鎢礦井下通風機監控系統及控制算法研究

盧帆興，王 琪

（江西理工大學應用科學學院， 江西贛州市 341000）

鎢礦井下通風機監控系統及控制算法研究

盧帆興，王 琪

（江西理工大學應用科學學院， 江西贛州市 341000）

針對多數鎢礦井下通風系統中風機監控技術落后，影響井下通風安全問題，設計了基于可編程控制器（PLC）的井下風機智能監控系統，考慮到風機負壓、流量等被監控參數存在較大的時滯現象，提出了利用Smith預估控制算法對其實施有效監控。改造后的運行情況說明，系統運行可靠、性能優良。

鎢礦；主通風機；智能監控；Smith預估器；仿真分析

1 鎢礦井下通風系統簡介

鎢礦井下主風井通風系統構成［1］如圖1所示。考慮到設備的備用問題，設置了兩套獨立的通風機總成，每套總成配有2臺對轉的280kW感應電動機，單一總成均設有獨立風道，風道首先通過立式風門，經由斜風門后，在斜井口匯入主風井。正常情況下只有一套通風機總成工作，通過控制兩套總成立式風門和斜風門的開閉可以保證相互間的氣密性。通風流量視電動機開啟數量而定，最大流量為2×3500m3／min。

圖1 鎢礦井下主風井通風系統構成

2 監控系統組成原理和功能設計

監控系統組成［2－3］如圖2所示。系統選用控制性能優越、抗干擾能力強、能夠適應惡劣環境的西門子S7－300PLC作為主控制器［4］，實現對主風機數字量模塊和模擬量參數模塊的實時監控。其中數字量監控參數有電機參數、變頻器參數、立式風門與斜風門控制參數，模擬量參數有主風機溫度參數、風峒的風流量與負壓參數、氣動參數與振動參數。系統的相關閾值和控制操作由嵌入式觸摸屏設定或操控，監控系統電源采用西門子PLC電源模塊供電。上位機配置主、備用計算機各1臺，通過網關和工控服務器與主風機監控系統進行無線通信。其中PLC對主風機及風門的控制過程是：當接到主風機運行指令時，PLC判斷系統運行方式控制主風機啟動。若為變頻方式則進行主風機的變頻軟啟動，以降低起動電流，減小對電網的沖擊。當電動機由零頻率啟動到設定頻率時，PLC控制風門絞車開啟該風道立式風門與斜風門，關閉另一風道的立式風門與斜風門。為了避免風門在開關過程中不到位而引起漏風從而降低風機效率，風門的上端設置了開觸點和閉觸點，PLC實時采集風門的觸點狀態精確控制風門絞車的運轉。兩道風門完全開啟后，1號主風機進入額定運行狀態（2號主風機停車）。當1號主風機的開啟電流小于額定電流時，自動開啟2號主風機和2號立式風門與斜風門，通風系統處于雙主風機運行模式。

主風機監控系統的模擬量、數字量的實時監測說明如下。

（1）風流量和負壓監測。由于檢測環境限制，且監控過程具有較大慣性和時滯，加之井下氣體成分復雜、濕度大，粉塵含量高，所以依靠標準的流量測量儀和壓力傳感器表來完成這類參數的檢測缺乏可行度和準確性。有些企業根據壓差原理，選用昂貴的流量傳感器來檢測風機流量，通過主風機入口打孔將壓力傳感器植入測量負壓，其效果都不甚理想。本文提出的基于Smith預估算法［3］的風機流量及負壓智能監測，取得了很好的收效。

（2）電氣設備運行參數的監測。通過低壓柜中的EDA9033A專用電力參數采集模塊與PLC相連，采用ModBus通信協議，能夠完成三相交流電壓、電流、有功功率、功率因數等電氣參數的測量，包括變頻器的運行狀態的檢測。

（3）主電機定子溫度與軸承振動檢測。在各電機的三相定子和前后軸承上安裝熱電偶WAPJPT100，將PLC（S7－300）的接口模塊SM331的輸入方式進行設置，熱電偶信號經轉換送入PLC的CPU，將其轉換成溫度值，再存入相應的數據模塊中。在電機的前后軸承安裝振動傳感器，它可將振動烈度線性轉換成電流信號，經SM331將其轉換成數字信號送入CPU以供相應控制之用。

3 基于Smith預估控制算法的研究

在井下通風機監控系統中，風流量和負壓是2個典型的大慣性、大時滯參數。因此提高控制子系統的穩定性、改善控制動態響應特性和控制精度，是值得深入研究的問題。本監控子系統采用了Dhalin－Smith預估控制算法［5］，對子系統的控制性能進行改進。利用Smith預估器對大慣性、大時滯環節進行補償，得到控制子系統結構（見圖3），其中GP（S）·e－τs為被控對象的傳遞函數。

圖3 風量、負壓監控子系統結構

子系統沒有采用Smith環節時的閉環傳遞函數為式（1），子系統采用了Smith環節時的閉環傳遞函數則為式（2）。由兩式對比可知，加了Smith預估環節后，子系統的閉環特征方程不再含有影響系統穩定性的因子e－τs，這時便可以使用常規的控制手段進行控制，只是子系統響應推遲了時間e－τs而已。

4 子系統仿真分析

上述子系統根據鎢礦井下實際工況計算分析，可以簡化為一個慣性環節和一個時滯環節的相互串聯，其閉環傳遞函數可以表述為：Φ（s）＝KPe－τs／（Ts ＋1）。為了驗證上述控制方案的可行性，就這一閉環傳遞函數進行了MATLAB系統仿真［6］。根據風機監控系統調試得到的相關數據，選定：T＝60s，KP＝5，τ＝30s，采樣周期為1s，其單位階躍響應仿真如圖4所示。仿真結果表明Smith預估控制算法，能很好消除因監控對象的大慣性、大時滯對監控子系統的影響。

圖4 風量、負壓監控子系統單位階躍響應MATLAB仿真

5 結 語

本文就鎢礦企業井下風機監控系統所存在的技術與設備落后、監控參數不全、控制精度不高等問題，提出了基于PLCS7－300的風機智能監控系統設計方案，利用新型、可靠性高的可編程控制器件和先進的控制技術實現對原監控系統的升級換代。針對一些慣性、時滯環節的控制對象，系統采用Smith預估控制算法消除其對控制系統帶來的不利影響。實際應用表明，PLC控制器件及其總成能很好地適應井下惡劣環境，系統集操作、監控、管理于一體，使相關設備的自動化水平得到了提高，且系統能對風機總成的相關構件完成實時有效的監控，運行靈活高效、安全可靠。

［1］胡亞非.礦井主通風機風量在線監控實驗研究［J］.中國礦業大學學報，1996（3）：106－110.

［2］黃利國，華 鋼，張 培.主扇風機在線監控系統設計［J］.淮陰工學院學報，2009，18（1）：23－26.

［3］王進水，王益軍.基于S7－300的礦井主通風機智能監控系統［J］.礦山機械，2011，39（1）：33－35.

［4］廖常初.S7－300／400應用技術［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［5］朱小東，王 軍.基于Smith的純滯后系統的控制［J］.鄭州大學學報，2004，26（6）：77－81.

［6］周向志，劉文斯，林育華.基于MATLAB處理礦井主通風機性能實驗參數［J］.礦業工程研究，2010（2）：41－45.

2011－08－11）

盧帆興（1965－），男，江西永豐人，副教授，碩士，主要從事ARM嵌入式系統、網絡通信、智能控制研究。