卢帆兴，王 琪

（江西理工大学应用科学学院， 江西赣州市 341000）

钨矿井下通风机监控系统及控制算法研究

卢帆兴，王 琪

（江西理工大学应用科学学院， 江西赣州市 341000）

针对多数钨矿井下通风系统中风机监控技术落后，影响井下通风安全问题，设计了基于可编程控制器（PLC）的井下风机智能监控系统，考虑到风机负压、流量等被监控参数存在较大的时滞现象，提出了利用Smith预估控制算法对其实施有效监控。改造后的运行情况说明，系统运行可靠、性能优良。

钨矿；主通风机；智能监控；Smith预估器；仿真分析

1 钨矿井下通风系统简介

钨矿井下主风井通风系统构成［1］如图1所示。考虑到设备的备用问题，设置了两套独立的通风机总成，每套总成配有2台对转的280kW感应电动机，单一总成均设有独立风道，风道首先通过立式风门，经由斜风门后，在斜井口汇入主风井。正常情况下只有一套通风机总成工作，通过控制两套总成立式风门和斜风门的开闭可以保证相互间的气密性。通风流量视电动机开启数量而定，最大流量为2×3500m3／min。

图1 钨矿井下主风井通风系统构成

2 监控系统组成原理和功能设计

监控系统组成［2－3］如图2所示。系统选用控制性能优越、抗干扰能力强、能够适应恶劣环境的西门子S7－300PLC作为主控制器［4］，实现对主风机数字量模块和模拟量参数模块的实时监控。其中数字量监控参数有电机参数、变频器参数、立式风门与斜风门控制参数，模拟量参数有主风机温度参数、风峒的风流量与负压参数、气动参数与振动参数。系统的相关阈值和控制操作由嵌入式触摸屏设定或操控，监控系统电源采用西门子PLC电源模块供电。上位机配置主、备用计算机各1台，通过网关和工控服务器与主风机监控系统进行无线通信。其中PLC对主风机及风门的控制过程是：当接到主风机运行指令时，PLC判断系统运行方式控制主风机启动。若为变频方式则进行主风机的变频软启动，以降低起动电流，减小对电网的冲击。当电动机由零频率启动到设定频率时，PLC控制风门绞车开启该风道立式风门与斜风门，关闭另一风道的立式风门与斜风门。为了避免风门在开关过程中不到位而引起漏风从而降低风机效率，风门的上端设置了开触点和闭触点，PLC实时采集风门的触点状态精确控制风门绞车的运转。两道风门完全开启后，1号主风机进入额定运行状态（2号主风机停车）。当1号主风机的开启电流小于额定电流时，自动开启2号主风机和2号立式风门与斜风门，通风系统处于双主风机运行模式。

主风机监控系统的模拟量、数字量的实时监测说明如下。

（1）风流量和负压监测。由于检测环境限制，且监控过程具有较大惯性和时滞，加之井下气体成分复杂、湿度大，粉尘含量高，所以依靠标准的流量测量仪和压力传感器表来完成这类参数的检测缺乏可行度和准确性。有些企业根据压差原理，选用昂贵的流量传感器来检测风机流量，通过主风机入口打孔将压力传感器植入测量负压，其效果都不甚理想。本文提出的基于Smith预估算法［3］的风机流量及负压智能监测，取得了很好的收效。

（2）电气设备运行参数的监测。通过低压柜中的EDA9033A专用电力参数采集模块与PLC相连，采用ModBus通信协议，能够完成三相交流电压、电流、有功功率、功率因数等电气参数的测量，包括变频器的运行状态的检测。

（3）主电机定子温度与轴承振动检测。在各电机的三相定子和前后轴承上安装热电偶WAPJPT100，将PLC（S7－300）的接口模块SM331的输入方式进行设置，热电偶信号经转换送入PLC的CPU，将其转换成温度值，再存入相应的数据模块中。在电机的前后轴承安装振动传感器，它可将振动烈度线性转换成电流信号，经SM331将其转换成数字信号送入CPU以供相应控制之用。

3 基于Smith预估控制算法的研究

在井下通风机监控系统中，风流量和负压是2个典型的大惯性、大时滞参数。因此提高控制子系统的稳定性、改善控制动态响应特性和控制精度，是值得深入研究的问题。本监控子系统采用了Dhalin－Smith预估控制算法［5］，对子系统的控制性能进行改进。利用Smith预估器对大惯性、大时滞环节进行补偿，得到控制子系统结构（见图3），其中GP（S）·e－τs为被控对象的传递函数。

图3 风量、负压监控子系统结构

子系统没有采用Smith环节时的闭环传递函数为式（1），子系统采用了Smith环节时的闭环传递函数则为式（2）。由两式对比可知，加了Smith预估环节后，子系统的闭环特征方程不再含有影响系统稳定性的因子e－τs，这时便可以使用常规的控制手段进行控制，只是子系统响应推迟了时间e－τs而已。

4 子系统仿真分析

上述子系统根据钨矿井下实际工况计算分析，可以简化为一个惯性环节和一个时滞环节的相互串联，其闭环传递函数可以表述为：Φ（s）＝KPe－τs／（Ts ＋1）。为了验证上述控制方案的可行性，就这一闭环传递函数进行了MATLAB系统仿真［6］。根据风机监控系统调试得到的相关数据，选定：T＝60s，KP＝5，τ＝30s，采样周期为1s，其单位阶跃响应仿真如图4所示。仿真结果表明Smith预估控制算法，能很好消除因监控对象的大惯性、大时滞对监控子系统的影响。

图4 风量、负压监控子系统单位阶跃响应MATLAB仿真

5 结 语

本文就钨矿企业井下风机监控系统所存在的技术与设备落后、监控参数不全、控制精度不高等问题，提出了基于PLCS7－300的风机智能监控系统设计方案，利用新型、可靠性高的可编程控制器件和先进的控制技术实现对原监控系统的升级换代。针对一些惯性、时滞环节的控制对象，系统采用Smith预估控制算法消除其对控制系统带来的不利影响。实际应用表明，PLC控制器件及其总成能很好地适应井下恶劣环境，系统集操作、监控、管理于一体，使相关设备的自动化水平得到了提高，且系统能对风机总成的相关构件完成实时有效的监控，运行灵活高效、安全可靠。

［1］胡亚非.矿井主通风机风量在线监控实验研究［J］.中国矿业大学学报，1996（3）：106－110.

［2］黄利国，华 钢，张 培.主扇风机在线监控系统设计［J］.淮阴工学院学报，2009，18（1）：23－26.

［3］王进水，王益军.基于S7－300的矿井主通风机智能监控系统［J］.矿山机械，2011，39（1）：33－35.

［4］廖常初.S7－300／400应用技术［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［5］朱小东，王 军.基于Smith的纯滞后系统的控制［J］.郑州大学学报，2004，26（6）：77－81.

［6］周向志，刘文斯，林育华.基于MATLAB处理矿井主通风机性能实验参数［J］.矿业工程研究，2010（2）：41－45.

2011－08－11）

卢帆兴（1965－），男，江西永丰人，副教授，硕士，主要从事ARM嵌入式系统、网络通信、智能控制研究。