礦井通風(fēng)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

1 引言

　　 伴隨著采礦工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，受生產(chǎn)環(huán)境、技術(shù)裝備、管理水平等諸多因素的限制，各種安全問題及事故時有發(fā)生[1]。礦井事故的發(fā)生受多種因素影響，其中井下環(huán)境是保障礦山安全的重要因素，而通風(fēng)系統(tǒng)是改善礦井環(huán)境的主要手段[2]。

　　 礦井通風(fēng)系統(tǒng)主要由通風(fēng)機和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，其基本任務(wù)是為井下提供足夠的新鮮空氣，滿足井下工人對氧氣的需求，同時排出和沖淡礦井中的有毒有害氣體和粉塵，調(diào)節(jié)井下環(huán)境氣候，保障工作人員健康安全。過去的通風(fēng)系統(tǒng)一般采用傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制方法，為現(xiàn)場的人工操作控制。近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器在礦井通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用逐漸得到普及。變頻器能夠通過改變頻率輸出的方式，調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，同時實現(xiàn)節(jié)能降耗。但目前的通風(fēng)風(fēng)機控制一般采用固定轉(zhuǎn)速或分級轉(zhuǎn)速，不能根據(jù)礦井的實時環(huán)境信息對風(fēng)機轉(zhuǎn)速進(jìn)行動態(tài)地自動調(diào)整，也就沒能充分發(fā)揮變頻器的節(jié)能潛力[3]。

　　 本文設(shè)計了基于礦井動態(tài)環(huán)境信息的礦井風(fēng)機模糊控制系統(tǒng)，給出了控制系統(tǒng)總體架構(gòu)、系統(tǒng)組成、控制邏輯等內(nèi)容。

　　2 系統(tǒng)總體方案

　　 如圖1所示，礦井風(fēng)機模糊控制系統(tǒng)由監(jiān)控計算機、現(xiàn)場控制器、變頻器、風(fēng)機本體、狀態(tài)采集傳感器等部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)機啟停、調(diào)速、狀態(tài)監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制功能。

　　2.1 監(jiān)控計算機

　　 整個通風(fēng)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控，風(fēng)機啟?？刂?、健康管理、歷史數(shù)據(jù)存儲與查詢等功能由監(jiān)控計算機實現(xiàn)。監(jiān)控計算機一般采用高可靠性高性能工業(yè)計算機，接入礦井綜合環(huán)網(wǎng)與現(xiàn)場的PLC控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)風(fēng)機的遠(yuǎn)程自動控制。

　　2.2 現(xiàn)場控制器

　　 在風(fēng)機控制系統(tǒng)之中，現(xiàn)場控制器是核心器件，一般采用PLC、單片機等嵌入式控制器，其中PLC以其高可靠性、穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)能力，成為井下風(fēng)機控制器的首選[4]?？刂破饕罁?jù)狀態(tài)感知環(huán)節(jié)獲取的井下環(huán)境信息進(jìn)行模糊控制律解算，得到風(fēng)機的期望給定，并輸出給變頻器，由變頻器進(jìn)一步控制，實現(xiàn)風(fēng)機調(diào)速。同時現(xiàn)場控制器可以通過現(xiàn)場控制面板，實現(xiàn)風(fēng)機的現(xiàn)場控制以及主要運行參數(shù)的顯示。

　　2.3 狀態(tài)采集

　　 狀態(tài)采集主要包括環(huán)境信息采集和風(fēng)機狀態(tài)采集兩部分。環(huán)境信息采集是指對巷道內(nèi)的空氣溫度、濕度、氧氣、二氧化碳、典型有害氣體濃度進(jìn)行實時采集處理，作為控制器進(jìn)行模糊控制的依據(jù)。風(fēng)機狀態(tài)信息包括風(fēng)機的電壓、電流、溫度等狀態(tài)信息，主要用于風(fēng)機的健康監(jiān)測。

　　3 模糊控制邏輯設(shè)計

　　3.1 模糊控制

　　 模糊系統(tǒng)是指由模糊現(xiàn)象引起的不確定性系統(tǒng)，模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)。模糊推理是模糊控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，以模糊集合和模糊邏輯知識為依據(jù)，可以實現(xiàn)復(fù)雜的非線性映射關(guān)系。模糊推理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示：

　　 對于外界輸入的精確量值，首選需要進(jìn)行模糊化處理，將其轉(zhuǎn)化為論域上的模糊集合。同時根據(jù)被控對象的客觀屬性和控制要求，建立模糊規(guī)則庫，并設(shè)計模糊推理方法;然后根據(jù)輸入的模糊信息和模糊規(guī)則庫中的模糊規(guī)則，由模糊推理，得到針對當(dāng)前輸入的模糊推理結(jié)果。模糊推理的最后步驟是清晰化，即得到最終輸出的精確量值。

　　 根據(jù)輸入、輸出、隸屬度函數(shù)的不同，模糊控制系統(tǒng)可分為連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)兩類。其中離散模糊控制系統(tǒng)的輸入、輸出、隸屬度函數(shù)均為離散型。對有限個數(shù)的輸入量，經(jīng)模糊推理后，得到有限個數(shù)的輸出量，進(jìn)而得到一個對應(yīng)著輸入輸出關(guān)系的模糊推理表。在應(yīng)用過程中，根據(jù)系統(tǒng)輸入值，通過查詢該模糊推理表的方式，得到對應(yīng)的輸出值。這種離線設(shè)計推理表，在線查詢的方式，只需要極小的在線計算量，對控制器的計算能力、存儲容量都不需要太高的要求，因此特別適合實時性要求高的場合。

　　3.2 控制邏輯設(shè)計

　　 結(jié)合地面環(huán)境溫度、濕度情況，以及礦井各個采集點的溫度、濕度、粉塵濃度等環(huán)境信息，采用模糊邏輯控制方法，設(shè)計模糊控制邏輯，建立模糊規(guī)則表，建立采集節(jié)點與風(fēng)機節(jié)點控制量的模糊關(guān)系，在某個采集節(jié)點出現(xiàn)空氣質(zhì)量變化時，根據(jù)模糊邏輯表，調(diào)整對應(yīng)的風(fēng)機控制量，動態(tài)地調(diào)整礦井的風(fēng)機運行狀態(tài)。

　　 將巷道溫度、濕度作為輸入量，劃分為不同的論域，建立二維的模糊規(guī)則表，通過查表的方式，確定對風(fēng)機控制量，實現(xiàn)風(fēng)機調(diào)速。在礦井空氣質(zhì)量出現(xiàn)毒害氣體超標(biāo)、粉塵濃度超標(biāo)等進(jìn)入特殊情況時，則進(jìn)入應(yīng)急控制模式，加大供風(fēng)量，必要時進(jìn)行災(zāi)害應(yīng)急處理。

　　 將巷道濕度設(shè)置為四個區(qū)間，分別是NL、NS、PS和PL，對應(yīng)的溫度區(qū)間和隸屬度值如表1所示。巷道溫度的區(qū)間范圍和隸屬度如表2所示。以控制器輸出的模擬電壓值為模糊控制系統(tǒng)的輸出量，設(shè)計模糊邏輯如表3所示。

　　 加權(quán)平均法是一種常用的清晰化方法，能夠充分利用推理結(jié)果中的所有模糊信息，具有魯棒性好等優(yōu)點，在此采用加權(quán)平均的清晰化方法。對于離散論域情況，加權(quán)平均法的計算公式為：

　　 式中，為論域中的元素數(shù)，是論域的第個點的模糊值，是的隸屬度。

　　4 結(jié)論

　　 針對礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計問題，首先從安全生產(chǎn)、節(jié)能降耗等角度分析了當(dāng)前我國礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在的主要問題。然后給出了礦井風(fēng)機模糊控制系統(tǒng)的系統(tǒng)組成方案，主要由監(jiān)控計算機、現(xiàn)場控制器、變頻器、風(fēng)機本體以相應(yīng)的控制軟件等部分。進(jìn)而進(jìn)行了礦井風(fēng)機模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計，包括模糊控制系統(tǒng)的基本原理和步驟，針對礦井通風(fēng)問題，進(jìn)行了以巷道溫度、濕度為輸入量的論域劃分，以電壓輸出為控制量的模糊邏輯設(shè)計，最后采用了加權(quán)平均法進(jìn)行控制量的清晰化處理。