煤礦井下局部通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)研究

趙 劍

（長治市能源工程技術(shù)中心，山西 長治 046000）

引言

為確保井下綜采面的生產(chǎn)安全，在井下設(shè)置有礦井通風(fēng)系統(tǒng)[1]，目前，我國絕大多數(shù)煤礦的礦井通風(fēng)控制系統(tǒng)自動化程度低，風(fēng)機(jī)長期處于全頻率工作狀態(tài)，造成了電力資源的極大浪費(fèi)，同時無法根據(jù)井下巷道內(nèi)瓦斯的濃度進(jìn)行風(fēng)量的實(shí)時調(diào)整，易造成瓦斯突出事故，因此建立井下礦井通風(fēng)智能控制系統(tǒng)，使通風(fēng)系統(tǒng)能夠根據(jù)瓦斯?jié)舛葘︼L(fēng)量進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，降低通風(fēng)系統(tǒng)的能源消耗，提高煤礦井下作業(yè)安全，已經(jīng)成為煤炭生產(chǎn)企業(yè)必須解決的關(guān)鍵問題。

1 礦井通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

基于模糊控制的井下礦井通風(fēng)控制系統(tǒng)，主要包括通風(fēng)機(jī)智能控制單元及變頻控制單元。礦井通風(fēng)機(jī)的智能控制單元主要用于對煤礦井下綜采面瓦斯?jié)舛鹊膶?shí)時監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測到的巷道內(nèi)的瓦斯的濃度應(yīng)用模糊算法計(jì)算出維持正常瓦斯?jié)舛人璧娘L(fēng)量，并將其轉(zhuǎn)化為變頻定值，控制井下礦井通風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻運(yùn)行，確保煤礦井下的安全生產(chǎn)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性，在該系統(tǒng)中，為確保對井下巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測的準(zhǔn)確性，在系統(tǒng)中采用了高低濃度組合的具有隔爆功能的瓦斯?jié)舛葌鞲衅?。變頻控制單元是該智能控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其調(diào)節(jié)控制信號是由通風(fēng)機(jī)智能控制單元根據(jù)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行給定。在該控制系統(tǒng)中，所選擇的變頻器除了要滿足容量和電壓、過載能力等要求外，還需要滿足隔爆要求,及當(dāng)變頻機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時，能確保風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行的要求[2]。

整個井下礦井通風(fēng)控制系統(tǒng)由逆變模塊單元、整流模塊單元、井下瓦斯?jié)舛饶：袛嗄K單元及瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯冉M成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 礦井通風(fēng)機(jī)變頻模糊調(diào)速系統(tǒng)

該智能控制系統(tǒng)在工作時，會將瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳈z測到的巷道內(nèi)的瓦斯的濃度和系統(tǒng)設(shè)定的瓦斯?jié)舛鹊陌踩颠M(jìn)行對比，最終得出瓦斯?jié)舛鹊牟钪导捌钭兓?，然后根?jù)其各自不同的計(jì)算函數(shù)得出其模糊控制變量，這兩個變量在輸入模糊控制器后，根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)或者實(shí)際測量結(jié)果得出最終的模糊變量，并對其進(jìn)行反模糊化處理，就可以得出精確的控制量。在該控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的輸入變量為瓦斯?jié)舛鹊牟钪导捌钭兓剩漭敵龅淖兞繛樽冾l控制器的調(diào)制比，然后經(jīng)瓦斯?jié)舛饶：刂破鬟M(jìn)行模糊處理后得到調(diào)節(jié)值，并將此控制值輸入到控制模塊內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對電源頻率的控制，最終體現(xiàn)為改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)量的控制。

2 模糊控制原理及模糊控制器結(jié)構(gòu)

模糊控制技術(shù)是一種非線性的智能化的控制技術(shù)，廣泛應(yīng)用于無法進(jìn)行精確描述的邏輯控制領(lǐng)域，其采用并行控制的運(yùn)行模式，極大地加強(qiáng)了對數(shù)據(jù)的處理速度，在運(yùn)行中以其單個規(guī)則的離散性，避免了個別數(shù)據(jù)的響應(yīng)誤差對全局性趨勢的影響，使整個系統(tǒng)具有極強(qiáng)的抗干擾性，與傳統(tǒng)控制理論相比其不需要建立精密的數(shù)學(xué)控制模型，其能夠?qū)⑷藗兊慕?jīng)驗(yàn)或者測量數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的控制模型，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)用過程的智能控制，與此同時模糊控制原理還具有控制結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)控制、魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)[3]。

為了將煤礦井下瓦斯?jié)舛染_轉(zhuǎn)換為變頻驅(qū)動信號，利用模糊控制原理，設(shè)計(jì)了井下瓦斯?jié)舛饶：刂破鳎浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。模糊控制器的輸入變量是煤礦井下瓦斯?jié)舛鹊牟钪导捌钭兓剩漭敵龅淖兞縈為變頻控制器的調(diào)制比，然后經(jīng)瓦斯?jié)舛饶：刂破鬟M(jìn)行模糊處理后得到調(diào)節(jié)值，并將此控制值輸入控制模塊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電源頻率的控制，最終體現(xiàn)為改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)量的控制。

圖2 瓦斯?jié)舛饶：刂破鹘Y(jié)構(gòu)

3 瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯倪x擇及布置

瓦斯?jié)舛葌鞲衅髯鳛樵摽刂葡到y(tǒng)最直接的數(shù)據(jù)信息來源，其數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到控制系統(tǒng)對通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性。因此在對濃度傳感器進(jìn)行選擇的時候，要考慮能夠適應(yīng)井下高濕、高塵的惡劣環(huán)境，選用精度高、抗干擾能力強(qiáng)的傳感器設(shè)備。傳感器設(shè)備選型后，其傳感器的布置位置及數(shù)據(jù)采集區(qū)域?qū)Σ杉瘮?shù)據(jù)的影響更大，在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)采用的瓦斯?jié)舛葌鞲衅髟O(shè)備的布置形式如圖3所示[4]。

圖3 瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞑贾眯问?/p>

在該通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)中，T1高濃度瓦斯傳感器被設(shè)置在綜采面5 m的范圍內(nèi)，T2瓦斯傳感器被設(shè)置在綜采面入口的位置，用于監(jiān)測回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r，T3瓦斯傳感器被設(shè)置在串聯(lián)工作面的進(jìn)風(fēng)流處，用于監(jiān)測串聯(lián)工作面進(jìn)風(fēng)流處瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r。傳感器設(shè)備將監(jiān)測到的瓦斯?jié)舛葦?shù)值轉(zhuǎn)換為300～1 000 Hz的信號，傳遞給模糊控制器，然后系統(tǒng)根據(jù)接受到的瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r，根據(jù)模糊控制原理計(jì)算出適宜的調(diào)制比并傳遞給變頻器，變頻器依據(jù)輸入的調(diào)制比將其轉(zhuǎn)化為輸出電流的變化，從而控制通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，改變通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的送風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)對井下瓦斯?jié)舛鹊木_控制，同時極大地降低了對電能的消耗。

4 結(jié)語

該新型的礦井通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)能夠根據(jù)井下綜采面的瓦斯?jié)舛惹闆r對井下礦井通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行智能控制，確保井下瓦斯?jié)舛仁冀K處于安全狀態(tài)，極大地降低了井下礦井通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時的能源消耗。