曹吉花，胡學(xué)青，呂現(xiàn)釗

（宿州學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 宿州 234000）

1 引言

通風(fēng)機(jī)是煤礦安全生產(chǎn)的主要設(shè)備，其基本任務(wù)是：向井下輸送新鮮空氣，滿足井下人員對(duì)氧氣的需要；沖淡井下有毒有害氣體和粉塵；確保礦井安全生產(chǎn)，調(diào)節(jié)井下氣候，創(chuàng)造良好的工作環(huán)境.作為礦井系統(tǒng)的動(dòng)力源，該設(shè)備如果因某種故障而停機(jī)運(yùn)行，將會(huì)給整個(gè)礦山的安全生產(chǎn)帶來(lái)巨大威脅.因此，對(duì)煤礦通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)控與故障診斷的研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

礦井通風(fēng)機(jī)及其傳動(dòng)電機(jī)，通常在礦井設(shè)計(jì)階段選定，其通風(fēng)量主要由礦井瓦斯涌出量、井下作業(yè)人員數(shù)量、通風(fēng)巷道阻力等因素決定.礦井通風(fēng)機(jī)的功率是按照最長(zhǎng)掘進(jìn)距離時(shí)必須保證人員正常吸氧和瓦斯?jié)舛炔怀^(guò)限制的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)的，且留有一定程度的余量.當(dāng)巷道掘進(jìn)深度較短時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)大馬拉小車現(xiàn)象，造成電能的浪費(fèi)，所以希望根據(jù)通風(fēng)量和掘進(jìn)巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛茸兓g的關(guān)系，及時(shí)調(diào)整通風(fēng)量，使其在最佳的工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，節(jié)省通風(fēng)機(jī)由于長(zhǎng)期恒速運(yùn)轉(zhuǎn)造成的能源浪費(fèi)，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本.

通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)主要有風(fēng)門調(diào)節(jié)與變頻調(diào)節(jié)，研究顯示變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)不僅能使通風(fēng)機(jī)工作在高效區(qū)，而且其節(jié)能效果更優(yōu)于其他的調(diào)節(jié)方法，具有廣闊的應(yīng)用前景.

2 變頻調(diào)速原理

通風(fēng)機(jī)的功率P與通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n存在關(guān)系[1]：

由式（1）可以看出，通過(guò)改變通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以改變通風(fēng)機(jī)所對(duì)應(yīng)的功率，可以滿足不同瓦斯?jié)舛认戮蜻M(jìn)面對(duì)風(fēng)量的需求.由式（1）可知，當(dāng)通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低后，其功率隨轉(zhuǎn)速的三次方下降，因而通過(guò)調(diào)速可以取得明顯的節(jié)能效果.通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與軸功率及節(jié)能的關(guān)系如表1所示.

表1 通風(fēng)機(jī)理論節(jié)能效果

由表1可以看出，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速節(jié)能效果很明顯.

礦井通風(fēng)機(jī)多采用交流異步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速為[2]：

（2）式中：n：通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；f1：通風(fēng)機(jī)交流電源的頻率；p：通風(fēng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù).由式（2）可知，改變電源的頻率可以改變通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變風(fēng)量，同時(shí)達(dá)到節(jié)能的目的.

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前礦井通風(fēng)系統(tǒng)的控制，大都采用繼電器、接觸器的控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)存在著體積大、觸點(diǎn)多、接線復(fù)雜、可靠性低、排除故障困難等很多缺點(diǎn).如果通風(fēng)機(jī)不采用變頻調(diào)速，那么通風(fēng)量的調(diào)節(jié)方法，只能是依靠風(fēng)門提起的高度和調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)扇葉的數(shù)量和角度，這樣，主通風(fēng)機(jī)將一直高速運(yùn)行，備用通風(fēng)機(jī)停止，不能輪換工作，易使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生故障，降低使用壽命.因此，將PLC與變頻器結(jié)合在一起，采用以礦井的風(fēng)量、風(fēng)壓、瓦斯?jié)舛鹊葹榭刂茖?duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)的工作過(guò)程和轉(zhuǎn)速的有效控制，使通風(fēng)機(jī)安全、高效的運(yùn)行，并達(dá)到節(jié)能的效果.

以西門子S7-200PLC作為監(jiān)控中心，應(yīng)用壓力、流量、瓦斯等傳感器對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及各參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，利用變頻器調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)速度，控制系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 控制系統(tǒng)框圖

礦井所需的風(fēng)量主要與巷道的長(zhǎng)度、風(fēng)阻及瓦斯?jié)舛扔嘘P(guān)系，巷道內(nèi)瓦斯的涌出是隨機(jī)的，要建立瓦斯?jié)舛扰c通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)模型是不可能的，考慮到這種系統(tǒng)的非線性、強(qiáng)耦合和多干擾性等特點(diǎn)，采用多模態(tài)進(jìn)行控制.

3.1 多模態(tài)控制的基本控制思想

所謂“多模態(tài)（Multi-mode）”[3]是指隨著時(shí)間的變化，系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中具有不同的模型，表現(xiàn)出不同的模態(tài)；“多模態(tài)控制”(Multi-mode Control)是一種仿人的智能控制方式，在控制過(guò)程中利用計(jì)算機(jī)模擬人的控制行為，最大限度地識(shí)別和利用控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程所提供的信息特征，進(jìn)行啟發(fā)和直覺(jué)推理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺乏精確數(shù)學(xué)模型的對(duì)象進(jìn)行有效的控制.它可根據(jù)系統(tǒng)所處的不同狀態(tài)和不同時(shí)間對(duì)控制過(guò)程的不同要求，采用不同的控制策略和響應(yīng)的控制模式，同時(shí)兼顧控制系統(tǒng)對(duì)多種性能指標(biāo)的要求，從控制角度考慮，使設(shè)計(jì)的工業(yè)控制器最大限度地提高系統(tǒng)的控制性能—魯棒性，實(shí)現(xiàn)良好的動(dòng)態(tài)指標(biāo)和靜態(tài)指標(biāo).即多模態(tài)控制就是針對(duì)不同的系統(tǒng)模態(tài)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的控制器，構(gòu)成控制器的集合，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)(所有模態(tài))的有效控制.

3.2 多模態(tài)控制器模塊

多模態(tài)控制器原理圖如圖2所示[4].Bang-Bang控制又稱開(kāi)關(guān)控制，這種控制方式簡(jiǎn)單易行，響應(yīng)速度快，但難以滿足控制精度的要求[5].在巷道掘進(jìn)面較深，需要風(fēng)量、風(fēng)壓較大時(shí)，實(shí)際值與基準(zhǔn)值的誤差很大，為了盡快地減少誤差，使風(fēng)量、風(fēng)壓以最大速度向設(shè)定值靠攏，此時(shí)，應(yīng)采用Bang-Bang控制模態(tài)進(jìn)行控制.如果風(fēng)量、風(fēng)壓誤差在不斷變化，但誤差的絕對(duì)值尚未達(dá)到Bang-Bang控制的閾值時(shí)，即：ML<|e（k）|

規(guī)則中，umax為最大允許輸出信號(hào)；umin為最小允許輸出信號(hào)；ε為任意小的正實(shí)數(shù)；Δe為誤差變化；MH、ML分別表示誤差界限，且 MH＞ML＞ε＞0；f(FLC)和 f(PID)分別是 FLC和 PID控制的輸出值，兩者都采用增量式算法，以便實(shí)現(xiàn)兩者的平滑切換.當(dāng)誤差及其變化率在允許的ε范圍時(shí)，就保持前一時(shí)刻的輸出值，以防誤差在所要求范圍內(nèi)時(shí)，還頻繁地調(diào)節(jié)系統(tǒng).

圖2 多模態(tài)控制器原理圖

3.3 控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)控制系統(tǒng)的需要，設(shè)計(jì)一個(gè)以PLC為核心的通風(fēng)機(jī)控制器.PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，由SIEMENS S7系列PLC(控制站)和若干臺(tái)工控PC(操作站)組成，每個(gè)控制器控制2臺(tái)通風(fēng)機(jī).控制器（下位機(jī)）與上位PC機(jī)通過(guò)RS485組成一個(gè)分布式控制系統(tǒng).整個(gè)系統(tǒng)組成主從結(jié)構(gòu)，上位機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理、過(guò)程控制、圖形顯示、控制參數(shù)設(shè)置、控制參數(shù)下傳和接收來(lái)自下位機(jī)的數(shù)據(jù).下位機(jī)采用PLC控制，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)控制及通訊等任務(wù).

圖3 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.4 控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì),主要由組態(tài)軟件、C編程軟件和下位機(jī)PLC可編程軟件構(gòu)成.組態(tài)軟件主要負(fù)責(zé)監(jiān)控、通訊、曲線顯示、報(bào)表及報(bào)警等；C編程軟件主要實(shí)現(xiàn)模糊控制表計(jì)算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值訓(xùn)練，參數(shù)提取及設(shè)定等；下位機(jī)軟件采用PLC可編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、信號(hào)轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)控制算法計(jì)算及數(shù)據(jù)上傳等.主要程序有:主程序、PID算法子程序、模糊控制算法子程序、PID和Fuzzy算法切換子程序、數(shù)據(jù)檢測(cè)子程序、數(shù)據(jù)打印、曲線顯示以及通道切換子程序等.

4 小結(jié)

以風(fēng)量、風(fēng)壓、瓦斯?jié)舛葹榇淼膮?shù)控制是通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是系統(tǒng)的控制難點(diǎn).該類控制對(duì)象是一類大時(shí)滯并具時(shí)變性的被控對(duì)象，常規(guī)PID控制在此不能取得滿意的控制效果.采用“多模態(tài)”控制，當(dāng)模型參數(shù)在很大范圍內(nèi)變化時(shí)，“多模態(tài)”控制具有理想的控制品質(zhì)，在純滯后對(duì)象的控制過(guò)程中，積分作用的引入會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生非常顯著的影響，而“多模態(tài)”控制正是對(duì)這個(gè)問(wèn)題提供了一種很好的解決手段.在偏離穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)候，控制系統(tǒng)主要利用比例或者比例微分進(jìn)行控制，只有當(dāng)運(yùn)動(dòng)軌跡接近穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，控制系統(tǒng)才切入適當(dāng)?shù)姆e分作用，以消除余差.這不僅可以提高響應(yīng)的快速性及其它動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)也保證了閉環(huán)控制系統(tǒng)的漸進(jìn)跟蹤性能.而且“多模態(tài)”控制不依賴對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，并具有很強(qiáng)的魯棒穩(wěn)定性.

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