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一 52 一 节 能 ENERGY CONS ERVAT1 0N 2 0 0 8年第 1期 总第 3 0 6期 矿井节能风机控制系统的研制 肖爱武 ， 吴亮辉。 1 ． 湖南化工职业技 术学院， 湖南 株洲 4 1 2 0 0 4 ； 2 ． 株洲市规 划设计院， 湖南 株洲 4 1 2 0 0 0 摘要 针对矿 井风量 的非线性 、 时变及 滞后 的特 点， 介绍一种适 用 于 P L C的模 糊控制 系统 ， 通过 P L C查 表方式实现模糊控制的设计方法。给出了P L C程序设计的算法流程及输入量量化程序、 模糊控制表查 询程序等关键步骤的梯形图。 关键 词 矿 井风机 ； P L C； 模糊控制 ； 中图分类 号 ] r r 4 4 1 文献标识码 A文章编 号 1 0 0 4 7 9 4 8 2 0 0 8 0 1 0 0 5 2 0 3 引言 瓦斯是煤矿生产中的有害气体， 它严重威胁着 矿工生命和国家财产安全。多年来 ， 人们对瓦斯 的 监测预防方面做 了大量的工作 ， 已有 的监测预防系 统能实现当瓦斯超 限时报警或断电 ， 但不能实现对 瓦斯浓度的连续调节 ， 已不适应 目前矿井生产的 自 动化需要。由于瓦斯含量是受多种因素影响的， 复 杂难控 ， 而模糊控制易于实现超智能控制 ， 能达到良 好的控制效果。 以模糊控制技术和 P L C技术为基础 ， 针对煤矿 生产安全性的特殊要求 ， 设计 了一种节能型矿井局 部通风机控制系统 ， 能根据矿井巷道的瓦斯浓度适 时调节风量， 实现矿井风机风量的智能调节。不仅 可以降低吨煤电耗， 而且还能提高风机的使用寿命， 给企业带来可观的经济效益。 1矿井风机节能原理 矿井风量调节 的方法有 风阻控制 调节入 口叶 片角度 、 调节入 口风 门、 调节 出 口风 门 ， 转速控制 变频调速 、 串级调速 、 双馈调速 、 多极电机 、 液力藕 合器、 无级变速机 ⋯ 1 。 采用调节转速控制风量的方法和常用调节风门 的方法相 比， 有着 明显的节 电效果。调速节 能原理 如图 1 所示。 当需要调节风量时 ， 例如 ， 所需 风量从 1 0 0 ％减 少到额定风量的 5 0 ％， 即从 Q1 减少到 Q2 时， 如采 用调节风门的方法来调节风量 ， 使管 网阻力 曲线 由 曲线 3变为曲线 4 。就是说 ， 减小风门开度增加 了 管 网阻力。此时 ， 系统的工作点由原来的 A 点移至 B点 。可以看出。风量虽然降低了， 但风压增加了， 轴功率 PZ 与面积 B H2 O Q2 成正 比。它与 A 点 ， 况下轴功率 P 相比， 减少不多。 如果采用调节转速来调节风量的方法， 风机转速 由原来的 ， z 降到 ， z 。根据风机参数的比例定律 ， 可以 画出在转速 ， z ， 下的风压 一风量 HQ 特性曲线 5 ， 风机工作在 C点。可见， 在满足同样风量 Q 2 的情况 下， 风压将大幅度降低到 H 3 ， 轴功率 P z 与面积 c I - t 3 02 2 成正比 也明显降低。由此可见 ， 用调速的方 法来减少风量的节能效果是十分显著的。 日 言 医 0 tQ／ m s 曲线 1 一风机在恒速下 的风压 一风量 HQ 特性 曲线 ； 曲线 2 一恒速下 的功率 一风量 R Q 特性 曲线 ； 曲线 3 一管网风阻特性曲线 风门全开 。 图 1 风机调速节能原理图 2节能型风机控制系统的总体设计方案 该系统由两部分组成 见图2 第一部分是局部通 风机智能控制装置， 主要完成瓦斯浓度的检测， 以及根 据瓦斯浓度的变化， 利用模糊控制规律运算出相应的 变频器给定值。为提高系统可靠性和安全性， 系统选 用高低浓度组合的防 爆瓦斯传感器。第二部分是变频 器控制单元， 它是系统中的执行机构， 根据局部通风机 智能控制装置输出的给定值来改变风机的转速。选用 的变频器除满足容量、 输出电压及瞬时过载能力等常 规要求外， 还应满足以下两个要求 一是能够防爆； 二 是当变频器发生故障时， 能够保证风机的正常运转， 而 不会出现停机现象。 维普资讯 2 0 0 8年第 1 期 总第 3 0 6 期 节 能 E NE RGY C0NS ERVAT1 0N 一5 3 ～ 凄 一 瓦斯传感器 掘 进 工 作 面 瓦 斯 浓 度 图 2 局部通风机控制 系统框 图 3风机模糊控制系统的设计 系统 的被控对象是风机风量 ， 被控参数为瓦斯 含量。瓦斯传感器检测到的实时、 连续的模拟信号， 经过放大 、 模数转换后送入 P L C控制模块 ， 控制器 根据实际瓦斯浓度值与瓦斯设定值的偏差变化率大 小， 利用模糊控制算法， 经数模转换后得到控制电机 转速的凋制 比l 1 1] 。当瓦斯浓度值超 过凋节范 围 时， 系统及时发出报警信号， 同时实现风电闭锁， 防 止事故发生。这样既可大量节约风机由于长期恒速 运转造成的能源浪费 ， 也可 自动将井下的瓦斯浓度 严格控制在安全范围内。 3 ． i系统 结构原理 该控制器结构如图 3所示 ， 以三菱公 司 F X 为 核心 ， 它具有程式执行更快 、 控制功能更灵活性等特 点l 4 J 。利用 P L C可用来存放系统的初始化程序和 监控程序 ， 完成现场采集数据的快速处理和存储 ， 并 输出相应的控制信号， 驱动报警电路和执行机构。 检测电路包括信号采集和 A ／ D转换电路。执行电 路主要 由 D／ A转换器 、 电机 、 风机组成。用户通过 触摸屏输入 、 修 改控制参数 ， 设定运行参数 ， 显示 当 前值 。当瓦斯浓度超 限或系统出现故障时 ， 启动报 警系统并进行机电闭锁故障处理。 图 3 风机模糊 控制系统 结构 简图 3． 2系统 算 法的确 定 该控制系统选用二维模糊控制器。该二维模糊 控制器 的输入变量为瓦斯浓度实测值与期望值的偏 差 及偏差变化率 ； 输出变量 “为电机运转的控 制量。通过改变电机转速达到控制风机 的目的。 K 、 K 、 K 分别为输入量 、 和输出量 “的量 化因子。 和 经过 K 、 K 量化后变为论域值 E、 E ， 查模糊控制表得到 u， 再经过 K 量化后得到精确 的控制量 “ 。模糊控制系统原理框图如图 4 所示。 3 ． 3模糊规则表 的建立 y 由 仉 L- 二_ _ J广]厂 ]一 图 4 模糊控制 系统原理方框 图 1 精确量模糊化 。 模糊化的主要作用是将输入的精确量转化为模 糊量l 3 ] 。其模 糊变量分别为 E、 、 u。每个模糊 变量分为 5个模糊状态 负大 NB 、 负小 NS 、 零 Z O 、 正小 P S 、 正大 P B ， 论域 量 化为 5级 { 一2 ， 一1 ， 0 ， i ， 2} 。隶属 度函数取为三角形分 布 ， 量化值经模糊语言变量隶属度函数得到模糊量。 2 确定控制规则。 模糊控制规则是模糊控制的核心。它具有模拟 人的基于模糊概念 的推理能力 ， 其实质是总结控制 经验 ， 进而得出一条条模糊条件语句 ， 使系统输出响 应的动态特性和静 态特性都达到最佳 。如 当偏差 E为负大 j 、 ， B ， 偏差的变化 E ， 也为负大 NB 时， 为了消除偏差就要加大风量， 控制量 就应取正大 P B 。即控制规 则为 I F ENB A N D E NB THEN U PB。 3 模糊推理。 隶属函数为三角形隶属函数 ， 通过隶属 函数可 方便地求得输入语 言变量 的赋值表， 结合现场实际 情况和人的经验对控制表进行微调。实际应用的模 糊控制表如表 1所示。 4 模糊量清晰化 。 输出清晰化即去模糊， 该设计采用加权平均法进 行清晰化计算， 此方法既突出了主要信息也兼顾了其 他信息， 符合最优输出的要求。但是每次采样经模糊 计算得到的这一控制量， 还不能直接控制对象， 还必须 维普资讯 - - 5 4 -- 节 能 ENERGY C O NS E RVATI ON 2 0 0 8年第 l 期 总第 3 0 6期 将其转换到控制对象所能接受的实际论域中， 为此引 入比例因子 K ， 控制量乘上它即得到最终的实际控制 量， 并将它送给执行机构， 对被控对象进行第 l步控 制， 然后中断等待第 2次采样 ， 进行第 2步控制。 表 1 模糊推理控制表 NB NS NB 2 2 S 2 l E，0 1 0 0 0 PB l l PS PB 1 1 0 0 0 1 l 1 2 2 2 2 3 ． 4基 于 P L C的模 糊控 制 实现 1 程序设计流程。 模糊控制算法流程如 图 5 所示。首先将模糊化 过程的量化因子 K 、 K。 和 K 参数置入 P L C保持 寄存器中， 变量偏差 e ， 偏差变化率 置入寄存器 的 D 【 l 和 D 中， 先经过限幅处理 ， 再按给定量化因子 量化并对应到模糊集论域 中的相应元素 ， 将 e和 e 在模糊论域中所对应 的元素置入 和 D ， 由此查 询模糊控制量表。根据离线计算好 的模糊控 制量 表 ， 可得到控制输 出量 U， 再 乘以相 应量化 因子即 可得到当前控制量的实际值 “ 。 用 P L C编程时， 因为 P L C对 无符号数 的处理 比对有符号数的处理要简单得多 ， 本文在量化后 的 论域元 素上再加一个偏移量 2 ， 这样不仅量化后 的 论域元素存放方便 ， 同时也便于模糊控制表的实现。 这样模糊控制查询表 中的控制结果按由上 到下 ， 由 左到右的顺序置入寄存器 D 3 o 0 ～D 。 2 关键步骤梯形图程序设计。 在模糊控制算法中， 模糊控制量表的查询是程序 设计的关键。本文采用基址 偏移地址寻址的设计方 法。由于控制结果按由上到下、 由左到右的顺序依次 置入D 3 o o 开始的数据寄存器， 控制量的基址就是 3 0 0 ， 其偏移地址为 E 5 E ， 所以根据 E 与E最终得到 的控制量地址 3 0 0 E 5 E， 图 6给出了寻址方式 模糊控制的查表梯形图， 其中的 MO V D 2 1 D l 0 0 为间接寻 址指令， 它将 D 2 1 的内容 即控制量的地址 3 0 0E 5 E 作为被传递单元的地址， 将这个指定单元的内容 即控制量 传递给中间单元 D l∞ ， 再通过解模糊运算得 “ 。例如 当瓦斯尝试偏差为正小 P l S， 偏差变化率为负 大 NB时， El ， E 一 2 ， 转换为 E3 ， E 0 。偏 移地址为 E 5 E0 5 3 3 ， 控制量 U 的地址 为 3 0 0 E 5 E3 0 3 ， 通过间接寻址指令将 D 3 o 3 中 的内容l 传给中间单元 D l0 0 ， 再通过解模糊运算得出 控制量 “ 。 图 5 模糊控制算法流程图 区圈 匡圈 4结语 该智能风机控制器能根据瓦斯浓度决定风机输 出风量 ， 控制瓦斯浓度 ， 实现风机风量 的智能调节。 该风机接线简单 ， 容易检修 ， 且可以在不断电的情况 下检修开关。l台工作 ， l台热备 ， 在工作风机 出现 问题时 ， 备用风机可 以自动投入工作。可实现对 电 机过载、 断相、 短路、 漏电闭锁和风电时等保护等功 能。具备各种故障显示和远程通讯功能。该风机控 制系统已由湘潭平安 电机有 限公司投人生产 ， 在煤 矿的生产运行 中运行状况 良好。 参考文献 [ 1 ] 张燕宾． 变频调速应用实践 [ M] ． 北京 机械工业 出版社， 2 0 0 1 ． [ 2 ] _7 2 福泉， 郝启旺． 变频技术在空压机电机上的应用[ J ] ． 电 机技术， 2 0 0 2 ， 3 3 53 6 ． [ 3 ] 杨纶标， 高英仪． 模糊数学原理与应用[ M] ． 广州 华南理 工 大学 出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 4 ] 高钦和． 可编程控制器应用技术与设计[ M] ． 北京 人民 邮电出版社 ， 2 0 0 5 ． 作者简介 肖爱武 1 9 6 8一 ， 女， 湖南株洲人 ， 副教授， 主要从 事机电一体化技术研究工作。 收稿 日期 2 0 0 7 1 0 1 1 ； 修 回日期 2 0 0 7 1 21 7 维普资讯