礦井通風模糊控制系統設計

羅春澤 張文杰

摘 要：針對當前礦井通風系統的不足，進行了基于模糊邏輯的風機控制系統設計。首先給出了由監控計算機、現場控制器、變頻器、風機本體以相應的控制軟件構成系統總體方案。然后介紹了模糊控制系統的基本原理，進而以礦井巷道溫度、濕度等環境信息為輸入量，設計模糊控制邏輯，建立模糊規則表，動態地調整礦井的風機運行狀態。

關鍵詞：礦井;通風系統;模糊控制;環境監測

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.085

1 引言

伴隨著采礦工業的持續發展，受生產環境、技術裝備、管理水平等諸多因素的限制，各種安全問題及事故時有發生[1]。礦井事故的發生受多種因素影響，其中井下環境是保障礦山安全的重要因素，而通風系統是改善礦井環境的主要手段[2]。

礦井通風系統主要由通風機和通風網絡兩部分組成，其基本任務是為井下提供足夠的新鮮空氣，滿足井下工人對氧氣的需求，同時排出和沖淡礦井中的有毒有害氣體和粉塵，調節井下環境氣候，保障工作人員健康安全。過去的通風系統一般采用傳統的繼電器-接觸器控制方法，為現場的人工操作控制。近年來，隨著電力電子技術的發展，變頻器在礦井通風系統中的應用逐漸得到普及。變頻器能夠通過改變頻率輸出的方式，調節風機轉速，同時實現節能降耗。但目前的通風風機控制一般采用固定轉速或分級轉速，不能根據礦井的實時環境信息對風機轉速進行動態地自動調整，也就沒能充分發揮變頻器的節能潛力[3]。

本文設計了基于礦井動態環境信息的礦井風機模糊控制系統，給出了控制系統總體架構、系統組成、控制邏輯等內容。

2 系統總體方案

如圖1所示，礦井風機模糊控制系統由監控計算機、現場控制器、變頻器、風機本體、狀態采集傳感器等部分組成，能夠實現風機啟停、調速、狀態監測、遠程控制功能。

2.1 監控計算機

整個通風系統的狀態監控，風機啟停控制、健康管理、歷史數據存儲與查詢等功能由監控計算機實現。監控計算機一般采用高可靠性高性能工業計算機，接入礦井綜合環網與現場的PLC控制器進行數據交互，實現風機的遠程自動控制。

2.2 現場控制器

在風機控制系統之中，現場控制器是核心器件，一般采用PLC、單片機等嵌入式控制器，其中PLC以其高可靠性、穩定性和環境適應能力，成為井下風機控制器的首選[4]。控制器依據狀態感知環節獲取的井下環境信息進行模糊控制律解算，得到風機的期望給定，并輸出給變頻器，由變頻器進一步控制，實現風機調速。同時現場控制器可以通過現場控制面板，實現風機的現場控制以及主要運行參數的顯示。

2.3 狀態采集

狀態采集主要包括環境信息采集和風機狀態采集兩部分。環境信息采集是指對巷道內的空氣溫度、濕度、氧氣、二氧化碳、典型有害氣體濃度進行實時采集處理，作為控制器進行模糊控制的依據。風機狀態信息包括風機的電壓、電流、溫度等狀態信息，主要用于風機的健康監測。

3 模糊控制邏輯設計

3.1 模糊控制

模糊系統是指由模糊現象引起的不確定性系統，模糊控制系統是一種自動控制系統。模糊推理是模糊控制系統的理論基礎，以模糊集合和模糊邏輯知識為依據，可以實現復雜的非線性映射關系。模糊推理系統的基本結構如圖2所示：

對于外界輸入的精確量值，首選需要進行模糊化處理，將其轉化為論域上的模糊集合。同時根據被控對象的客觀屬性和控制要求，建立模糊規則庫，并設計模糊推理方法;然后根據輸入的模糊信息和模糊規則庫中的模糊規則，由模糊推理，得到針對當前輸入的模糊推理結果。模糊推理的最后步驟是清晰化，即得到最終輸出的精確量值。

根據輸入、輸出、隸屬度函數的不同，模糊控制系統可分為連續系統和離散系統兩類。其中離散模糊控制系統的輸入、輸出、隸屬度函數均為離散型。對有限個數的輸入量，經模糊推理后，得到有限個數的輸出量，進而得到一個對應著輸入輸出關系的模糊推理表。在應用過程中，根據系統輸入值，通過查詢該模糊推理表的方式，得到對應的輸出值。這種離線設計推理表，在線查詢的方式，只需要極小的在線計算量，對控制器的計算能力、存儲容量都不需要太高的要求，因此特別適合實時性要求高的場合。

3.2 控制邏輯設計

結合地面環境溫度、濕度情況，以及礦井各個采集點的溫度、濕度、粉塵濃度等環境信息，采用模糊邏輯控制方法，設計模糊控制邏輯，建立模糊規則表，建立采集節點與風機節點控制量的模糊關系，在某個采集節點出現空氣質量變化時，根據模糊邏輯表，調整對應的風機控制量，動態地調整礦井的風機運行狀態。

將巷道溫度、濕度作為輸入量，劃分為不同的論域，建立二維的模糊規則表，通過查表的方式，確定對風機控制量，實現風機調速。在礦井空氣質量出現毒害氣體超標、粉塵濃度超標等進入特殊情況時，則進入應急控制模式，加大供風量，必要時進行災害應急處理。

將巷道濕度設置為四個區間，分別是NL、NS、PS和PL，對應的溫度區間和隸屬度值如表1所示。巷道溫度的區間范圍和隸屬度如表2所示。以控制器輸出的模擬電壓值為模糊控制系統的輸出量，設計模糊邏輯如表3所示。

加權平均法是一種常用的清晰化方法，能夠充分利用推理結果中的所有模糊信息，具有魯棒性好等優點，在此采用加權平均的清晰化方法。對于離散論域情況，加權平均法的計算公式為：

式中，為論域中的元素數，是論域的第個點的模糊值，是的隸屬度。

4 結論

針對礦井通風系統設計問題，首先從安全生產、節能降耗等角度分析了當前我國礦井通風系統存在的主要問題。然后給出了礦井風機模糊控制系統的系統組成方案，主要由監控計算機、現場控制器、變頻器、風機本體以相應的控制軟件等部分。進而進行了礦井風機模糊控制系統的設計，包括模糊控制系統的基本原理和步驟，針對礦井通風問題，進行了以巷道溫度、濕度為輸入量的論域劃分，以電壓輸出為控制量的模糊邏輯設計，最后采用了加權平均法進行控制量的清晰化處理。

參考文獻：

[1]賈澄冰.礦井事故中不安全行為的分析及對策[J].中州煤炭，2008

（01）：86-87.

[2]司俊鴻.礦井通風系統風流參數動態監測及風量調節優化[D].中國礦業大學，2012.

[3]王海寧，彭斌，彭家蘭，劉成敏，汪光鑫.大型復雜礦井通風系統的共性問題分析與優化實踐[J].安全與環境學報，2014，14（03）：24-27.

[4]鄭瑞，董萬福.基于單片機的煤礦主通風機監控系統設計[J].成都大學學報（自然科學版），2013，32（02）：162-164+168.

本論文來源于山東省重點研發計劃項目，項目名稱《礦山產業智慧工場關鍵技術研究與示范》，項目編號：2016CYJS06A01

作者簡介：羅春澤（1982-），男，黑龍江雞西人，本科，工程師，研究方向：礦山自動化。