郝 瑞

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)安全督查大隊(duì)，山西 大同 037003）

礦井通風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)著輸送新鮮空氣至井下、稀釋井下有毒有害氣體、完成井下粉塵排放目標(biāo)、保證井下作業(yè)環(huán)境安全的任務(wù)。 礦井地面主通風(fēng)機(jī)需持續(xù)長時間運(yùn)行，能量消耗較高，運(yùn)行效率低，因此，設(shè)計(jì)礦井通風(fēng)節(jié)能控制系統(tǒng)意義重大。國內(nèi)煤礦約50%的地面主通風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行效率低于50%，主要存在的問題有：（1）工頻運(yùn)行模式，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。 （2）“事后控制”模式，存在安全隱患。（3）手動調(diào)速模式，智能化水平低[1-3]。 針對上述問題，基于模糊PID控制原理，采用變頻調(diào)速模式實(shí)現(xiàn)礦井地面主通風(fēng)機(jī)節(jié)能控制，達(dá)到節(jié)能降耗、提升通風(fēng)控制系統(tǒng)智能化水平的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

礦井通風(fēng)節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示，通風(fēng)節(jié)能控制系統(tǒng)中心由高級可編程邏輯控制器及其擴(kuò)展模塊組成，周期性地獲取環(huán)境監(jiān)測傳感器的環(huán)境參數(shù)，如瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度、溫度、濕度等，經(jīng)通風(fēng)節(jié)能控制系統(tǒng)處理后實(shí)時變頻控制地面主通風(fēng)機(jī)并完成工況點(diǎn)的監(jiān)控、 與通風(fēng)遠(yuǎn)程控制監(jiān)控平臺完成信息交互。 通風(fēng)遠(yuǎn)程控制監(jiān)控平臺用于實(shí)時展示通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，同時可實(shí)現(xiàn)對主通風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程控制。 環(huán)境監(jiān)測傳感器主要包括風(fēng)速傳感器、風(fēng)量傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、CO濃度傳感器、粉塵濃度傳感器、溫濕度傳感器等。 主通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)主要包括兩組變頻器- 通風(fēng)機(jī)，可根據(jù)當(dāng)前礦井瓦斯?jié)舛?、風(fēng)量、風(fēng)速等參數(shù)實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速自適應(yīng)運(yùn)行。參數(shù)解算以及仿真優(yōu)化模塊主要完成模糊PID控制系統(tǒng)中ΔKp/ΔKi/ΔKd等參數(shù)的解算和優(yōu)化，到達(dá)模糊自適應(yīng)控制的目的。礦井通風(fēng)節(jié)能控制系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境參數(shù)、 模糊PID參數(shù)對變頻器-通風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)閉環(huán)控制。

圖1 礦井通風(fēng)節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

礦井通風(fēng)節(jié)能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，以礦井巷道瓦斯?jié)舛葹楹诵目刂茀?shù)，以瓦斯?jié)舛取O濃度、粉塵濃度、溫濕度以及風(fēng)速、風(fēng)量為參考控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對1#、2#通風(fēng)機(jī)的模糊變頻調(diào)速控制。 為保證礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，保證礦井安全生產(chǎn)，系統(tǒng)硬件采用雙冗余設(shè)計(jì)模式[4-5]，即某一個控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障后可無縫切換至冗余控制系統(tǒng)，保證煤礦井下安全生產(chǎn)。

圖2 礦井通風(fēng)節(jié)能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

礦井通風(fēng)節(jié)能控制系統(tǒng)硬件主要包括控制器、傳感器、變頻器、通風(fēng)機(jī)、上位機(jī)等。 控制器選用西門子CPU315-2DP，根據(jù)系統(tǒng)采集的模擬量、數(shù) 字 量 擴(kuò) 展SM321、SM322、SM331、SM332 模 塊，并于控制器CPU315-2DP相連，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用、控制以及監(jiān)測功能。 通風(fēng)機(jī)選用防爆軸流式風(fēng)機(jī)BT35-11-N09 模擬代替，該通風(fēng)機(jī)具備動葉可調(diào)功能，可便捷的調(diào)節(jié)風(fēng)量運(yùn)行穩(wěn)定，且運(yùn)行穩(wěn)定、響應(yīng)迅速，滿足礦井通風(fēng)系統(tǒng)模擬要求[6-7]。 變頻器選用BOERH-BD6L-15T4，該變頻器具備手動/自動雙模控制、分級控制、節(jié)能控制模式，可實(shí)現(xiàn)1.5、1.7、2 以及3 次方V/F曲線控制，可實(shí)現(xiàn)PID給定速度修正、給定轉(zhuǎn)矩修正等功能，啟動頻率為1～60.00 Hz，基本運(yùn)行頻率為1～650.00 Hz，運(yùn)行速度范圍為1～15 000 rpm，滿足礦井通風(fēng)機(jī)變頻控制要求[8]。根據(jù)礦井通風(fēng)節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及硬件設(shè)計(jì)方案，控制器CPU315-2DP及其擴(kuò)展模塊的I/O地址分配如表1 所示。

表1 礦井通風(fēng)節(jié)能控制系統(tǒng)控制器地址分配

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)礦井通風(fēng)節(jié)能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，系統(tǒng)軟件采用模塊化編程方案，主要劃分為主程序模塊、初始化模塊、風(fēng)機(jī)控制模塊、模糊控制模塊、模擬量處理模塊、故障報警模塊六大部分。 主程序模塊用于實(shí)現(xiàn)硬件冗余系統(tǒng)的無縫切換，同時順序調(diào)用其他模塊程序。 初始化模塊用于定義并配置系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、 記錄CP硬件地址、 網(wǎng)絡(luò)鏈接ID號、DP主站地址、MPI地址信息、DP數(shù)據(jù)接口連接方式等。 風(fēng)機(jī)控制模塊用于完成1#、2#風(fēng)機(jī)的一鍵啟停，風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)控制等。

模糊控制模塊用于完成對變頻器的模糊PID控制，控制原理如圖3 所示，輸入信號為E、Ec，輸出信號為y(k)。 需將ΔP、ΔI以及ΔD的模糊控制表存入定義的數(shù)據(jù)塊DB12、DB13 以及DB14，并按照如圖4 所示流程獲取采樣值、 模糊化E、Ec，對ΔKp、ΔKi、ΔKd進(jìn)行模糊整定和計(jì)算。

圖3 礦井通風(fēng)節(jié)能控制系統(tǒng)模糊PID 控制原理

圖4 礦井通風(fēng)節(jié)能控制系統(tǒng)模糊控制器軟件流程

模擬量處理模塊用于完成巷道瓦斯?jié)舛?、CO濃度、風(fēng)量、風(fēng)速等模擬量的采集并將數(shù)值直接存入定義好的DB數(shù)據(jù)塊，并完成A/D轉(zhuǎn)換，同時需對轉(zhuǎn)換后的模擬量數(shù)值進(jìn)行有效性、正確性判斷。 故障報警模塊用于完成通風(fēng)系統(tǒng)的聲光語音報警功能，提示系統(tǒng)故障發(fā)生點(diǎn)以及處理該故障的一般方法。

3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺設(shè)計(jì)

礦井通風(fēng)節(jié)能控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺基于力控的ForceControl6.1 組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)。 該組態(tài)軟件提供全部軟硬件接口，可完成系統(tǒng)割模塊的集中組合，利用“組態(tài)”技術(shù)完成通風(fēng)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺的搭建。 設(shè)計(jì)的礦用通風(fēng)節(jié)能控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺如圖5 所示，通風(fēng)節(jié)能控制系統(tǒng)中心通過CAN總線通信模式將系統(tǒng)運(yùn)行時的所有數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺。 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺動態(tài)、實(shí)時維護(hù)實(shí)時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫，分別完成用戶登錄、風(fēng)機(jī)監(jiān)測、歷史報警信息查詢等功能。

圖5 礦井通風(fēng)節(jié)能控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺

4 實(shí)例驗(yàn)證分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)節(jié)能控制系統(tǒng)的有效性和正確性，依托通風(fēng)試驗(yàn)平臺對該方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。 該通風(fēng)試驗(yàn)平臺模擬“一礦兩面”模型，大小按照實(shí)際礦井巷道4:1 構(gòu)建，分支巷道斷面尺寸為1.2 m×1 m，占地面積約為150 m2，由通風(fēng)巷道、通風(fēng)機(jī)、控制柜、傳感器、遠(yuǎn)程控制平臺等組成。 試驗(yàn)時，根據(jù)風(fēng)量設(shè)定值，系統(tǒng)對實(shí)際風(fēng)量進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。 風(fēng)量傳感器采集巷道內(nèi)實(shí)際風(fēng)量值，傳送至控制器，與設(shè)定風(fēng)量值進(jìn)行比較并采用模糊PID變頻控制方案控制通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)、 改變巷道風(fēng)量的目的。 試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示，當(dāng)變頻器運(yùn)行頻率為50 Hz時，固定風(fēng)量為9.77 m3/s、 固定風(fēng)壓為210.92 Pa，總功耗為2.05 kW。 當(dāng)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率改變時，在滿足風(fēng)量需求的前提下，功耗成下降趨勢，節(jié)電效果顯著。

表2 礦井通風(fēng)節(jié)能控制系統(tǒng)功耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

以礦井地面主通風(fēng)機(jī)為研究對象，重點(diǎn)研究了礦井通風(fēng)節(jié)能控制系統(tǒng)總體方案、軟硬件方案，基于模糊PID變頻控制原理實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能控制并得出以下結(jié)論：

1）以西門子CPU315-2DP控制器為核心，實(shí)現(xiàn)了礦井巷道環(huán)境參數(shù)實(shí)時監(jiān)測，并根據(jù)環(huán)境參數(shù)實(shí)現(xiàn)對1#、2#通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能控制以及自適應(yīng)運(yùn)行，避免了“事后控制”模式存在的安全隱患，同時提升了控制系統(tǒng)的智能化水平。

2）試驗(yàn)結(jié)果表明，該通風(fēng)節(jié)能控制系統(tǒng)節(jié)電效果明顯，節(jié)能降耗經(jīng)濟(jì)效益顯著。