煤矿通风机自动控制调节系统的设计

许 洁

(山西焦煤集团公司 投资有限公司， 山西 太原 030024)

近年来，随着煤炭资源需求量的增大，矿井生产量也在逐步提升，矿井巷道的数量和采掘深度也随之增大，使巷道管网阻力也相应地增大，直接造成矿井通风不良，导致安全事故的发生[1].因此，矿井通风系统需要具备自动调节控制功能以适应井下复杂多变的通风要求。矿井通风机自动控制方法有PID控制、模糊控制及模糊PID控制[2]等。其中，PID控制滞后性小、系统稳定性好，但是当滞后时间较长时，通风机风量会产生最大偏差量，导致调节至稳态的时间变长；模糊控制主要适用于时变、非线性系统，但其参数不易整定且确定规则后也不能轻易改动，并当被控对象变化时，往往也达不到预期目标[3]；而模糊PID控制具备响应速度快、控制效果好、无超调，且出现时滞时，会出现超调，但是稳定性比较好[4].因此，为保证煤矿井下掘进作业所需的通风量，同时达到节约能源的目的，本文主要应用模糊PID技术、变频调速方法对通风机自动控制调节系统进行设计研究，使各工作面满足风量需求。

1 设计思路

通风机自动控制系统设计思路是应用模糊PID技术、变频调速对通风机交流异步电机的输入频率进行控制调节，进而实现对通风机转速的调节控制，完成对井下掘进工作面风量的闭环控制，并在保证矿井作业所需要通风量的条件下，有效节约能源。其工作原理是利用监控装置传感器采集数据信息，将采集到的信息传输给PLC，通过模糊控制算法、逻辑比较后，PLC再将输出信号的信息反馈给变频器，实现对通风机转速进行控制调节。此外，通风机控制系统的现场总线和上位机监控系统进行信息交换，针对通风机距离井下掘进工作面比较长，通过串口光端机，将监测装置传感器发送的其他信号转为光信号实现传输功能。该系统主要由系统主机、传输接口、传输电缆、电源箱、光端机、工业以太网交换机等组成。

2 通风机变频调速原理

目前，井下通风机电机多采用异步电机[5]，为实现变频通风控制，本质上是异步电机的变频调速过程，通过改变电动机供电频率，同步转速也发生变化，进而对电机调速，实现对通风机转速的调节。交流异步电机转速公式[6]为：

(1)

其中，n为电机转速，r/min；f为电源频率，Hz；p为异步电机的磁极对数；s为电动机的转差率；ω为相应的角频率，rad/s.

s=(ns-n)/ns-(ω1-ω)/ω1

(2)

其中，ns为异步电机的同步转速[7]，r/min；ω为固有角频率，rad/s.

ns=60f/p=60ω1/2πp

(3)

对于同一台通风机，当转速由n1变为n2时，通风机各项参数[8]关系如下：

(4)

其中，n1、n2为通风机转速，r/min；H1、H2为通风机转速调节前后的风压，Pa；N1、N2为通风机转速调节前后的功率，kW.

因此，当通风机的风量、风压不足或者存在富余量时，可通过调整通风机转速对通风机的输入功率进行改变。设定井下掌子面需风量是Q2，掘进初期通风机管路风阻值是H1，距达到最长管路风阻值是H2，通风机工频运行时，风机风压、风量关系曲线图见图1.

图1中，掘进初期，当通风机工频运行时，通风机送风量是Q1，输出功率为矩形OH1AQ1面积；变频调速运行时，通风机输出功率为矩形OH3CQ2面积，矩形OH1AQ1面积明显大于矩形OH3CQ2面积，这两个矩形面积之差就是井下需要节省的风量。当遇通风最困难时期，通风机以最大转速进入全功率运行状态时，不再需要调节，直接切换为工频运行，通风机工况为(Q2，H2)，输出功率面积为OH2BQ2.

图1 风机风压、风量关系曲线图

3 通风机自动控制调节

通风机自动变频系统是通过对传感器监测的物质浓度进行模糊控制处理、逻辑比较，当出现任一物质的浓度值达到设定值时，控制信号立马对变频控制单元发送指令，使通风机频率增大，并随有害物质浓度的增加，通风机频率也随之增大，供风量也增大；当有害物质浓度过高时，且通风机满负荷运转仍达不到要求，系统就会自动进行报警。若井下某工作面风量需求较小或者暂停供风时，随有害物质浓度的降低，通风机通过自动控制调节，运行频率逐渐降低，供风量减小，并再次达到新的平衡状态，直到供风量达到设定的最小通风量。通风机自动控制系统工作流程见图2.

图2 通风机自动控制调节系统图

由于井下掘进工作面的环境、有害物质浓度属于控制参数，且这些参数都是通风一段时间后才发生改变，也就是说通风机的调节与控制参数的变化有一定的滞后。同时，不同环境参数和通风机运行参数又不能建立精确的数学模型，因此，应用模糊PID控制[8]方法对通风机自动调节，通过计算机来解决复杂的数学模型，并执行人的控制策略。模糊PID控制系统图见图3.

模糊控制系统的基本组成见图4.结合井下施工通风的要求，应用前馈式智能模糊控制方法，先依据通风机风管供风量来计算频率参数，然后通过变频通风控制系统对通风机转速进行调节。

图3 模糊PID控制系统图

图4 模糊控制器的基本组成图

通风机变频控制系统可建立一氧化碳浓度、粉尘浓度、氮氧化物和温度4个相互独立的模糊控制单元，还可以依据掘进面实际工作环境，建立相应的模糊控制单元。模糊控制系统将通过传感器监测的有害物质浓度与标准要求浓度进行对比，计算得到有害物质浓度的偏差、偏差变化率；并依据井下有害物质浓度的模糊控制表，得到通风量以及最低风速要求的通风量中的较大值，实时控制调节变频器的频率，通过对风机电机转速改变对通风机转速、供风量进行改变，从而实现对矿井下作业环境风量的自动控制调节。

4 结 论

为保证煤矿井下掘进作业所需的通风量，同时达到节约能源的目的，对通风机自动控制调节系统进行设计研究，主要应用模糊PID技术、变频调速对通风机交流异步电机的输入频率进行控制调节，进而实现对通风机转速的调节控制，并利用自动控制调节系统对掘进工作面各种有害物质浓度指标进行监测，实时调整各工作面风量大小需求，实现节能控制。