矿井通风机自动控制系统的研究

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摘 要：井下局部通风系统主要用于为井下综采面提供新鲜空气，确保工作人员的人身安全，是矿井通风系统的重要组成单元，井下局部通风系统的运行稳定性直决定着井下综采面的生产安全。目前在我国多数矿井局部通风系统中，其风机长期处在工频的运行模式，不仅无法根据井下瓦斯浓度进行快速调节，而且整个系统依赖于人工对主风机和备用风机进行切换，对井下复杂多变的环境适应性差。因此本文提出了一种基于模糊控制的井下局部通风控制系统，该控制系统能够根据巷道内的瓦斯浓度实时对井下局部通风机的运行进行变频控制，确保风机能够经济、安全的运行，改变了传统的依靠人工控制通风机对瓦斯进行排放的方式，极大的提高了风机运行的自动化、智能化程度，也极大的提升了煤矿井下的生产安全系数。

关键词：通风机;模糊控制;智能化

1 引言

随着经济社会的发展及人们环境保护意识的提高，人类不断的开发新的环保性的能源，以实现对污染严重的煤炭资源的替代，但也要看到，能源结构的调整周期长，因此在未来很长一段时间内，煤炭资源将依旧是人类经济社会发展所必不可少的基础性能源资源。在煤矿井下开采中，在综采工作面为单出口的巷道，气体流通不良，各种有毒有害的气体容易积聚，对人员的身体健康和正常工作均产生较大的影响。为确保井下综采面的生产安全，在井下设置有局部通风系统[1]，目前，我国绝大多数煤矿的局部通风控制系统均存在着自动化程度低，风机长期在处于全频率工作状态，造成了电力资源的极大浪费，同时无法根据井下巷道内瓦斯的浓度进行风量的实时调整，易造成瓦斯突出事故，因此建立井下局部通风智能控制系统，使通风系统能够根据瓦斯浓度对风量进行自动调节，降低通风系统的能源消耗，提高煤矿井下作业安全，已经成为煤炭生产企业必须解决的关键问题。

2 局部通风机智能控制系统的总体结构

该基于模糊控制的井下局部通风控制系统，主要包括通风机智能控制单元及变频控制单元。局部通风机的智能控制单元主要用于对煤矿井下综采面的瓦斯浓度进行实时监测，并根据监测到的巷道内的瓦斯的浓度应用模糊算法计算出维持正常瓦斯浓度所需的风量，并将其转化为变频定值，控制井下局部通风机进行变频运行，确保煤矿井下的安全生产，提高系统运行的安全性和可靠性，在该系统中，为确保对井下巷道内瓦斯浓度的监测的准确性，在系统中采用了高低浓度组合的具有隔爆功能的瓦斯浓度传感器。变频控制单元是该智能控制系统的执行机构，其调节控制信号是由通风机智能控制单元根据瓦斯浓度进行给定。在该控制系统中，所选择的变频器除了要满足容量和电压、过载能力等要求外，还需要满足隔爆要求及当变频机构发生故障时，能确保风机正常运行的要求[2]。

整个井下局部通风控制系统由逆变模块单元、整流模块单元、井下瓦斯浓度模糊判断模块单元及瓦斯浓度传感器等組成，整体结构如图1所示。

该智能控制系统在工作时，会将瓦斯浓度传感器检测到的巷道内的瓦斯的浓度和系统设定的瓦斯浓度的安全值进行对比，最终得出瓦斯浓度的差值及偏差变化率，然后根据其各自不同的计算函数得出其模糊控制变量，这两个变量在输入模糊控制器后，根据人工经验或者实际测量结果得出最终的模糊变量，并对其进行反模糊化处理，就可以得出精确的控制量。在该控制系统中，系统的输入变量为瓦斯浓度的差值及偏差变化率，其输出的变量为变频控制器的调制比，然后经瓦斯浓度模糊控制器进行模糊处理后得到调节值，并将此控制值，输入到控制模块内，从而实现对电源频率的控制，最终体现为改变风机的转速，实现对风量的控制。

3 模糊控制原理及模糊控制器结构

模糊控制技术是一种非线性的，智能化的控制技术，广泛应用于无法进行精确描述的逻辑控制领域，其采用并行控制的运行模式，极大的加强了对数据的处理速度，在运行中以其单个规则的离散性，避免了个别数据的响应误差对全局性趋势的影响，使整个系统具有极强的抗干扰性，与传统控制理论相比其不需要建立精密的数学控制模型，其能够将人们的经验或者测量数据直接转换为系统的控制模型，实现对应用过程的智能控制，与此同时模糊控制原理还具有控制结构简单，易于实现控制，鲁棒性好的优点[3]。

为了将煤矿井下瓦斯浓度精确转换为变频驱动信号，我们利用模糊控制原理，设计了井下瓦斯浓度模糊控制器，其结构如图2所示。模糊控制器的输入变量是煤矿井下瓦斯浓度的差值及偏差变化率，其输出的变量M为变频控制器的调制比，然后经瓦斯浓度模糊控制器进行模糊处理后得到调节值，并将此控制值输入控制模块，进而实现对电源频率的控制，最终体现为改变风机的转速，实现对风量的控制。

4 瓦斯浓度传感器的选择及布置

瓦斯浓度传感器作为该控制系统最直接的数据信息来源，其数据采集的准确性直接关系到控制系统对通风机调节的准确性。因此在对浓度传感器进行选择的时候，要考虑能够适应井下高湿、高尘的恶劣环境，选用精度高、抗干扰能力强的传感器设备。传感器设备选型后，其传感器的布置位置及数据采集区域对采集数据的影响更大，在大量实验的基础上，本系统采用的瓦斯浓度传感器设备的布置形式如图3所示[4]。

K-风机电源;B-变频控制器;F-局部风机;D-导风板;T1-高浓度瓦斯传感器;T2、T3-高浓度瓦斯传感器。

在该通风机智能控制系统中，T1高浓度瓦斯传感器设置在综采面内，T2瓦斯传感器设置在综采面入口的位置，用于监测回风流中瓦斯浓度的变化情况，T3瓦斯传感器设置在串联工作面的进风流处，用于监测串联工作面进风流处瓦斯浓度的变化情况。传感器设备将监测到的瓦斯浓度数值，转换为300～1000Hz的信号，传递给模糊控制器，然后系统根据接受到的瓦斯浓度的变化情况，根据模糊控制原理计算出适宜的调制比并传递给变频器，变频器依据输入的调制比将其转化为输出电流的变化，从而控制通风机的运行，改变通风机系统的送风量，实现对井下瓦斯浓度的精确控制，同时极大的降低了对电能的消耗。

5 结论

本文通对现有通风控制系统的分析，提出了一种基于模糊控制的井下局部通风机智能控制系统，对该控制系统采用的模糊控制的原理和控制逻辑及瓦斯浓度传感器设备在井下的布置形式进行了论述，结果表明该新型的局部通风机智能控制系统能够根据井下综采面的瓦斯浓度情况对井下局部通风机系统的运转进行智能控制，确保井下瓦斯浓度始终处于安全状态，同时其采用的变频控制的原理，极大的降低了井下局部通风机在运行时的能源消耗，极大的提升了煤炭生产企业的经济效益。

参考文献：

[1]郭庆华.风机变频改造节能技术的应用[J].风机技术，2005（2）：43-45.

[2]于水娟.基于两级网络的煤矿通风机监控系统的研究[D].淮南：安徽理工大学，2007.

[3]李文江，吴智远.多传感器信息融合技术在矿井安全监测系统中的应用研究[J].煤矿机电，2008，（05）.

[4]易江义.神经网络PID控制在汽车发电机性能自动测试系统的应用[D].长沙：中南大学，2004.

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