DOI:10.16545/j.cnki.cmet.2012.03.022 2012 年第 3 期 煤 矿 机 电 ·54· 煤矿局部通风机综合控制系统研究* 彭云1，赵伏军1 1． 湖南科技大学 能源与安全工程学院，湖南 湘潭 411201 ( 2，黄寿元3，王宏宇1 ， ; 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: 文章编号:1001 － 0874(2012)03 － 0045 － 03 文献标识码: TD724 + ． 4 B Study of Integrated Control System for Local Ventilator in Coal Mine ( 1． School of Energy Source and Safety Engineering PENG Yun1， ZHAO Fu-jun1 ， 2， ， HUANG Shou-yuan3， WANG Hong-yu1 Hunan University of Science and Technology ; ， ， ， Xiangtan 411201 ， China ; 2． Key Lab of Safe Coal Mining Technology 3． Ma’anshan Mining Institute of Sinosteel Group Xiangtan 411201 ， Ma’anshan 243004 China ， ) China ， Using fuzzy control and frequency changing technologies the local fan motor speed is controlled : Abstract according 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． local ventilator fuzzy control speed control by frequency converting ; real-time monitoring ， ， ; ， ; : Keywords 0 引言 1 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［ ］，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。 * 湖南科技大学创新基金项目( ) S110101 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 ，再用 转换后与风机出口断面积相乘得到送风量 Q1 下 位机送来的出风量Q2 按η1 = Q1 － Q2 Q2 × 100 % 计 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

·64· 煤 矿 机 电 2012 年第 3 期 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。 阻和工作人数等有关。考虑到系统的非线性、多耦 ］，采用模糊控制变频调速方法 合和多干扰等因素［ 较为方便，可靠。 2． 1 模糊控制系统组成 2 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。 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 ，并通过串行通信接口送至上位机; 并 显示在 LCD 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 + 5 V 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 + 8 V。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 10 m / s 探头，采用时差法测量风速，测量精度高。 ，故采用超声波 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 图 2 模糊控制系统组成框图 及其偏差变化率 ec 实时监测掘进工作面的瓦斯浓度偏差 e1 、温度 ，经模糊控 偏差 e2 、风量偏差 e3 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 ，输出至上位机 送入量化电路处理得到控制电压 U 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 ］， ) 偏差量化论域均取为 ， 3 风量偏差( m3 / s ) 和温度( ℃ 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

2012 年第 3 期 煤 矿 机 电 ·74· ， NS ， ， ， NB NM － 3 ， PB ］，模 糊 子 集 均 为 { PM 小，正中，正大} ; 偏差变化率的基本论域均为［ ， PS + 3 } ，语言变量描述为{ 负大，负中，负小，零，正 ， － 1 ， ，} ，模 ， 2 3 } ，语言变 + 1 糊子集均为{ ］，量化论域均为{ ， ， 0 1 ， ， ， － 2 ， － 1 ， － 3 ZO ， ， ［ ， NM ， NS NB ZO PS PM PB 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 ， NB ，偏差变 NM 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。 。瓦斯浓度偏差 e ］，模 糊 子 集 为 { ， PM ， ZO ， PB ， NS ， PS ， 5 } 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 NB NM NS ZO PS NM PB NB PB PB PM PM PS ZO ZO NM PB PB PM PM PS ZO ZO NS PB PM PM PS ZO NB NB e ZO PB PM PM ZO NM NM NM PS PM PM ZO NS NM NB NB PM ZO ZO NS NM NM NB NB PB ZO ZO NS NM NM NB NB 3 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 1 460 r / min ，假定最小转速为 300 r / 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: ［ ］ 祝龙记，王汝琳． 矿用变频调速局部通风机的模糊控制技术 1 ］ ［ ． 煤炭科学技术， J 2003 ( ， 31 4 ) : 7-9． ［ ］ 洪 乃 刚． 电 力 电 子 与 电 力 拖 动 控 制 系 统 的 MATLAB 仿 真 2 ［ ］ ． 北京: 机械工业出版社， M 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) 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net