煤矿局部通风机综合控制系统研究

煤矿局部通风机综合控制系统研究*彭云1，赵伏军1，2，黄寿元3，王宏宇1（1．湖南科技大学能源与安全工程学院，湖南湘潭411201；2．煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南湘潭411201；3．中钢集团马鞍山矿山研究院，安徽马鞍山243004）摘要：采用模糊控制和变频调速技术，局部通风机电动机根据掘进工作面瓦斯浓度、需风量及温度实现变频调速控制，自动改变风机送风量，实现风－电闭锁、瓦斯－电闭锁，系统能监测局部通风系统漏风率、供风量和瓦斯浓度，出现异常时，发出报警信号，切断电源。

经Matlab 仿真，得到仿真曲线，具有应用价值。

关键词：局部通风机；模糊控制；变频调速；实时监测中图分类号：TD724+．4文献标识码：B 文章编号：1001－0874（2012）03－0045－03Study of Integrated Control System for Local Ventilator in Coal MinePENG Yun 1，ZHAO Fu-jun 1，2，HUANG Shou-yuan 3，WANG Hong-yu 1（1．School of Energy Source and Safety Engineering ，Hunan University of Science and Technology ，Xiangtan 411201，China ；2．Key Lab of Safe Coal Mining Technology ，Xiangtan 411201，China ；3．Ma ’anshan Mining Institute of Sinosteel Group ，Ma ’anshan 243004，China ）Abstract ：Using fuzzy control and frequency changing technologies ，the local fan motor speed is controlledaccording to the gas density ，airflow demand and temperature at the heading．The system will be able to automatically change the fan ’s airflow ，to realize the air-power lock and gas-power lock ，to monitor the air leakage rate of local ventilation system ，the air flow and gas density ；and to alert and cut off the power at the heading during abnormity．The simulative curve of system is gained by Matlab simulation．Keywords ：local ventilator ；fuzzy control ；speed control by frequency converting ；real-time monitoring*湖南科技大学创新基金项目（S110101）0引言局部通风机功率通常是按掘进距离最长时、保证瓦斯不超限为原则选择的。

经常出现“大马拉小车”现象［1］，造成能源浪费，且不利于用风安全。

采用模糊控制、变频调速技术，根据掘进工作面瓦斯浓度、供风量及温度对局部通风机电动机实行变频调速控制，改变送风量，监测掘进工作面实际供风量、瓦斯浓度和局部通风系统漏风率，当无风、瓦斯浓度过高或漏风率过大时报警，并切断掘进工作面电源，实现瓦斯－电闭锁和风－电闭锁，防止事故发生。

1系统组成综合控制系统如图1所示，由上位机系统、下位机系统、三相整流滤波电路、变频器，电磁继电器等电路组成。

1．1上位机系统上位机系统由高性能单片机、电动机温度传感器、通风机出口风速传感器、LCD 、LED 显示、声光报警等部分组成。

上位机系统接收下位机系统送来的瓦斯浓度、温度和风量等参数，经和设定值进行模糊处理后，控制变频器改变电动机转速和送风量。

风速值A /D 转换后与风机出口断面积相乘得到送风量Q 1，再用下位机送来的出风量Q 2按η1=Q 1－Q 2Q 2ˑ100%计·54·2012年第3期煤矿机电图1综合控制系统组成图算监测漏风率，实现上述报警和闭锁等功能。

当漏风率过大时，发出报警信号，提示相关人员及时对局部通风机系统进行检修。

同时监测下位机送来的瓦斯浓度参数，当瓦斯浓度过高或无风时，发出报警信号，并输出控制信号至掘进头供电电磁继电器，切断掘进头电源，防止事故发生。

同时还显示风机送风量、漏风率、瓦斯浓度、温度、电动机温度，以及时钟等。

1．2下位机系统下位机系统由单片机、风筒出口风速、瓦斯浓度和温度传感器、LCD、LED显示，声光报警、按键及接口等部分组成。

下位机系统根据风速和风筒断面积求得风筒出风量；将出风量、瓦斯浓度和温度值经A/D转换后显示在LCD，并通过串行通信接口送至上位机；并在LCD上显示上位机送来的漏风率参数；瓦斯浓度和漏风率超限时报警。

1．3上、下位机之间的通信及电源上、下位机均采用+5V供电，通过串行接口实现双向通信。

采用抗干扰性能强的数字信号，可保证通信安全可靠。

其供电由局部通风机电源通过变压器降压，经整流、滤波和稳压后提供。

由于下位机距电源较远，线路上有一定的压降，故电源电压采用+8V。

上、下位机均设W7805稳压模块，并有稳压和过流保护电路。

1．4风速探头由于风筒风速一般超过10m/s，故采用超声波探头，采用时差法测量风速，测量精度高。

2模糊控制实现掘进工作面所需风量与瓦斯浓度、巷道长度、风阻和工作人数等有关。

考虑到系统的非线性、多耦合和多干扰等因素［2］，采用模糊控制变频调速方法较为方便，可靠。

2．1模糊控制系统组成采用二维模糊控制器对局部通风机进行模糊控制，系统结构如图2所示。

图2模糊控制系统组成框图实时监测掘进工作面的瓦斯浓度偏差e1、温度偏差e2、风量偏差e3及其偏差变化率ec，经模糊控制器处理后，输出三路电压信号U1、U2、U3进入三路PWM脉宽调制电路，产生三路同频同初相不同脉宽PWM波，送入逻辑或门电路中求得三路PWM 波中脉宽的最大值。

经逻辑或门处理后的PWM波送入量化电路处理得到控制电压U，输出至上位机系统的压控振荡器，产生不同频率的振荡信号并生成驱动信号送入变频调速器，改变电动机转速，从而改变局部通风机送风量。

2．2输入输出模糊化瓦斯浓度（百分数）偏差量化论域取为［0，3］，风量偏差（m3/s）和温度（ħ）偏差量化论域均取为·64·煤矿机电2012年第3期［－3，+3］，模糊子集均为｛NB ，NM ，NS ，ZO ，PS ，PM ，PB ｝，语言变量描述为｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝；偏差变化率的基本论域均为［－1，+1］，量化论域均为｛－3，－2，－1，0，1，2，3，｝，模糊子集均为｛NB ，NM ，NS ，ZO ，PS ，PM ，PB ｝，语言变量描述为｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝；输出电压的量化论域为［0，5］，模糊子集为｛NB ，NM ，NS ，ZO ，PS ，PM ，PB ｝。

瓦斯浓度偏差e ，偏差变化率ec 和输出电压U 的隶属函数如图3所示。

风量和温度的隶属函数未一一给出。

图3输入、输出隶属函数2．3模糊控制规则根据实际情况和模糊控制相关原理设计的模糊控制表，如表1所示。

由于瓦斯浓度、温度和风量的量化论域均一致，则输出脉宽t 的模糊推理均一致。

表1输出变量U 的模糊推理表ec eNB NM NS ZO PS PM PB NB PB PB PB PB PM ZO ZO NM PB PB PM PM PM ZO ZO NS PM PM PM PM ZO NS NS ZO PM PM PS ZO NS NM NM PS PS PS ZO NM NM NM NM NM ZO ZO NB NM NB NB NB PBZOZONBNMNBNBNB3系统仿真和结果分析在Matlab /Simulink 中建立模糊控制系统模型进行仿真。

仿真用的三相异步电动机参数为：磁极对数2对，额定转速1460r /min ，假定最小转速为300r /min 。

仿真得到瓦斯浓度－转速曲线如图4所示。

4结语本控制系统能根据掘进工作面瓦斯浓度、供风量及温度实现对局部通风机电动机变频调速控制，图4瓦斯浓度－转速曲线自动改变局部通风机供风量，并能实现瓦斯－电闭锁和风－电闭锁。

采用模糊控制系统容易实现，经仿真分析，具有调节及时准确，调速性能良好，可靠性高等优点。

克服了手动操作需要频繁切换通风机工作状态的问题，对保障局部用风安全具有重要的现实意义。

参考文献：［1］祝龙记，王汝琳．矿用变频调速局部通风机的模糊控制技术［J ］．煤炭科学技术，2003，31（4）：7-9．［2］洪乃刚．电力电子与电力拖动控制系统的MATLAB 仿真［M ］．北京：机械工业出版社，2006．作者简介：彭云（1987－），男，在读硕士研究生。

主要研究方向为矿山监测设备和矿井通风。

（收稿日期：2010－09－29；责任编辑：陶驰东）·74·2012年第3期煤矿机电。