一种矿井通风优化可视化软件的实现.pdf

第 2期 吴利波 等一种矿井通风优化可视化软件的实现 4 1 一 种矿井通风优化可视化软件 的实现 吴利波 ， 严德昆， 闫莉莉 中国矿业大学 信息与电气工程学院， 江苏 徐州2 2 1 0 0 8 摘要 提 出了一种相对简单的矿井通风优化计 算软件方案 。该方案核心思想是 选用一种工业组 态软件与 ma t l a b相 结合 ， 以 D D E通信 的方式一起 完成优化计算。其 中， 组 态软件用来制作人机接 17 界面同时作为数据输入输 出接 1 7， m a t l a b负责完成复杂的优化迭代计算。 关键 词 通 风优 化 ； 可视 化 编程 ； D D E 中图分类号 T D 7 2 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 7 4 9 X 2 0 0 5 0 2 0 0 4 1 0 2 0 引言 矿井的通风系统是防范瓦斯 、 煤尘 、 自然发火 的 根本 和核心⋯ ， 是保 证煤矿 高效、 安全生产 和矿工 身体健康的主要保障。如果要使生产矿井通风系统 达到国家有关标准 ， 又要尽可能的节约成本 ， 降低通 风开发和维护费用 ， 就必须进行通风优化设计 。 成的通风网络优化问题的基本数学模型如下 mi n Z ， 』 q △ 一h N j 6 0， i 1， 2， ⋯ ⋯ m 一 1 c o ． r j q ]△ 一 一 舾0 ， i1 ， 2 ⋯ 一， k 1 1 优化 问题编程工具及 优化实例 。 r 中 1 ． 1 优化问题简介 矿井通风优化随着计算机技术和计算数学领域 的发展 ， 出现了一些较为有效的线性 和非线性 的规 划方法。归纳起来， 有以下四个方面的内容 ① 矿井通风网络设计优化； ②通风网络调节优化； ③通 风网络风量分配优化； ④通风机优选。上述②③问 题的联合 ， 称为矿井通风优化调节问题。本文仅 以 通风网络的调节优化为例介绍软件的实现方法。 1 ． 2编程工具的选择 本文介绍 的开发手段是选用了两种 比较容易的 二次开发软件进行结合 ， 实现可视化 的通风优化计 算程序的编制 。其 中一种软件就是具有强大数值计 算功能的 m a t l a b 。根据通风网络理论， 网络 中风量调 节必须满足风压平衡定律， 风量分配必须满足风量平 衡定律。由此可以建立相应的约束条件 。把 网络的 通风总功率最小作为优化的目标 ， 建立 目标函数。构 收稿 日期 2 0 0 6一 O l一1 1 作 者简介 吴 利波 1 9 8 1 一 ， 男 ， 湖北天门人 ， 2 0 0 4年毕业 于武汉理 工大学 ， 现中国矿业大学 信息与电气工程学院控制专业硕士研究生 ， 研 究方向为计算机控制。 p 分支 中的风机风压 ； 卜含有风机 的分支集合 ； r j ， q ， a h j ， h N j 分别为分支 的风阻、 风量 、 调节阻力和 自然风压 ； { C 基本 回路矩阵； { b 基本关联矩阵。 决策变量是 q i ， △ ， 从以上模型可 以看 出， 目标 函数和约束条件均为非线性 的 ， 因而这是一个 复杂 的非线性规划 问题。如果用 V C实现该优化算 法 ， 具有 一 定 的难 度。而用 ma t l a b则 相对简 单 的 多。m a t l a b的优化工具箱有各种各样的优化 函数可 以直接调用 ， 而且还可 以根据需要 自己编写优化 函 数 ， 另外使 用 m a t l a b进 行矩 阵 运算 也是 相 当方 便 的， 而这也正是多变量优化中常常碰到的问题。 另一开发软件可根据具体情况而定 。这里选用 的是 国内亚控公司的一款通用工业组态软件一组态 王。主要是考虑到其全 中文的窗 口操作环境 ， 具有 丰富的图库等特点 ， 这很大程度上方便了普通开发 用户 。此外 ， 相对其他组态软件 ， 组态王的价格也比 较适 中， 因而具有较高的性价 比。 维普资讯 4 2 陕西煤炭 2 0 0 6焦 1 ． 3优化 实例 本文假设某矿井通 风网络 图如 图 1所示 ， 其通 风 网络参数如表 1 所示。 8 l 图 1 通风 网络 图 为简化例子 ， 再假设矿井通风 网络 中所有分支 风量皆已确定 ， 网络 调节优化问题 就成 为一个线性 规划问题 。如果不考虑 自然风压 ， 并将 目标 函数 中 不影响优化结 果的常量部分删去 ， 模 型 1 可改写 为如下线性规划模型 r mi n f A h f a h j q j l 1 s 一 △ o ， i 1 ， 2 ⋯ ⋯ ， k 2 A h i≥ 0 √ 1 ， 2 ⋯ ⋯n 此时 ， 决策变量只有 △ 。 表 1 通风 网络参数 注 E i 一第 i 号分支 ； r 一分 支 i 的风阻 ； q 一分支 i 的风量 。 2 可视化软件程序运行和结果 2 ． 1 可视化软件的实现 首先 ， 运行组态王主程序新建一个工程 ， 利用组 态王开发出人机界面。为方便用户进行数据 的输入 操作 以及显示和保存每次优化的数据。可设计如下 画面 ①通风网络 画面。可 直接从 画面输入和修改 数据 ， 并马上观察到不同数据的优化结果； ②数据列 表画面。该画面允许用户以列表形式输入参数以及 观察优化结果数据 ； ③树型选择画面。一般来说树 型选择画面是给高级用户使用的 ； ④数据报表画面。 这个画面可 以显示并打印历史数据。用户可以反复 优化而得 出最优方案 。 有 了以上几个 画面 ， 就有 了一个通风调节优化 计算软件的界面。然后开始定义设备和变量。组态 王里变量和设备 是绑定 的。本例中 ， 服务程序名为 m a t l a b ， 话题名 为 e n g i n e ， 项 目名 由开 发者 自定义 。 设备和变量都定义完毕 ， 就可进行 动画链接 。用户 就可以通过画面操作 和观察各个变量。至此 ， 组态 王的开发过程结束 。利用 ma t l a b提供 的 D D E模块 函数 J ， 可以方便 的与组 态王建立 D D E会话 、 采集 数据并 回显数据 。 线性规划部分编程可 以直接调 用 l i n p r o g函数 求取最优解 ， 也可根据某种算法 ， 如单纯形法编制迭 代程序 。本程序直接调用 l i n p r o g函数进行优化 。 2 ． 2 程序的运行和结果 开发完毕 ， 检查无误后 ， 即可进行优化计算。首 先运行建立 的组 态王通风调节优化工程 ， 并在通风 网络画面或者数据列表画面输入如表 1 所示的网络 参数 ， 然后运行 ma t l a b程序 ， 直接运行 编写好 的通 风优化 M文件程序。优化成功后 ， ma t l a b的命令 窗 口会显示“ O p t i mi z a t i o n t e r mi n a t e d s u c c e s s f u l l y ” 。 组 态王运行界面中， 各画面会根据开发 者的设 计要求显示相应的数据值 ， 直接在组态王 的图形化 界面中就可以看到输入输出数据 。 这里给出一组优化结果 所选树型为 e 2 e e e 。 调节阻力分 别为 △ 21 2 7 ． 8 P a ； A h 3 4 8 ． 3 P a； Ah58 3． 6 Pa； Ah 63 9． 4 P a； Ah73 3． 5 Pa 。 总功 耗 5 ． 2 6 k W 结果表明对分支 e ， e ， e ， e ， e ， 进行增阻调节， 风机需增加的最小功率为 5 ． 2 6 k W。 必须指 出的是 ， 这里的优化结果完全是按照 目 标函数和约束条件计算出的理论结果， 仅供理论分 析使用。实际通风网络中调节方案还要考虑很多因 素 ， 比如调节点位置的安排 ， 调节方式的考虑等都会 影响到理论计算 ， 使得最终总功耗大于求得理论值。 不过 ， 通过进一步改进程序的设计思想和加强约束 条件 ， 以上问题也是可 以得到合理解决的。 3 结语 通过结合组态软件的界面优势和 m a t l a b的计算 功能 ， 提出了一种简单实用的矿井通风优化计算 的可 视化软件的实现方法 。该方法不需要 上转第 2 1 页 维普资讯 第 2期 杨义辉唐恩贤黄陵矿业集团公司一号煤矿现行通风系统分析 2 1 2 矿井 目前通风状 况 2 ． 1 矿井等积孔及通风巷道摩擦 阻力系数 矿井等积孔计 算参数和计算结 果见表 2 ， 其矿 井等积孔 大于 1 ． 5 ， 说 明 目前矿井通风难易程度属 于容易时期 。 表 2 黄陵一号煤矿等积孔的计算结果 通过实际测量所得到的矿井所有巷道摩擦阻力 系数大部分属于正常值范 围， 个别 系数值偏大。引 起异常值的主要原 因是测定时主要巷道存在漏风 ， 风量读数产生误差、 一些巷道 内有堆积物、 巷道长度 取值与实际长度值的偏差等因素影响 。 2 ． 2 矿井主要通风机性能 该矿现有的主要通风机型号为 1 K 5 8 N o ． 2 7 。根 据对主要通风机的实测研究结果 ， 该风机风量一风 压的性能曲线 只列 了一组风量一风压性 能 曲线 如图 2所示 ， 说 明 目前主扇的工作性能状态正常。 3 00 0A ◆⋯一 ， 一b 。 ．◆ ◆ 莹2 5 0 0 ◆ ◆ 盖 、 2 25 0一 ～ 2 00 0 ． ． z uu 21 0 2 20 2 30 2 4 0 z bu 风量／m ． S’ 图2 风压一风量特征曲线 3 结论 从矿井通风等积孔计算结果看 ， 目前矿井通风 仍处在 比较容易时期 。矿井的通风阻力分布不够均 匀 ， 这是 因为井下通风巷道较长、 总回风巷风量大的 缘故。对此 ， 应该加强对进 、 回风大巷的清扫管理 ， 以降低巷道摩擦风阻； 以后在进行矿井系统改造时 ， 应合理确定 回风井的位置 ， 以减少通风路线长度 ； 此 外还可以考虑增加一条主要 回风巷道 ， 或者更换大 功率通风机等措施 ， 以改善现行矿井通风系统 中阻 力分布不均匀、 通风效率消耗较大的状况。 下接第 4 2页 使用 C、 B A S I C等 比较复杂 的计 算机编程语言 ， 适合非计算机专业 的工程人员使用 ； 同时， 由于其开发周期短 ， 投资少 ， 特别适合 于规模 不大， 资金有限的小型矿井的通风 网络的优化计算 。 参考文献 [ 1 ] 高飞杰， 王玉忠， 寇晓明，张居仁， 韩宏杰．优化 通风系统保证安全生产[ J ] ．煤矿安全， 2 0 0 2， 3 3 1 1 6～1 8 ． [ 2 ] 陈开岩．矿井通风系统优化理论及应用 [ M] ．中 国矿业大学 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 马兴义， 杨立群， 林敏， 龚少华．M a t l a b 6应用开 发指南[ M] ．机械工业出版社， 2 O 0 2 ， 2 9 4 - 2 9 6 ． I m p l e me n t o f v i s ua l s o ftwa r e o f v e n t i l a t i o n o p t i mi z a t i o n i n mi n e W U Lib o。 YAN Dek un， YAN Lil i S c h o o l o f I n f o r m a t i o n a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i t ， o f Mi n i n g T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a Ab s t r a c t A r e l a t i v e l y s i mp l e me t h o d o f s o f t wa r e u s e d t O o p t i mi z e mi n i n g v e n t i l a t i o n i s p u t f o r w a r d ． I t s c o r e i d e a i s c o mb i n i n g an i n d u s t r i al c o n fi g u r a t i o n s o f t wa r e a n d ma t l a b t O c o mp l e t e o p t i mi z a t i o n w i t h DDE c o mmu n i c a t i o n ．T h e c o nfi g u r a t i o n S O f t w a r e i s u s e d t o d e v e l o p hu ma nma c hi ne i nt e r f a c e a nd I O i n t e r f a c e，a nd ma t l a b t a ke s c ha r g e t h e c o mpl e x o pt i mi z a t i on c o mp ut a t i o n． Ke y wo r d s v e n t i l a t i o n o p t i mi z a t i o n，v i s u al p r o g r a m ，DDE 下接第 3 3页 作 为细粒成份排除掉。特别是 V T I 法虽原样品粒度降低可磨性逐步改善 。 3 结语 从分析得出， 一般所采用 的方法没有确定被研 磨物质的特性 ， 而仅仅是确定 了研磨机械 的破碎能 力 ， 用一种研磨方式所确定 的可磨性不可能用一个 简单的关系式转换为以另一种研磨方式所确定 的可 磨性上来 ， 因此 ， 可磨性应 当用适于在生产设备上进 行研磨 的方法来测定。 参考文献 1 ] 杨金 和， 陈 文敏， 段云龙 主编． 煤 炭化验 手册 [ M] ． 北京 煤炭工业出版社 ， 1 9 9 9 ． 维普资讯