智能通风精准调控系统架构及实现.pdf
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1、智能通风精准调控系统架构及实现张智韬,李雨成,李俊桥,张静,李博伦(太原理工大学安全与应急管理工程学院,山西太原030024)摘要:为满足矿井通风系统智能化升级的战略需求,研究了智能通风精准调控系统的设计原则、逻辑架构及具体实现。从状态感知、控制算法和调控策略 3 个方面梳理了智能通风调控系统的现状,针对当前智能通风调控系统各研究领域相互割裂、数据难以相互支撑的不足,从顶层设计入手,提出以融合感知算法与控制算法为核心的系统全生命周期设计原则,以此为基础提出了以边缘端“感控一体”为核心的逻辑框架;设计并搭建了矿井智能调风软硬件平台,采取各种措施保障人车安全与系统可靠运行;针对传统框架中状态感知与
2、精准控制算法相对分离,导致风量控制对噪声敏感的具体问题,提出采用结合卡尔曼滤波的比例积分微分闭环控制算法精准追踪巷道风量,并融入了专家建模、算法寻优和设备联动的决策与控制理念。最后,在矿井智能调风软硬件平台中开展了正常时期的风窗风量精准追踪实验和灾变时期的风烟流排除实验。实验结果表明,结合卡尔曼滤波的比例积分微分闭环控制算法相比传统比例积分微分闭环控制算法在风量追踪的准确性、抗干扰性和整体效率 3 个方面分别提高了 20.3%、17.4%和 13.9%,实现了正常时期风量的精准高效控制;风烟流排除实验中,风窗两侧恒定压差实时调控可以兼顾窒息灭火与防止烟流入侵,实现了灾变时期烟流的精准控制。2
3、者验证了智能通风精准调控系统设计原则和逻辑框架的有效性。关键词:智能通风;精准调控;感控一体;系统架构;逻辑框架中图分类号:TD72文献标志码:A文章编号:02539993(2023)04159610Architecture and implementation of intelligent ventilation precise control systemZHANGZhitao,LIYucheng,LIJunqiao,ZHANGJing,LIBolun(School of Safety and Emergency Management Engineering,Taiyuan Univers
4、ity of Technology,Taiyuan030024,China)Abstract:Inordertomeetthestrategicneedsofintelligentupgradingofmineventilationsystem,thedesignprinciple,lo-gicalstructureandspecificimplementationofintelligentventilationprecisioncontrolsystemarestudied.Thecurrentsitu-ationofintelligentventilationcontrolsystemis
5、reviewedfromthreeaspectsofstateperception,controlalgorithmandcon-trolstrategy.Inviewoftheshortcomingsofthecurrentintelligentventilationcontrolsystemthateachresearchfieldisseparatedfromeachotherandthedataaredifficulttosupporteachother,startingfromthetop-leveldesign,thewholelifecycledesignprincipleoft
6、hesystemwiththefusionofperceptionalgorithmandcontrolalgorithmasthecoreisproposed.Basedonthis,thelogicalframeworkwiththeedgesintegrationofperceptionandcontrolasthecoreisproposed.Thehardwareandsoftwareplatformofmineintelligentairconditioningisdesignedandbuilt,andvariousmeasuresaretakentoensurethesafet
7、yofpeopleandvehiclesandthereliableoperationofthesystem.Aimingatthespecificproblemthatthestateperceptionandprecisecontrolalgorithmarerelativelyseparatedinthetraditionalframework,whichleadstothesensitivityofairvolumecontroltonoise,aproportionalintegraldifferentialclosed-loopcontrolalgorithmcombinedwit
8、h收稿日期:20220415修回日期:20220719责任编辑:王晓珍DOI:10.13225/ki.jccs.2022.0503作者简介:张智韬(1998),男,山西运城人,硕士研究生。E-mail:zzt_通讯作者:李雨成(1978),男,内蒙古赤峰人,教授,博士。E-mail:引用格式:张智韬,李雨成,李俊桥,等.智能通风精准调控系统架构及实现J.煤炭学报,2023,48(4):15961605.ZHANGZhitao,LIYucheng,LIJunqiao,etal.Architectureandimplementationofintelligentventilationpre-cis
9、econtrolsystemJ.JournalofChinaCoalSociety,2023,48(4):15961605.第48卷第4期煤炭学报Vol.48No.42023年4月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYApr.2023theKalmanfilterisproposedtoaccuratelytracktheairvolumeofroadway,andthedecisionandcontrolconceptsofex-pertmodeling,algorithmoptimizationandequipmentlinkageareintegrated.Finally,i
10、nthehardwareandsoftwareplat-formofmineintelligentairconditioning,theaccuratetrackingexperimentofwindwindowairvolumeinnormalperiodandthesmokefloweliminationexperimentindisasterperiodarecarriedout.Theexperimentalresultsshowthatcom-paredwiththetraditionalproportional-integral-derivativeclosed-loopcontr
11、olalgorithm,theproportional-integral-derivat-iveclosed-loopcontrolalgorithmcombinedwiththeKalmanfilterimprovestheaccuracy,anti-interferenceandoverallef-ficiencyofairvolumetrackingby20.3%,17.4%and13.9%,respectively,andrealizestheaccurateandefficientcontrolofairvolumeinthenormalperiod.Inthesmokeflowex
12、clusionexperiment,thereal-timecontrolofconstantpressurediffer-enceonboththesidesofthewindwindowcantakeintoaccountthesuffocationfireextinguishingandthepreventionofsmokeflowinvasion,soastoachievetheprecisecontrolofsmokeflowinthedisasterperiod.Thetwoexperimentsverifytheeffectivenessofdesignprinciplesan
13、dlogicalframeworkofintelligentventilationprecisecontrolsystem.Key words:intelligentventilation;precisionregulation;sensorycontrolintegration;systemarchitecture;logicalframe-work随着“碳达峰,碳中和”战略的实施,传统的煤炭开采方式逐渐被淘汰,以智能化为核心的技术正在将煤炭行业推向一个高质量发展的新阶段1-3。作为矿井智能化的重要组成部分,矿井智能通风系统需要遵循全息感知、实时分析、智能决策、精准调控、自主学习的智能化发展
14、模式4-6。智能通风精准调控系统的动作直接关系到通风系统的状态,在矿井智能通风系统中扮演着重要角色。因此,深入研究智能通风精准调控系统对矿井通风系统智能化具有重要意义。目前智能通风调控系统的研究主要集中在状态感知、控制算法和调控策略三大领域。(1)状态感知。精准感知系统中的人机环状态,是控制与决策的基础,主要研究内容包括人员及车辆信息感知、控制系统状态感知和环境信息感知。在人车信息感知方面,目前井下常用红外、光控、压力和视频监控等方式,检测人员或车辆通过构筑物的信息,相关研究较为成熟。在通风控制系统自身状态感知方面,目前的研究包括系统的故障诊断和可靠性等方面。程晓之等7采用贝叶斯网络对局部通风
15、机和传感器的健康状况进行了诊断;王凯等8利用故障树和贝叶斯网络分析灾变联动控制系统的可靠度,证明了系统冗余设计的必要性和可行性。在通风系统环境信息感知方面,目前的研究集中在测风原理、测风方式、噪声处理以及多源信息融合等方面。测风原理方面,针对传统的机械式、涡街式和红外线式传感器精度不足的问题,蔡峰等9研究了超声波在煤矿井下的传播与衰减规律,为煤矿井下超声波测风传感器的研发提供了坚实的基础。测风方式方面,针对单点测风难以反映整个断面平均风速的问题,刘剑等10研究了点风速和断面平均风速之间的转换关系;魏连江等11-12研究了超声波线测量矿井回风井风速的方法和巷道全断面风速的测量系统及方法。噪声处理
16、方面,针对风速测量受环境因素影响导致结果不准确的问题,范京道等13研究了风流中各种扰动的来源;刘剑等14-16研究了断面风速的分布规律,指出均直巷道稳定流动的测点风速大小及风向均服从正态高斯分布的结论;学者们利用各种误差处理手段如曲线拟合17、均值滤波、中值滤波18、卡尔曼滤波19-20和卷积滤波21等对风速中的环境噪声进行了处理,取得了一定的效果。信息融合方面,吴新忠等22-23针对时差法测量线风速受环境因素影响导致结果不准确的问题,提出了融合线风速和环境信息的自适应烟花BP 神经网络的数据融合方式进行风速精准测量。(2)控制算法。精准调控通风参数,直接改变通风系统状态,主要研究内容包括 P
17、ID 算法、模糊控制算法和史密斯预估补偿控制。针对风量自动控制过程中存在的收敛较慢和滞后问题,一些学者采用比例积分微分(PID)算法、模糊控制和史密斯预估补偿等方法24-26,在均压防灭火中实践了风窗开度的自动调控,取得了较好的效果;之后的学者们大都沿用已有算法对风窗27-28进行控制。(3)调控策略。综合分析相关信息,对调控方式进行决策,目前常用的调控策略可以归纳为“专家建模,算法寻优,设备联动”。SJSTRM 等29以通风系统的能耗最低为目标进行建模,优化了多风机联合运转策略;吴新忠等30-31分别以网络需风分支风量可调最大化和用风地点需风量为目标进行建模,并用不同的优化算法对模型进行寻优
18、;邵良杉等32以通风网络总功率最小为目标建立了数学模型,并用模拟退火改进的粒子群算法进行了模型寻优;郝海清等33以烟气浓度最低为目标,建立了灾变控风模型,优化了运输巷火灾烟流调控方案。第4期张智韬等:智能通风精准调控系统架构及实现1597学者们在状态感知、控制算法和调控策略 3 个方面已经做了大量的工作,推动了智能通风调控系统领域的长足发展,但仍存在以下不足:目前的智能通风调控系统逻辑框架中,状态感知和自动控制结合的程度较低。感知方向更多地研究如何精准测量矿井风速,较少关注实时反馈信号能否满足闭环控制的要求;控制方向目前仅研究了风量滞后补偿的算法,忽略了感知数据中噪声对控制结果的影响,造成了实
19、际工程中风量控制算法对噪声敏感的不足。上述感知与控制算法难以相互支撑的现状,根源在于目前尚缺乏一套能够指导智能通风精准调控系统设计的原则,导致各相关领域的研究内容相互割裂,对设计更高水平的智能通风精准调控系统产生了一定的阻碍。因此,笔者从 2 个方面入手:针对学者们在智能通风调控系统研究中关注较多的几个领域相互割裂的问题,提出了涵盖系统全生命周期的设计原则,为智能通风精准调控系统的设计提供了一条参考路线。针对传统逻辑框架中感知和控制相对分离导致控制算法对噪声敏感的问题,提出边缘端融合感知数据去噪算法和闭环控制算法的感控一体化逻辑框架。1智能通风精准调控系统设计原则及框架1.1系统设计原则结合当
20、前智能通风精准调控系统三大研究领域的现状,指出在设计智能通风精准调控系统时,遵循的原则应为:安全可靠、感控一体、协同联动。具体的含义如下所述:(1)安全可靠。人车安全,系统可靠。例如风门关闭过程需采取安全措施防止夹伤人员及车辆;防止通风构筑物的异常状态造成通风系统的异常或灾变,如风门异常开启引起风流短路和瓦斯积聚。(2)感控一体。实时监测并快速处理人机环相关信息,作为精准闭环控制算法的反馈。例如对风量监测值进行滤波去噪,在闭环控制算法中采取预估补偿消除滞后,将去噪风量作为消除滞后的闭环控制算法的反馈。(3)协同联动。人机协同决策,设备联动控制。具体可描述为专家建模,算法寻优,设备联动。例如专家
21、根据丰富的理论知识和现场经验建立风量调控模型,利用优化算法找到模型的最优解,将最优解下发至边缘端设备进行联动控制。三大原则分别是实现智能通风精准调控系统的基石、核心与整体策略。1.2系统框架智能通风精准调控系统在矿井正常生产时期的行人通车及风量按需调控,以及灾变时期的灾害隔离及引导中发挥着重要作用。智能通风精准调控逻辑框架从下到上可以分为感知与执行层、现场控制层、人机协同层和云端服务层,如图 1 所示。值得关注的是,针对感知算法与控制算法的数据难以相互支撑的问题,提出现场控制层接收感知与执行层感知的信息并实时去噪,反馈至闭环控制算法中,得到优化的控制方案并下发执行,在边缘端形成以感知控制一体化
22、为核心的硬件联动控制闭环,从逻辑上弥补了控制算法对风量敏感的不足。2智能通风精准调控系统实现2.1系统概述结合智能通风精准调控系统的实际需求,按照所提设计原则和逻辑框架,设计并搭建了矿井智能调风软硬件平台,平面布置和三维效果如图 2 和图 3 所示,风门风窗及相关设施如图 4 所示,系统人机环信息感知如图 5 所示。与传统的智能通风调控系统相比,本平台将特定任务中精准控制所需的传感器和执行器进行绑定,在控制器中编写函数,实现感知与控制算法的深度融合。2.3 节中将详述风窗过风量调节中感知与控制算法的融合。2.2安全子系统安全可靠作为系统设计的首要原则,其主要保障措施包括:风门闭锁、超时自动关闭
23、、人车防夹、行人小门、手自动切换和人工远程干预。风门闭锁:2 道风门(行人小门)不允许同时开启,防止风流短路,PLC 中电控闭锁的梯形图如图 6所示。超时自动关闭:在闭锁功能之外,为风门开启设置定时器,规定时间内相关传感器无动作时,风门自动关闭。人车防夹:设计了 2 套防夹系统。根据无压风门仅在门中间夹住人员和车辆的特点,采用对射传感器检测此处是否有遮挡;根据风门夹住人员或车辆的瞬间产生压力阶跃的特点,采用压力传感器检测液压缸压力变化。出现遮挡或压力阶跃时,风门暂停关闭。行人小门:正常时期,行人从小门通行,车辆从大门通行,延长风门使用寿命;灾变时期,大门发生形变无法开启时,行人可以从小门快速逃
24、生。1598煤炭学报2023年第48卷手自动切换:传感器因粉尘污染或巷道变形等因素失效后,系统的自动模式会受到影响,因此在风门两侧设置手动控制箱,作为安全冗余。手动控制箱包含手自动切换、大门开闭、小门开闭和急停等功能。人工远程干预:有限的程序逻辑无法使控制器应对复杂多变的情况,发生意外时需要人工远程介入。例如部分传感器失效导致信息缺失时,可以人工远程干预构筑物的动作。云计算云端服务层云存储人机交互大屏人/车信息环境信息设备信息本地数据库边缘硬件联动控制风门风窗局部通风机风井防爆盖人机环信息感知远程执行设施视频信息云安全人机协同层现场控制层感知与执行层服务交互数据交互人机协同决策控制反馈控制柜感
25、控一体边缘端算法实时感知精准控制构筑物视频监控决策算法专家建模算法寻优主要通风机云专家图1智能通风精准调控系统逻辑框架Fig.1Logicalframeworkofintelligentventilationprecisioncontrolsystem参观室控制室调度室电控箱液压泵站A 段B 段模拟巷道 C 段D 段电梯门E0电梯门E1传感器风门通风机通风口V0通风口V2通风口V1A 门B 门C 门图2平面布置Fig.2Planlayout第4期张智韬等:智能通风精准调控系统架构及实现15992.3感控融合子系统感知方面,噪声按照来源不同可以分为过程噪声和测量噪声。实际井下的过程噪声源自湍流扰
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- 智能 通风 精准 调控 系统 架构 实现
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