謝允飛

（中陽榮欣焦化有限公司， 山西 呂梁 033400）

1 通風(fēng)調(diào)速系統(tǒng)存在問題

根據(jù)實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前中陽榮欣公司2107綜采工作面的通風(fēng)調(diào)速系統(tǒng)在工作時主要表現(xiàn)出以下幾點(diǎn)問題：一是當(dāng)前該礦風(fēng)機(jī)的供風(fēng)方式為雙電源與雙風(fēng)機(jī)，兩臺風(fēng)機(jī)互為備用，各自的電源相互獨(dú)立。但是根據(jù)搜索到的材料顯示，當(dāng)前所用的這種方式實際效用并不強(qiáng)，面對突然停電停風(fēng)情況的出現(xiàn)時，仍然會有嚴(yán)重的瓦斯積聚現(xiàn)象，由此導(dǎo)致的安全事故仍然時有發(fā)生[1]。二是實際運(yùn)行時效率不高，所用的風(fēng)機(jī)款式較老，效率僅有45%～65%，導(dǎo)致能源的浪費(fèi)情況非常嚴(yán)重。三是雖然目前該井采用了變頻調(diào)速控制，但是電機(jī)的轉(zhuǎn)速需要人工去給定，所以無法做到根據(jù)工況的變動而對工作狀態(tài)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。盡管該礦井采用了變頻調(diào)速控制，但其控制方式是人工手動給定電機(jī)轉(zhuǎn)速，而不能根據(jù)實際工況自動調(diào)節(jié)局部通風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)。從工作狀態(tài)來看，在對通風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制的時候沒有聯(lián)系到巷道內(nèi)溫度與瓦斯等因素，沒有將通道內(nèi)關(guān)系到安全問題的因素設(shè)置為系統(tǒng)的控制量，所以安全保障不高。

2 局部通風(fēng)機(jī)的工作方式

調(diào)查顯示，當(dāng)前我們國家掘進(jìn)工作面應(yīng)用最廣的通風(fēng)方式當(dāng)屬壓入式[1-2]。所謂的壓入式，其主要利用風(fēng)機(jī)來從外界吸取新鮮的氣流，隨后在風(fēng)筒的傳輸下到達(dá)掘進(jìn)工作面。風(fēng)機(jī)與它的控制裝置安置在主巷道是該方式的主要優(yōu)點(diǎn)之一，通風(fēng)時污風(fēng)不會經(jīng)過局部風(fēng)機(jī)，而是隨著風(fēng)流最終進(jìn)入主巷道，這種流動方式極大的降低了煤塵與瓦斯爆炸的概率；同時，采用這種方式時，可以根據(jù)通風(fēng)設(shè)備的工作時長選擇合適材質(zhì)的風(fēng)筒，擁有更強(qiáng)的適應(yīng)力。雖然該方式具有多方面的優(yōu)點(diǎn)[3]，但是它的缺點(diǎn)同樣不可忽視，首先一點(diǎn)，該方式下污風(fēng)會沿著掘進(jìn)巷道排放，導(dǎo)致污染的范圍會進(jìn)一步擴(kuò)大，同時炮眼需要較長的排出時間，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的工作時長隨之增加[4]。

圖1所示為各傳感裝置以及通風(fēng)機(jī)在掘進(jìn)巷道中的實際安裝情況。為了更好地對巷道中的瓦斯排放情況進(jìn)行監(jiān)控，在掘進(jìn)巷道中的各個關(guān)鍵位置均安裝了傳感器。

圖1 掘進(jìn)巷道內(nèi)各傳感器與局部通風(fēng)機(jī)的布置情況

如圖1所示的各部件中，通風(fēng)機(jī)與其控制裝置為K，甲烷傳感裝置為T1，T2，T3，其中三個傳感器分別負(fù)責(zé)檢測不同區(qū)域的瓦斯?jié)舛?，即掘進(jìn)工作面迎頭、掘進(jìn)巷道的回風(fēng)流以及回風(fēng)巷道的混合風(fēng)流三個區(qū)域；傳感器F為風(fēng)速傳感裝置，安裝于回風(fēng)流處；風(fēng)筒為D。根據(jù)風(fēng)速與瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯臏y量值對比給定的標(biāo)準(zhǔn)值，結(jié)合設(shè)定好的控制辦法，最終對通風(fēng)系統(tǒng)實現(xiàn)智能化控制。

3 變頻調(diào)速模糊控制裝置的具體設(shè)計方案

雙機(jī)切換系統(tǒng)以及工、且兩個獨(dú)立工作的變頻控制系統(tǒng)是構(gòu)成該智能化控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，如下頁圖2所示為本系統(tǒng)的實際工作原理。其中兩個變頻系統(tǒng)選用了同一型號的CPU處理器，同時，其控制功能依靠建立在自調(diào)整模糊算法基礎(chǔ)上的變頻控制裝置進(jìn)行實現(xiàn)。運(yùn)行過程中，這兩套變頻系統(tǒng)根據(jù)傳感裝置接受到的風(fēng)速與瓦斯?jié)舛鹊扔嵦枌νL(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化控制。其中兩套系統(tǒng)的濃度等參數(shù)可以借助人機(jī)接口進(jìn)行人工設(shè)置與調(diào)整。

圖2 主系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 模糊控制裝置的基本設(shè)計原理

掘進(jìn)深度、風(fēng)速、溫度以及瓦斯的濃度是當(dāng)前對掘進(jìn)巷道安全問題影響較大的幾個因素。由于這幾項變量具有純滯后性，而且并不具備線性條件，因此難以針對性的確立一個精確的數(shù)學(xué)模型。因為當(dāng)前調(diào)查顯示風(fēng)速與瓦斯的濃度是對安全影響最大的兩個因素，所以本次研究主要針對這兩項因素進(jìn)行建模。作為數(shù)字化控制系統(tǒng)的一個特殊分支，模糊控制系統(tǒng)在具體工作流程方面依然和數(shù)控系統(tǒng)相同，從組成來看它主要有4個關(guān)鍵部分。具體流程為：傳感裝置獲取各被控量時值，將測量值與給定值對比，兩者差值利用A/D轉(zhuǎn)換為能夠被CPU識別的數(shù)字訊息，CPU利用模糊算法進(jìn)行計算后，其輸出值利用D/A轉(zhuǎn)換為控制機(jī)構(gòu)可以識別的模擬量，最終控制設(shè)備的具體運(yùn)行狀態(tài)。如圖3所示為該模糊控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)原理。

圖3所示的①到④代表該控制系統(tǒng)的模糊控制裝置、A/D與D/A轉(zhuǎn)換、控制對象和傳感裝置四個主要部分。該算法的主要過程為：根據(jù)實時測量得到的系統(tǒng)輸出量，經(jīng)過計算確定輸入量；把精確的輸入量轉(zhuǎn)換為模糊量；根據(jù)輸入量以及相關(guān)規(guī)則計算得出模糊控制量；根據(jù)計算得出的模糊控制量進(jìn)行精確計算。

3.1.1 確定具體的輸入、輸出變量

瓦斯的濃度偏差以及該偏差的變化率是本文確定的兩個輸入變量，同時，兩者分別用E和Ec表示。這兩個變量根據(jù)對比瓦斯?jié)舛仍O(shè)定值與周期采樣值得到：

圖3 模糊控制的基本流程

式中：et與et-1分別代表t與t-1是的實際采樣值。主電路中變頻裝置的輸入電壓U是該系統(tǒng)的輸出變量。頻率F是模糊控制裝置的輸出量，變頻裝置控制量可以利用V/f曲線計算得到。

3.1.2 模糊處理輸入、輸出的精確量

設(shè)定變量E的基本與量化論域分別為[-1，+1]和{-3，-2，-1，0，1，2，3},同時它的模糊語言集為{NB，NS，0，PS，PB}，偏差的語言表述為{極大偏差，大偏差，中等偏差，小偏差，無偏差}。計算e的量化因子：

設(shè)定變量Ec的基本與量化論域分別為[-0.5，+0.5]和{-3，-2，-1，0，1，2，3}，同時它的模糊語言集為{NB，NS，0，PS，PB}，偏差的語言表述為{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}。計算ec的量化因子：

設(shè)定輸出量F的基本與量化論域分別為[0，10]和{-3，-2，-1，0，1，2，3}，同時，它的模糊語言集為{NB，NS，0，PS，PB}，偏差的語言表述為 {最高，較高，中高，小高，無}。計算u的量化因子：

3.1.3 確立針對性的模糊控制規(guī)則

確保系統(tǒng)輸出后可以令響應(yīng)達(dá)到最佳的動、靜特性是確立模糊控制規(guī)則時需要遵守的根本性原則?？刂埔?guī)則表利用if-then的條件語句創(chuàng)立，其標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定依靠工作人員的經(jīng)驗。本文控制規(guī)則一共包含語句25條。現(xiàn)場工人的實際經(jīng)驗是規(guī)則建立的基礎(chǔ)。

3.2 自調(diào)整式模糊控制器的具體設(shè)計

本次研究中，風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速依靠二維自調(diào)整式的模糊控制器進(jìn)行控制，通過該方式可以確保系統(tǒng)更快進(jìn)行響應(yīng)。如下頁圖4所示為其結(jié)構(gòu)簡圖。

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，圖中含有多個參數(shù)，其意義分別為：α表示自調(diào)整因子；y與r分別表示系統(tǒng)輸出的精確瓦斯?jié)舛扰c給定的瓦斯?jié)舛龋籩/E，ec/Ec以及u和F分別表示瓦斯的濃度偏差以及偏差的變化率和控制裝置輸出的精確量與模糊量。Ke，Kec，Kf三個參數(shù)分別代表瓦斯的濃度偏差以及偏差變化率的量化因子與其控制量的比例因子。當(dāng)E、Ec與F三項參數(shù)擁有相同的量化論域時，其具體的關(guān)系式表示為：

圖4 自調(diào)整因子模糊控制器結(jié)構(gòu)

通過對α值進(jìn)行調(diào)整可以對控制規(guī)則進(jìn)行改變，從而實現(xiàn)對F的加權(quán)程度以及E和Ec的改變和控制。系統(tǒng)在e1較小時趨于穩(wěn)定狀態(tài)，此時加快穩(wěn)定是控制系統(tǒng)的核心任務(wù)，所以用α1進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；偏差e1的值較大時，系統(tǒng)通過α2對偏差進(jìn)行消除，這種狀態(tài)下需要增大偏差加權(quán)。

4 現(xiàn)場的實際操作與驗證

當(dāng)前2107工作面設(shè)置有U型的傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)，經(jīng)計算其按需供給的風(fēng)量為530 m3/min，然而現(xiàn)場實際監(jiān)測發(fā)現(xiàn)存在瓦斯積聚和超標(biāo)的情況，具體表現(xiàn)為CO傳感裝置出現(xiàn)了較高的瞬時峰值，而且每次超標(biāo)的時間間隔沒有規(guī)律。回風(fēng)口和掘進(jìn)工作面處的傳感裝置將檢測到的實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娪嵦杺鬏斀o模糊控制器，根據(jù)設(shè)定好的龍之規(guī)律進(jìn)行計算后控制器將符合要求的調(diào)制比傳輸給變頻器，最終風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速等方面依靠變頻裝置的控制進(jìn)行調(diào)整，風(fēng)量輸出滿足要求，同時，將匯風(fēng)合流處的瓦斯?jié)舛瓤刂朴谝?guī)定的范圍限度內(nèi)。

本次研究搭建了試驗平臺。實驗開啟之前首先對平臺的軟件與硬件進(jìn)行了針對性調(diào)試，同時，系統(tǒng)給出了風(fēng)量和瓦斯的檢測信號，根據(jù)該信號可以確定平臺的軟件與硬件均非常可靠。

根據(jù)選用的檢測風(fēng)速與瓦斯實時訊息的兩種傳感器型號，可以得出兩者的電流輸出值分別為0～200 mA和0～5 mA。如圖5的5-1、5-2兩圖分別代表著傳感器信號調(diào)整前后向DSP輸入的具體波形。

圖5 瓦斯與風(fēng)速信號調(diào)整前后波形圖

5 結(jié)語

本文的控制方案充分結(jié)合了井下巷道的真實工況，為設(shè)計的控制方案確定了針對性的控制規(guī)則。為了檢驗系統(tǒng)各模塊的實際運(yùn)行情況，同時，也為確保系統(tǒng)各項功能正常實現(xiàn)，特地搭建了專門的系統(tǒng)試驗平臺，通過該平臺對所有重要指標(biāo)進(jìn)行了試驗。結(jié)果顯示，本次設(shè)計方案具有明確的指標(biāo)，整體科學(xué)合理，在實際運(yùn)行中可以根據(jù)風(fēng)速與瓦斯?jié)舛葘︼L(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)控，從而實現(xiàn)智能化的風(fēng)量控制效果。