矿井局部通风机变频控制系统的设计研究

常新明，陈国栋，李 相，孙 伟

(河南能源化工集团 永煤公司车集煤矿，河南 永城 476600)

局部通风机是矿井保障安全生产的关键性设备，通过局部通风机实现内外空气的交换，降低掘进工作面瓦斯浓度。局部通风机对掘进工作面安全生产有着直接的关系，除了可以稀释瓦斯浓度，还可以对一线作业人员的工作面进行降温，以保障职业健康安全。通常局部通风机是按照不变的转速进行新鲜空气的输送，当瓦斯浓度降至安全范围内，仍然以相同的转速进行通风，无法满足节约能源的要求，对于煤矿企业也不具有经济性。为了提高局部通风机智能化水平，使得转速能够根据瓦斯浓度进行实时的调整，降低工作能耗，设计了局部通风机变频调速控制系统，解决目前局部通风机运行效率过低、日常管理不善、智能化水平落后、运行效率较低的问题[1]。通风机的变频调速控制系统将实现电机的无级调速，能够根据瓦斯浓度变换转速。利用变频器自身的本质安全功能，完善了调速控制系统的设计功能。掘进工作面对于新鲜空气的通风量也将根据变频调速控制系统进行调节，最大化地利用转动风机的运行功率，可以节省耗电费用。

1 掘进工作面局部通风的设计

1.1 局部通风工作方式

矿井所采用的通风系统分为主通风系统的局部通风系统。由于矿井内工作巷道错综复杂，仅采用主通风系统无法达到良好的效果。需要在延伸出的狭小巷道内布置局部通风系统，使得在该处工作的一线作业人员呼吸到新鲜空气。局部通风系统根据气体的流向，可以分为压入式、抽出式和混合式3种通风模式[2]。其中，压入式通风有效辐射范围较广，对于通风管材质选择更加广泛，但是对于气体污染的问题无法有效解决。抽出式通风的效果较差，必须选用刚性通风管，受到了管材的限制，在实际应用中具有较大的局限性。以混合式通风为研究对象，该类通风方法集合了压入式和抽出式通风的优点，具有较广泛的适用性[3]。以混合式局部通风方法中的长抽长压式通风方式为调速控制系统的设计对象，如图1所示。

图1 长抽长压式通风方式示意Fig.1 Schematic diagram of long-draw and long-pressure ventilation

1.2 掘进工作面设备布置情况

局部通风装置与其余的瓦斯传感器、防爆传感器等装置联合组成了掘进工作面的安全体系。各类设备在掘进工作面按照一定的距离合理布置有效的监测瓦斯浓度的数据，并在瓦斯浓度超过限值后进行排除。调速控制系统的研发，需要根据局部通风机在掘进工作面布置方式及位置进行设计。局部通风机和相关传感器的布置方式如图2所示。由图2可知，T1、T2、T3为布置于掘进工作面的瓦斯传感器，在工作巷道的迎风处对瓦斯浓度进行检测。K为局部通风系统，D为局部通风系统的通风管道，F为风速传感器，能够为局部通风系统提供风速的数据。

图2 掘进工作面局部通风机布置Fig.2 Schematic diagram of local ventilator layout in fully-mechanized mining face

1.3 局部通风系统的调速方式

局部通风系统要达到降低能耗的目的，主要通过3个方式：①减少通风机的运行时间；②提高通风电机与其他传感器联动的工作效率；③降低掘进工作面的粉尘[4]。但是由于生产不能停运，通过方式①降低能耗不现实。因此，应当通过控制流过掘进工作面的风量与风压来降低局部通风机的能源消耗。调速控制系统应当依据电动机频率、极对数、转差率3个因素实现变频调速，节能效果可达60%。可以得出，减小通风量和降低转速是调速控制系统按照瓦斯浓度调节供应风量的方式。

2 调速控制系统设计方案

2.1 系统平台技术指标

调速控制信息系统的技术指标主要分为基本参数和环境条件。调速控制的硬件系统额定输入电压为600 V、输出功率为3 000 W、控制方式为变频结合模糊的控制方法，额定输入频率与输出频率范围分别为50 Hz±2%和0～50 Hz[5]，以上数据组成基本参数指标。环境条件包括使用场所、环境温度和环境湿度。使用场所定义为瓦斯气体环境，并且其余非绝缘体材料没有被破坏。环境温度最高为40 ℃，该温度为1个工作日内各个时刻的平均温度，环境湿度不得大于98%[6]。

2.2 变频调速模糊控制器设计方案

变频调速控制系统是一套独立的控制系统。摒弃传统的以PLC作为中央处理器的工业系统，将采用TMS320F28335型DSP处理器代替传统的工业处理器实现模糊算法在工业系统中的应用[7]。DSP处理器将同时处理局部通风机和风速传感器的数据信号，同时配备2套供电系统，实现双路控制，防止由于供电系统故障导致整机的停机，提高控制系统的安全可靠性。变频调速控制系统的设计方案如图3所示。

图3 变频调速控制系统设计方案Fig.3 Design scheme of frequency conversion speed regulation control system

由图3可知，调试控制系统，实现了双机切换，可根据手动工作模式和自动模工作模式的操作优势进行切换。通风电机的速率降低时，瓦斯传感器的检测灵敏性将增加，由原有的输出频率50 Hz增大为120 Hz，持续检测时间增加1倍。为了防止通风速率降低后而出现的瓦斯浓度检测不灵敏的情况发生，整体系统的算法以模糊算法为核心策略，除了选取适宜的硬件设备外，掘进工作面的通风机和传感器空间布置方式要符合地质条件瓦斯扩散的规律。尤其当瓦斯浓度超过浓度阈值时，要快速对各模糊控制器进行模糊运算，根据浓度大小调整转动风机的风量。变频调速控制器还要根据掘进工作面内的温度、湿度以及风速进行实时的调节。

3 调速控制系统的模糊控制设计

3.1 模糊控制设计框架

采用PID模糊控制实现控制器的快速响应，比传统的二维控制器在算法速度方面更加优异。根据控制系统考虑的4个因素:瓦斯浓度、风向速度、工作面温度、掘进深度，将上述4个物理因素转变为数字信号，使得控制系统能够识别。其中瓦斯浓度和风向速度对于控制的精确性有着较大的影响，并且4个因素根据时间的变化，在不同时刻的数据均不相同。如何准确地建立数学模型，只能依靠模糊计算的数学模型对4个变量进行阐述，4个变量对局部通风系统的影响机理如图4所示。

图4 4个变量与局部通风系统的关系Fig.4 Design scheme of frequency conversion speed regulation control system

根据4个变量特殊的物理性，在设计模糊控制算法应按照以下步骤进行：①采集到的模拟输出值，通过A/D转换为计算系统的数字输入变量；②将数字变量的转化为模糊量；③确定精确值与模糊量之间的计算规则；④将模糊量通过模糊控制规则计算精确的控制量。

3.2 PID模糊控制器设计

PID模糊控制器对各类模糊控制系统有较强的适应性，即使数据计算产生的偏差过大，也可通过内部的计算规则对数据进行修复。通过MATLAB软件调取PID模糊控制器计算模型，如图5所示。

图5 PID模糊控制器的计算结构Fig.5 Calculation structure of PID fuzzy controller

通过PID模糊控制器设计，可直接将瓦斯传感器收集到的模拟量作为输出选择信号。当局部通风机处于正常运转状态时，整体系统的电信号判断为0。根据煤矿安全法规，设置瓦斯气体浓度大于1.5%时，整体系统的电信号判断为1。在模糊控制器系统电路中输入调制电压，实现电压矢量合成，根据通风机异步电机的工作原理，采用SVPWM模式的变频调速方法。

MATLAB软件在设计SVPWM调制方式时，调取软件中的三向应变桥模块，在未进行滤波的条件下，电压幅值为 400 V，三相电压之间的相位差为120°。通过SVPWM调制方式的分析与计算，实现了模糊控制器电路的逆变仿真计算。同时，瓦斯浓度数据偏差在计算过程中，通过自身的调节因子实现的数据的偏差修正，避免了选用二维模糊控制器算出现的问题。

4 调速控制系统硬件选型及开发

4.1 主控电路设计

局部通风机变频调速控制系统采用直流电源进行供电，型号为Chroma 2300H-800，配合IGBT逆变器对三相异步电机的整个控制回路进行驱动。主控电路包括主回路和旁通回路2个部分，必须设计漏电保护装置，防止在矿井易燃易爆环境中发生漏电事故。主控电路如图6所示。

图6 变频调速控制系统主控电路设计Fig.6 Main control circuit design of frequency conversion speed control system

4.2 电气硬件选型

为了提高变频调速控制系统的安全保障性，在设计电气硬件时，要将安全因子计算在内，通常设计为1.5.IGBT逆变器的驱动电压不小于1 200 V，并且对于逆变器的开关频率响应速度有一定的要求，因此选用SixPac_150A/1200V逆变器作为系统的电气设备。

控制系统所接收的电流波信号通常会带有干扰杂质，需要进行频带滤波。针对LC滤波选型要保证开关频率在10 kHz左右，不得大于IGBT逆变器频率的1/10，设计滤波电感为12 mH；电容为1.88 μF。

调速控制系统的核心部件为高端浮点计算功能强大的DSP处理器，如图7所示。该型号处理器有外扩引脚、复位接口、电源口等丰富的外接装置。计算最大主频为150 MHz，具有较高的A/D分辨率和快速的转换频率响应。对外信息通信采用SPI通信和 RS485通信相结合的通信协议方式，通过闭锁信号的方式，可以使得瓦斯浓度在超过安全数值后，整机停止所有的控制命令，将主控电路信号进行复位，恢复至原始状态。

图7 DSP处理器内部结构框架Fig.7 Internal structure of DSP processor

5 系统软件程序开发

5.1 软件总体结构设计

根据DSP核心处理器的兼容性，采用CCS5.0集成开发环境对变频调速系统的软件进行设置。除了最底层设计语言进行编译外，还提供人机互动操作的图形界面。软件的总体结构主要包括中断流程设计、模糊控制子程序、设计变频调速之程序，如图8所示。其中中断程序要精准的判断局部通风机在不同工况条件下的输出脉冲。通过实现A/D转换，持续对瓦斯浓度数据进行运算。通过收集输入电压电流、瓦斯浓度等核心数据，将关键数据与原始数据进行判断分析及偏差，但偏差超过一定幅值时，对局部通风机的电机转速进行调整。

图8 软件主程序设计总体流程Fig.8 Overall flow of software main program design

5.2 模糊控制子程序设计

模糊控制子程序的设计如图9所示。

图9 模糊控制子程序流程Fig.9 Fuzzy control subroutine flow

该程序不仅要分析瓦斯浓度与原始浓度的偏差，还要计算不同时刻偏差的变化速率。程序将通过对电压模糊量进行判断，得到实际的控制变量。如果瓦斯浓度超过限值，模糊控制子程序将通过A/D采样对数据进行调理，最后由DSP处理器对除了局部通风机以外的所有电气设备进行断电。结合SVPWM调频方法对电流脉冲信号的导通时间和切换节点进行分析计算。

6 变频调速控制系统应用

根据局部通风机变频调速模糊控制系统方案，在设计软硬件的基础上，搭建了以DSP为中央控制中心、三相异步电机为负载的控制器现场应用实验平台。逆变器输出侧为三相交流电压，为了测得输出侧交流线电压的波形，特设计了该部分电路并计算了参数，由于DSP的A/D需要得到的是直流电压信号，需通过A/D调理电路将LEM副边电路输出的交流电流信号，转变为0～3 V的直流电压信号。图 10(a)是设定的某一交流信号通过 LEM 和调理电路，进入DSP后的波形如图 10(b)所示，该波形通过控制板上的DAC可以观测到。

图10 逆变器电压调理前后A/D采样波形Fig.10 A/D sampling waveform before and after inverter voltage conditioning

根据上文中关于瓦斯传感器和风速传感器的选型，得知瓦斯传感器的输出电流信号为 0～5 mA，风速传感器的输出电流信号为0～200 mA。以调理电路的相关参量为基础，图11(a)为瓦斯传感器输出信号调理前输入到DSP的波形，图11(b)为瓦斯传感器输出信号调理后输入到DSP的波形。

图11 瓦斯、风速电流信号调理前后波形Fig.11 Waveforms before and after gas，wind speed and current signal conditioning

异步电机参数为：额定功率 3 kW，额定电压为 380 V，额定电流 6.82 A，额定转速为 1 440 r/min。使用 0～5 mA 的电流模拟量来分别代替瓦斯传感器和风速传感器的输出信号。当掘进巷道的瓦斯浓度变化时，局部通风机的转速随其及时调整，则可实现正常通风和瓦斯超限排放的功能，部分实验结果见表1。由表1可知，通过改变4个传感器输出值，模拟了局部通风机正常通风和瓦斯超限排放2种工作状态，实验系统可以按照指定的模糊控制策略，采用 SVPWM 调速方式有效完成了正常通风和瓦斯超限排放的工作，验证了变频控制调速系统的可行性。

表1 变频控制系统样机的部分实验结果Tab.1 Some experimental results of the prototype of the frequency conversion control system

7 结语

为了提升矿井局部通风机的智能化控制技术，对其变速调速控制系统进行了设计研究。根据实际工况条件，明确了该系统的控制策略和算法，以变频器为核心部件，采用模糊控制规则，对控制系统的功能进行定义。首先，采用MATLAB仿真软件对控制系统的模型图进行建立并搭建起硬件测试平台；其次，对变频控制系统的各项性能指标进行测试，通过实验平台确定了硬件选型的合理性，验证软件设计程序及其各个子程序的功能灵活，后期可拓展性较强。测试实验结果表明，局部通风机的调速控制系统能够根据矿井工作面瓦斯浓度实现电机转速的调节，达到了降低能源消耗的目的。研究成果为煤矿行业在电气自动化系统开发应用提供了依据。