)通過(guò)設(shè)定的T-S 模糊預(yù)測(cè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總及處理，并將計(jì)算的結(jié)果輸出至井下的變頻調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)通風(fēng)機(jī)的電機(jī)進(jìn)行變頻控制，實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)整，以適應(yīng)井下的工作條件。礦井局部通風(fēng)智能控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，井下控制分站通過(guò)CAN協(xié)議接入井下的通信線(xiàn)路中，控制分站是系統(tǒng)的核心組件，對(duì)數(shù)據(jù)的上傳及指令的下發(fā)起到中轉(zhuǎn)的作用。

井下控制分站是礦井局部通風(fēng)智能控制系統(tǒng)的核心組件，為保證井下分站使用過(guò)程中的安全及持續(xù)，針對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用不間斷的供電系統(tǒng)，當(dāng)?shù)V井內(nèi)供電正常時(shí)，控制分站的電源可將其轉(zhuǎn)化為直流電使用，當(dāng)?shù)V井內(nèi)的供電異常時(shí)，控制分站采用鋰電池供電，并可對(duì)鋰電池的狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證控制分站工作的安全性。

對(duì)于上位機(jī)軟件系統(tǒng)及界面，常采用LabView 與MATLAB 進(jìn)行混合編程的形式實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)可視化編程，并可結(jié)合Matlab 強(qiáng)大的工具箱，兩者采用ActiveX技術(shù)實(shí)現(xiàn)在Labview中對(duì)Matlab 程序的調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)混合編程。系統(tǒng)內(nèi)共有的10 臺(tái)通風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)均可進(jìn)行顯示，通過(guò)相應(yīng)的選項(xiàng)卡可查看通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，且顯示主風(fēng)機(jī)及備用風(fēng)機(jī)的狀態(tài)，分別為“有電”“運(yùn)行”及“故障”，對(duì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速有實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)顯示，并記錄當(dāng)前的瓦斯?jié)舛葼顟B(tài)，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，可對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)。系統(tǒng)中設(shè)置有故障報(bào)表，可對(duì)系統(tǒng)的故障進(jìn)行排查及記錄，便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

在煤礦的工作面巷道掘進(jìn)過(guò)程中，存在著大量的瓦斯及煙塵等危險(xiǎn)氣體，由于空氣不能及時(shí)流通，容易造成積聚，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)及作業(yè)人員的身體健康造成威脅。在巷道掘進(jìn)中應(yīng)用礦井智能通風(fēng)控制系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)記錄通風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，當(dāng)瓦斯?jié)舛茸兓瘯r(shí)，基于T-S 模糊預(yù)測(cè)的控制系統(tǒng)能夠在10 s 內(nèi)完成對(duì)通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，及時(shí)為工作面輸送新鮮的空氣，保證煤礦及人員的安全。當(dāng)通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時(shí)檢測(cè)并進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)運(yùn)行，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。并且在一年的使用過(guò)程中，以運(yùn)行時(shí)間為20 h/d，每年工作時(shí)間300 d 計(jì)，基于T-S 模糊預(yù)測(cè)的通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中可節(jié)約電能2 600 kW·h，提高了煤礦的經(jīng)濟(jì)效益及安全性。

3 結(jié)語(yǔ)

在煤炭的開(kāi)采過(guò)程中，工作面存在著瓦斯等危險(xiǎn)氣體，需要局部通風(fēng)系統(tǒng)依據(jù)瓦斯?jié)舛鹊冗M(jìn)行實(shí)時(shí)智能化的調(diào)節(jié)。針對(duì)現(xiàn)在通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)不能進(jìn)行智能調(diào)節(jié)的問(wèn)題，采用T-S 模型的模糊預(yù)測(cè)控制算法將工作面的瓦斯?jié)舛取囟?、風(fēng)速等因素進(jìn)行綜合考慮，通過(guò)仿真分析可知，T-S 模型可對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)性的調(diào)節(jié)，具有較好的控制效果。采用T-S 模糊預(yù)測(cè)控制建立礦井局部通風(fēng)系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的井下控制分站、不間斷供電系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)等，采用LabView 與MATLAB 混合編程的形式實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的控制。通過(guò)礦井局部通風(fēng)智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用，可依據(jù)工作面的瓦斯?jié)舛龋瑢?duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行針對(duì)性的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足生產(chǎn)的需求，提高煤礦的安全開(kāi)采水平。