物联网技术在矿井风机智能变频中应用与实现.pdf

第 卷第 期 年 月 矿冶 文章编号 物联网技术在矿井风机智能变频中 应用与实现 郭宇航谢贤平牛宁宁傅 裕 昆明理工大学 国土资源工程学院昆明 摘要介绍了变频调速技术的原理以及基于 闭环控制的 自动控制在变频调速中的应用 闭环控制经过多年发展使得现阶段的模糊自整定 控制在变频调控方面有显著的优化 以此为核 心构建包括以无线传感器为主要成分的感知层 两种网络协议栈的网络层和应用层三个 层面的矿井风机调速感知型物联网体系提出了一种较为动态化的闭环控制仿真模拟以期实现井下通 风技术的节能高效化 关键词物联网 变频调节技术 反馈调节风量调节谐波干扰 中图分类号 文献标志码 收稿日期 作者简介郭宇航硕士研究生主要从事矿山通风技术研究 通信作者谢贤平博士副教授主要从事金属矿山通风理论 与技术研究 矿井通风系统是传统煤矿行业六大系统之一 但其耗能一般占据整个矿山耗能的 而 降低风机耗能的根本在于改变异步电机的频率及转 速 传统的变频调速技术一般只针对于单台风机转 速调节如果在井下多风机工作的状况下每个风机 都要配置带有 控制的变频器进行转速调节其 控制输入量只能是临近区域的 浓度或者瓦斯等 有害气体的浓度一旦井下发生瓦斯突出距离突出 点较远各风机无法及时做出风量调整 本文引入物 联网技术与其相结合建立全矿井瓦斯及 浓度 检测网络通过服务终端的统一调控可以使风机变 频调速具有更高的稳定性和准确性 变频调速技术原理 传统的风机风量控制方式一般为电动机以定 速运转通过调节风路中的挡板开度来调节风量的 大小称为定速调节 由电机学原理可知三相感应 电机的转速为 式中 电机转速 输入交流电源的频率 电机的极对数 异步电机的转速差 由式 发现想要实现变速调节可以通过 调节电源频率极对数和异步电机转速差我们分 别称之为变频调速变极调节变转差率调节 目 前通过 控制 对电机进行变频调速的方 法较为稳定和高效 技术经过发展衍生出 了包括模糊 控制专家 控制及参数自整 定 控制等新型控制办法 本文选用参数自整 定 闭环控制为应用层核心提出了一种矿井 风机变频调速的在线型物联网构建办法 感知层网络架构体系构建 传统的有线传感器网络在井下掘进和开采中有 以下限制 受到放炮的掘进方式的影响故布置 在掘进工作面上的传感器线路很容易被炸断 有线网络的通线方式布线复杂劳动强大大容易出 现监控盲点这种情况只能通过视频网络监控进行 弥补 有线网络在覆盖率扩展性灵活性方面 的问题十分突出 本文中的感知层由无线传感器网络构成选用 甲烷浓度传感器和 传感器作为基件以及基于 技术的无线通信模块和电源模块 传感器模 块负责检测区域内信息的采集和数据转换处理器 模块负责控制监测区域内信息采集及数据转换存 储和处理本身收集的数据以及网络中其他的节点发 来的数据无线通信模块负责与其他节点进行通信 信息交换和数据上传 对于瓦斯及 传感器安放 地点可根据如下的模型进行确定将矿井通风网络 记为 满足下式 式中 有向巷道边的集合 节点集合 巷道边起点 巷道边终点 将风网节点集 自身相乘构建出风流网络集 关于节点间最短风流流经时间的节点矩阵 记 为 结果如下 式中 节点总数 风流流经上游节点 到 下游节点 的时间 若节点 直接相邻则时间 为 与 节点间 巷道长度 与平均风流速度 的商值若 不 相邻但两者之间存在风流路径 可将问题转化为 求节点 与 的直接相邻下游节点 之间的风流速 度并依次递归如果节点间有多条风流路径则依 照流经时间最短的路径进行计算如果均不满足以 上情况则 为无穷大 以节点邻接矩阵 为基础构建监测覆盖矩阵 其中 给定监测有效级 该 系数需要根据具体情况而定 本文不再论述 当 时认为 节点上的传感器不能监测 节点 处的瓦斯情况需要对传感器安放位置做出 改动 根据煤矿安全规程的相关规定井下发生瓦 斯浓度超标需要排放瓦斯前必须检查局部通风机 及开关地点附近 以内风流中的瓦斯浓度同时 独头巷道中排除的风流与全风压风流混合出的瓦斯 浓度与二氧化碳浓度都不得超过 在以上地 点都应设置瓦斯及二氧化碳浓度传感器 确定传感器放置点之后各点位采集到的甲烷 及一氧化碳浓度通过网状网络拓扑结构的 网络模块通过网络层进行数据上传 网络层通信协议的实现 在实际应用过程中由于 属于嵌入式设 备各种节点资源相比于常用于计算机网络的有线 网络协议硬软件资源十分有限例如 的处理 速度 携带信息字长等 如果网络层采 用无线网络协议直接向上层主控计算机网络传递 数据不 能 保 证 数 据 的 完 整 性 和 连 贯 性 再 者 网络协议本身对各节点设备分配的识别标示 并非 地址而是互不同的 编码故本质上讲 计算机系统是不能识别直接来自 网络节点 的信 息 的 所 以 在 网 络 层 需 要 在 网 关 内 构 建 两种协同工作的网络协议栈一种用 矿冶 于 网络协议内部的信息融合及传递另一种 则是进行 型信息传递的协议栈中间架设用于 协议转换的安全层物理层数据处理层数据封装 层 数据封装层的交互对象是 协议栈的应用 进程完成的功能是 协议栈与 无线传感 协议的应用层的数据接受应答数据处理层是最为 复杂的一层主要完成的是传感器网络内部数据的 融合入根据传感器信息数据进行信息的更新转 换然后再根据自己的转发策略进行转发 整体协 议及应用模型见图 图 整体协议及应用模型架构 由于目前 尚未普及在网关层内也许需要 设置第三个协议栈即 网络协议栈基于未来 物联网的发展趋势该协议栈的存在并不具有必要 性也会增加数据转换过程中的难度 应用层架构体系构建 应用层的主要功能侧重于变频调速的最终控 制模糊自整定 控制结合了传统 控制及模 糊控制的特性不仅集成了传统 稳态精度高的 特点同时吸纳了智能控制技术除此之外模糊自 整定 控制可以随着被控制系统内部参数的变化 而调整控制参数实现在线自主调整 建模思路与仿真 根据相关规程规定采区回风巷采掘工作面回 风巷风流中瓦斯浓度如果超过 或二氧化碳浓度超过 时则必须 停止工作撤出人员采取措施进行处理 以甲烷浓度为例文献 给出了很多模糊 控制的可行性办法参照上述文献瓦斯真实论域为 离散论域为 模糊论域 将二者自传感器检测的实际浓 度进行模糊化令感应器浓度与整定浓度做差值后 取绝对值可得偏差 相邻取值时间点所得偏差 的差值与取值时间的比值为偏差变化率 在 使用的 模拟的环境下多数 控制仿真 模拟选用单阶跃函数作为信号输入端但单阶跃 函数本身只能产生一次阶跃仿真模拟结果不具 有动态性故本文以 模 块替代阶跃函数模块作为瓦斯浓度值的输出源 结合模糊控制使得调整幅度和频率不至过大 输 入端数值区间为用积分模块得到 的值 输入数值图形如图 取样时间间隔 取值时间 图 输入数值框图 输入及输出的模糊子集均服从正态分布 依据 经验设定各变量的语言值为负大负中负小零 正小正中正大记为 为简化计算提高控制器的可靠性隶属度函数 选择灵敏度较高的三角型函数论域为 的 整数 按照经验公式计算整定值 上式中参数 为临界震荡增益为震荡周 期可以通过稳定边界法在假设控制对象数学模型 的情况下得出 经过模拟观测得 模拟时长 应用模糊合成规则设计 参数的矩阵表得 出修正参数代入以下公式计算 郭宇航等物联网技术在矿井风机智能变频中应用与实现 得到 控制器的预设定值 通过 表 所示控制规则得到模糊输出变量 表 模糊控制规则表 仿真模拟结果 输出量的比例因子 输入量的量化因子由经验公式计算可得 选用系统对象数学模型为 以此进行仿真模拟取样时 间间隔 取样总时长 模拟结果如图 所示 图 仿真模拟控制过程 如果井下瓦斯浓度较为稳定变化幅度不大 则可以将输入数值先进行一次模糊化即在输入 模块之后加入模糊控制器使得输入值波动幅度 降低得到的模拟图像中曲线会更加平稳也更加 真实 实 际控制 过程中 对 控制 器的 损 害较 小 但是这种方法所能对 的响应程度有限 调整速度较慢可节约能源量较低 其输入值及 结果见图 图 值得注意的是 反馈调节并不能通过调整 风机转速将井下瓦斯降低到一个极低的浓度的范 图 模糊化输入值 图 输入值模糊化模拟控制 围而是在输入值瓦斯浓度 变化不大频率较低 时将其控制在一个低于最大值的可控区间内达到 其动态控制的作用 矿冶 设备选型要点 设备选型要点 近年来伴随着 技术的不断创新和发展 我国自行研制开发以及从欧美和日本等国引进的 设备的种类已经超过了 种每种设备在结 构性能系统和价格上都存在着明显的差异 因此 合理的选择 设备将对控制系统的稳定性有着 重要的意义 基于控制系统本身性能和要求设备选型和配 置主要考虑以下几点因素 输入 输出接口 接口的数量 接口的数量决定了系统的整体控制规模 采用的控制方法不同系统所需要的端口数量也不 同 在根据系统设计要求和控制方法确定初步的接 口数量后考虑到因设备损坏和故障导致的部分接 口失效问题通常会增加设计数量 的 接口来保持系统在故障状态下的稳定性 及内存性能 以满足系统的要求为主 的功能应包 调节功能扩展与通信功能函数运算功能等 内存 的选择应根据程序和数据的存储量来确定 输入输出的负载能力 对于一个较为复杂的控制系统理论上应在各 分支子系统中选用型号与功能相同或相近的 设备 这样的做法有利于设备原件的采购以及维护 修理 不仅如此在物联网顶层云计算系统的控制 下各子系统的多台 可以连接成一个多级分布 式的控制系统实现设备通用资源共享 通信快捷 的系统格局 变频器选型要点 变频调速控制系统主要包括闭环和开环两种控 制方式 闭环控制一般使用在速度流量压力温 度等过程参数控制的场合通常由带有 控制器 等功能 选择风机类变频器应考虑负载类型和功率 两种因素 从负载类型的角度考虑优先选用风机 类降转矩负载 其次异步电机的功率应略小于变 频器功率二者数值相近但在实际情况中功率分 级存在着较大的区别这就要求对控制程序进行重 新调节达到更好的节能效果 变频器谐波干扰分析 谐波干扰成因 变频器在工作期间会产生功率较大的谐波对 系统中的其他设备具有极强的干扰性 其影响途径 与一般的电磁干扰途径一样主要有电磁辐射电路 耦合感应耦合 电磁辐射场中如果存在其他金属 物体会形成二次辐射同时干扰变频器本身的正常 工作电路耦合干扰通过电源网络传播输出端产生 的传导干扰会导致系统直接控制的电机产生铜损和 铁损的程度大幅增加最终导致电机和关联风机的 损坏当干扰源的频率较低时干扰的电磁波辐射能 力有限而该干扰源又不直接与其它导体连接但是 此时的电磁干扰能量可以通过变频器的输入输出 导线与其相邻的其他导线或导体产生感应耦合 抗干扰对策 为防止变频器谐波干扰可分别针对以上三种 干扰途径制定策略 对于通过电磁辐射的途径进行传播的干扰 关键在于对谐波的吸收 一种较为简单有效的办法 就是在变频装置内串接零序电抗器但是零序电抗 器无法在实际意义上吸收脉动电压只能阻止高次 谐波产生脉动电流 因此若要保证对谐波的充分 抑制可以使用滤波器对脉冲电流进行吸收 对于通过感应耦合包括电磁感应及静电感 应方式进行传播的信号要进行合理的线路布置 和屏蔽防护 如将电机的连接线与其它线路隔离 开套上金属管后接地以及采用滤波器和光电隔离 装置等都可以较好的抑制感应耦合干扰 对于电路耦合类干扰信号主要通过增大线 路内部在干扰频率下的阻抗来削弱信号强度可在 变频器输入侧加装电抗器轻松实现谐波抑制 结语 本文初步给出了煤矿物联网各部分的架构布 置在网络层提出了通过网络协议栈解决网络协议 互通的措施并提出了一种动态化的闭环模拟的控 制思路该控制在结合物联网技术的前提下有着很 好的应用前景 结合了 技术的 控制器在 实际设定中应注意信号的接收应包括相邻区域 的瓦斯浓度传感器区分优先级 在各信号值处于 正常区域时以当前区域信号值为输入值 在当 前区域浓度值超标的情况下 应立刻切断风机 电源等待上层控制命令于此同时将警戒传导至处 于网络中其他无线传感器其他风机的控制指令需 要依据具体情况确定本区域传感器接收到由其 他区域传感器接收到警报信号后首先应将风机转 下转第 页 郭宇航等物联网技术在矿井风机智能变频中应用与实现 收率粗粒级时精矿固定碳含量高的同时尾矿固定 碳含量也相对较高精矿回收率较低 表明大量细 粒石墨依然存在于尾矿中与云母相嵌极细难以富 集同时也说明了该石墨矿属难选微细石墨矿 结语 湖北随县石墨矿固定碳含量为 主要 杂质含量为 矿石中石墨颗粒呈微细的鳞片状或粉尘状 大部分夹杂在云母颗粒中少部分与石英相嵌交织 在一起单体解离困难 主要脉石矿物分别为云母 白云母与绢云母石英 长石钠长石为 主黄铁矿 方解石等碳酸盐 该矿区矿石结构主要为鳞片变晶和粒状变 晶结构主要矿物呈微细片状微细鳞片状不规则 粒状拉长状透镜状产出石墨矿为微细浸染的极 不等粒嵌布矿石属难选矿 参考文献 尹丽文 世界石墨资源开发利用现状 国土资源情 报 蔡惠慧李永胜罗小利 我国石墨资源特点及储量前 景 中国矿业 张凌燕邱杨率黄雯等 鞍山地区某石墨矿选矿试验 研究 非金属矿 夏云凯陈鸿仙 隐晶质石墨浮选新工艺研究及其工业 应用实践 非金属矿 徐建平张鑫张凌燕 吉林某地区含隐晶质难选石墨 矿选矿试验 研 究 中 国 非 金 属 矿 工 业 导 刊 上接第 页 速调整至较低值等待切断电源指令或继续运行的 指令下达 在变频器及 安装位置应合理布 线防止谐波干扰对整体系统产生破坏 参考文献 卢新明 矿井通风智能化技术研究现状与发展方向 煤炭科学技术 薛天山 变频调速技术在矿井主扇风机中的应用 煤炭技术 梁双华汪云甲魏连江 考虑可靠性的矿井瓦斯传感 器选址 模 型 中 国 安 全 科 学 学 报 姚昕 基于 的矿井局部通风机瓦斯浓度智能控制 系统研究 西安西安科技大学 戚剑超魏臻 基于 无线传感器网络的 协 议栈 计算机技术与应用进展 北京中国科学技 术大学出版社 李楠孟庆春付晓峰 基于参数自整定模糊 控制 策略的电机模型仿真研究 机电工程技术 孙国立 基于变频调速的通风机在线监控系统 西 安西安工业大学 杨璐雷菊阳 基于 的参数自整定模糊 控 制器的两种设计方法 计算机测量与控制 左毅 基于 控制的局部通风机变频调速系统的研 究 安徽淮南安徽理工大学 张春江明陈其工 参数模糊自整定控制器的设 计与研究 机电工程 张文庆 算法在 模拟量闭环控制中的实现 信息技术 张抗抗 煤矿主通风机风量调节系统的设计与实现 北京中国矿业大学 王辚张科 基于 的自整定模糊 控制系 统 探测与控制学报 田淑杭姜丽娟 一种参数自整定模糊 控制器的 研究 电气传动自动化 姚振群杨东方 闭环控制系统中 控制器的 实现 现代机械 张 立等湖北随县微细粒石墨矿工艺矿物学研究