煤礦局部通風(fēng)機(jī)瓦斯?jié)舛茸詣?dòng)調(diào)節(jié)及節(jié)能控制研究

陳志峰，郭珊珊，徐立軍，李峰

(1. 新疆工程學(xué)院 安全科學(xué)與工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830023；2. 新疆工程學(xué)院 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830023；3. 新疆工程學(xué)院 新疆煤礦機(jī)電工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830023；4. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

在規(guī)范設(shè)計(jì)中，局部通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量由根據(jù)瓦斯最大的涌出量等因素確定[1]。局部通風(fēng)機(jī)功率設(shè)計(jì)選型偏大不僅會(huì)電能浪費(fèi)較大，造成噪音和嚴(yán)重煤塵飛揚(yáng)，給工人身體健康造成危害，還會(huì)導(dǎo)致因煤塵濃度超標(biāo)增加粉塵爆炸[2-3]。

煤礦在不同的掘進(jìn)階段采用不同功率的通風(fēng)機(jī)，增大了投資。一般采用在局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)道上安裝風(fēng)擋等方法，減少風(fēng)流量強(qiáng)度，導(dǎo)致電能浪費(fèi)較大。還有煤礦采用人工調(diào)節(jié)變頻器的方法，從動(dòng)降低風(fēng)量，對(duì)于瓦斯突然涌出變化，造成了瓦斯超標(biāo)[4-6],導(dǎo)致瓦斯爆炸事故。在瓦斯排放過(guò)程中，通風(fēng)機(jī)運(yùn)行而造成瓦斯排放的“一風(fēng)吹”，隅角聚集瓦斯，局部瓦斯超標(biāo)[7]。

本文研制了一種采用模糊控制算法的煤礦局部通風(fēng)機(jī)瓦斯?jié)舛茸詣?dòng)調(diào)節(jié)與節(jié)能控制系統(tǒng)，可通過(guò)分析瓦斯?jié)舛取⑻蓟餄舛鹊茸兞颗c通風(fēng)機(jī)通風(fēng)量的關(guān)系，及時(shí)調(diào)節(jié)局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)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(fēng)機(jī)電能浪費(fèi)。

1 節(jié)能控制原理分析

通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量與有害氣體濃度(掘進(jìn)巷道風(fēng)阻及瓦斯?jié)舛取⒁谎趸細(xì)怏w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(guān)系。理想的通風(fēng)量應(yīng)該隨著掘進(jìn)巷道風(fēng)阻及有害氣體濃度和溫度的變化而調(diào)整，達(dá)到節(jié)約電能的目的[8]。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，瓦斯?jié)舛茸兓牟淮_定性是通風(fēng)量調(diào)節(jié)的主要矛盾，一氧化碳和溫度是通風(fēng)量調(diào)節(jié)的次要因素[9]。這里采用相對(duì)簡(jiǎn)單的模糊控制算法解決通風(fēng)量控制優(yōu)化問(wèn)題。

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

圖1 模糊控制結(jié)構(gòu)示意圖

瓦斯模糊控制系統(tǒng)主要由二維自調(diào)整模糊控制器、變頻器和瓦斯傳感器組成。掘進(jìn)工作面的瓦斯傳感器采集瓦斯?jié)舛刃盘?hào)，并與瓦斯?jié)舛仍O(shè)定值進(jìn)行比較，然后進(jìn)入自調(diào)整模糊控制器，根據(jù)濃度的偏差和偏差變化率的模糊處理，調(diào)整輸出電壓，該電壓與滿(mǎn)足工作人員所需風(fēng)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(diào)整局部通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面通風(fēng)量的自動(dòng)控制。

利用MATLAB中的模糊控制軟件包進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。二維自調(diào)整模糊控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：當(dāng)掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛仍?～0.8%變化時(shí)，局部通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量應(yīng)與瓦斯?jié)舛鹊淖兓嚯S改變[10]。瓦斯?jié)舛绕畹恼撚蛟O(shè)為X，瓦斯?jié)舛绕钭兓柿炕撚驗(yàn)閅，控制論域分為E，模糊論域分為EC。設(shè)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詈芨摺薄ⅰ捌钶^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(shù)示意圖

設(shè)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”、“正常”。 瓦斯?jié)舛绕钭兓孰`屬函數(shù)如圖3所示。

圖3 瓦斯?jié)舛绕钭兓孰`屬函數(shù)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(jīng)驗(yàn)，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(jù)通風(fēng)機(jī)工人的工作經(jīng)驗(yàn)，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(shù)示意圖

表1 瓦斯模糊控制規(guī)則表

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)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(duì)風(fēng)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(jìn)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(fēng)量模糊控制與類(lèi)似。

模糊規(guī)則運(yùn)算得出的控制表是一個(gè)模糊子集，需要把控制量的模糊集清晰化，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大得到一個(gè)精確的控制量，為變頻器提供4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。

風(fēng)量模糊控制與瓦斯模糊控制相類(lèi)似在此不重述。

2 硬件原理

硬件電路原理結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖

硬件由微處理器PIC18F458、轉(zhuǎn)換單元F/V、轉(zhuǎn)換單元D/A、放大轉(zhuǎn)換單元U/I、串口通信單元RS232、報(bào)警控制單元I/O、CAN 通信驅(qū)動(dòng)MCP2551單元以及顯示電路組成。井下瓦斯、風(fēng)量傳感器一般輸出100～800 Hz數(shù)字信號(hào)，由傳感器檢測(cè)出掘進(jìn)工作面的有害氣體濃度(瓦斯、風(fēng)量、一氧化碳)和溫度等參數(shù)，經(jīng)過(guò)頻率/電壓轉(zhuǎn)換、信號(hào)輸入微處理器，通過(guò)控制算法信息處理，輸出數(shù)字控制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換和電流電壓轉(zhuǎn)換，輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA電流控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)變頻器輸出，改變通風(fēng)機(jī)通風(fēng)量[10]，達(dá)到節(jié)能的目的。

由放大器MCP2551驅(qū)動(dòng)，CAN模塊輸出和上位機(jī)進(jìn)行通信信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸。LCD觸摸屏就地顯示掘進(jìn)巷道通風(fēng)量、瓦斯氣體濃度、一氧化碳、工作面溫度及報(bào)警信息。

計(jì)算機(jī)處理的模糊控制處理信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換芯片MAX518，把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓模擬信號(hào)，再經(jīng)過(guò)V/I轉(zhuǎn)換芯片AD694把電流信號(hào)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)4～20 mA電流信號(hào)。

3 控制軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)由：LCD顯示子程序、初始化程序、串行數(shù)模轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)字濾波子程序、瓦斯數(shù)據(jù)子程序、節(jié)能控制子程序、RS232串行通信子程序、風(fēng)量采集子程序、模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序、軟啟動(dòng)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(yàn)結(jié)果及分析

新疆煤礦礦用安全產(chǎn)品檢驗(yàn)中心在新疆煤礦機(jī)電工程技術(shù)研究中心對(duì)該系統(tǒng)在進(jìn)行了試驗(yàn)，使用的主要設(shè)備及儀器儀表如表3所示。試驗(yàn)依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》、AQ1011—2005《煤礦在用主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)安全檢測(cè)檢驗(yàn)規(guī)范》、MT/T 1071—2008《煤礦在用主通風(fēng)機(jī)裝置節(jié)能監(jiān)測(cè)規(guī)范和判定方法》、MT 222—1996《煤礦用局部通風(fēng)機(jī)》、MT 222—2007《煤礦用局部通風(fēng)機(jī)技術(shù)條件》、MT/T 1107—2011《煤礦局部通風(fēng)機(jī)自動(dòng)調(diào)速裝置》進(jìn)行，所得試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表3 試驗(yàn)所用主要設(shè)備及儀器儀表

從表4可以看出，使用15 kW異步電動(dòng)機(jī)，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)舛鹊脑黾樱惒诫姍C(jī)的輸入有功功率也同步增加。瓦斯?jié)舛仍?.1%時(shí)對(duì)應(yīng)是變頻器輸出頻率13.7 Hz，對(duì)應(yīng)電機(jī)輸出有功功率為3.65 kW，控制風(fēng)速是煤礦安全規(guī)程要求的最低風(fēng)速2.5 m/s，隨著瓦斯?jié)舛鹊纳撸姍C(jī)輸出功率增大，當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1.3%時(shí)，變頻器輸出達(dá)到49.6 Hz，電機(jī)輸出功率達(dá)到12.9 kW,局部通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨著升高，實(shí)現(xiàn)了瓦斯?jié)舛葘?duì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的自動(dòng)控制，達(dá)到控制節(jié)能的目的。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

裝置的研制提高了煤礦掘進(jìn)工作面的通風(fēng)能力，對(duì)瓦斯、粉塵和一氧化碳超限，能自動(dòng)加大風(fēng)量，有效地減少了工作面有毒有害、易燃易爆物質(zhì)，大大提升了工作面安全系數(shù)，改善了作業(yè)環(huán)境，提高了煤礦安全生產(chǎn)程度。根據(jù)瓦斯?jié)舛瓤梢宰詣?dòng)控制調(diào)節(jié)風(fēng)量，減少電能浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能通風(fēng)。

瓦斯排放自動(dòng)減風(fēng)量功能，局部通風(fēng)機(jī)軟啟動(dòng)和現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能，以及控制裝置具有瓦斯電閉鎖功能、風(fēng)電閉鎖功能和雙電源雙風(fēng)機(jī)自動(dòng)切換功能，不僅改善了工人生產(chǎn)勞動(dòng)環(huán)境也降低了煤礦局部通風(fēng)機(jī)噪音。