陳志峰，郭珊珊，徐立軍，李峰

(1. 新疆工程學院 安全科學與工程學院，新疆 烏魯木齊 830023；2. 新疆工程學院 經濟管理學院，新疆 烏魯木齊 830023；3. 新疆工程學院 新疆煤礦機電工程技術研究中心，新疆 烏魯木齊 830023；4. 中國礦業(yè)大學 應急管理與安全工程學院，北京 100083)

0 引 言

在規(guī)范設計中，局部通風機的通風量由根據瓦斯最大的涌出量等因素確定[1]。局部通風機功率設計選型偏大不僅會電能浪費較大，造成噪音和嚴重煤塵飛揚，給工人身體健康造成危害，還會導致因煤塵濃度超標增加粉塵爆炸[2-3]。

煤礦在不同的掘進階段采用不同功率的通風機，增大了投資。一般采用在局部通風機風道上安裝風擋等方法，減少風流量強度，導致電能浪費較大。還有煤礦采用人工調節(jié)變頻器的方法，從動降低風量，對于瓦斯突然涌出變化，造成了瓦斯超標[4-6],導致瓦斯爆炸事故。在瓦斯排放過程中，通風機運行而造成瓦斯排放的“一風吹”，隅角聚集瓦斯，局部瓦斯超標[7]。

本文研制了一種采用模糊控制算法的煤礦局部通風機瓦斯?jié)舛茸詣诱{節(jié)與節(jié)能控制系統(tǒng)，可通過分析瓦斯?jié)舛?、碳化物濃度等變量與通風機通風量的關系，及時調節(jié)局部通風機通風量，降低巷道有害氣體濃度，降低煤礦安全事故的發(fā)生，減少局部通風機電能浪費。

1 節(jié)能控制原理分析

通風機的通風量與有害氣體濃度(掘進巷道風阻及瓦斯?jié)舛?、一氧化碳氣體濃度、硫化氫濃度及氮氧化物的有害物)和溫度等的因素有耦合關系。理想的通風量應該隨著掘進巷道風阻及有害氣體濃度和溫度的變化而調整，達到節(jié)約電能的目的[8]。經過現(xiàn)場測試，瓦斯?jié)舛茸兓牟淮_定性是通風量調節(jié)的主要矛盾，一氧化碳和溫度是通風量調節(jié)的次要因素[9]。這里采用相對簡單的模糊控制算法解決通風量控制優(yōu)化問題。

模糊控制是采用一個瓦斯模糊控制閉環(huán)、一個風量模糊控制閉環(huán)和一個一氧化碳、溫度的閥值控制模塊對通風量選擇性輸出，如圖1所示。

圖1 模糊控制結構示意圖

瓦斯模糊控制系統(tǒng)主要由二維自調整模糊控制器、變頻器和瓦斯傳感器組成。掘進工作面的瓦斯傳感器采集瓦斯?jié)舛刃盘?，并與瓦斯?jié)舛仍O定值進行比較，然后進入自調整模糊控制器，根據濃度的偏差和偏差變化率的模糊處理，調整輸出電壓，該電壓與滿足工作人員所需風量(人均4 m3/min)作比較，取兩者中的最大值送至礦用變頻器的電壓輸入端，調整局部通風機轉速，實現(xiàn)掘進工作面通風量的自動控制。

利用MATLAB中的模糊控制軟件包進行仿真設計。二維自調整模糊控制結構設計如下：當掘進工作面瓦斯?jié)舛仍?～0.8%變化時，局部通風機的風量應與瓦斯?jié)舛鹊淖兓嚯S改變[10]。瓦斯?jié)舛绕畹恼撚蛟O為X，瓦斯?jié)舛绕钭兓柿炕撚驗閅，控制論域分為E，模糊論域分為EC。設定X={0，2，4，6，8，10}，控制論域分為E= { PS，NE，PB ，PM ，PV }，其變量分別表述為瓦斯?jié)舛取巴咂詈芨摺?、“偏差較高”、“偏差中”、“偏差小”和“偏差”，如圖2所示。

圖2 瓦斯?jié)舛绕铍`屬函數示意圖

設定瓦斯?jié)舛绕钭兓柿炕撚験={-6，-3，0，3，6}，模糊論域分為EC={NS，NB，PS，ZE，PB}，瓦斯?jié)舛确謩e表述為：“上升很快”“下降很快”、 “上升”“下降”、“正?！?。 瓦斯?jié)舛绕钭兓孰`屬函數如圖3所示。

圖3 瓦斯?jié)舛绕钭兓孰`屬函數圖

瓦斯控制輸出的量化為X={0，2，4，6，8，10}，模糊論域均劃分為U={ A，B，C，D，E }。按工作經驗，瓦斯模糊控制輸出分別表述為: “最大”“較大”、“中”、“低”、“較低”。 如圖4所示。根據通風機工人的工作經驗，得到瓦斯模糊控制規(guī)則表如表1所示。

圖4 輸出量模糊隸屬函數示意圖

表1 瓦斯模糊控制規(guī)則表

經過數據圓整，得出瓦斯模糊控制表如表2所示。

表2 瓦斯模糊控制表

對風量模糊控制模塊，瓦斯模糊控制模塊和溫度，以及一氧化碳模塊的輸出量進行比較，選擇最大的輸出量，作為變頻器的控制量。瓦斯模糊控制與風量模糊控制與類似。

模糊規(guī)則運算得出的控制表是一個模糊子集，需要把控制量的模糊集清晰化，經過信號放大得到一個精確的控制量，為變頻器提供4～20 mA的標準電流信號。

風量模糊控制與瓦斯模糊控制相類似在此不重述。

2 硬件原理

硬件電路原理結構示意圖如圖5所示。

圖5 硬件電路結構示意圖

硬件由微處理器PIC18F458、轉換單元F/V、轉換單元D/A、放大轉換單元U/I、串口通信單元RS232、報警控制單元I/O、CAN 通信驅動MCP2551單元以及顯示電路組成。井下瓦斯、風量傳感器一般輸出100～800 Hz數字信號，由傳感器檢測出掘進工作面的有害氣體濃度(瓦斯、風量、一氧化碳)和溫度等參數，經過頻率/電壓轉換、信號輸入微處理器，通過控制算法信息處理，輸出數字控制信號，信號經過模數轉換和電流電壓轉換，輸出標準4～20 mA電流控制信號，驅動變頻器輸出，改變通風機通風量[10]，達到節(jié)能的目的。

由放大器MCP2551驅動，CAN模塊輸出和上位機進行通信信號遠距離傳輸。LCD觸摸屏就地顯示掘進巷道通風量、瓦斯氣體濃度、一氧化碳、工作面溫度及報警信息。

計算機處理的模糊控制處理信號經過D/A轉換芯片MAX518，把數字信號轉換為電壓模擬信號，再經過V/I轉換芯片AD694把電流信號變?yōu)闃藴?～20 mA電流信號。

3 控制軟件設計

軟件系統(tǒng)由：LCD顯示子程序、初始化程序、串行數模轉換子程序、數字濾波子程序、瓦斯數據子程序、節(jié)能控制子程序、RS232串行通信子程序、風量采集子程序、模數轉換子程序、軟啟動子程序、瓦斯排放子程序、模糊控制子程序以及通信子程序組成。

節(jié)能控制程序框圖如圖6所示。

圖6 節(jié)能控制程序框圖

4 試驗結果及分析

新疆煤礦礦用安全產品檢驗中心在新疆煤礦機電工程技術研究中心對該系統(tǒng)在進行了試驗，使用的主要設備及儀器儀表如表3所示。試驗依據《煤礦安全規(guī)程》、AQ1011—2005《煤礦在用主通風機系統(tǒng)安全檢測檢驗規(guī)范》、MT/T 1071—2008《煤礦在用主通風機裝置節(jié)能監(jiān)測規(guī)范和判定方法》、MT 222—1996《煤礦用局部通風機》、MT 222—2007《煤礦用局部通風機技術條件》、MT/T 1107—2011《煤礦局部通風機自動調速裝置》進行，所得試驗結果如表4所示。

表3 試驗所用主要設備及儀器儀表

從表4可以看出，使用15 kW異步電動機，輸入瓦斯?jié)舛?.1%～1.3%，在模糊控制的瓦斯?jié)舛乳]環(huán)中，隨著瓦斯?jié)舛鹊脑黾?，異步電機的輸入有功功率也同步增加。瓦斯?jié)舛仍?.1%時對應是變頻器輸出頻率13.7 Hz，對應電機輸出有功功率為3.65 kW，控制風速是煤礦安全規(guī)程要求的最低風速2.5 m/s，隨著瓦斯?jié)舛鹊纳?，電機輸出功率增大，當瓦斯?jié)舛冗_到1.3%時，變頻器輸出達到49.6 Hz，電機輸出功率達到12.9 kW,局部通風機轉速隨著升高，實現(xiàn)了瓦斯?jié)舛葘νL機風量的自動控制，達到控制節(jié)能的目的。

表4 試驗結果

5 結束語

裝置的研制提高了煤礦掘進工作面的通風能力，對瓦斯、粉塵和一氧化碳超限，能自動加大風量，有效地減少了工作面有毒有害、易燃易爆物質，大大提升了工作面安全系數，改善了作業(yè)環(huán)境，提高了煤礦安全生產程度。根據瓦斯?jié)舛瓤梢宰詣涌刂普{節(jié)風量，減少電能浪費，實現(xiàn)節(jié)能通風。

瓦斯排放自動減風量功能，局部通風機軟啟動和現(xiàn)場總線數據遠傳功能，以及控制裝置具有瓦斯電閉鎖功能、風電閉鎖功能和雙電源雙風機自動切換功能，不僅改善了工人生產勞動環(huán)境也降低了煤礦局部通風機噪音。