局部通风机智能控制系统的设计

文章主要是探讨了一种兼顾煤尘浓度和瓦斯浓度的局部通风机智能控制系统的设计，该系统能够根据工作面瓦斯和煤尘浓度的变化而进行智能控制该智能控制系统会根据爆炸性气体的浓度变化，实现连续、自动、智能、实时地对局部通风机进行调速。

关键词：局部通风机 智能系统 设计

中图分类号：TD635 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）07-0001-02

在矿井开采过程中，局部通风机是其不可或缺的的重要设施之一，其性能的可靠、稳定在很大程度上关系到煤矿生产质量和人身安全，因而，这就要求相关人员必须重视对局部通风机的设计，确保井下作业的安全、有序进行。同时，随着我国经济的飞速发展，人们对矿井安全生产提出了更高的要求，局部通风机的设计将面临着新的挑战。传统的局部通风机效率低、能耗高、可靠性低，对于存在瓦斯浓度变化以及巷道长度较长的矿井，已经很难保障井下作业的安全。而采用变频调速技术，实现局部通风机系统的智能化控制，根据外界环境的变化，调整风机的转速和风量，切实地提高井下作业的安全性已经成为井下局部通风机智能控制系统设计的发展方向。

1 局部通风机智能控制系统的组成

依据我国近年来所出台的《煤矿安全规程》，第一百二十八条的要求，对于低瓦斯矿井中的高瓦斯区、高瓦斯矿井等，除不仅仅要安置确保井下正常工作的局部通风机外，还必须配备安装同等能力的备用通风机。从而实现两台通风机工作中的互相切换，并要求取自不同的电源。因此，在日常工作中，要求工作风机运转，而备用风机则带电热备，同时监控工作风机的运行状态，确保井下作业的正常进行。

一般情况下，局部通风机智能控制系统的组成部分主要包括：防爆磁力启动器、控制模块、局部通风机、矿用隔爆变频器、煤尘浓度传感器以及瓦斯浓度传感器等。其工作原理是，事先设定好通风系统中的煤尘浓度和瓦斯浓度的值，然后使所设定的数值分别与煤尘浓度传感器和瓦斯浓度传感器所监测的值比较，得到相对应的浓度偏差，从而控制系统中发出相应的操作指令，实现对井下空气质量的控制。其中，控制模块是整个通风系统的中枢，是通风机不可或缺的重要组成部分。控制模块主要由煤尘浓度模糊控制器和瓦斯浓度模糊控制器两部分，工作过程中，控制模块将模糊控制器的输出值量化为矿用隔爆变频器允许的约0～10V的电压信，从而实现对隔爆变频器输出的控制，进而调整通风机的转速，降低井下作业空间的有害气体和粉尘浓度。以图1为通风机控制系统构。

图1中：e1表示瓦斯浓度偏差；e2表示煤尘浓度偏差；de1/dt表示瓦斯浓度偏差变化率；de2/dt表示煤尘浓度偏差变化率。

2 局部通风机只能控制系统的控制结构

2.1 手动控制

手动控制结构是通过所显示的外部环境数据，并由人机面板向PLC发送运行指令，从而系统模拟出相应的频率值，PLC再将该频率值送入到变频器中，进而实现对电动机运行的控制，一般情况下，该功能往往是在调试过程中使用的。如图2为手动控制系统结构。

2.2 风量调节控制系统

在工作过程中，根据外部环境气体的变化，PLC先由无风量传感器算出当前通风机所输出的风量，然后使该计算值与人机面板给定的风量值进行比较，再将所得出的差值送往PI控制器，在PI控制器计算出运行频率，最后将运算结果送给变频器。当矿井下风道特性发生变化时，PLC会根据上述原理第一时间算出风机的输出风量，然后，监控程序根据变化的大小和方向自动调节变频器的频率，最终使得输出风量保持恒定，确保井下作业人员的生命安全。如下图3为风量控制系统结构。

2.3 自动排放瓦斯控制

由于井下作业条件恶劣，粉尘较多，湿度变化大，环境复杂，因而容易造成通风机风速传感器故障，为井下作业人员埋下安全隐患，不利于矿井的安全生产，因此，在局部通风机智能控制系统设计中通过算法实现的自动瓦斯控制设计的意义重大。自动排放瓦斯控制，首先是根据井下安全作业标准，在人机面板里预先设置好系统的控制曲线，根据所设定的控制曲线PLC通过判断瓦斯浓度传感器所测的值并计算出当前所需的运行频率，然后将该频率送往变频器，实现自动排放瓦斯的功能。如图4为自动排放瓦斯控制系统结构。

3 模糊PID控制器的设计

3.1 模糊PID控制原理与结构

在模糊PID控制器的设计中，往往是根据系统的控制要求和实际情况，并采用二维模糊PID控制器对局部通风机进行控制，由于模糊PID控制器具有参数自整定功能，能够自动实现对PID参数的调整，使之处于最佳值，最终确保通风机处于最优化的运行模式。PID参数模糊自整定的原理是通过找出PID中ki、kp以及kd这3个参数、误差变化率EC以及误差E之间的模糊关系，同时，在运行中模糊PID控制器不断检测E和EC值，然后进行在线修改，以从而使之满足不同E和EC对控制参数的实时要求，确保整个被控对象性能稳定，并具有良好的互动。

3.2 瓦斯与煤尘的关系

根据我国《煤炭安全规程》的规定，井下作业的瓦斯浓度与煤尘爆炸下限浓度有一定关系，因此，在矿产开采过程中要求相关人员在设计局部通风机智能控制系统时，必须充分考虑到该关系，进行最优化设计。如果在工作中检测到瓦斯浓度突然升高时，根据瓦斯浓度模糊控制器的要求，通风机的转速会升高，确保井下作业的安全。同时，随着通风机风速的增大，将会使得煤尘爆炸的下限浓度降低，糊控制器又会通过相关指令使通风机转速又要降低。如下表1所示为瓦斯浓度与煤尘爆炸下限浓度关系。

3.3 模糊控制器的算法设计

在模糊控制器的算法设计中，必须依据模糊PID的控制原理，并设计瓦斯浓度和煤尘浓度模糊PID控制器。设计步骤如下：（1）确立输入、输出变量，并对系统进行相关智能分析，将PID控制器的kp、ki、kd这三个参数作为输出变量，将误差E和误差变化率EC作为模糊控制器的输入变量；（2）对相关输入、输出变量的模糊语言描述；（3）制定模糊控制规则。在模糊控制器设计中要求相关设计人员结合理论知识与实际操作经验，从而建立相应的模糊规则表，即制定kp、ki、kd三类参数的整定模糊控制表，从而最终为局部通风机智能控制系统的设计提供可靠的参数依据。

参考文献

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