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第 41 卷 第 8 期 2020 年 8 月 自 动 化 仪 表 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol. 41 No. 8 Aug. 2020 收稿日期2019-11-18 基金项目新疆维吾尔自治区科技厅科技支疆计划基金资助项目 2019E0234 作者简介朱培祥1966,男,学士,工程师,主要从事煤矿通风安全及设备制造技术方向的研究,E-mail954994968 qq. com; 龚柏宇通信作者,男,学士,工程师,主要从事电气自动控制方向的研究,E-mail236759045 qq. com 应用模糊控制的煤矿通风机节能控制装置研制 朱培祥1,龚柏宇2,李 海3,陈志峰4,郭 辉5 1. 乌鲁木齐瑞安特自动化设备有限公司,新疆 乌鲁木齐 830091;2. 新疆金川集团塔什店煤矿,新疆 库尔勒 841000; 3. 新疆金川集团金川煤矿,新疆 库尔勒 841000; 4. 新疆工程学院安全学院,新疆 乌鲁木齐 830091; 5. 新疆工程学院控制学院,新疆 乌鲁木齐 830091 摘 要 针对掘进工作面瓦斯突涌通风量滞后,掘进前期通风机电能效率低、风量大、煤尘严重,以及瓦斯排放“一风吹”问题,课题组 研究了瓦斯浓度等变量与通风量的关系,设计了风量闭环和瓦斯闭环两个控制闭环。 风量闭环采用定值闭环模糊控制方式,能够在 低瓦斯浓度下优化通风量,解决了掘进初期风量过大,且随着掘进距离延长通风量变化问题。 瓦斯闭环采用随动闭环模糊控制方式, 解决因瓦斯变化;系统及时调整风量、稀释瓦斯,以防止瓦斯超限和瓦斯排放问题。 对温度、CO2、粉尘浓度设计为通风量的开环控制, 对风量实施限定性控制。 采用变结构的模糊控制控制算法,用微控制器对输入变量进行分析运算,优化通风量,在符合煤矿安全规 程条件下,对局部通风机进行变频节能控制,并进行风量调速控制。 该装置可及时调节巷道有害气体浓度,减少了电能浪费,改善了 煤矿掘进工人的工作环境。 关键词 变频器; 模糊控制; 节能控制; 瓦斯 ;温度; 一氧化碳 中图分类号 TH86 文献标志码 A DOI10. 16086/ j. cnki. issn1000-0380. 2019110001 Development of Energy Saving Control Device for Coal Mine Ventilator with Fuzzy Control ZHU Peixiang1,GONG Boyu2,LI Hai3,CHEN Zhifeng4,GUO Hui5 1. Urumqi Ryant Automation Equipment Co.,Ltd.,Urumqi 830091,China;2. Xinjiang Jinchuan Group Tash Shop Coal Mine,Kurle 841000,China; 3. Xinjiang Jinchuan Group Jinchuan Coal Mine,Kurle 841000,China;4. Security College,Xinjiang Engineering College,Urumqi 830091,China; 5. School of Control,Xinjiang Institute of Engineering,Urumqi 830091,China Abstract In the coal mine,the quantity of ventilation might not catch up the gas inrush in driving face. The mechanical and electrical energy efficiency of ventilation is lower,the air volume is larger,coal dust is seriously much and air volume is unnecessarily constant in the early stage of driving. The research group studied the relationship between variables of gas concentration and ventilation volume,and designed two closed-loop control loops of air volume closed-loop and gas closed-loop. The air volume closed-loop adopts the fixed value closed-loop fuzzy control mode. This resolves the problem that under low gas concentration,the air ventilation volume is optimized to solve the problem that the air volume is too large at the initial stage of driving. And the ventilation volume changes with the extension of driving distance. The gas closed-loop adopts the follow-up closed-loop fuzzy control mode to solve the problem of timely adjusting the air volume and diluting the gas due to the gas change, so as to prevent the gas overrun and gas emission. The temperature,carbon dioxide and dust concentration are designed as the open-loop control of ventilation volume,and the air volume is limited. The variable structure fuzzy control algorithm is adopted, and the variables are analyzed and calculated by the microcontroller. The ventilation volume is optimized,and the frequency conversion energy-saving control and air volume speed regulation control are carried out for the local ventilator under the condition of satisfying the coal mine safety regulations. The device can adjust the concentration of harmful gas in time. The electric energy waste is reduced,and the working environment of coal miners is improved. Keywords Frequency converter; Fuzzy control; Energy saving control; Gas; Temperature; CO 自 动 化 仪 表第 41 卷 0 引言 随着我国煤矿机械化程度的提高,吨煤电费占吨 煤成本的 30以上。 局部通风机的通风量是根据计 算的瓦斯最大涌出量、巷道最大长度最大风阻、最 大掘进工人数等因素确定的。 通风机功率选型偏大, 会造成较大的电能浪费。 掘进前期风阻小,由于通风 机全速运行,通风量过大,会造成煤尘飞扬、噪声严重, 不仅给一线工人生产、身体健康造成危害,还会因煤尘 浓度超标而增加粉尘爆炸的危险性。 目前,采用在通风道上安装机械风挡等方法,强制 降低风流量强度,电能浪费大。 有些煤矿在不同的掘进 阶段采用不同功率的通风机,但增大了投资成本。 有的 矿井采用变频器人工调速的方法降低风量,但这样不仅 增大了工人的工作量,而且对于瓦斯突然涌出发生的变 化,如风量不能得到及时调整会造成瓦斯超标[1]。 在巷道瓦斯超标的情况下,要进行瓦斯排放工 作。 如通风机全速运行,会造成瓦斯排放“一风吹”, 使巷道上隅角瓦斯聚集,瓦斯局部超标。 目前,我国煤矿设备的信息化、智能化水平落后于 其他行业。 随着国家互联网战略的实施,提高我国 煤矿设备的信息化、智能化水平是摆在工程技术人员 面前的重要任务。 1 节能控制装置设计 1. 1 变结构模糊控制算法设计 局部通风机的通风量与掘进巷道风阻及瓦斯浓 度、一氧化碳CO气体浓度、温度等因素有关。 在掘 进过程中,通风量应该随着掘进巷道风阻及瓦斯浓度、 CO 气体浓度、温度的变化作及时调整,以达到优化通 风量、节约电能的目的。 经过煤矿现场长期调研及测 试分析,掘进巷道风阻及瓦斯浓度变化的不确定性是 通风量动态优化的主要制约因素,温度和 CO 相对稳 定是通风量动态优化的次要制约因素[2]。 由于多维模 糊控制复杂程度较大,所以采用相对简单的变结构模 糊控制算法解决多变量对通风量控制优化问题。 变结 构模糊控制结构如图 1 所示。 图 1 变结构模糊控制结构图 Fig. 1 Variable structure fuzzy control structure diagram 由图 1 可知,变结构模糊控制采用一个风量模糊 控制闭环、一个瓦斯模糊控制闭环和一个温度、CO 阀 值控制模块,对通风量进行选择性输出,从而对驱动单 元实施阶段控制。 瓦斯模糊控制分析如下。 为了节约电量,当掘进 工作面瓦斯浓度在 01. 0变化时,局部通风机的输 出风量应与瓦斯浓度作相应改变[3]。 瓦斯浓度偏差的 量化论域设为 X{0, 2, 4,6,8,10},对应瓦斯浓度偏 差。 模糊论域分为 H{NE, PS,PM,PB,PV},其变量 按经验分别表述为瓦斯浓度“无偏差”、“偏差小”、“偏 差中”、“偏差较高”、“瓦偏差很高”。 瓦斯浓度偏差隶 属函数如图 2 所示。 图 2 瓦斯浓度偏差隶属函数图 Fig. 2 Membership function diagram of gas concentration deviation 瓦斯浓度偏差变化率量化论域为 Y {-6,-3,0, 3, 6}。 模糊论域分为 EC{NB,NS,ZE,PS,PB}。 按 工作经验,瓦斯浓度分别表述为“下降很快”、“下 降”、“正常”、“上升”、“上升很快”。 瓦斯浓度偏差变 化率隶属函数如图 3 所示。 图 3 瓦斯浓度偏差变化率隶属函数图 Fig. 3 Membership function diagram of variation rate of gas concentration deviation 瓦斯模糊控制输出的量化论域为 G{0,2,4, 6, 8,10}。 同时,将其模糊论域均划分为 U{A,B,C,D, E}。 按工作经验,瓦斯控制输出分别表述为“低”、“较 低”、“中”、“较大”、“最大”。 输出量模糊集合隶属函 88 第 8 期 应用模糊控制的煤矿通风机节能控制装置研制 朱培祥,等 数如图 4 示。 图 4 输出量模糊集合隶属函数图 Fig. 4 Membership function of output fuzzy set 由使用通风机的工作经验,可以得到瓦斯模糊控 制论域 U 规则表,如表 1 所示。 表 1 瓦斯模糊控制规则表 Tab. 1 Gas fuzzy control rule table UNBNSZEPSPB PVBBAAA PBCCBBB PMDDCCC PSEDDDD ZEEEEED 借助 MATLAB 模糊分析软件计算,后经数据圆 整,得出瓦斯模糊控制表,如表 2 所示。 表 2 瓦斯模糊控制表 Tab. 2 Gas fuzzy control table K -1 0123 77777775026 6102102777750 512812810210277 4154154128128102 3180180154154128 2205205205180154 1230230205180180 0255255230230230 对风量模糊控制模块、瓦斯模糊控制模块及温度、 CO 模块的输出量进行比较,选择最大输出量作为变频 器的控制量。 1. 2 硬件设计 控制装置由微处理器 PIC18F458、频率 / 电压 frequency/ voltage, F/ V 转 换 单 元、 数 字 / 模 拟 digital analog,D/ A转换单元、电压 / 电流voltage/ current,U/ I 放 大 转 换 单 元、 RS-232 串 口 通 信 单 元、I/ O 报警控制单元、CAN 通信驱动 MCP2551 单 元、LCD 显示电路组成。 装置以 PIC18F458 单片机 为控制核心,由传感器检测出掘进工作面的瓦斯、 风量、温度、CO 等参数,井下传感器一般输出 200 1 000 Hz 数字信号;经过 F/ V 转换、信号调理输入 PIC18F458 微处理 器。 通 过模 糊 控 制 信 息 处 理, PIC18F458 输出数字信号;信号经过 D/ A 转换和 U/ I 转换,输出 4 20 mA 电流信号;驱动变频器变 频输出,改变通风机风量 [4],达到节能的目的。 硬 件电路结构如图 5 所示。 图 5 硬件电路结构示意图 Fig. 5 Schematic diagram of hardware circuit structure LCD 触摸屏就地显示瓦斯气体浓度、掘进巷道通 风量、巷道温度、CO 及报警信息,由 PIC18F458 的 CAN 模块输出通信信号,由放大器 MCP2551 驱动和上 位机进行远距离信号传输。 1. 3 软件设计 软件由 C语言编写,软件系统包括系统初始化 程序、LCD 显示控制子程序、数字滤波子程序[5]、串行 D/ A 转换子程序、瓦斯数据采集子程序[6]、风量数据 采集子程序、A/ D 转换子程序[7]、电机软启动子程序、 模糊控制子程序[8]、节能控制子程序、瓦斯排放子程 序、RS-232 串行通信子程序、CAN 现场总线通信子程 序。 控制软件顺序为数据采集、数字滤波、模糊控制、 瓦斯/ 风量判断、瓦斯比较输出、D/ A 转换、输出控制 及显示。 节能控制程序流程如图 6 所示。 图 6 节能控制程序流程图 Fig. 6 Flowchart of energy saving control program 1. 4 局部通风机调速节能分析 通风机的风压 H-风量 Q 特性曲线如图 7 所示。 98 自 动 化 仪 表第 41 卷 图 7 通风机 H-Q 特性曲线 Fig. 7 H-Q characteristic curves of ventilator 采用变频调速,局部通风机转速由 n1下降到 n2。 这时,工作点由 A 移动到 C 点,压力由 H1点移动到 H3 点。 变频器调速后所需要的功率正比于 H3与 Q2的乘 积,由图 7 可见,功率是明显减少的。 由流体力学和风 机定律,可知风量、转数和轴功率的关系[9]。 风量 Q 与转数 n 的一次方成正比 Q2 Q1 n2 n1 1 风压 H 与转数 n 的平方成正比 H2 H1 n2 n1 2 2 轴功率 P 与转速 n 的三次方成正比 P2 P1 n2 n1 3 3 当降低局部通风机转速时,消耗功率的立方下降 PX P 0 fx f0 3 4 由式4可知,转速下降,功率下降得很快。 2 测试及分析 新疆煤矿矿用安全产品检验中心对该装置进行了 试验测试。 试验依据煤矿安全规程、MT/ T 1071- 2008煤矿在用主通风机装置节能监测规范和判定方 法、AQ 1011-2005煤矿在用主通风机系统安全检测 检验规范、MT/ T 1107-2011煤矿局部通风机自动调 速装置 MT 222-1996煤矿用局部通风机 MT 222- 2007煤矿用局部通风机技术条件进行。 从试验数据可以看出,当输入瓦斯浓度为 0. 2 1. 1时,在模糊控制闭环中,控制装置驱动变频器输 出频率线性增加,异步电机的输入有功功率也同步增 加。 由此可知,该装置实现了瓦斯浓度对通风机风量 的自动控制,达到自动控制速度和节能的目的。 所得试验结果如表 3 所示。 表 3 试验结果 Tab. 3 Test results 序号频率/ Hz有功功率/ kW功率因数 cosΦ瓦斯浓度/ 149. 112. 000. 9931. 1 248. 811. 100. 9911. 0 344. 110. 200. 9910. 9 439. 49. 760. 9900. 8 534. 68. 240. 9870. 7 629. 77. 420. 9650. 6 724. 75. 890. 8920. 5 819. 75. 430. 7990. 4 914. 84. 180. 7020. 3 1014. 73. 650. 6800. 2 3 结论 控制装置的研制提高了煤矿安全生产程度以及煤 矿自动化水平。 在掘进工作面的瓦斯浓度不超标时, 控制装置可以根据瓦斯浓度自动调节风量,实现节能 通风、减少电能浪费。 控制装置具有风电闭锁、瓦斯电 闭锁、双电源/ 双风机自动切换、瓦斯排放过程中自动 减风量、软启动局部通风机和 CAN 现场总线数据远传 等功能。 这些功能不仅降低了煤矿局部通风机噪声, 也改善了工人生产劳动环境。 参考文献 [1] 徐鹏. 煤矿供电系统现存问题分析与解决对策研究[J]. 机电工 程技术,2018673-75. 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