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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