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通風機節能控制策略及關鍵傳感器的選型設計

文檔作者：吳迪文檔來源：西山煤電西曲礦機電科		點擊數：	更新時間： 2025年10月05日
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上一篇：無損檢測技術在發動機再制造中的研究與應用

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引言
近年來，盡管我國致力于能源結構調整，使得傳
統資源受到了前所未有的挑戰。但是，從目前我國每
年煤炭產量和消耗量來看，煤炭將持續在我國能源
結構中占據主導地位。隨著綜采工作面煤炭開采技
術和綜采設備自動化水平的提升，煤炭的開采效率
不斷提升，對與其相配套的各個系統的性能和能力
提出了更高的要求和挑戰[1]。多年以來，煤炭安全一
直是備受關注的問題。影響煤炭安全的主要因素包
括有瓦斯和地下水，與之相對應的系統為通風系統
和排水系統。據統計表明，瓦斯爆炸事故是影響煤炭
綜采工作面安全的主要事故。瓦斯事故的發生在一
定程度上與礦井的通風狀況相關，通風設施不完善、
設計不合理、設備故障不能被及時發現很容易導致
瓦斯積累，最終釀成事故發生。
在實際生產中為了確保綜采工作面瓦斯濃度滿
足相關標準要求，通風系統長期處于工頻運轉狀態，
無法根據工作面瓦斯濃度量實現對通風系統的自動
調節，即當前工作面通風系統存在“大馬拉小車”的
情況。因此，要求綜采工作面通風系統能夠根據其瓦
斯濃度智能自動調節通風系統的風速和風量，實現
通風系統的節能控制。
1 通風系統概述
綜采工作面通風系統的主要功能是稀釋并排出
煤炭開采過程中工作面的有害氣體、粉塵等，創造一
個相對干凈的生產環境，為作業人員的健康提供基
礎保障。
目前，通風系統中應用的通風機系列有JBT系
列、BKJ系列以及對旋式通風機[2]。根據工作面的特
征可供選擇的通風方式有壓入式、抽出式以及混合
式通風。西曲礦通風系統所采用的通風機類型為對
旋式通風機，該通風機的關鍵參數如表1所示：
2 通風系統節能控制系統的總體設計
根據綜采工作面自動化生產的要求，要求通風
系統能夠實時監測工作面的瓦斯濃度、風壓、溫度
等，能夠實現遠程、就地以及禁起三種控制方式。通
風機節能控制系統需滿足如下要求：
1）要求通風節能控制系統能夠根據工作面的環
境實時控制通風系統風量及風速；
2）要求通風節能控制系統能夠實現主通風機和
副通風機的切換，以便完成對通風機的定期檢修；
3）要求通風節能控制系統能夠實時記錄工作面
通風機的運行狀態以及工作面的瓦斯濃度、風壓以
及流量等參數，實現對設備及現場情況的實時監測。
3 通風系統節能控制策略的設計
目前，應用于工業智能控制最為廣泛的控制策略
包括有PID、模糊控制以及模糊自適應控制策略[3]。到
底哪一種控制策略適合于通風系統的節能控制還需
進一步討論和分析。
PID 控制作為自動控制領域最為經典的算法，
由于結構簡單、精度高等優勢被廣泛應用。設定該通
風節能PID 控制系統中比例環節系數為0.000 01，
積分環節系數為0.001，微分環節系數為0.001。此處
省略建模過程，仿真結果如下：
分析下頁圖1 可知，系統延時1 s時，系統無超
調，且在70 s 系統趨于穩定；系統延時10 s時，系統
明顯出現超調，且在35 s時超調量達到最大并最終
于90 s系統趨于穩定。也就是說，PID 控制當系統延
時小時控制效果較好；隨著延時的增長，系統的超調
通風機節能控制策略及關鍵傳感器的選型設計
吳迪
（西山煤電西曲礦機電科， 山西古交030200）
摘要：在分析通風機存在“大馬拉小車”的基礎上，指出將變頻調速控制系統應用于其中已達到節能的效果，
并著重對其控制策略和關鍵傳感器進行選型設計。經仿真分析，模糊PID 控制策略的控制效果最佳，且得到各
類傳感器的型號，為通風機節能控制奠定基礎。
關鍵詞：通風機節能傳感器超調選型
中圖分類號：TP212.1 文獻標識碼：A 文章編號：1003-773X（2019）11-0224-03
收稿日期：2019-09-24
作者簡介：吳迪（1990—），男，本科，畢業于太原理工大學機械
設計制造及其自動化專業，機械助理工程師。
DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2019.11.094
總第199 期
2019 年第11期
機械管理開發
MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT
Total 199
No.11，2019
轉速/（r·min-1） 壓力/Pa 風量/（m3·min-1） 通風距離/km
3 000 400~5 200 450~200 1.32
表1 通風機關鍵參數
自動化技術與設計
量較大且控制效果變差。
對延時1 s和延時10 s時控制效果進行對比。對
于模糊控制而言，系統延時1 s時與其相對應的模糊
控制偏差、偏差變化量以及輸出量分別為0.000 4、
0.000 2以及16.5；延時10 s時與其相對應的模糊控
制偏差、偏差變化量以及輸出量分別為0.000 2、
0.000 2以及16.5。模糊控制策略下的仿真結果如下：
分析圖2 可知，當系統延時1 s時采用模糊控制
策略僅需40 s 系統就可趨于平穩，而PID 控制策略
下需70 s；當系統延時10 s，采用模糊控制策略無超
調量且在60 s后系統就可趨于平穩。盡管模糊控制
策略優于PID 控制策略，但是二者控制所需的時間
均較長，無法滿足對綜采工作面通風系統實時調節
的要求。
模糊自適應PID 控制是常規PID 控制中加入模
糊控制技術。系統延時1 s 時與其相對應相關參數
ke=0.001，kec=0.01，kp1=0.000 1，ki1=0.001，kd1=0.000 1；
延時10 s時與其相對應的相關參數ke=0.001，kec=0.01，
kp1=0.001，ki1=0.000 01，kd1=0.000 1。模糊PID 控制策
略下的仿真結果如下：
分析圖3 可知，系統延時1 s時20 s時就可趨
于平穩；系統延時10 s時系統僅有8%的超調量且
在45 s后系統趨于平穩。
1-1 延時1 s
1-2 延時10 s
圖1 PID 控制效果圖
2-1 延時1 s
2-2 延時10 s
圖2 模糊控制效果圖
3-1 延時1 s
3-2 延時10 s
圖3 模糊PID控制效果圖
50
100
150
200
250
300
350
400
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
時間/s
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時間/s
50
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時間/s
50
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200
250
300
350
400
0
0 10 20 30 80 100
時間/s
40 50 60 70 80
50
100
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250
300
350
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0
0 10 20 30 80 100
時間/s
40 50 60 70 80
2019 年第 11期 吳迪：通風機節能控制策略及關鍵傳感器的選型設計 ·225·
綜上所述，模糊PID 控制策略能夠在較短的時
間內完成對系統的調整，且當時滯較長時系統的超
調量較小。總之，模糊PID 控制策略的控制效果優于
PID 控制和模糊控制策略。
4 通風節能控制系統的設計
通風節能控制系統主要有上位機、變頻調速系
統、傳感器以及執行設備等。通風節能控制系統的控
制效果除了硬件的性能外，更重要的是系統能夠精
確掌握現場的各項參數指標。而現場參數指標需要
高性能的傳感器來獲取[4]。因此，針對通風節能控制
系統的設計本文將重點闡述對關鍵傳感器的選型。
關鍵傳感器的選型如表2 所示。
5 結語
通風系統作為煤礦綜采工作面的呼吸系統，起
著調節綜采工作面有害氣體、粉塵濃度的重任，關系
著煤炭綜采工作面的安全生產和作業人員的人身安
全[5]。針對當前通風機存在大馬拉小車的情況，本文
對通風機變頻調速系統的控制策略及關鍵傳感器部
件進行選型設計，得出模糊PID控制策略能夠為通
風機的節能控制提供最好的控制效果，能夠在系統
延時1 s的情況下20 s 系統達到平穩；延時10 s的
情況下45 s系統達到平衡且超調量僅為7%。
參考文獻
[1] 王慶照，林雪禮，郭守華.魯西煤礦主要通風機節能控制技術改
造實踐[J].煤炭科學技術，2009（10）：77-80.
[2] 孫傳余，肖林京，孫慧，等.煤礦通風機變頻控制系統的開發與
應用[J].工礦自動化，2009，35（11）：72-75.
[3] 鄒德蘊，黃自偉.礦用通風機電機變頻節能系統的技術研究[J].
煤炭學報，1996（4）：415-419.
[4] 余進，趙繼軍.礦用局部通風機節能型瓦斯自動排放裝置[J].煤
礦安全，1998（10）：32-34.
[5] 王梅.變頻調速技術在礦井主通風機節能改造中的應用[J].煤
炭技術，2013（6）：46-48.
（編輯：張卓婭）
類型型號功能
瓦斯傳感器KGY-002A 監測工作現場瓦斯濃度
CO傳感器GTH100/500 監測工作現場CO濃度
風速傳感器GFV-15 實時監測現場通風機的風速
風壓傳感器GPD1/5 實時監測現場的風壓
風門開閉狀態傳感器GFK-L 監測通風機風門的開閉狀態
表2 關鍵傳感器選型
Energy Saving Control Strategy of Ventilator and Selection and
Design of Key Sensors
Wu Di
（Electrical and Mechanical Section of Xiqu Mine, Gujiao Shanxi 030200）
Abstract: On the basis of analyzing the existing "Malamara tr olley" of the ventilator, it is pointed out that the
frequency-variable speed-regulating control system has been applied to the effect of energy saving, and the control
strategy and key sensor are designed. Through the simulation analysis, the control effect of the fuzzy PID control
strategy is the best, and the model of all kinds of sensors is obtained, which lays the foundation for the energy-saving
control of the ventilator.
Key words: ventilator; energy-saving; sensor; overshoot; type selection
Retrofit of Electronic Control System of Auxiliary Shaft Hoist in No.
2 Coal Mine of Yangquan Coal Group
Li Fei
（No.2 Coal Mine of Yangquan Coal Mine Group, Yangquan Shanxi 045000）
Abstract: Aiming at the problem that the improvement of the electromechanical control system of the secondary well of
the Yangmei Group can not meet the actual demand of the current production, the general structure of the
electromechanical control system of the auxiliary well is analyzed on the basis of the analysis of the problems and the
causes of the actual operation of the auxiliary shaft of the mine. And the main control system and the upper computer
monitoring system are modified. The practice shows that the improvement of the electromechanical control system of the
secondary well can not only improve the operation safety of the system, but also save the maintenance time and cost.
Key words: auxiliary well; hoist; electric control; safety; energy saving; transformation
（上接第143頁）
機械管理開發 第 34 卷
·226· jxglkfbjb@126.com

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