竇 亮

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602）

1 主通風(fēng)機(jī)智能化控制關(guān)鍵技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的智能控制，需要選擇合適的變頻器進(jìn)行控制，同時(shí)需要選擇合適的瓦斯傳感器對井下瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，另外還需要采用PLC作為系統(tǒng)的控制核心。

1.1 變頻器的選擇

本文選用ABB公司的ACS800系列變頻器。該型變頻器的核心控制技術(shù)是直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC），其主控板的運(yùn)算速度快，對轉(zhuǎn)矩和速度的控制精度高，其靜態(tài)精度可達(dá)0.01%。由于采用DTC控制方式，ACS800能夠精確地控制轉(zhuǎn)矩輸出，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)提供穩(wěn)定的最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。最大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的2倍。即使供電線路系統(tǒng)發(fā)生意外導(dǎo)致供電中斷，該型變頻器能夠利用斷電后仍然在旋轉(zhuǎn)的電機(jī)的動(dòng)能發(fā)電，自我提供短時(shí)電源繼續(xù)運(yùn)行[1]。

1.2 PLC的選擇

PLC的選型具有一定的原則。在PLC主體結(jié)構(gòu)的選擇時(shí)，要考慮PLC的應(yīng)用場合條件以及生產(chǎn)工藝的復(fù)雜程度。根據(jù)需要本文選擇西門子的S7-200 PLC系列中的CPU224型主機(jī)，該型PLC可靠性高、設(shè)計(jì)緊湊、內(nèi)置集成功能和指令集豐富、可擴(kuò)展性好，其擴(kuò)展I/O模塊有EM232（輸出擴(kuò)展模塊）和EM235（混合式擴(kuò)展模塊）。

根據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，基本的PLC輸入/輸出信號如表1所示。

S7-200系列CPU224型主機(jī)有14個(gè)輸入接口和10個(gè)輸出接口。同時(shí)，為了滿足本系統(tǒng)3路模擬輸入和1路模擬輸出的需要，需要增加一個(gè)外部I/O擴(kuò)展模塊EM235，該模塊具有4個(gè)模擬量輸入接口和和模擬量輸出接口。選擇好PLC模塊后，需對各模塊進(jìn)行I/O編址。CPU224主機(jī)和EM235擴(kuò)展模塊I/O編址及相對應(yīng)的信號如表2所示[2]。

表1 PLC基本輸入輸出信號

表2 PCU224和EM 235 I/O編址

1.3 瓦斯傳感器的選擇

為保證煤礦井下瓦斯?jié)舛葴y量的準(zhǔn)確性，本文選擇GJC4（B）型低濃度瓦斯傳感器，直接將GJC4（B）型傳感器傳回的1～5mA直流信號直接接到EM235模擬輸入口，無需再設(shè)計(jì)電流轉(zhuǎn)換電壓信號電路。根據(jù)相關(guān)操作規(guī)程的要求，瓦斯傳感器應(yīng)當(dāng)放置在掘進(jìn)工作面附近、掘進(jìn)巷道回風(fēng)流中及回風(fēng)巷等處。

2 主通風(fēng)機(jī)智能化控制設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

本文通過S7-200型PLC實(shí)現(xiàn)采用模糊控制器實(shí)現(xiàn)對主通風(fēng)的智能控制，除包含對通風(fēng)機(jī)的智能控制外，還應(yīng)包含自控排瓦斯功能，手/自動(dòng)切換功能，瓦斯超限（報(bào)警值）報(bào)警功能，瓦斯超限斷電功能等。本系統(tǒng)PLC程序采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序模塊、子程序模塊和中斷程序模塊構(gòu)成，程序執(zhí)行時(shí)通過在主程序中調(diào)用子程序和中斷程序完成相關(guān)控制功能和任務(wù)。子程序模塊包含初始化子程序1、EM235模塊檢查子程序2、瓦斯?jié)舛萒1采樣子程序3、瓦斯?jié)舛萒2采樣子程序4、瓦斯?jié)舛萒3采樣子程序5。中斷程序模塊只包含輸出電壓模糊控制表查詢定時(shí)中斷程序1[3-4]。

主程序主要完成各子程序的調(diào)用，相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，瓦斯?jié)舛冗^高報(bào)警，瓦斯?jié)舛瘸迶嚯?，以及風(fēng)機(jī)手/自動(dòng)運(yùn)行的切換，如圖1所示。

主程序運(yùn)行時(shí)首先判別風(fēng)機(jī)是自動(dòng)變頻還是手動(dòng)變頻運(yùn)行，若都不是則工頻運(yùn)行。若是自動(dòng)變頻運(yùn)行，則通過首次掃描為ON的初始化脈沖SM0.1調(diào)用子程序1進(jìn)行初始化，通過常ON的SM0.0調(diào)用子程序2檢測EM235模塊是否連接有誤。有誤則主程序結(jié)束，無誤則直接調(diào)用3個(gè)瓦斯?jié)舛炔蓸幼映绦?、3和4，獲取實(shí)時(shí)的瓦斯?jié)舛戎礣1、T2和T3，以供中斷程序1進(jìn)行模糊控制查表使用。本設(shè)計(jì)中斷控制時(shí)間為500ms，即每500ms系統(tǒng)更新一次輸出。最后判別瓦斯?jié)舛仁欠襁_(dá)到斷電值，若達(dá)到則系統(tǒng)斷電，主程序結(jié)束。若正常再判別是否達(dá)到報(bào)警值，若達(dá)到則聲光報(bào)警再輸出變頻器控制電壓，若正常，則直接輸出變頻器控制電壓，主程序結(jié)束。

圖1 主程序流程圖

2.2 智能模糊控制器設(shè)計(jì)

本文采用二維模糊控制器，即將瓦斯?jié)舛绕頔及偏差的變化Ec作為模糊控制器的輸入，變頻器控制電壓U作為輸出。

2.2.1 模糊語言描述

系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行在自控通風(fēng)模式下，瓦斯?jié)舛仍礁?，要求風(fēng)機(jī)出風(fēng)量越大，變頻器輸出頻率越高，即變頻器控制電壓越高。

設(shè)瓦斯?jié)舛绕頔的模糊論域?yàn)閧-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，模糊語言值集合為{NB，NS，ZE，PS，PB}，語言值描述集合為{負(fù)大，負(fù)小，零正小，正大}。瓦斯?jié)舛绕钭兓疎c取前后兩個(gè)采樣時(shí)刻瓦斯偏差的差值，即 Ec=E（t）-E（t-1）。設(shè) Ec的模糊論域?yàn)閧-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，模糊語言值集合為 {NB，NS，ZE，PS，PB}，語言值描述集合為{負(fù)大，負(fù)小，零正小，正大}。變頻器控制電壓U的模糊論域 {0，1，2，3，4，5，6，7，8}，模糊語言值集合為{SL，MS，MD，MB，BG}，語言值描述集合為{小，中小，中，中大，大}。輸出變頻器控制電壓U的隸屬度函數(shù)則采用常用的等腰三角隸屬度函數(shù)，如圖2所示。

由隸屬度函數(shù)，可得到各語言值的隸屬度賦值表，如下頁表3和表4所示[5]。

2.2.2 模糊控制規(guī)則

根據(jù)現(xiàn)場操作經(jīng)驗(yàn)，瓦斯?jié)舛刃盘栍蒚1和T2（取大者）提供，瓦斯?jié)舛扰c輸出頻率成正比關(guān)系。如果瓦斯偏差負(fù)向相差很大（即負(fù)大），偏差變化為正大，就說明現(xiàn)場瓦斯?jié)舛冗^高，超出給定值很多，而且正在快速升高。此時(shí)，應(yīng)使風(fēng)機(jī)出風(fēng)量很大，以及時(shí)帶走掘進(jìn)工作面上涌出的瓦斯，即輸出變頻器電壓要很高。此條控制規(guī)則簡述為：

圖2 U的隸屬度函數(shù)

If偏差負(fù)大且偏差變化正大，then變頻器控制電壓變大。

表3 E c和自控通風(fēng)模式E的隸屬度賦值表

表4 U的隸屬度賦值表

得出自控通風(fēng)模式下其他情況的控制規(guī)則，如表5所示。

2.2.3 模糊控制查詢表

由各變量語言值的隸屬度表和控制規(guī)則表，建立模糊控制查詢表，如表6所示。

在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，事先將輸出模糊控制查詢表錄入PLC存儲單元中，運(yùn)行過程中的控制算法就變成了簡單的查表法。根據(jù)傳感器反饋的信號，經(jīng)過必要的處理，獲取偏差和偏差變化的取值，進(jìn)而從查詢表中找到相應(yīng)的輸出值，再經(jīng)過相應(yīng)的處理（乘以比例因子），作為變頻器的控制電壓由EM235的模擬輸出口輸出，從而控制變頻器輸出頻率，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量，達(dá)到瓦斯調(diào)節(jié)的目的[6]。

3 結(jié)語

采用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)對煤礦主通風(fēng)機(jī)的智能化控制，主通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)能夠根據(jù)井下瓦斯?jié)舛鹊淖兓瘜?shí)時(shí)地調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)速，從而保證煤礦井下的生產(chǎn)安全，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能目的。

表5 自控通風(fēng)模糊控制規(guī)則表

表6 自控通風(fēng)模式輸出模糊控制查詢表