基于模糊理論的局部通風機變頻控制系統設計

賈天毅，徐立軍，陳志峰，唐佳

（1.新疆農業大學 機電工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆工程學院 新疆煤礦機電工程技術研究中心，新疆 烏魯木齊 830023；3.新疆工程學院 安全科學與工程學院，新疆 烏魯木齊 830023；4.中國礦業大學（北京）應急管理與安全工程學院，北京 100083）

0 引言

據統計，我國煤礦瓦斯事故發生次數占煤礦事故發生總次數的40%以上，約80%的瓦斯爆炸事故與礦井通風系統不完善有關[1-3]。局部通風機是礦井通風的重要裝置，其使用的靈活性和效能將直接影響井下瓦斯濃度[4-6]。在進行局部通風機選型時，通風機功率選擇通常是按照最遠掘進距離必須保證井下人員正常呼吸和瓦斯不超限的原則進行的。在煤礦開采過程中，若局部通風機長期處于滿載運行狀態，將導致風量浪費和電能損失[7-9]。局部通風機主要用于煤礦巷道內外空氣交換，為巷道提供充足的新鮮空氣，將巷道內瓦斯濃度維持在安全范圍內[10-12]。因此，需要在保證局部通風機工作效率的同時對其頻率進行控制。

通風機變頻控制技術通過巷道內傳感器檢測信息改變通風機運行頻率，實現風量調節，同時有效保護通風設備，延長其使用壽命[13-14]。近年來，專家們針對煤礦通風機變頻控制進行了許多研究。劉丹[15]、Zhang Hongkui 等[16]基于PLC 對礦井通風機變頻調速系統進行改造，實現了對通風機轉速的合理調節，但PLC 控制系統成本較高。模糊控制方法[17-18]、基于瓦斯濃度的頻率等級劃分方法[19]、基于粒子群優化的PID 控制算法[20]也被應用到通風機智能控制中，這些方法可在一定程度上對巷道通風狀況進行調節，但缺少對瓦斯突變量的預判，當大量瓦斯異常涌出時，調節存在一定滯后性，易導致瓦斯積聚[21]。針對該問題，設計了基于模糊理論的局部通風機變頻控制系統，結合局部通風機特性，以最遠工況點對應風量為輔助進行頻率等級劃分，確定最優變頻條件及每一級的最優風量，以此來預判瓦斯涌出，解決變頻控制滯后性問題。

1 局部通風概況

1.1 局部通風機布置

在掘進巷道內，局部通風機及傳感器布置如圖1所示。局部通風機及控制裝置安裝在進風巷道中，瓦斯傳感器T1-T3分別設置在掘進工作面、回風流、回風巷處，風量傳感器F 設置在巷道中10 m 內沒有分支分流、拐彎和障礙且斷面無變化的位置。

圖1 局部通風機及傳感器布置Fig.1 Layout of local ventilator and sensor

根據《煤礦安全規程》第一百七十二條至一百七十六條規定，當掘進工作面處瓦斯傳感器T1監測到瓦斯體積分數≥1.0%時必須停止工作，撤出人員，并采取相應措施，當瓦斯體積分數≥1.5%時應進行瓦斯電閉鎖，當瓦斯體積分數≥3%時應停止通風機運轉；第一百三十六條規定，采煤工作面和掘進中的煤巷內的允許風速為0.25～4 m/s；第一百三十八條規定，井下供風標準為人均4 m3/min。

1.2 局部通風機通風特性

局部通風機采用變頻控制時的風壓-風量（H-Q）特性曲線如圖2 所示，n1，n2為通風機不同轉速，R1，R2為不同風阻，H1-H3和Q1-Q3分別為3 個工況點的風壓和風量。由圖2 可知，在局部通風機實際工作過程中，通過降低轉速，可減小風量與風壓，從而減小輸出功率，實現變頻節能。

圖2 通風機H-Q 特性曲線Fig.2 H-Q characteristic curve of ventilator

在實際工作過程中，局部通風機供風量Qf、風壓H、功率P和轉速n之間有以下關系：Qf∝n，H∝n2，P∝n3。風量Q與頻率f成正比：Q∝f。

2 局部通風機變頻控制系統設計

2.1 系統原理

基于模糊理論的局部通風機變頻控制系統采用瓦斯模糊控制器和風量模糊控制器實現模糊控制，如圖3 所示。瓦斯模糊控制閉環中，模糊控制器輸入為掘進工作面瓦斯濃度偏差e1和偏差變化率ec1，將e1和ec1按比例放大后得到e′1和輸出為變頻器輸出控制量U1。風量模糊控制器的輸出為變頻器輸出控制量U2。對U1和U2進行比較，根據較大值確定通風機變頻情況。當兩者相等時以瓦斯模糊控制為主。與傳統控制模式相比，模糊控制器輸出的不是直接控制變頻器輸出的信號，而是一個控制量。為改變變頻器隨瓦斯不規則涌出一直變頻的狀況，將局部通風機頻率預設為I-IV 四個等級進行供風，每一等級下通風機供風量能夠將一定范圍內的瓦斯濃度控制在安全范圍內。

圖3 局部通風機變頻控制系統原理Fig.3 Principle of frequency conversion control system of local ventilator

2.2 系統流程

基于模糊理論的局部通風機變頻控制系統流程如圖4 所示。通風機啟動，達到掘進工作面需風量后進入自動控制狀態，對掘進工作面的瓦斯濃度及巷道風量進行監測，將信息輸入模糊控制器進行處理，比較不同模糊控制器輸出的控制量，確定主要控制方式。根據Matlab 仿真結果，設置通風機變頻條件，通過對控制量進行判決，確定通風機升頻或降頻。達到最高頻率等級后不再升頻，達到最低頻率等級后不再降頻，且頻率不能跨等級調節。控制器調整輸出控制頻率，變頻器按照接收到的控制頻率控制通風機變頻運行，以此滿足系統實時控制要求。

圖4 局部通風機變頻控制系統控制流程Fig.4 Control flow of frequency conversion control system of local ventilator

2.3 硬件設計

通過煤礦巷道內布置的瓦斯傳感器、風量傳感器等進行信號采集，將掘進工作面瓦斯濃度作為主要被控制量。傳感器輸出信號經頻率電壓轉換后輸入模糊控制器，通過模糊控制算法進行信息處理。模糊控制器輸出的數字信號經數模轉換和電壓電流轉換后，驅動變頻器對通風機供風量進行調整。通過放大器MCP2551 和CAN 模塊實現遠距離通信。LCD 觸摸屏能夠就地顯示巷道內各個位置瓦斯濃度和風量的變化情況，同時通過無紙記錄儀對數據變化進行記錄。局部通風機變頻控制系統硬件結構如圖5 所示。

圖5 局部通風機變頻控制系統硬件結構Fig.5 Hardware structure of frequency conversion control system of local ventilator

系統采用可用于煤礦井下的嵌入式風冷變頻器，外部為防爆鋼制外殼，內部主要包括變壓器模塊、接觸器、接線板、開關電源模塊、電容器模塊、變頻器控制模塊和散熱片模塊等，如圖6 所示。

圖6 嵌入式風冷變頻器結構Fig.6 Structure of embedded air-cooled frequency converter

變頻器發熱功率器件通過散熱銅板與鋼制防爆外殼和散熱片緊密連接，并嵌入到局部通風機的風道中。通風機工作過程中，變頻器電力器件內部芯片有源區溫度上升，散熱片引出熱源發出的熱量，利用通風機風流對散熱片進行強制冷卻，能夠有效降低變頻器發熱功率器件的溫度。嵌入式風冷變頻器與對旋式局部通風機安裝位置如圖7 所示。

圖7 嵌入式風冷變頻器安裝位置Fig.7 Installation position of embedded air-cooled frequency converter

變頻器嵌入式結構能夠大大減小變頻器散熱器的體積，簡化變頻器散熱系統，減小礦用變頻器在煤礦巷道中占用的空間，提高設備的安全性和可靠性。變頻器與通風機緊密連接，能夠縮短兩者之間的電力線，從而有效減少高頻諧波對變頻器和信號采集裝置的干擾，提高礦井通風系統穩定性。

3 模糊控制方法

3.1 模糊量化處理

將模糊控制器輸入量瓦斯體積分數的期望值定為0.8%，根據掘進工作面通風要求，瓦斯體積分數應控制在0～1.5%。設定瓦斯濃度偏差e1的基本論域為[-0.7，0.7]，按比例放大為[-7，7]，將其劃分為7 個等級，模糊語言集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，含義為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}。放大后偏差的隸屬函數如圖8 所示。

圖8 偏差 e′1的隸屬函數Fig.8 Membership function of deviatione′1

設定瓦斯濃度偏差變化率ec1的基本論域為[-0.4，0.4]，按比例放大為[-4，4]，并將其劃分為5 個等級，模糊語言集為{NB，NS，ZO，PS，PB}，含義為{負大，負小，零，正小，正大}。放大后偏差變化率的隸屬函數如圖9 所示。

圖9 偏差變化率的隸屬函數Fig.9 Membership function of deviation change rate of

設定輸出量U1的基本論域為[0，80]，將其劃分為5 個等級，模糊語言集為{A，B，C，D，E}，含義為{小，較小，中，較大，最大}。輸出量U1的隸屬函數如圖10 所示。

圖10 輸出量U1 的隸屬函數Fig.10 Membership function of output quantity U1

3.2 模糊推理決策

表1 瓦斯濃度模糊控制規則Table 1 Fuzzy control rule for gas concentration

3.3 模糊判決

運用Matlab 模糊工具箱的模糊控制規則將輸出模糊量清晰化，輸出量曲面如圖11 所示。

圖11 輸出量曲面Fig.11 Output surface

風量模糊控制中，設通風機供風量的期望值為最遠掘進距離處所需最小供風量，通風機輸出風量實際值與期望值的偏差e2的基本論域為[-4，4]，偏差變化率ec2的基本論域為[-2，2]，輸出量U2的基本論域為[0，80]。風量模糊控制規則：若風量小于巷道所需最小供風量，則風量越小，偏差變化率越小，輸出值越小，需增大風量；若風量等于所需最小供風量，可保持風量不變，繼續監測瓦斯濃度變化；若風量大于所需最小供風量，則風量越大，偏差變化率越大，輸出值越大，可降低風量。

4 通風機頻率等級劃分

若通風機滿頻運行時的最大供風量滿足最遠掘進距離處瓦斯排放的風量需求，則一定滿足巷道掘進過程中瓦斯排放的風量需求，但若通風機一直滿頻運行，則會造成風量損失和電能浪費。以局部通風機運轉特性為理論依據，選取通風機滿頻運行時的H-Q特性曲線與最大風阻特性曲線的交點為最遠工況點。以最遠工況點對應風量為輔助進行頻率等級劃分，即將電網頻率50 Hz 作為最高等級的頻率。將通風機頻率分為4 個等級，通過頻率等級轉換，使不同頻率等級下的供風量滿足巷道掘進過程中的需風量，同時不會造成能量浪費。

文獻[19]將瓦斯體積分數c劃分為5 個等級進行通風機變頻控制，5 個等級分別為c＜0.2%，0.2%＜c＜0.4%，0.4%＜c＜0.6%，0.6%＜c＜0.8%，c＞0.8%。每一等級的風量不同，根據風量與頻率之間的正比關系，可以將每一等級的通風機供風量轉換為頻率。該方法可在一定程度上對巷道通風狀況進行調整，但面對大量瓦斯異常涌出時，若等檢測到瓦斯濃度變大再進行調節，很容易導致瓦斯超限。

本文采用基于瓦斯涌出量的等級劃分方法，將通風機頻率劃分為4 個等級。根據《煤礦安全規程》規定，當掘進工作面瓦斯體積分數達到1%時，必須停止工作，撤出人員，因此給予20%的安全裕量，將瓦斯體積分數達到0.8%設置為升頻條件，即每一等級的風量要能夠將掘進工作面瓦斯體積分數控制在0.8%以下。考慮系統控制的穩定性及節能減排，將降頻條件設置為掘進工作面瓦斯體積分數c1不大于0.6%或0.5%，同時設定通風機降頻后的供風量為達到降頻條件時將回風流瓦斯體積分數c2控制在0.7%或0.6%所需的供風量。

采用本文所提方法時，雖然每一等級所控制的瓦斯涌出量范圍不同，但始終能夠將瓦斯體積分數控制在安全范圍內（0.6%～0.8%或0.5%～0.8%）。當大量瓦斯異常涌出時，可通過分析瓦斯涌出量變化導致的瓦斯濃度波動，判斷是否達到升頻條件。通風機升頻后可降低瓦斯濃度，同時，通風機供風量可滿足更大的瓦斯排放需求，為調整提供一定緩沖，克服變頻控制滯后的缺點，使系統更加安全。

5 試驗分析

設置降頻條件為c1≤0.6%或c1≤0.5%，降頻后通風機供風量為達到降頻條件時控制c2=0.7%或c2=0.6%所需的供風量，進行對比試驗，尋找每一級的最優風量，從而確定最優變頻等級。

5.1 試驗平臺

以新疆焦煤（集團）有限責任公司某礦井掘進工作面為研究對象，結合煤礦巷道概況及通風裝置布置情況，依據《煤礦安全規程》的相關規定對巷道內瓦斯濃度、風速、風量進行試驗。試驗基于以煤礦掘進工作面瓦斯濃度為主要被控制量的模糊控制方法，主要設備及儀器見表2。低濃度瓦斯傳感器測量范圍為0～4%，風量傳感器的風速測量范圍為0.3～15 m/s。

表2 試驗設備及儀器Table 2 The equipments and instruments used in the test

5.2 最小供風量計算

在試驗掘進工作面，瓦斯涌出量主要包括暴露煤壁產生的瓦斯涌出量和落煤產生的瓦斯涌出量，預測絕對瓦斯涌出量為1.23 m3/min。將掘進巷道回風流瓦斯體積分數控制在1%以內時的需風量為

式中：K為瓦斯涌出不均勻系數，取1.6；Wg為絕對瓦斯涌出量，m3/min。

將相關數值代入式（1）可得Qhg≈197 m3/min。為保證巷道內瓦斯體積分數不超限，風筒出風量Qh應大于等于需風量Qhg。最遠掘進距離處局部通風機的供風量為

式中 φ為風筒漏風備用系數，取1.2。

局部通風機全壓為

局部通風機工作風阻為

結合局部通風機FBDNo_5.0/2×7.5 的H-Q特性曲線及風阻特性曲線，可得局部通風機工況點，如圖12 所示，可看出通風機在最大工作風阻條件下的實際工況點風量為255 m3/min，風壓為783 Pa。

圖12 局部通風機工況點Fig.12 Working point of local ventilator

絕對瓦斯涌出量為

式中c0為風流中的平均瓦斯體積分數，%。

根據實際工況點參數及式（2）可得，當通風機供風量為255 m3/min 時，風筒出風量為212.5 m3/min。在此條件下，由式（5）可得，將瓦斯體積分數控制在0.8%時，最遠掘進距離處最大絕對瓦斯涌出量為1.7 m3/min。

根據煤礦井下工作條件，按照工作人數及巷道內風速要求，巷道最小需風量為132 m3/min。隨著巷道推進，風筒產生漏風，由式（2）可得，巷道貫穿時通風機供風量為158 m3/min。因此，巷道掘進所需最小供風量范圍為132～158 m3/min。

5.3 試驗結果

5.3.1 第1 種降頻條件下（c1≤0.6%）的試驗結果

第1 種降頻條件下，當通風機降頻運行后，所提供的風量要能夠將瓦斯體積分數控制在0.6%～0.8%。瓦斯體積分數接近0.6%時，以較大風量控制較低濃度瓦斯，存在能量浪費；瓦斯體積分數接近0.8%時，易超出安全范圍，使系統安全性下降。因此，設置降頻后通風機供風量為達到降頻條件時控制c2=0.7%所需的供風量。計算可得通風機IV-I 級的供風量分別為255.0，219.5，188.5，161.2 m3/min，具體見表3。IV 級的頻率為滿頻工作時的頻率（50 Hz），根據風量與頻率之間的正比關系可得出III-I 級對應的頻率為43.1，36.9，31.6 Hz。

表3 達到第1 種降頻條件時控制c2=0.7%所需的供風量Table 3 The air supply required to control c2=0.7% when the first frequency reduction condition is achieved

根據Matlab 仿真結果，結合相關試驗要求，通過設置相應的偏差和偏差變化率，得到控制量U1，U2的范圍，見表4。

表4 第1 種降頻條件下控制量范圍Table 4 The range of control quantity under the first frequency reduction condition

5.3.2 第2 種降頻條件下（c1≤0.5%）的試驗結果

第2 種降頻條件下，當通風機降頻運行后，所提供的風量要能夠將瓦斯體積分數控制在0.5%～0.8%。進行2 組試驗，分別設置降頻后通風機供風量為達到降頻條件時控制c2=0.7%和c2=0.6%所需的供風量。

（1）設置降頻后通風機供風量為達到降頻條件時控制c2=0.7%所需的供風量（表5）。計算可得通風機IV-I 級的供風量分別為255.0，181.7，130.3，92.5 m3/min，對應的頻率分別為50，35.6，25.5，18.1 Hz。

表5 達到第2 種降頻條件時控制c2=0.7%所需的供風量Table 5 The air supply required to control c2=0.7% when the second frequency reduction condition is achieved

（2）設置降頻后通風機供風量為達到降頻條件時控制c2=0.6%所需的供風量（表6），計算可得通風機IV-I 級的供風量分別為255.0，212.0，176.0，146.0 m3/min，對應的頻率分別為50，41.6，34.5，28.6 Hz。

表6 達到第2 種降頻條件時控制c2=0.6%所需的供風量Table 6 The air supply required to control c2=0.6% when the second frequency reduction condition is achieved

第2 種降頻條件下，2 種情況采用相同升降頻條件，控制量范圍見表7。

表7 第2 種降頻條件下控制量范圍Table 7 The range of control quantity under the second frequency reduction condition

5.3.3 結果分析

瓦斯體積分數一定時，瓦斯涌出量不同，所對應的需風量不同。在上述3 組試驗中，將電網頻率50 Hz 作為IV 級的頻率，通風機IV 級運行時，若瓦斯體積分數分別降至0.6%，0.5%，0.5%，則通風機降頻至III 級，同時設定III 級供風量為達到降頻條件時控制c2為0.7%，0.7%，0.6%所需的供風量。根據式（5）可得3 種情況下的實際需風量分別為182.9，151.4，176.7 m3/min。根據式（2）可得III 級供風量分別為219.5，181.7，212.0 m3/min。根據IV 級至III 的變頻方法，得出3 種情況下的II 級供風量分別為188.5，130.3，176.0 m3/min，I 級供風量分別為161.2，92.5，146.0 m3/min。當瓦斯體積分數達到0.8%并升頻后，3 種情況下的通風機供風量能夠將瓦斯體積分數分別控制在0.69%，0.57%，0.66%。

不同降頻條件所對應的試驗數據如圖13 所示，圖中陰影部分為緩沖區域，可避免瓦斯體積分數處于升降頻節點時頻繁變頻。緩沖區域的存在使通風機變頻后能夠將瓦斯體積分數控制在較低位置，減少變頻次數，保護電路設備，使通風系統安全平穩運行。由圖13（a）可知，在該變頻條件及供風量下，I 級供風量大于最遠掘進距離處所需最小供風量158 m3/min，能夠滿足巷道通風要求。由圖13（b）可知，在該變頻條件及供風量下，II 級和I 級供風量分別為130.3，92.5 m3/min，小于最遠掘進距離處所需最小供風量158 m3/min，且差值較大，無法滿足巷道通風需求，因此理論上不可行。掘進巷道所需最小供風量范圍為132～158 m3/min，由于I 級、II 級風量小于132 m3/min，因此，在漏風量少的短距離巷道中也無法應用。若最低等級供風量無法滿足最遠掘進距離處所需最小供風量，但仍在最小供風量范圍內，則可在漏風量少的短距離巷道中使用。由圖13（c）可知，在該變頻條件及供風量下，I 級供風量為146.0 m3/min，略小于最遠掘進距離處所需的最小供風量158 m3/min。可新設一個介于I 級和II 級之間的頻率等級I*級，通過提高通風機頻率來增加供風量。將I*級頻率提升為31.0 Hz，則供風量為158.1 m3/min，滿足最遠掘進距離處最小風量需求。

圖13 不同降頻條件及供風量所對應的試驗數據Fig.13 Test data corresponding to different frequency reduction conditions and air supply volume

6 結論

（1）在不考慮偏差變化率的情況下，將掘進工作面瓦斯體積分數達到0.8%設置為升頻條件，瓦斯體積分數不大于0.6%設置為降頻條件，進行頻率等級劃分，能夠滿足系統通風要求，但是每一等級瓦斯體積分數控制范圍較窄，導致系統運行時穩定性不足。

（2）將掘進工作面瓦斯體積分數達到0.8%設置為升頻條件，瓦斯體積分數不大于0.5%設置為降頻條件，該情況下每一等級瓦斯體積分數控制范圍較寬，系統運行更加安全平穩。

（3）將掘進工作面瓦斯體積分數不大于0.5%設置為降頻條件，降頻后供風量為達到降頻條件時將回風流瓦斯體積分數控制在0.7%所需的供風量，該情況下無法滿足巷道通風需求。

（4）將掘進工作面瓦斯體積分數不大于0.5%設置為降頻條件，降頻后供風量為達到降頻條件時將回風流瓦斯體積分數控制在0.6%所需的供風量，該情況下，I 級供風量可將瓦斯體積分數控制在安全范圍內，但不能滿足最遠掘進距離處最小風量需求。可以單獨定義一個新的等級I*，但是需要避免因I*級與I 級距離較近引起系統不穩定。