煤礦局部通風機轉速控制方案設計

馬海峰

（山西宏宇誠鑄建設工程有限公司，山西 朔州 038300）

目前，煤礦井下局部通風機存在的問題主要有[1-2]： ①無法根據瓦斯?jié)舛茸赃m應調整風速、風量，出現“一風吹”的現象。②當瓦斯?jié)舛冉档椭涟踩秶畠葧r，局部通風機仍然正常工作，電能浪費現象嚴重。③當瓦斯?jié)舛韧蝗辉黾訒r，局部通風機的風速、風量達不到稀釋瓦斯?jié)舛鹊囊?，存在較大的安全隱患。④局部通風機正常工作時，經常出現“大馬拉小車”的現象，長期處于工頻運行狀態(tài)。因此，研究煤礦井下局部通風機控制系統具有重要的意義，如日本三井三池公司研制了對旋式、無聲對旋式局部通風機，功率為2×5.5-2×110 kW，在調速、降噪方面效果明顯。英國的Keith Blackman公司研發(fā)了離心式葉輪和軸向導流筒型局部通風機，具有壽命長、 調速范圍廣的特點。德國的Korfman 公司研制的對旋高壓軸流通風機，可自動調節(jié)轉速，并可為多個工作面同時供風。本文研究通風機轉矩自適應調節(jié)方案，使得局部通風機的風速、風量可根據巷道內瓦斯?jié)舛冗M行調節(jié)，達到節(jié)能減排、保證煤礦安全生產的目的。

1 基本原理

煤礦局部通風機轉速控制采用模糊預測控制（Model Predictive Control,MPC）方法實現，解決傳統PID 控制方法缺乏變量間耦合、控制性能不高、無法適應復雜多變量高緯度系統、 處理數據能力不強的問題。模糊預測控制有三條基本原理[3-4]：①預測模型，即需為被控對象建立數學預測模型，反映輸入、輸出變量的線性、非線性關系，同時還需反映系統參數分布狀態(tài)。②滾動優(yōu)化，即用一個指標對系統的動態(tài)特性進行衡量，如系統輸出、期望輸出方差等，該過程是一種在線優(yōu)化過程，與指標的采樣時刻密切相關。③反饋校正，即建立反饋機制，對輸出變量進行在線、動態(tài)修正，避免模型失配、外界擾動干擾等，達到輸出最優(yōu)。

2 系統設計

基于模糊預測控制設計煤礦井下局部通風機控制系統，系統框圖如圖1所示，輸入量為瓦斯?jié)舛冉o定值與瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯牟钪担浲咚節(jié)舛饶：袛嗄K后輸入值控制器模塊進行邏輯控制。局部通風機采用變頻控制模式，即由變頻控制單元與控制模塊進行交互并完成變頻控制?？刂破髂K還需處理故障檢測模塊數據并進行故障判斷、故障預警、故障報警?？刂破髂K指令經變頻控制單元后直接作用與局部通風機電機，實現局部通風機電機轉速根據工作面瓦斯?jié)舛葎討B(tài)調節(jié)。當瓦斯?jié)舛容^高時，增加風機轉速，加大排風量，在短時間內稀釋瓦斯?jié)舛龋?當瓦斯?jié)舛容^低時，降低風機轉速，減小排風量，避免出現“大馬拉小車”的情況[5]。瓦斯?jié)舛葌鞲衅靼惭b于工作面指定位置，取多個瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯乃阈g平均值作為工作面瓦斯?jié)舛鹊姆答佒挡⑴c模糊控制。

圖1 煤礦局部通風機轉速模糊預測控制系統框圖

3 系統實現

按照圖1所示煤礦局部通風機轉速模糊預測控制系統搭建并設計硬件系統原理圖，用到的核心元器件主要有STM32 系列微控制器、 變頻器、瓦斯傳感器、CAN 總線隔離 器、DC24V/DC5V 電源、模擬量隔離柵等。按照各元器件電氣外接特性進行線路設計。

煤礦局部通風機轉速控制方案軟件設計基于Keil ARM 平臺實現，按照實現的功能進行模塊劃分，以模塊為單位進行編程。模塊之間以模塊接口函數形式進行模塊間的數據交互[6]。局部通風機轉矩控制方案軟件總體流程如圖2所示。

當局部通風電機變頻運行時，需根據瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞣答佒底赃m應調節(jié)通風機轉速，使得轉速與瓦斯?jié)舛茸赃m應匹配，避免“一風吹”、“大馬拉小車”現象。煤礦局部通風機模糊預測控制算法軟件實現流程如圖3所示，量化因子KE、KEC、KU需提前保存至保持寄存器，當系統采樣周期到時，將量化因子E 和EC 分別存入D0、D1 寄存器[7-8]。當E 或者EC 超限時，需停止系統工作并顯示瓦斯?jié)舛瘸舷迗缶駝t完成輸入變量量化、模糊論域元素存儲、 查詢模糊控制表以及輸出控制變量過程。

圖3 煤礦局部通風機轉速模糊預測控制算法流程

4 應用分析

為驗證設計并實現的煤礦局部通風轉速控制方案的應用性能，在馬道坡煤業(yè)3301 掘進工作面進行為期6 個月的工業(yè)試驗，試驗起始時間為2020年06月至2020年12月。在該掘進巷道內分別安裝T1、T2 以及T3 瓦斯?jié)舛葌鞲衅?，其中T1瓦斯?jié)舛葌鞲衅靼惭b于工作面迎頭處、T2 安裝在工作面回風流處、T3 安裝在回風巷混合風流處。T1、T2 以及T3 瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯膱缶瘽舛?、斷電濃度、復電濃度如?所示。煤礦局部通風機轉速模糊預測控制系統按照表1進行通風機轉速控制，掘進巷道內的風速可調節(jié)范圍為0.25～4 m/s。

表1 瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲌缶瘽舛?、斷電濃度和復電濃?/p>

工業(yè)試驗期間，對瓦斯?jié)舛葌鞲衅鱐1/T2 值、T3 值、局部通風機運行狀態(tài)以及變頻器頻率輸出值進行統計，如表2所示[9]。采用文中提出模糊預測控制算法能夠有效完成正常通風、 瓦斯超限排放工作，達到安全生產、節(jié)能減排的目的。

表2 煤礦局部通風機工作時關鍵參數及閾值

5 結語

在分析模糊預測控制基本原理的基礎上，設計并實現了煤礦井下局部通風機轉速控制系統，完成系統框架設計和軟硬件實現。該系統能夠根據工作面瓦斯?jié)舛鹊膶嶋H情況進行風速、 風量自適應調節(jié)，提升煤礦井下局部通風系統的自動化水平，達到了安全生產、節(jié)約電能的目的。