基于模糊PID控制的矿井通风节能控制系统模拟试验

郝 瑞

（晋能控股煤业集团安全督查大队，山西 大同 037003）

矿井通风系统承担着输送新鲜空气至井下、稀释井下有毒有害气体、完成井下粉尘排放目标、保证井下作业环境安全的任务。 矿井地面主通风机需持续长时间运行，能量消耗较高，运行效率低，因此，设计矿井通风节能控制系统意义重大。国内煤矿约50%的地面主通风机实际运行效率低于50%，主要存在的问题有：（1）工频运行模式，电能浪费严重。 （2）“事后控制”模式，存在安全隐患。（3）手动调速模式，智能化水平低[1-3]。 针对上述问题，基于模糊PID控制原理，采用变频调速模式实现矿井地面主通风机节能控制，达到节能降耗、提升通风控制系统智能化水平的目的。

1 系统设计

矿井通风节能控制系统设计框图如图1 所示，通风节能控制系统中心由高级可编程逻辑控制器及其扩展模块组成，周期性地获取环境监测传感器的环境参数，如瓦斯浓度、粉尘浓度、温度、湿度等，经通风节能控制系统处理后实时变频控制地面主通风机并完成工况点的监控、 与通风远程控制监控平台完成信息交互。 通风远程控制监控平台用于实时展示通风系统的运行状态和参数，同时可实现对主通风机的远程控制。 环境监测传感器主要包括风速传感器、风量传感器、瓦斯浓度传感器、CO浓度传感器、粉尘浓度传感器、温湿度传感器等。 主通风机变频控制系统主要包括两组变频器- 通风机，可根据当前矿井瓦斯浓度、风量、风速等参数实现通风机变频调速自适应运行。参数解算以及仿真优化模块主要完成模糊PID控制系统中ΔKp/ΔKi/ΔKd等参数的解算和优化，到达模糊自适应控制的目的。矿井通风节能控制系统根据环境参数、 模糊PID参数对变频器-通风机进行变频调速控制，实现矿井通风系统闭环控制。

图1 矿井通风节能控制系统设计框图

2 系统硬件设计

矿井通风节能控制系统硬件设计框图如图2所示，以矿井巷道瓦斯浓度为核心控制参数，以瓦斯浓度、CO浓度、粉尘浓度、温湿度以及风速、风量为参考控制参数，实现对1#、2#通风机的模糊变频调速控制。 为保证矿井通风系统运行的稳定性，保证矿井安全生产，系统硬件采用双冗余设计模式[4-5]，即某一个控制系统出现故障后可无缝切换至冗余控制系统，保证煤矿井下安全生产。

图2 矿井通风节能控制系统硬件设计框图

矿井通风节能控制系统硬件主要包括控制器、传感器、变频器、通风机、上位机等。 控制器选用西门子CPU315-2DP，根据系统采集的模拟量、数 字 量 扩 展SM321、SM322、SM331、SM332 模 块，并于控制器CPU315-2DP相连，实现通风系统数据采用、控制以及监测功能。 通风机选用防爆轴流式风机BT35-11-N09 模拟代替，该通风机具备动叶可调功能，可便捷的调节风量运行稳定，且运行稳定、响应迅速，满足矿井通风系统模拟要求[6-7]。 变频器选用BOERH-BD6L-15T4，该变频器具备手动/自动双模控制、分级控制、节能控制模式，可实现1.5、1.7、2 以及3 次方V/F曲线控制，可实现PID给定速度修正、给定转矩修正等功能，启动频率为1～60.00 Hz，基本运行频率为1～650.00 Hz，运行速度范围为1～15 000 rpm，满足矿井通风机变频控制要求[8]。根据矿井通风节能控制系统设计以及硬件设计方案，控制器CPU315-2DP及其扩展模块的I/O地址分配如表1 所示。

表1 矿井通风节能控制系统控制器地址分配

3 系统软件设计

3.1 模糊PID控制系统设计

根据矿井通风节能控制系统实现的功能，系统软件采用模块化编程方案，主要划分为主程序模块、初始化模块、风机控制模块、模糊控制模块、模拟量处理模块、故障报警模块六大部分。 主程序模块用于实现硬件冗余系统的无缝切换，同时顺序调用其他模块程序。 初始化模块用于定义并配置系统运行参数、 记录CP硬件地址、 网络链接ID号、DP主站地址、MPI地址信息、DP数据接口连接方式等。 风机控制模块用于完成1#、2#风机的一键启停，风机正转/反转控制等。

模糊控制模块用于完成对变频器的模糊PID控制，控制原理如图3 所示，输入信号为E、Ec，输出信号为y(k)。 需将ΔP、ΔI以及ΔD的模糊控制表存入定义的数据块DB12、DB13 以及DB14，并按照如图4 所示流程获取采样值、 模糊化E、Ec，对ΔKp、ΔKi、ΔKd进行模糊整定和计算。

图3 矿井通风节能控制系统模糊PID 控制原理

图4 矿井通风节能控制系统模糊控制器软件流程

模拟量处理模块用于完成巷道瓦斯浓度、CO浓度、风量、风速等模拟量的采集并将数值直接存入定义好的DB数据块，并完成A/D转换，同时需对转换后的模拟量数值进行有效性、正确性判断。 故障报警模块用于完成通风系统的声光语音报警功能，提示系统故障发生点以及处理该故障的一般方法。

3.2 远程监控平台设计

矿井通风节能控制系统远程监控平台基于力控的ForceControl6.1 组态软件实现。 该组态软件提供全部软硬件接口，可完成系统割模块的集中组合，利用“组态”技术完成通风系统远程监控平台的搭建。 设计的矿用通风节能控制系统远程监控平台如图5 所示，通风节能控制系统中心通过CAN总线通信模式将系统运行时的所有数据传送至远程监控平台。 远程监控平台动态、实时维护实时数据库、历史数据库，分别完成用户登录、风机监测、历史报警信息查询等功能。

图5 矿井通风节能控制系统远程监控平台

4 实例验证分析

为验证设计并实现矿井通风节能控制系统的有效性和正确性，依托通风试验平台对该方案进行试验验证。 该通风试验平台模拟“一矿两面”模型，大小按照实际矿井巷道4:1 构建，分支巷道断面尺寸为1.2 m×1 m，占地面积约为150 m2，由通风巷道、通风机、控制柜、传感器、远程控制平台等组成。 试验时，根据风量设定值，系统对实际风量进行自适应调节。 风量传感器采集巷道内实际风量值，传送至控制器，与设定风量值进行比较并采用模糊PID变频控制方案控制通风机转速，达到调节、 改变巷道风量的目的。 试验数据如表2 所示，当变频器运行频率为50 Hz时，固定风量为9.77 m3/s、 固定风压为210.92 Pa，总功耗为2.05 kW。 当通风机运行频率改变时，在满足风量需求的前提下，功耗成下降趋势，节电效果显著。

表2 矿井通风节能控制系统功耗试验数据

5 结语

以矿井地面主通风机为研究对象，重点研究了矿井通风节能控制系统总体方案、软硬件方案，基于模糊PID变频控制原理实现通风系统节能控制并得出以下结论：

1）以西门子CPU315-2DP控制器为核心，实现了矿井巷道环境参数实时监测，并根据环境参数实现对1#、2#通风机变频调速节能控制以及自适应运行，避免了“事后控制”模式存在的安全隐患，同时提升了控制系统的智能化水平。

2）试验结果表明，该通风节能控制系统节电效果明显，节能降耗经济效益显著。