馬路平

（西山煤電集團有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦， 山西 太原 030053）

引言

我國作為煤炭資源大國，通風(fēng)問題是我國煤礦開采面臨的重要問題，通風(fēng)系統(tǒng)、通風(fēng)設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性對于礦井安全生產(chǎn)十分重要。礦井通風(fēng)機作為重要的通風(fēng)設(shè)備，其在日常生產(chǎn)中由于數(shù)量較多，在正常運行過程中存在間歇時間長、通風(fēng)效率低、低負載運行等問題，嚴重浪費著電能[1-2]。所以對通風(fēng)機進行變頻調(diào)速是十分重要的。此前馮宏波[3]通過分析礦井通風(fēng)機變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計，對PLC 控制平臺及礦井通風(fēng)機變頻調(diào)速控制進行分析，給出了相應(yīng)的風(fēng)機變頻調(diào)速系統(tǒng)，為其余礦井通風(fēng)變頻控制系統(tǒng)的構(gòu)建提供參考。王偉[4]針對通風(fēng)機不能根據(jù)需風(fēng)量進行實時風(fēng)量控制的問題，基于原有的通風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)對通風(fēng)機變頻調(diào)速系統(tǒng)進行總體設(shè)計，并給出了相應(yīng)的硬件軟件設(shè)計過程，并通過現(xiàn)場實踐驗證了設(shè)計的變頻控制系統(tǒng)的可行性。本文利用PID 控制器對礦井通風(fēng)機進行風(fēng)量自動調(diào)節(jié)研究，有效提升了礦井風(fēng)機的工作效率，為礦井高效生產(chǎn)提供一定的參考。

1 自適應(yīng)模糊PID 控制技術(shù)

傳統(tǒng)通風(fēng)機有大慣性、模型時變及大時滯等特性，其運行過程中控制量不能準確反映系統(tǒng)的擾動，所以對通風(fēng)機的控制十分復(fù)雜，隨著計算機科學(xué)的不斷發(fā)展，智能化逐步運用于礦井開采中，基于自適應(yīng)模糊PID 控制可以較好地實現(xiàn)變頻控制。自適用模糊PID 控制器是采用自適應(yīng)模糊推理的方式，對PID 調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)進行整定，從而實現(xiàn)穩(wěn)定控制。自適應(yīng)模糊PID 控制器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 自適應(yīng)模糊PID 控制器結(jié)構(gòu)圖

如圖1 所示可以看出，自適用模糊PID 控制器的工作流程為對控制器進行給定值的輸入，給定值輸入后對給定制與實際值進行比較分析，確定兩者的差值，此時模糊推理控制模塊會對差值進行分析，從而得出修改PID 控制器的參數(shù)，實現(xiàn)實時的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)一直持續(xù)循環(huán)以上過程，實現(xiàn)控制器的最優(yōu)化管理。

通風(fēng)機風(fēng)量調(diào)節(jié)原理同樣是對給定值進行一系列的計算，從而對比得出變頻器輸入量，實現(xiàn)異步電動機的實時控制，達到控制風(fēng)量的目的。

對比分析自適應(yīng)模糊PID 控制與模糊控制響應(yīng)曲線，首先進行仿真模擬的數(shù)據(jù)設(shè)置，由于兩者為單一變量對比，所以兩者的參數(shù)設(shè)置應(yīng)當(dāng)一致，完成模型的設(shè)置后對其進行仿真，仿真結(jié)果如下頁圖2 所示。

如圖2 所示，當(dāng)延時為1 s 時，此時的自適應(yīng)模糊PID 控制曲線在60 s 時達到穩(wěn)定，而相應(yīng)的模糊控制曲線120 s 達到穩(wěn)定，所以在延時為1s 時的模糊控制曲線達到穩(wěn)定的速度較自適應(yīng)模糊PID 控制曲線慢。當(dāng)延時為10 s 時，此時的自適應(yīng)模糊PID 控制曲線在120 s 時達到穩(wěn)定，而相應(yīng)的模糊控制曲線160 s 達到穩(wěn)定，延時為10 s 時的自適應(yīng)模糊PID 控制曲線達到穩(wěn)定的速度較模糊控制曲線要快。從以上分析可以看出自適用模糊PID 控制對風(fēng)量的控制響應(yīng)較快，較好地解決了系統(tǒng)控制的時滯性。

圖2 仿真模擬曲線

2 變頻控制系統(tǒng)設(shè)計

通過仿真研究確定了自適應(yīng)模糊PID 控制技術(shù)后，對系統(tǒng)風(fēng)機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)進行設(shè)計，本文的PLC 控制器選定為S7-400H 為核心控制器，利用傳感器對系統(tǒng)的風(fēng)壓等參數(shù)進行采集，通過通訊模塊實現(xiàn)控制器與變頻器的數(shù)據(jù)交流，同時利用上位機實現(xiàn)風(fēng)機數(shù)據(jù)的顯示。PLC 控制器的輸出電流為10 A，接口模塊為IMI153，數(shù)字量輸出輸入模塊分別為6ES7322-1CF0-0AA0 和6ES7321-7BH01-0AB0，模擬量的輸入輸出模塊分別為6ES7331-7KF02-0AB0和6ES7322-5HF00-0AB0，與上位機采用CP1623通訊板卡連接。

對通風(fēng)機的控制程序進行設(shè)計，程序的控制流程如圖3 所示。

根據(jù)圖3 可以看成出，程序運行可分為手動及自動模式兩種，其中手動模式是操作人員根據(jù)實際的通風(fēng)機運行狀態(tài)對系統(tǒng)進行切換，自動模式是控制器對分支風(fēng)道內(nèi)部的負壓和風(fēng)速進行監(jiān)控，為了避免風(fēng)流短路的事故，在程序中增加兩組立風(fēng)門和平風(fēng)門，兩風(fēng)門為互鎖狀態(tài)，當(dāng)一號風(fēng)機發(fā)生故障且短時間內(nèi)無法恢復(fù)時，此時2 號風(fēng)機啟動。在風(fēng)機正常運行過程中控制器通過對采集數(shù)據(jù)與標準值進行實時比較，當(dāng)出現(xiàn)采集風(fēng)量與標準值差距較大的情況時，此時程序會對偏差進行計算，得出變壓器的頻率變動值，同時為了保證控制的效果，設(shè)定閾值為±4 Hz，避免調(diào)節(jié)過大造成的沖擊，實現(xiàn)風(fēng)機風(fēng)量的變頻控制。

圖3 程序的控制流程圖

對上位機進行設(shè)計，人機界面為人與系統(tǒng)交流的媒介，其主要用于參數(shù)的顯示，同時上位機需要對風(fēng)機、風(fēng)門及變頻器等設(shè)備的運行數(shù)據(jù)進行儲存，上位機的組態(tài)軟件框架圖如4 所示。

從圖4 可以看出，上位機的組態(tài)系統(tǒng)共分為4個部分，分別為畫面組態(tài)、腳本程序、報警設(shè)置及網(wǎng)絡(luò)配置，其中畫面組態(tài)包括了風(fēng)機運行畫面、風(fēng)量控制界面、報警顯示界面、報表查詢界面及高壓開關(guān)柜狀態(tài)，同時系統(tǒng)可以將運行狀態(tài)及風(fēng)量等隨時間變化曲線進行繪制，便于對比研究。報警系統(tǒng)可以監(jiān)測風(fēng)機的速度、溫度、風(fēng)流量、負壓等參數(shù)，根據(jù)提前設(shè)定的閥值，從而給出報警范圍，當(dāng)檢測的數(shù)據(jù)超過正常范圍時，此時系統(tǒng)會自動報警，并亮起故障等。

圖4 上位機的組態(tài)軟件框架圖

對設(shè)計的變頻控制系統(tǒng)進行應(yīng)用研究，根據(jù)實際地質(zhì)情況測定的給風(fēng)量7 500 m3/min 進行設(shè)定，將風(fēng)量輸入至上位機組態(tài)軟件，開始進行系統(tǒng)運行。根據(jù)系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)可以看出頻率值為25.5 Hz，控制器的輸出頻率不斷上升，此時風(fēng)量上升至7 500 m3/min，由于存在一定的滯后性使得風(fēng)量超過給定值，此時顯示的輸出頻率降低，風(fēng)量維持在7 500 m3/min，此時變頻器的數(shù)值持續(xù)保持在25.5 Hz，自適應(yīng)模糊PID 風(fēng)機變頻系統(tǒng)達到了預(yù)期的效果。

3 結(jié)語

本文對自適應(yīng)模糊PID 控制技術(shù)原理進行分析，并對比了模糊控制技術(shù)及自適應(yīng)模糊PID 控制技術(shù)的響應(yīng)速度，發(fā)現(xiàn)自適用模糊PID 控制對風(fēng)量的控制響應(yīng)較快，給出了自適應(yīng)模糊PID 變頻控制通風(fēng)系統(tǒng)的總體設(shè)計目標，并對變頻控制系統(tǒng)的硬件及軟件進行分析，給出了自適應(yīng)模糊PID 變頻控制系統(tǒng)，通過對變頻控制系統(tǒng)應(yīng)用進行分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過優(yōu)化后的自適應(yīng)模糊PID 風(fēng)機變頻系統(tǒng)達到了預(yù)期的效果。