礦井局部通風機變頻控制系統的設計研究

常新明，陳國棟，李 相，孫 偉

(河南能源化工集團 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600)

局部通風機是礦井保障安全生產的關鍵性設備，通過局部通風機實現內外空氣的交換，降低掘進工作面瓦斯濃度。局部通風機對掘進工作面安全生產有著直接的關系，除了可以稀釋瓦斯濃度，還可以對一線作業人員的工作面進行降溫，以保障職業健康安全。通常局部通風機是按照不變的轉速進行新鮮空氣的輸送，當瓦斯濃度降至安全范圍內，仍然以相同的轉速進行通風，無法滿足節約能源的要求，對于煤礦企業也不具有經濟性。為了提高局部通風機智能化水平，使得轉速能夠根據瓦斯濃度進行實時的調整，降低工作能耗，設計了局部通風機變頻調速控制系統，解決目前局部通風機運行效率過低、日常管理不善、智能化水平落后、運行效率較低的問題[1]。通風機的變頻調速控制系統將實現電機的無級調速，能夠根據瓦斯濃度變換轉速。利用變頻器自身的本質安全功能，完善了調速控制系統的設計功能。掘進工作面對于新鮮空氣的通風量也將根據變頻調速控制系統進行調節，最大化地利用轉動風機的運行功率，可以節省耗電費用。

1 掘進工作面局部通風的設計

1.1 局部通風工作方式

礦井所采用的通風系統分為主通風系統的局部通風系統。由于礦井內工作巷道錯綜復雜，僅采用主通風系統無法達到良好的效果。需要在延伸出的狹小巷道內布置局部通風系統，使得在該處工作的一線作業人員呼吸到新鮮空氣。局部通風系統根據氣體的流向，可以分為壓入式、抽出式和混合式3種通風模式[2]。其中，壓入式通風有效輻射范圍較廣，對于通風管材質選擇更加廣泛，但是對于氣體污染的問題無法有效解決。抽出式通風的效果較差，必須選用剛性通風管，受到了管材的限制，在實際應用中具有較大的局限性。以混合式通風為研究對象，該類通風方法集合了壓入式和抽出式通風的優點，具有較廣泛的適用性[3]。以混合式局部通風方法中的長抽長壓式通風方式為調速控制系統的設計對象，如圖1所示。

圖1 長抽長壓式通風方式示意Fig.1 Schematic diagram of long-draw and long-pressure ventilation

1.2 掘進工作面設備布置情況

局部通風裝置與其余的瓦斯傳感器、防爆傳感器等裝置聯合組成了掘進工作面的安全體系。各類設備在掘進工作面按照一定的距離合理布置有效的監測瓦斯濃度的數據，并在瓦斯濃度超過限值后進行排除。調速控制系統的研發，需要根據局部通風機在掘進工作面布置方式及位置進行設計。局部通風機和相關傳感器的布置方式如圖2所示。由圖2可知，T1、T2、T3為布置于掘進工作面的瓦斯傳感器，在工作巷道的迎風處對瓦斯濃度進行檢測。K為局部通風系統，D為局部通風系統的通風管道，F為風速傳感器，能夠為局部通風系統提供風速的數據。

圖2 掘進工作面局部通風機布置Fig.2 Schematic diagram of local ventilator layout in fully-mechanized mining face

1.3 局部通風系統的調速方式

局部通風系統要達到降低能耗的目的，主要通過3個方式：①減少通風機的運行時間；②提高通風電機與其他傳感器聯動的工作效率；③降低掘進工作面的粉塵[4]。但是由于生產不能停運，通過方式①降低能耗不現實。因此，應當通過控制流過掘進工作面的風量與風壓來降低局部通風機的能源消耗。調速控制系統應當依據電動機頻率、極對數、轉差率3個因素實現變頻調速，節能效果可達60%。可以得出，減小通風量和降低轉速是調速控制系統按照瓦斯濃度調節供應風量的方式。

2 調速控制系統設計方案

2.1 系統平臺技術指標

調速控制信息系統的技術指標主要分為基本參數和環境條件。調速控制的硬件系統額定輸入電壓為600 V、輸出功率為3 000 W、控制方式為變頻結合模糊的控制方法，額定輸入頻率與輸出頻率范圍分別為50 Hz±2%和0～50 Hz[5]，以上數據組成基本參數指標。環境條件包括使用場所、環境溫度和環境濕度。使用場所定義為瓦斯氣體環境，并且其余非絕緣體材料沒有被破壞。環境溫度最高為40 ℃，該溫度為1個工作日內各個時刻的平均溫度，環境濕度不得大于98%[6]。

2.2 變頻調速模糊控制器設計方案

變頻調速控制系統是一套獨立的控制系統。摒棄傳統的以PLC作為中央處理器的工業系統，將采用TMS320F28335型DSP處理器代替傳統的工業處理器實現模糊算法在工業系統中的應用[7]。DSP處理器將同時處理局部通風機和風速傳感器的數據信號，同時配備2套供電系統，實現雙路控制，防止由于供電系統故障導致整機的停機，提高控制系統的安全可靠性。變頻調速控制系統的設計方案如圖3所示。

圖3 變頻調速控制系統設計方案Fig.3 Design scheme of frequency conversion speed regulation control system

由圖3可知，調試控制系統，實現了雙機切換，可根據手動工作模式和自動模工作模式的操作優勢進行切換。通風電機的速率降低時，瓦斯傳感器的檢測靈敏性將增加，由原有的輸出頻率50 Hz增大為120 Hz，持續檢測時間增加1倍。為了防止通風速率降低后而出現的瓦斯濃度檢測不靈敏的情況發生，整體系統的算法以模糊算法為核心策略，除了選取適宜的硬件設備外，掘進工作面的通風機和傳感器空間布置方式要符合地質條件瓦斯擴散的規律。尤其當瓦斯濃度超過濃度閾值時，要快速對各模糊控制器進行模糊運算，根據濃度大小調整轉動風機的風量。變頻調速控制器還要根據掘進工作面內的溫度、濕度以及風速進行實時的調節。

3 調速控制系統的模糊控制設計

3.1 模糊控制設計框架

采用PID模糊控制實現控制器的快速響應，比傳統的二維控制器在算法速度方面更加優異。根據控制系統考慮的4個因素:瓦斯濃度、風向速度、工作面溫度、掘進深度，將上述4個物理因素轉變為數字信號，使得控制系統能夠識別。其中瓦斯濃度和風向速度對于控制的精確性有著較大的影響，并且4個因素根據時間的變化，在不同時刻的數據均不相同。如何準確地建立數學模型，只能依靠模糊計算的數學模型對4個變量進行闡述，4個變量對局部通風系統的影響機理如圖4所示。

圖4 4個變量與局部通風系統的關系Fig.4 Design scheme of frequency conversion speed regulation control system

根據4個變量特殊的物理性，在設計模糊控制算法應按照以下步驟進行：①采集到的模擬輸出值，通過A/D轉換為計算系統的數字輸入變量；②將數字變量的轉化為模糊量；③確定精確值與模糊量之間的計算規則；④將模糊量通過模糊控制規則計算精確的控制量。

3.2 PID模糊控制器設計

PID模糊控制器對各類模糊控制系統有較強的適應性，即使數據計算產生的偏差過大，也可通過內部的計算規則對數據進行修復。通過MATLAB軟件調取PID模糊控制器計算模型，如圖5所示。

圖5 PID模糊控制器的計算結構Fig.5 Calculation structure of PID fuzzy controller

通過PID模糊控制器設計，可直接將瓦斯傳感器收集到的模擬量作為輸出選擇信號。當局部通風機處于正常運轉狀態時，整體系統的電信號判斷為0。根據煤礦安全法規，設置瓦斯氣體濃度大于1.5%時，整體系統的電信號判斷為1。在模糊控制器系統電路中輸入調制電壓，實現電壓矢量合成，根據通風機異步電機的工作原理，采用SVPWM模式的變頻調速方法。

MATLAB軟件在設計SVPWM調制方式時，調取軟件中的三向應變橋模塊，在未進行濾波的條件下，電壓幅值為 400 V，三相電壓之間的相位差為120°。通過SVPWM調制方式的分析與計算，實現了模糊控制器電路的逆變仿真計算。同時，瓦斯濃度數據偏差在計算過程中，通過自身的調節因子實現的數據的偏差修正，避免了選用二維模糊控制器算出現的問題。

4 調速控制系統硬件選型及開發

4.1 主控電路設計

局部通風機變頻調速控制系統采用直流電源進行供電，型號為Chroma 2300H-800，配合IGBT逆變器對三相異步電機的整個控制回路進行驅動。主控電路包括主回路和旁通回路2個部分，必須設計漏電保護裝置，防止在礦井易燃易爆環境中發生漏電事故。主控電路如圖6所示。

圖6 變頻調速控制系統主控電路設計Fig.6 Main control circuit design of frequency conversion speed control system

4.2 電氣硬件選型

為了提高變頻調速控制系統的安全保障性，在設計電氣硬件時，要將安全因子計算在內，通常設計為1.5.IGBT逆變器的驅動電壓不小于1 200 V，并且對于逆變器的開關頻率響應速度有一定的要求，因此選用SixPac_150A/1200V逆變器作為系統的電氣設備。

控制系統所接收的電流波信號通常會帶有干擾雜質，需要進行頻帶濾波。針對LC濾波選型要保證開關頻率在10 kHz左右，不得大于IGBT逆變器頻率的1/10，設計濾波電感為12 mH；電容為1.88 μF。

調速控制系統的核心部件為高端浮點計算功能強大的DSP處理器，如圖7所示。該型號處理器有外擴引腳、復位接口、電源口等豐富的外接裝置。計算最大主頻為150 MHz，具有較高的A/D分辨率和快速的轉換頻率響應。對外信息通信采用SPI通信和 RS485通信相結合的通信協議方式，通過閉鎖信號的方式，可以使得瓦斯濃度在超過安全數值后，整機停止所有的控制命令，將主控電路信號進行復位，恢復至原始狀態。

圖7 DSP處理器內部結構框架Fig.7 Internal structure of DSP processor

5 系統軟件程序開發

5.1 軟件總體結構設計

根據DSP核心處理器的兼容性，采用CCS5.0集成開發環境對變頻調速系統的軟件進行設置。除了最底層設計語言進行編譯外，還提供人機互動操作的圖形界面。軟件的總體結構主要包括中斷流程設計、模糊控制子程序、設計變頻調速之程序，如圖8所示。其中中斷程序要精準的判斷局部通風機在不同工況條件下的輸出脈沖。通過實現A/D轉換，持續對瓦斯濃度數據進行運算。通過收集輸入電壓電流、瓦斯濃度等核心數據，將關鍵數據與原始數據進行判斷分析及偏差，但偏差超過一定幅值時，對局部通風機的電機轉速進行調整。

圖8 軟件主程序設計總體流程Fig.8 Overall flow of software main program design

5.2 模糊控制子程序設計

模糊控制子程序的設計如圖9所示。

圖9 模糊控制子程序流程Fig.9 Fuzzy control subroutine flow

該程序不僅要分析瓦斯濃度與原始濃度的偏差，還要計算不同時刻偏差的變化速率。程序將通過對電壓模糊量進行判斷，得到實際的控制變量。如果瓦斯濃度超過限值，模糊控制子程序將通過A/D采樣對數據進行調理，最后由DSP處理器對除了局部通風機以外的所有電氣設備進行斷電。結合SVPWM調頻方法對電流脈沖信號的導通時間和切換節點進行分析計算。

6 變頻調速控制系統應用

根據局部通風機變頻調速模糊控制系統方案，在設計軟硬件的基礎上，搭建了以DSP為中央控制中心、三相異步電機為負載的控制器現場應用實驗平臺。逆變器輸出側為三相交流電壓，為了測得輸出側交流線電壓的波形，特設計了該部分電路并計算了參數，由于DSP的A/D需要得到的是直流電壓信號，需通過A/D調理電路將LEM副邊電路輸出的交流電流信號，轉變為0～3 V的直流電壓信號。圖 10(a)是設定的某一交流信號通過 LEM 和調理電路，進入DSP后的波形如圖 10(b)所示，該波形通過控制板上的DAC可以觀測到。

圖10 逆變器電壓調理前后A/D采樣波形Fig.10 A/D sampling waveform before and after inverter voltage conditioning

根據上文中關于瓦斯傳感器和風速傳感器的選型，得知瓦斯傳感器的輸出電流信號為 0～5 mA，風速傳感器的輸出電流信號為0～200 mA。以調理電路的相關參量為基礎，圖11(a)為瓦斯傳感器輸出信號調理前輸入到DSP的波形，圖11(b)為瓦斯傳感器輸出信號調理后輸入到DSP的波形。

圖11 瓦斯、風速電流信號調理前后波形Fig.11 Waveforms before and after gas，wind speed and current signal conditioning

異步電機參數為：額定功率 3 kW，額定電壓為 380 V，額定電流 6.82 A，額定轉速為 1 440 r/min。使用 0～5 mA 的電流模擬量來分別代替瓦斯傳感器和風速傳感器的輸出信號。當掘進巷道的瓦斯濃度變化時，局部通風機的轉速隨其及時調整，則可實現正常通風和瓦斯超限排放的功能，部分實驗結果見表1。由表1可知，通過改變4個傳感器輸出值，模擬了局部通風機正常通風和瓦斯超限排放2種工作狀態，實驗系統可以按照指定的模糊控制策略，采用 SVPWM 調速方式有效完成了正常通風和瓦斯超限排放的工作，驗證了變頻控制調速系統的可行性。

表1 變頻控制系統樣機的部分實驗結果Tab.1 Some experimental results of the prototype of the frequency conversion control system

7 結語

為了提升礦井局部通風機的智能化控制技術，對其變速調速控制系統進行了設計研究。根據實際工況條件，明確了該系統的控制策略和算法，以變頻器為核心部件，采用模糊控制規則，對控制系統的功能進行定義。首先，采用MATLAB仿真軟件對控制系統的模型圖進行建立并搭建起硬件測試平臺；其次，對變頻控制系統的各項性能指標進行測試，通過實驗平臺確定了硬件選型的合理性，驗證軟件設計程序及其各個子程序的功能靈活，后期可拓展性較強。測試實驗結果表明，局部通風機的調速控制系統能夠根據礦井工作面瓦斯濃度實現電機轉速的調節，達到了降低能源消耗的目的。研究成果為煤礦行業在電氣自動化系統開發應用提供了依據。