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矿井通风模糊控制系统设计

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  摘 要:针对当前矿井通风系统的不足,进行了基于模糊逻辑的风机控制系统设计。首先给出了由监控计算机、现场控制器、变频器、风机本体以相应的控制软件构成系统总体方案。然后介绍了模糊控制系统的基本原理,进而以矿井巷道温度、湿度等环境信息为输入量,设计模糊控制逻辑,建立模糊规则表,动态地调整矿井的风机运行状态。
  关键词:矿井;通风系统;模糊控制;环境监测
  DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.085
  1 引言
   伴随着采矿工业的持续发展,受生产环境、技术装备、管理水平等诸多因素的限制,各种安全问题及事故时有发生[1]。矿井事故的发生受多种因素影响,其中井下环境是保障矿山安全的重要因素,而通风系统是改善矿井环境的主要手段[2]。
   矿井通风系统主要由通风机和通风网络两部分组成,其基本任务是为井下提供足够的新鲜空气,满足井下工人对氧气的需求,同时排出和冲淡矿井中的有毒有害气体和粉尘,调节井下环境气候,保障工作人员健康安全。过去的通风系统一般采用传统的继电器-接触器控制方法,为现场的人工操作控制。近年来,随着电力电子技术的发展,变频器在矿井通风系统中的应用逐渐得到普及。变频器能够通过改变频率输出的方式,调节风机转速,同时实现节能降耗。但目前的通风风机控制一般采用固定转速或分级转速,不能根据矿井的实时环境信息对风机转速进行动态地自动调整,也就没能充分发挥变频器的节能潜力[3]。
   本文设计了基于矿井动态环境信息的矿井风机模糊控制系统,给出了控制系统总体架构、系统组成、控制逻辑等内容。
  2 系统总体方案
   如图1所示,矿井风机模糊控制系统由监控计算机、现场控制器、变频器、风机本体、状态采集传感器等部分组成,能够实现风机启停、调速、状态监测、远程控制功能。
  2.1 监控计算机
   整个通风系统的状态监控,风机启停控制、健康管理、历史数据存储与查询等功能由监控计算机实现。监控计算机一般采用高可靠性高性能工业计算机,接入矿井综合环网与现场的PLC控制器进行数据交互,实现风机的远程自动控制。
  2.2 现场控制器
   在风机控制系统之中,现场控制器是核心器件,一般采用PLC、单片机等嵌入式控制器,其中PLC以其高可靠性、稳定性和环境适应能力,成为井下风机控制器的首选[4]。控制器依据状态感知环节获取的井下环境信息进行模糊控制律解算,得到风机的期望给定,并输出给变频器,由变频器进一步控制,实现风机调速。同时现场控制器可以通过现场控制面板,实现风机的现场控制以及主要运行参数的显示。
  2.3 状态采集
   状态采集主要包括环境信息采集和风机状态采集两部分。环境信息采集是指对巷道内的空气温度、湿度、氧气、二氧化碳、典型有害气体浓度进行实时采集处理,作为控制器进行模糊控制的依据。风机状态信息包括风机的电压、电流、温度等状态信息,主要用于风机的健康监测。
  3 模糊控制逻辑设计
  3.1 模糊控制
   模糊系统是指由模糊现象引起的不确定性系统,模糊控制系统是一种自动控制系统。模糊推理是模糊控制系统的理论基础,以模糊集合和模糊逻辑知识为依据,可以实现复杂的非线性映射关系。模糊推理系统的基本结构如图2所示:
   对于外界输入的精确量值,首选需要进行模糊化处理,将其转化为论域上的模糊集合。同时根据被控对象的客观属性和控制要求,建立模糊规则库,并设计模糊推理方法;然后根据输入的模糊信息和模糊规则库中的模糊规则,由模糊推理,得到针对当前输入的模糊推理结果。模糊推理的最后步骤是清晰化,即得到最终输出的精确量值。
   根据输入、输出、隶属度函数的不同,模糊控制系统可分为连续系统和离散系统两类。其中离散模糊控制系统的输入、输出、隶属度函数均为离散型。对有限个数的输入量,经模糊推理后,得到有限个数的输出量,进而得到一个对应着输入输出关系的模糊推理表。在应用过程中,根据系统输入值,通过查询该模糊推理表的方式,得到对应的输出值。这种离线设计推理表,在线查询的方式,只需要极小的在线计算量,对控制器的计算能力、存储容量都不需要太高的要求,因此特别适合实时性要求高的场合。
  3.2 控制逻辑设计
   结合地面环境温度、湿度情况,以及矿井各个采集点的温度、湿度、粉尘浓度等环境信息,采用模糊逻辑控制方法,设计模糊控制逻辑,建立模糊规则表,建立采集节点与风机节点控制量的模糊关系,在某个采集节点出现空气质量变化时,根据模糊逻辑表,调整对应的风机控制量,动态地调整矿井的风机运行状态。
   将巷道温度、湿度作为输入量,划分为不同的论域,建立二维的模糊规则表,通过查表的方式,确定对风机控制量,实现风机调速。在矿井空气质量出现毒害气体超标、粉尘浓度超标等进入特殊情况时,则进入应急控制模式,加大供风量,必要时进行灾害应急处理。
   将巷道湿度设置为四个区间,分别是NL、NS、PS和PL,对应的温度区间和隶属度值如表1所示。巷道温度的区间范围和隶属度如表2所示。以控制器输出的模拟电压值为模糊控制系统的输出量,设计模糊逻辑如表3所示。
   加权平均法是一种常用的清晰化方法,能够充分利用推理结果中的所有模糊信息,具有鲁棒性好等优点,在此采用加权平均的清晰化方法。对于离散论域情况,加权平均法的计算公式为:
   式中,为论域中的元素数,是论域的第个点的模糊值,是的隶属度。
  4 结论
   针对矿井通风系统设计问题,首先从安全生产、节能降耗等角度分析了当前我国矿井通风系统存在的主要问题。然后给出了矿井風机模糊控制系统的系统组成方案,主要由监控计算机、现场控制器、变频器、风机本体以相应的控制软件等部分。进而进行了矿井风机模糊控制系统的设计,包括模糊控制系统的基本原理和步骤,针对矿井通风问题,进行了以巷道温度、湿度为输入量的论域划分,以电压输出为控制量的模糊逻辑设计,最后采用了加权平均法进行控制量的清晰化处理。
  参考文献:
  [1]贾澄冰.矿井事故中不安全行为的分析及对策[J].中州煤炭,2008
  (01):86-87.
  [2]司俊鸿.矿井通风系统风流参数动态监测及风量调节优化[D].中国矿业大学,2012.
  [3]王海宁,彭斌,彭家兰,刘成敏,汪光鑫.大型复杂矿井通风系统的共性问题分析与优化实践[J].安全与环境学报,2014,14(03):24-27.
  [4]郑瑞,董万福.基于单片机的煤矿主通风机监控系统设计[J].成都大学学报(自然科学版),2013,32(02):162-164+168.
  本论文来源于山东省重点研发计划项目,项目名称《矿山产业智慧工场关键技术研究与示范》,项目编号:2016CYJS06A01
  作者简介:罗春泽(1982-),男,黑龙江鸡西人,本科,工程师,研究方向:矿山自动化。
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