煤矿主通风机的智能化控制研究.pdf

1主通风机智能化控制关键技术 要实现对转速的智能控制，需要选择合适的变 频器进行控制，同时需要选择合适的瓦斯传感器对 井下瓦斯浓度进行实时监测，另外还需要采用 PLC 作为系统的控制核心。 本文选用 ABB 公司的 ACS800 系列变频器。该 型变频器的核心控制技术是直接转矩控制 （DTC） ， 其主控板的运算速度快，对转矩和速度的控制精度 高， 其静态精度可达 0.01。由于采用 DTC 控制方 式， ACS800 能够精确地控制转矩输出， 在电机启动 时提供稳定的最大起动转矩。最大的起动转矩可以 达到电机额定转矩的 2 倍。即使供电线路系统发生 意外导致供电中断，该型变频器能够利用断电后仍 然在旋转的电机的动能发电，自我提供短时电源继 续运行[1]。 PLC 的选型具有一定的原则。在 PLC 主体结构 的选择时， 要考虑 PLC 的应用场合条件以及生产工 艺的复杂程度。根据需要本文选择西门子的 S7-200 PLC 系列中的 CPU224 型主机， 该型 PLC 可 靠性高、 设计紧凑、 内置集成功能和指令集丰富、 可 扩展性好，其扩展 I/O 模块有 EM232（输出扩展模 块） 和 EM235 （混合式扩展模块） 。 根据系统所要实现的功能，基本的 PLC 输入 / 输出信号如表 1 所示。 S7-200 系列 CPU224 型主机有 14 个输入接口 和 10 个输出接口。同时， 为了满足本系统 3 路模拟 输入和 1 路模拟输出的需要， 需要增加一个外部 I/O 扩展模块 EM235， 该模块具有 4 个模拟量输入接口 和和模拟量输出接口。选择好 PLC 模块后， 需对各 模块进行 I/O 编址。CPU224 主机和 EM235 扩展模 块 I/O 编址及相对应的信号如表 2 所示[2]。 煤矿主通风机的智能化控制研究 窦亮 （山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿， 山西吕梁033602） 摘要 煤矿主通风机作为矿井通风的核心环节， 其运行效果的好坏， 不仅影响到井下采煤工作的正常进行， 更 关系到井下工作人员的生命安全。因此， 采用模糊智能控制技术， 设计煤矿局扇风机智能控制系统， 以改善矿井 内部通风环境， 提高通风效率， 增强通风可靠性。 关键词 主通风机模糊控制PLC 中图分类号 TD441； TP273文献标识码 A文章编号 1003-773X （2018） 08-0215-03 DOI10.16525/14-1134/th.2018.08.095 总第 184 期 2018 年第8 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 184 No.8， 2018 收稿日期 2018-01-18 作者简介 窦亮 （1988） ， 男， 毕业于太原科技大学机械设计制 造及其自动化专业， 机械助理工程师。 输入信号输出信号 启动运行系统启动 停止运行系统断电停止 手动工频运行风机工频运行 手动变频运行风机变频运行 自动变频运行变频器控制电压信号 （模拟） 瓦斯浓度信号 T1 （模拟）声光报警信号 瓦斯浓度信号 T2 （模拟） 瓦斯浓度信号 T3 （模拟） 声光报警测试信号 表 1PLC 基本输入输出信号 CPU224 主机 I/O 编址 输入对应信号输出对应信号 I0.0启动运行Q0.0系统启动 I0.1停止运行Q0.1系统断电停止 I0.2手动工频运行Q0.2风机工频运行 I0.3手动变频运行Q0.3风机变频运行 I0.4自动变频运行Q0.4声光报警信号 I0.5声光报警测试信号Q0.5备用 I0.6备用Q0.6备用 I0.7备用Q0.7备用 I1.0备用Q1.0备用 I1.1备用Q1.1备用 I1.2备用 I1.3备用 I1.4备用 I1.5备用 EM235 模拟量输入输出扩展模块 I/O 编址 输入对应信号输出对应信号 AIW0瓦斯浓度信号 T1AQW0变频器控制电压信号 AIW2瓦斯浓度信号 T2 AIW4瓦斯浓度信号 T3 AIW6备用 表 2PCU224 和 EM235 I/O 编址 自动化技术与设计 为保证煤矿井下瓦斯浓度测量的准确性，本文 选择 GJC4 （B） 型低浓度瓦斯传感器， 直接将 GJC4 （B）型传感器传回的 1～5 mA 直流信号直接接到 EM235 模拟输入口，无需再设计电流转换电压信号 电路。 根据相关操作规程的要求， 瓦斯传感器应当放 置在掘进工作面附近、掘进巷道回风流中及回风巷 等处。 2主通风机智能化控制设计 本文通过 S7-200 型 PLC 实现采用模糊控制器 实现对主通风的智能控制，除包含对通风机的智能 控制外， 还应包含自控排瓦斯功能， 手 / 自动切换功 能， 瓦斯超限 （报警值） 报警功能， 瓦斯超限断电功能 等。本系统 PLC 程序采用模块化设计， 由主程序模 块、 子程序模块和中断程序模块构成， 程序执行时通 过在主程序中调用子程序和中断程序完成相关控制 功能和任务。子程序模块包含初始化子程序 1、 EM235 模块检查子程序 2、 瓦斯浓度 T1 采样子程序 3、 瓦斯浓度 T2 采样子程序 4、 瓦斯浓度 T3 采样子 程序 5。中断程序模块只包含输出电压模糊控制表 查询定时中断程序 1[3-4]。 主程序主要完成各子程序的调用，相关参数的 设置， 瓦斯浓度过高报警， 瓦斯浓度超限断电， 以及 风机手 / 自动运行的切换， 如图 1 所示。 主程序运行时首先判别风机是自动变频还是手 动变频运行， 若都不是则工频运行。 若是自动变频运 行，则通过首次扫描为 ON 的初始化脉冲 SM0.1 调 用子程序 1 进行初始化，通过常 ON 的 SM0.0 调用 子程序 2 检测 EM235 模块是否连接有误。 有误则主 程序结束，无误则直接调用 3 个瓦斯浓度采样子程 序 2、 3 和 4， 获取实时的瓦斯浓度值 T1、 T2 和 T3， 以 供中断程序 1 进行模糊控制查表使用。本设计中断 控制时间为 500 ms，即每 500 ms 系统更新一次输 出。 最后判别瓦斯浓度是否达到断电值， 若达到则系 统断电，主程序结束。若正常再判别是否达到报警 值， 若达到则声光报警再输出变频器控制电压， 若正 常， 则直接输出变频器控制电压， 主程序结束。 本文采用二维模糊控制器，即将瓦斯浓度偏差 E 及偏差的变化 Ec作为模糊控制器的输入， 变频器 控制电压 U 作为输出。 系统自动运行在自控通风模式下，瓦斯浓度越 高， 要求风机出风量越大， 变频器输出频率越高， 即 变频器控制电压越高。 设瓦斯浓度偏差 E 的模糊论域为{-5， -4， -3， -2， -1， 0， 1， 2， 3， 4， 5}，模糊语言值集合为{NB， NS， ZE， PS， PB}， 语言值描述集合为{负大， 负小， 零正小， 正大}。瓦斯浓度偏差变化 Ec取前后两个采样时刻 瓦斯偏差的差值， 即 EcE （t） -E （t-1） 。设 Ec的模糊 论域为{-5， -4， -3， -2， -1， 0， 1， 2， 3， 4， 5}， 模糊语言 值集合为 {NB， NS， ZE， PS， PB}，语言值描述集合为 {负大， 负小， 零正小， 正大}。变频器控制电压 U 的模 糊论域 {0， 1， 2， 3， 4， 5， 6， 7， 8}，模糊语言值集合为 {SL， MS， MD， MB， BG}， 语言值描述集合为{小， 中小， 中， 中大， 大}。 输出变频器控制电压 U 的隶属度函数 则采用常用的等腰三角隶属度函数， 如图 2 所示。 由隶属度函数，可得到各语言值的隶属度赋值 表， 如下页表 3 和表 4 所示[5]。 根据现场操作经验，瓦斯浓度信号由 T1 和 T2 （取大者） 提供， 瓦斯浓度与输出频率成正比关系。 如 果瓦斯偏差负向相差很大 （即负大） ， 偏差变化为正 大， 就说明现场瓦斯浓度过高， 超出给定值很多， 而 且正在快速升高。此时， 应使风机出风量很大， 以及 时带走掘进工作面上涌出的瓦斯，即输出变频器电 压要很高。此条控制规则简述为 If 偏差负大且偏差变化正大， then 变频器控制 图 1主程序流程图图 2U 的隶属度函数 风机手动变频运行 风机工频运行 系统断电 声光报警 主程序开始 风机自动变频运行 SM0.1 调用子程序 1 初始化 SM0.0 调用子程序 2 检测 EM235 调用子程序 3、 4、 5 设置中断时间 连接定时中断程序 1 变频器控制电压输出 EM235 连接有误 瓦斯浓度达断电值 瓦斯浓度达报警值 主程序结束 N Y Y N Y N Y N Y 1 765432108 SLMSMDMBBG 元素 第 33 卷 机械管理开发 jxglkfbjb 216 电压变大。 得出自控通风模式下其他情况的控制规则， 如 表 5 所示。 由各变量语言值的隶属度表和控制规则表， 建 立模糊控制查询表， 如表 6 所示。 在实际运行时，事先将输出模糊控制查询表录 入 PLC 存储单元中， 运行过程中的控制算法就变成 了简单的查表法。 根据传感器反馈的信号， 经过必要 的处理， 获取偏差和偏差变化的取值， 进而从查询表 中找到相应的输出值， 再经过相应的处理 （乘以比例 因子） ，作为变频器的控制电压由 EM235 的模拟输 出口输出，从而控制变频器输出频率，调节风机风 量， 达到瓦斯调节的目的[6]。 3结语 采用模糊控制算法实现对煤矿主通风机的智 能化控制， 主通风机智能控制系统能够根据井下瓦 斯浓度的变化实时地调节风机风速， 从而保证煤矿 井下的生产安全， 同时也能够实现节能目的。 参考文献 [1]乔惠.HIVERT 数字化控制高压变频系统在主通风机中的应用 [J].煤炭与化工， 2016， 39 （6） 100-102. 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[6]孔国财.矿井主通风机控制系统变频节能技术应用探讨[J].科 技资讯， 2010 （32） 40. （编辑 王慧芳） 隶属度 元素 -5-4-3-2-1012345 语言 值 NB10.66 0.3300000000 NS00.33 0.6610.5000000 ZE00000.510.50000 PS0000000.510.66 0.330 PB000000000.33 0.661 隶属度 元素 012345678 语言 值 SL10.50000000 MS00.510.500000 MD0000.510.5000 MB000000.510.50 BG00000000.51 表 3Ec和自控通风模式 E 的隶属度赋值表 表 4U 的隶属度赋值表 U Ec NBNSZEPSPB E NBMBMBBGBGBG NSMDMBMBBGBG ZEMSMSMSMDMD PSSLSLSLMSMS PBSLSLSLSLSL 表 5自控通风模糊控制规则表 U Ec -5-4-3-2-1012345 E -566666.87.57.67.67.77.77.7 -45.35.35.366.56.76.97.67.67.77.7 -34.74.75.3666.36.87.67.67.67.7 -244.75.36666.57.67.67.67.6 -133.944444.55.45.45.45.4 02222223.24444 11.51.51.51.51.51.52.53333 20.40.40.40.40.40.51.52222 30.30.30.40.40.40.51.51.71.71.71.7 40.30.30.30.40.40.51.21.21.21.31.5 50.30.30.30.30.30.40.40.40.40.50.5 表 6自控通风模式输出模糊控制查询表 Study on Intelligent Control of Main Fan in Coal Mine Dou Liang （Xiegou Coal Mine of Jinxing Energy Co.,Ltd., Lyuliang Shanxi 033602） Abstract As the core link of mine ventilation, the operation effect of main ventilator in coal mine not only affects the normal operation of underground coal mining, but also relates to the life safety of underground workers. Therefore, the intelligent control system of coal mine local fan is designed by adopting fuzzy intelligent control technology, in order to improve the ventilation environment, improve ventilation efficiency, enhance ventilation reliability. Key words main ventilator; fuzzy control; PLC 窦亮 煤矿主通风机的智能化控制研究2018 年第 8 期217