煤礦主通風機的智能化控制研究

竇 亮

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602）

1 主通風機智能化控制關鍵技術

要實現對轉速的智能控制，需要選擇合適的變頻器進行控制，同時需要選擇合適的瓦斯傳感器對井下瓦斯濃度進行實時監測，另外還需要采用PLC作為系統的控制核心。

1.1 變頻器的選擇

本文選用ABB公司的ACS800系列變頻器。該型變頻器的核心控制技術是直接轉矩控制（DTC），其主控板的運算速度快，對轉矩和速度的控制精度高，其靜態精度可達0.01%。由于采用DTC控制方式，ACS800能夠精確地控制轉矩輸出，在電機啟動時提供穩定的最大起動轉矩。最大的起動轉矩可以達到電機額定轉矩的2倍。即使供電線路系統發生意外導致供電中斷，該型變頻器能夠利用斷電后仍然在旋轉的電機的動能發電，自我提供短時電源繼續運行[1]。

1.2 PLC的選擇

PLC的選型具有一定的原則。在PLC主體結構的選擇時，要考慮PLC的應用場合條件以及生產工藝的復雜程度。根據需要本文選擇西門子的S7-200 PLC系列中的CPU224型主機，該型PLC可靠性高、設計緊湊、內置集成功能和指令集豐富、可擴展性好，其擴展I/O模塊有EM232（輸出擴展模塊）和EM235（混合式擴展模塊）。

根據系統所要實現的功能，基本的PLC輸入/輸出信號如表1所示。

S7-200系列CPU224型主機有14個輸入接口和10個輸出接口。同時，為了滿足本系統3路模擬輸入和1路模擬輸出的需要，需要增加一個外部I/O擴展模塊EM235，該模塊具有4個模擬量輸入接口和和模擬量輸出接口。選擇好PLC模塊后，需對各模塊進行I/O編址。CPU224主機和EM235擴展模塊I/O編址及相對應的信號如表2所示[2]。

表1 PLC基本輸入輸出信號

表2 PCU224和EM 235 I/O編址

1.3 瓦斯傳感器的選擇

為保證煤礦井下瓦斯濃度測量的準確性，本文選擇GJC4（B）型低濃度瓦斯傳感器，直接將GJC4（B）型傳感器傳回的1～5mA直流信號直接接到EM235模擬輸入口，無需再設計電流轉換電壓信號電路。根據相關操作規程的要求，瓦斯傳感器應當放置在掘進工作面附近、掘進巷道回風流中及回風巷等處。

2 主通風機智能化控制設計

2.1 主程序設計

本文通過S7-200型PLC實現采用模糊控制器實現對主通風的智能控制，除包含對通風機的智能控制外，還應包含自控排瓦斯功能，手/自動切換功能，瓦斯超限（報警值）報警功能，瓦斯超限斷電功能等。本系統PLC程序采用模塊化設計，由主程序模塊、子程序模塊和中斷程序模塊構成，程序執行時通過在主程序中調用子程序和中斷程序完成相關控制功能和任務。子程序模塊包含初始化子程序1、EM235模塊檢查子程序2、瓦斯濃度T1采樣子程序3、瓦斯濃度T2采樣子程序4、瓦斯濃度T3采樣子程序5。中斷程序模塊只包含輸出電壓模糊控制表查詢定時中斷程序1[3-4]。

主程序主要完成各子程序的調用，相關參數的設置，瓦斯濃度過高報警，瓦斯濃度超限斷電，以及風機手/自動運行的切換，如圖1所示。

主程序運行時首先判別風機是自動變頻還是手動變頻運行，若都不是則工頻運行。若是自動變頻運行，則通過首次掃描為ON的初始化脈沖SM0.1調用子程序1進行初始化，通過常ON的SM0.0調用子程序2檢測EM235模塊是否連接有誤。有誤則主程序結束，無誤則直接調用3個瓦斯濃度采樣子程序2、3和4，獲取實時的瓦斯濃度值T1、T2和T3，以供中斷程序1進行模糊控制查表使用。本設計中斷控制時間為500ms，即每500ms系統更新一次輸出。最后判別瓦斯濃度是否達到斷電值，若達到則系統斷電，主程序結束。若正常再判別是否達到報警值，若達到則聲光報警再輸出變頻器控制電壓，若正常，則直接輸出變頻器控制電壓，主程序結束。

圖1 主程序流程圖

2.2 智能模糊控制器設計

本文采用二維模糊控制器，即將瓦斯濃度偏差E及偏差的變化Ec作為模糊控制器的輸入，變頻器控制電壓U作為輸出。

2.2.1 模糊語言描述

系統自動運行在自控通風模式下，瓦斯濃度越高，要求風機出風量越大，變頻器輸出頻率越高，即變頻器控制電壓越高。

設瓦斯濃度偏差E的模糊論域為{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，模糊語言值集合為{NB，NS，ZE，PS，PB}，語言值描述集合為{負大，負小，零正小，正大}。瓦斯濃度偏差變化Ec取前后兩個采樣時刻瓦斯偏差的差值，即 Ec=E（t）-E（t-1）。設 Ec的模糊論域為{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，模糊語言值集合為 {NB，NS，ZE，PS，PB}，語言值描述集合為{負大，負小，零正小，正大}。變頻器控制電壓U的模糊論域 {0，1，2，3，4，5，6，7，8}，模糊語言值集合為{SL，MS，MD，MB，BG}，語言值描述集合為{小，中小，中，中大，大}。輸出變頻器控制電壓U的隸屬度函數則采用常用的等腰三角隸屬度函數，如圖2所示。

由隸屬度函數，可得到各語言值的隸屬度賦值表，如下頁表3和表4所示[5]。

2.2.2 模糊控制規則

根據現場操作經驗，瓦斯濃度信號由T1和T2（取大者）提供，瓦斯濃度與輸出頻率成正比關系。如果瓦斯偏差負向相差很大（即負大），偏差變化為正大，就說明現場瓦斯濃度過高，超出給定值很多，而且正在快速升高。此時，應使風機出風量很大，以及時帶走掘進工作面上涌出的瓦斯，即輸出變頻器電壓要很高。此條控制規則簡述為：

圖2 U的隸屬度函數

If偏差負大且偏差變化正大，then變頻器控制電壓變大。

表3 E c和自控通風模式E的隸屬度賦值表

表4 U的隸屬度賦值表

得出自控通風模式下其他情況的控制規則，如表5所示。

2.2.3 模糊控制查詢表

由各變量語言值的隸屬度表和控制規則表，建立模糊控制查詢表，如表6所示。

在實際運行時，事先將輸出模糊控制查詢表錄入PLC存儲單元中，運行過程中的控制算法就變成了簡單的查表法。根據傳感器反饋的信號，經過必要的處理，獲取偏差和偏差變化的取值，進而從查詢表中找到相應的輸出值，再經過相應的處理（乘以比例因子），作為變頻器的控制電壓由EM235的模擬輸出口輸出，從而控制變頻器輸出頻率，調節風機風量，達到瓦斯調節的目的[6]。

3 結語

采用模糊控制算法實現對煤礦主通風機的智能化控制，主通風機智能控制系統能夠根據井下瓦斯濃度的變化實時地調節風機風速，從而保證煤礦井下的生產安全，同時也能夠實現節能目的。

表5 自控通風模糊控制規則表

表6 自控通風模式輸出模糊控制查詢表