基于模糊控制的主通风机倒机自动控制系统设计(1).pdf

2 0 1 3 年第 3 8 卷第 2期 V0 1 ． 3 8 No ． 2 能 源 技 术 与 管 理 E n e r g y T e c h n o l o g y a n d Ma n a g e me n t 1 41 d o i l O ．3 9 6 9 ／ j ． is s n ． 1 6 7 2 - 9 9 4 3 ． 2 0 1 3 ．0 2 ．0 5 5 窭 落 誊 ≮≯ 笃 信囊 誊 技爱 ； 蒸 撼 致 嚣 嚣蠢黧麓 基 于模 糊 控 制 的 主通 风 机 倒机 自动 控 制 系统设 计 李金华 山西潞安集团 司马煤业公司。山西 长治 0 4 7 1 0 5 [ 摘要] 根据国内主通风机倒机过程通风失稳的特点，结合模糊控制技术及现代监测与诊 断技术 ， 设计开发 了一种基 于模糊控制的主通风机倒机 自动控制 系统 。结果表明， 该系统性能良好， 具有可实施性， 系统可靠性较高。 [ 关键词] 主通风机 ； 倒机过程 ； 模糊控制 ； P L C； 安全监测 [ 中图分类号]T D4 4 1[ 文献标识码 ]B [ 文章编号 ]1 6 7 2 _ 9 9 4 3 2 0 1 3 0 2 1 4 1 - 0 3 0 引 言 煤矿 主通 风机是煤矿生产 过程 中的关键设 备，其运行安全稳定性是煤矿通风系统安全可靠 的重要标志 。 煤矿主通风机倒机过程中， 通风失稳 引起瓦斯积聚及超限，严重威胁了煤矿通风系统 的安全 ， 对主通风机倒机过程问题变得尤为突出 ， 对此方面的研究就变得至关重要。传统的停机倒 机期间会引起系统停风微风问题 ，基于模糊控制 的主通风机倒机 自动控制系统 的设计解决 了这一 难题 ， 保证了煤矿通风系统的安全 。 1 模糊控制方案的设计 作 为复杂条件下 的实时控制 的模糊控制 ， 利 用模糊数学 的基本思想和理论 的控制方法 。其特 点决定 了模糊控制可以回避对控制系统精确建模 的难题 。从通风机倒机通风失稳控制的控制需求 分析中 ，可得出保证倒机过程中通风机通风系统 的风量稳定是模糊控制器的控制 目标。 1 ． 1 模糊控制方案的概述 文章选用的是一种二维输入结构 的模糊控制 器，这是目前广泛使用的技术非常成熟的一种模 糊控制器 。为更好地反映非线性 比例加微分 的控 制规律 ，该模糊控制器的输入量是风量的偏差 e 和偏差的变化率 e c ，与一维的模糊控制器相 比， 二维模糊控制器的控制效果要好很多。 令输入信号 e及 e c的论域在 一 6 ～ 6之间 ， 模 糊控制器的输出量 是风门的角度增量或减量。 模糊控制方案框图如图 1 所示。 1， 模糊控制器 动 1 l E 牺 计算 离散 模糊 一 模糊 出 风门 通风 一 变化 与模 算法 决 执行 机侧 一 一 通风 一 ● 风嚣 率 糊化 器 机构 编移 一 系统 P C 量 图 1 模糊控制方案框图 由图 1 可知 ，风量偏差 e 是反馈 回来 的实际 风量与输人风量的之间的差值。由于风量过大导 致了系统控制的滞后，利用传感器可以在主回风 巷道处就近采集反馈回来的实际风量 ，很好地解 决了此难题 ， 提高了系统的控制速度 。 模糊控制器 的输 出量是风门的角度增量或减量 ，由于计算机 的输 出 可能会 出现突变 ， 因此采用这种增量 式算法代替位置算法 ，有效地解决 了使用位置式 算法引起的执行机构位置大幅度变化这一难题 。 1 ． 2 模糊控制器的设计 本文选择备用风机的立式风门、原运行风机 的水平 风门及立式风 门， 利用 P L C模拟量输出模 块， 对执行机构进行控制。 在对备用风机的水平风 门的开度控制之前 ， 应进行执行判断 ； 若经过这一 1 4 2 李金华基于模糊控制 的主通风机倒机 自动控制系统设计 2 0 1 3年 4月 Fe b一2 01 3 步调节后 ， 等效风阻与临界风阻接近， 就在模糊控 制规则 中用保持风 门最近 的一次调节位置代替 它。 根据这个原则逐条检验通风系统的控制规则 ， 最终得到 E 、 和 为三坐标轴 的模糊控制系统 的输入 ／ 输出曲面 ， 如图 2所示 。 图 2 控 制系统输入 ／ 输 出曲面 2 系统的性能及功能 此系统可以保证控制 的可靠性 ，系统 的设计 可以实现远方手动和远方 自动两种控制模式。即 主通 风机 侧通 风系 统 使监控系统无法进行工作，操作人员仍可以有效 地控制风机 ，在集控室内就可实现对风机的远程 操作 ， 监控系统的监控方式非常方便 。 风机运行时 一 旦发生异常，系统可 以利用P L C来进行 自动完 成倒机过程的控制 。 与此同时 ， 用户可以得到倒机 自动控制的每一步的反馈信息 ，实时显示通风系 统的各项数据及参数。此 自动控制系统可以实现 对通风系统的风量 、负压及通风机性能参数等的 在线实时监测。一个可 以合理周全控制风门的监 控系统， 不仅可以实现风门的开、 闭， 到位 自动停 止 ， 而且更加注重对风门电机安全的保护 ， 若风门 因异物卡住 ， 过力矩保护动作 ， 报警 同时切断电机 工作电源。 3 倒机不停风倒机 自动控制系统的硬件 设计 本控制 系统可编程控制 器 、 A ／ D转换模块 、 D ／ A 转换模块 、 变频器 、 传感器部分 、 监控对象和 电控回路组成 ，其通风机 自动倒机控制系统硬件 结构如图 3 所示。 负 、流量 一一⋯一 振动 一 I模拟量输入 I 风门电机开度 传 l 控制 ． 感 I 器 1 风机 启、 停控制 电机电参数 信息反馈 拟量输 模块 亨量输 入 模块 串口通 信模块 图 3 监控系统总体结构图 3 ． 1 可编程控制器部分 此监控系统 由上位机和下位机共同组成 ， 以 基于神经网络的故 障诊断的复杂算法为上位机 ， 下位机选用西门子公司的S 7 2 0 0 ，以它为核心处 理单元 。 s 7 2 0 0型 P L C主机有 1 4个输入点， 有 1 O个 输出点， C P U前面板上用3 个 L E D显示当前工作 方式。绿色指示灯亮 ， 表示为运行状态 ； 红色指示 灯亮 ， 表示为停止状态 。在标有 s F指示灯亮时表 示系统故障， P L C停止工作。 3 ． 2 传感器及相应采集参数 该控制系统 中存在大量的模拟量信号 ，而传 感器会对这些信号进行采集。本系统所用的信号 声光报警 控制 回路 开关信号 测量装置和传感器主要包括大型通风机流量监测 专用装置、 瓦斯浓度传感器、 压力变送器、 差压变 送器 、 温度传感器 。 在风道上安装系统中的通风机 流量监测专用装置 ，并在风机侧就近安装风量及 风压变送器。系统中所使用的各变送器均要使用 屏蔽电缆， 并与控制台相连。 传感器采集的模拟量 信号通过 P L C输入模块进行转化便可将连续的 变化量转化为离散的数字量 ， 并存储到 P L C内存 中。输出的存储在内存 中的数字离散信号通过模 拟量输出块便可得到所需要 的电压信号或者电流 信号。 3 ． 3 模数的转换 模数转换模块有 A ／ D转换模块和 D ／ A转换 唧 2 0 1 3年第 3 8卷第 2期 Vo l _ 38 No． 2 能 源 技 术 与 管 理 En e r g y T e c h n o l o gy a n d Ma n a g e me n t 1 4 3 模块两种。模拟量输入模块将各种传感器输 出的 标准电压信号或电流信号转化为数字信号存储到 P L C中。 根据实际要求 ， P L C通过用户程序处理转 换后的信息，再通过模拟量输出模块将处理结果 转换为标准电压 、 电流 ， 从而驱动执行元件 。 3 ． 4 系统的供 电装置 由在线式 U P S 、两级防雷装置和西 门子 P L C 专用电源组成了系统的供 电装置。西门子专用 电 源进一步贴心保护控制 系统的核心 P L C，为 P L C 的稳定工作提供基本保证 ； 在线式 U P S在线为监 控系统提供可靠 电源 ， 防止来 自电网的谐波危害 ， 即使系统电源掉 电， 系统也不会停止运行 ， 在线式 U P S 会 自动投入后备电池， 可为系统维持1 h的供 电， 在不影响监控系统正常运行 的情况下 ， 保证有 充分的时间来让维护人员恢复供电；由防浪涌模 块 、 防雷模块构成 了两级防雷装置 ， 这两个模块分 别对现场采集信号和电源提供 2 级保护，这样就 进一步提高了整个监控系统 自身安全。 4 倒机不停风倒机 自动控制 系统的软件 设计 本系统控制程序采用模块化设计，大致可分 为5 大模块， 分别为故障诊断模块、 预警模块 、 模 糊控制 自动倒机子模块、通风机 自动重启子模块 及通风机工况 自动调节子模块。其 中后 4个模块 实现了此系统 的控制功能 ； 系统通过 P L C来实现 对通风机致命性故障的快速诊断 ，对于通风机 的 非致命故障诊断和预警 ， 由 I P C的软件来实现。 将传感器采集并经过转化得到的信息作为控 制程序的输人 ，先经过基于故障树的快速诊 断模 块来判断是否有致命故障，若是诊断出供 电系统 及风机有其一不正常 ，就通过基于模糊控制通风 机倒机通风失稳控制模块控制。 若没有致命故障 ， 再经过基于人工免疫与神经网络相结合的非致命 性故障预警和诊断模块看是否有非致命故障， 若 有机械故障，便通过基于模糊控制通风机倒机通 风失稳控制模块控制。控制系统的总体流程 图如 图 4所示 。 系统经过 P L C主程序循环扫描来诊 断数 据 是否偏离正常区间， 若发现偏离， 便将其传给故障 诊断模块和预警模块，再根据其诊断的结果调用 控制功能子模块进行控制和调节，以此来保证通 风机测通风系统的稳定 。 Y N 5 结论 Y 监测数据 足否合理 I N 故 障树快速 诊断模块 I 是 否致命性 电气故 障 Y N I 供 电系统 是否正常 报警 l 主 风 系统 查调节 基于模糊控制通风机倒机 通风失稳控制模块 图 4 监控系统流程图 基 于模糊控制 的主通风机倒机 自动控制系统 有效地减少了一些参数和噪声对系统的影响 ， 而 且控制决策的做出会更加方便、 快速 ， 有效地克服 了煤矿通风系统固有的非线性、 多耦合及多干扰 ， 以及难 以建立精确的数学模型等 困难 ，更好地控 制 目标 和保证系统稳定 。本监控系统合理完成 了 对通风机各项参数的监视，并且可以在运行风机 发生异常的情况下 由 P L C引导 自动完成倒 机过 程 。 有效地提高了主通风机侧通风系统的安全性 ， 减少主通风机倒机事故发生 ，同时也能为事故起 因提供调查资料。 [ 作者简介 ] 李金华 1 9 8 3 一 ， 男， 工程师， 毕业于太原科技大学机 械制造及 自动化专业 ， 长期从事煤矿生产技术及机电管理 工作。 『 收稿 日期 2 0 1 2 1 卜 1 3 ] 妻