盧帆興，王 琪

（江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院， 江西贛州市 341000）

鎢礦井下通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及控制算法研究

盧帆興，王 琪

（江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院， 江西贛州市 341000）

針對(duì)多數(shù)鎢礦井下通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)監(jiān)控技術(shù)落后，影響井下通風(fēng)安全問題，設(shè)計(jì)了基于可編程控制器（PLC）的井下風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)，考慮到風(fēng)機(jī)負(fù)壓、流量等被監(jiān)控參數(shù)存在較大的時(shí)滯現(xiàn)象，提出了利用Smith預(yù)估控制算法對(duì)其實(shí)施有效監(jiān)控。改造后的運(yùn)行情況說明，系統(tǒng)運(yùn)行可靠、性能優(yōu)良。

鎢礦；主通風(fēng)機(jī)；智能監(jiān)控；Smith預(yù)估器；仿真分析

1 鎢礦井下通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

鎢礦井下主風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成［1］如圖1所示?？紤]到設(shè)備的備用問題，設(shè)置了兩套獨(dú)立的通風(fēng)機(jī)總成，每套總成配有2臺(tái)對(duì)轉(zhuǎn)的280kW感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，單一總成均設(shè)有獨(dú)立風(fēng)道，風(fēng)道首先通過立式風(fēng)門，經(jīng)由斜風(fēng)門后，在斜井口匯入主風(fēng)井。正常情況下只有一套通風(fēng)機(jī)總成工作，通過控制兩套總成立式風(fēng)門和斜風(fēng)門的開閉可以保證相互間的氣密性。通風(fēng)流量視電動(dòng)機(jī)開啟數(shù)量而定，最大流量為2×3500m3／min。

圖1 鎢礦井下主風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成

2 監(jiān)控系統(tǒng)組成原理和功能設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)組成［2－3］如圖2所示。系統(tǒng)選用控制性能優(yōu)越、抗干擾能力強(qiáng)、能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境的西門子S7－300PLC作為主控制器［4］，實(shí)現(xiàn)對(duì)主風(fēng)機(jī)數(shù)字量模塊和模擬量參數(shù)模塊的實(shí)時(shí)監(jiān)控。其中數(shù)字量監(jiān)控參數(shù)有電機(jī)參數(shù)、變頻器參數(shù)、立式風(fēng)門與斜風(fēng)門控制參數(shù)，模擬量參數(shù)有主風(fēng)機(jī)溫度參數(shù)、風(fēng)峒的風(fēng)流量與負(fù)壓參數(shù)、氣動(dòng)參數(shù)與振動(dòng)參數(shù)。系統(tǒng)的相關(guān)閾值和控制操作由嵌入式觸摸屏設(shè)定或操控，監(jiān)控系統(tǒng)電源采用西門子PLC電源模塊供電。上位機(jī)配置主、備用計(jì)算機(jī)各1臺(tái)，通過網(wǎng)關(guān)和工控服務(wù)器與主風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行無線通信。其中PLC對(duì)主風(fēng)機(jī)及風(fēng)門的控制過程是：當(dāng)接到主風(fēng)機(jī)運(yùn)行指令時(shí)，PLC判斷系統(tǒng)運(yùn)行方式控制主風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。若為變頻方式則進(jìn)行主風(fēng)機(jī)的變頻軟啟動(dòng)，以降低起動(dòng)電流，減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊。當(dāng)電動(dòng)機(jī)由零頻率啟動(dòng)到設(shè)定頻率時(shí)，PLC控制風(fēng)門絞車開啟該風(fēng)道立式風(fēng)門與斜風(fēng)門，關(guān)閉另一風(fēng)道的立式風(fēng)門與斜風(fēng)門。為了避免風(fēng)門在開關(guān)過程中不到位而引起漏風(fēng)從而降低風(fēng)機(jī)效率，風(fēng)門的上端設(shè)置了開觸點(diǎn)和閉觸點(diǎn)，PLC實(shí)時(shí)采集風(fēng)門的觸點(diǎn)狀態(tài)精確控制風(fēng)門絞車的運(yùn)轉(zhuǎn)。兩道風(fēng)門完全開啟后，1號(hào)主風(fēng)機(jī)進(jìn)入額定運(yùn)行狀態(tài)（2號(hào)主風(fēng)機(jī)停車）。當(dāng)1號(hào)主風(fēng)機(jī)的開啟電流小于額定電流時(shí)，自動(dòng)開啟2號(hào)主風(fēng)機(jī)和2號(hào)立式風(fēng)門與斜風(fēng)門，通風(fēng)系統(tǒng)處于雙主風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式。

主風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的模擬量、數(shù)字量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)說明如下。

（1）風(fēng)流量和負(fù)壓監(jiān)測(cè)。由于檢測(cè)環(huán)境限制，且監(jiān)控過程具有較大慣性和時(shí)滯，加之井下氣體成分復(fù)雜、濕度大，粉塵含量高，所以依靠標(biāo)準(zhǔn)的流量測(cè)量?jī)x和壓力傳感器表來完成這類參數(shù)的檢測(cè)缺乏可行度和準(zhǔn)確性。有些企業(yè)根據(jù)壓差原理，選用昂貴的流量傳感器來檢測(cè)風(fēng)機(jī)流量，通過主風(fēng)機(jī)入口打孔將壓力傳感器植入測(cè)量負(fù)壓，其效果都不甚理想。本文提出的基于Smith預(yù)估算法［3］的風(fēng)機(jī)流量及負(fù)壓智能監(jiān)測(cè)，取得了很好的收效。

（2）電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)。通過低壓柜中的EDA9033A專用電力參數(shù)采集模塊與PLC相連，采用ModBus通信協(xié)議，能夠完成三相交流電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)等電氣參數(shù)的測(cè)量，包括變頻器的運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)。

（3）主電機(jī)定子溫度與軸承振動(dòng)檢測(cè)。在各電機(jī)的三相定子和前后軸承上安裝熱電偶WAPJPT100，將PLC（S7－300）的接口模塊SM331的輸入方式進(jìn)行設(shè)置，熱電偶信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換送入PLC的CPU，將其轉(zhuǎn)換成溫度值，再存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)模塊中。在電機(jī)的前后軸承安裝振動(dòng)傳感器，它可將振動(dòng)烈度線性轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，經(jīng)SM331將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入CPU以供相應(yīng)控制之用。

3 基于Smith預(yù)估控制算法的研究

在井下通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，風(fēng)流量和負(fù)壓是2個(gè)典型的大慣性、大時(shí)滯參數(shù)。因此提高控制子系統(tǒng)的穩(wěn)定性、改善控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和控制精度，是值得深入研究的問題。本監(jiān)控子系統(tǒng)采用了Dhalin－Smith預(yù)估控制算法［5］，對(duì)子系統(tǒng)的控制性能進(jìn)行改進(jìn)。利用Smith預(yù)估器對(duì)大慣性、大時(shí)滯環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償，得到控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（見圖3），其中GP（S）·e－τs為被控對(duì)象的傳遞函數(shù)。

圖3 風(fēng)量、負(fù)壓監(jiān)控子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

子系統(tǒng)沒有采用Smith環(huán)節(jié)時(shí)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為式（1），子系統(tǒng)采用了Smith環(huán)節(jié)時(shí)的閉環(huán)傳遞函數(shù)則為式（2）。由兩式對(duì)比可知，加了Smith預(yù)估環(huán)節(jié)后，子系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程不再含有影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的因子e－τs，這時(shí)便可以使用常規(guī)的控制手段進(jìn)行控制，只是子系統(tǒng)響應(yīng)推遲了時(shí)間e－τs而已。

4 子系統(tǒng)仿真分析

上述子系統(tǒng)根據(jù)鎢礦井下實(shí)際工況計(jì)算分析，可以簡(jiǎn)化為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)時(shí)滯環(huán)節(jié)的相互串聯(lián)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)可以表述為：Φ（s）＝KPe－τs／（Ts ＋1）。為了驗(yàn)證上述控制方案的可行性，就這一閉環(huán)傳遞函數(shù)進(jìn)行了MATLAB系統(tǒng)仿真［6］。根據(jù)風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，選定：T＝60s，KP＝5，τ＝30s，采樣周期為1s，其單位階躍響應(yīng)仿真如圖4所示。仿真結(jié)果表明Smith預(yù)估控制算法，能很好消除因監(jiān)控對(duì)象的大慣性、大時(shí)滯對(duì)監(jiān)控子系統(tǒng)的影響。

圖4 風(fēng)量、負(fù)壓監(jiān)控子系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)MATLAB仿真

5 結(jié) 語

本文就鎢礦企業(yè)井下風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)所存在的技術(shù)與設(shè)備落后、監(jiān)控參數(shù)不全、控制精度不高等問題，提出了基于PLCS7－300的風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，利用新型、可靠性高的可編程控制器件和先進(jìn)的控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)原監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)換代。針對(duì)一些慣性、時(shí)滯環(huán)節(jié)的控制對(duì)象，系統(tǒng)采用Smith預(yù)估控制算法消除其對(duì)控制系統(tǒng)帶來的不利影響。實(shí)際應(yīng)用表明，PLC控制器件及其總成能很好地適應(yīng)井下惡劣環(huán)境，系統(tǒng)集操作、監(jiān)控、管理于一體，使相關(guān)設(shè)備的自動(dòng)化水平得到了提高，且系統(tǒng)能對(duì)風(fēng)機(jī)總成的相關(guān)構(gòu)件完成實(shí)時(shí)有效的監(jiān)控，運(yùn)行靈活高效、安全可靠。

［1］胡亞非.礦井主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量在線監(jiān)控實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996（3）：106－110.

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2011－08－11）

盧帆興（1965－），男，江西永豐人，副教授，碩士，主要從事ARM嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信、智能控制研究。