基于嵌入式技術(shù)的雙泵瓦斯抽排控制器設(shè)計(jì)

黃凱峰，楊怡婷

（淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院信電系，安徽 淮南 232001）

基于嵌入式技術(shù)的雙泵瓦斯抽排控制器設(shè)計(jì)

黃凱峰，楊怡婷

（淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院信電系，安徽 淮南 232001）

安全生產(chǎn)是煤礦生產(chǎn)的頭等大事，防突工作是煤礦安全的重中之重；目前淮南礦業(yè)集團(tuán)井下廣泛采用的瓦斯抽排系統(tǒng)存在的問題和安全隱患，提出了新型瓦斯抽排泵的智能控制系統(tǒng)；整個(gè)抽排系統(tǒng)的智能控制基于嵌入式系統(tǒng)通過瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測結(jié)合模糊控制算法，解決了現(xiàn)有井下回風(fēng)巷中經(jīng)常出現(xiàn)的瓦斯超限問題，提高了煤礦生產(chǎn)安全性及可靠性。

煤礦安全；瓦斯抽排；嵌入式技術(shù)；模糊控制

DO I：10.3969/j.issn.1671-4733.2010.02.11

一 引言

目前，國內(nèi)的大部分煤礦瓦斯災(zāi)害都很嚴(yán)重。根據(jù)《煤礦生產(chǎn)安全規(guī)程》規(guī)定，必須堅(jiān)持“先抽后采”的原則，而閥門的調(diào)節(jié)又不可能立即到位，其相對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)來說具有很大的滯后性，另外井下生產(chǎn)條艱苦、常年高地壓、濕度在100％、干擾源多，粉塵大。瓦斯的抽排過程是一個(gè)多耦合、時(shí)變、多變量的過程，很難用經(jīng)典數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行描述，因此用常規(guī)的控制理論解決這種工業(yè)過程的自動(dòng)控制問題就遇到了障礙。自從1965年美國California大學(xué)L.A.Zadeh在《Information and Control》發(fā)表論文“Fuzzy Sets”，創(chuàng)立了模糊數(shù)學(xué)，模糊數(shù)學(xué)是處理模糊信息的有力工具.模糊控制成為解決非線性，不可描述系統(tǒng)的有效方法，近年來，也出現(xiàn)了不少成功的模糊控制應(yīng)用范例。

二 系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)以淮南礦業(yè)集團(tuán)潘集一礦為研究對(duì)象，在回風(fēng)巷和抽排地點(diǎn)分別設(shè)置兩個(gè)高濃甲烷T1、T3濃度傳感器，兩個(gè)低濃甲烷T2、T4。雙泵瓦斯抽排控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)硬件主要S3C44B0X芯片及μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)，顯示鍵盤，瓦斯?jié)舛葴y量及電源電路等組成?？煽焖賹?duì)現(xiàn)場瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)、連續(xù)的測量，測量數(shù)據(jù)處理后，可以根據(jù)瓦斯?jié)舛鹊那闆r智能的決策得到控制量，已達(dá)到在大巷不超限的前提下盡快的抽排瓦斯。

抽排系統(tǒng)控制過程是：首先，啟動(dòng)泵時(shí)，自檢測閥門通電情況，若已通電，則全開特殊裝置（閥門），同時(shí)閘閥F1、F2完全關(guān)閉，則啟動(dòng)抽排泵工作。運(yùn)行時(shí)，管道內(nèi)兩高濃瓦斯傳感器T1、T3進(jìn)行測量，判斷瓦斯?jié)舛仁欠襁_(dá)到20％以上可儲(chǔ)存利用的來發(fā)電，若達(dá)到，則打開F3、F4；若達(dá)到打開閘閥F1、F2，關(guān)閉F3、F4；同時(shí)結(jié)合T4瓦斯檢測值，模糊化后輸入智能模糊控制器，由語義規(guī)則作出判決，通過D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行智能控制，系統(tǒng)運(yùn)行過程中，若檢測的回風(fēng)巷道中瓦斯?jié)舛萒4超限，則立即報(bào)警并停泵保護(hù)。此外，通過流量傳感器檢測抽排泵中水流狀況，以能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)抽排泵的有效斷水保護(hù)。

三 模糊控制器的設(shè)計(jì)

1 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)

一般的模糊控制器有：輸入數(shù)據(jù)模糊化，模糊語義控制規(guī)則，決策和解模糊輸出。這幾部分組成。具體結(jié)構(gòu)與組成如圖2所示：

圖2 瓦斯?jié)舛饶：刂破鹘Y(jié)構(gòu)框圖

2 模糊控制器設(shè)計(jì)

1）輸入線性化以模糊化

T1濃度范圍［10％，70％］模糊化為｛-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5｝；E變化范圍為［-0.6％1.4％］模糊化為｛-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5｝；特殊裝置（閥門）開啟的范圍［4，20mA］；模糊化為｛-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4｝。

2）模糊控制語言值的確定

的模糊語言集可設(shè)為｛PB，PS，ZE，NS，NB｝，模糊語言集可設(shè)為為｛NB，NS，ZE，PS，PB｝，模糊語言集可設(shè)為｛NB，NS，ZE，PS，PB｝。如圖3，圖4所示。

3）模糊控制隸屬函數(shù)確定

本模糊控制器采用三角形結(jié)合梯形函數(shù)分布來定義，模糊語意：

圖3 瓦斯?jié)舛绕頔、瓦斯?jié)舛萒1的隸屬度函數(shù)

圖4 輸出Z隸屬度函數(shù)圖

4）確定模糊控制規(guī)則表（Fuzzy control rules）見表1：

表1 模糊控制規(guī)則表

由Mamdani多維推理我們可知

由公式（1）（2）可得關(guān)系矩陣R；

又由于推理結(jié)論B’=A＊R（其中A為推理?xiàng)l件），在多維情況下有：

5）決策與輸出

本文采用重心法作為去模糊策略（加權(quán)平均法），最終可得到模糊控制表如表2，由此表控制器可以通過離線查表方法對(duì)現(xiàn)場的變化情況進(jìn)行智能控制。

表2 模糊控制決策表

四 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用S3C44B0X芯片及μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)，快。可快速對(duì)現(xiàn)場瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)、連續(xù)的測量，測量數(shù)據(jù)處理后，可以根據(jù)瓦斯?jié)舛鹊那闆r智能的決策得到控制量，已達(dá)到在大巷不超限的前提下盡快的抽排瓦斯。

1 嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1）最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

最小工作系統(tǒng)以Samsung公司的S3C44B0X為核心，采用11.059 2MHz晶振，并利用MAX708SD組成復(fù)位電路，它包含一個(gè)看門狗定時(shí)器、一個(gè)微處理器復(fù)位模塊、一個(gè)供電失敗比較器和手動(dòng)復(fù)位輸入模塊。如圖5所示

圖5 嵌入式系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2）電源系設(shè)計(jì)

ARM CPU通常需要兩種以上的電源，其中一種電源是核電壓；另外一種是I/O口電壓，以S3C44B0X為例，如圖6所示，它的Vdd是3.3V，所以需要實(shí)現(xiàn)電源變換，由于效率和電源穩(wěn)定性的要求，現(xiàn)在通常采用DC/DC實(shí)現(xiàn)高電壓到3.3 V的轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)以MICROCHIP公司的TC12033的DC/DC

應(yīng)用電路。

圖6 TC120333的應(yīng)用電路

2 嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用美國的μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)作為應(yīng)用軟件的平臺(tái)，可以避免傳統(tǒng)的前后臺(tái)程序設(shè)計(jì)伴隨系統(tǒng)功能增加造成程序編寫量成指數(shù)增加以及資源調(diào)度不當(dāng)發(fā)生的死鎖現(xiàn)象，同時(shí)也提高抗系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

3 用戶任務(wù)設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)中，合理的劃分任務(wù)及優(yōu)先級(jí)，不但能簡化軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、任務(wù)調(diào)度的正確性，而且還能增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、健壯性以及實(shí)時(shí)性。

本系統(tǒng)軟件主要功能有：各點(diǎn)瓦斯?jié)舛蕊@示；數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)處理；瓦斯?jié)舛刃盘?hào)采集；斷水保護(hù)。

基于μCOS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，根據(jù)瓦斯抽排控制系統(tǒng)的功能要求，劃分量任務(wù)以及優(yōu)先級(jí)，任務(wù)優(yōu)先級(jí)取偶數(shù)，為以后系統(tǒng)升級(jí)里留下空間。見表3。

表3 斯抽排控制系統(tǒng)任務(wù)劃分

TaskStart（）是操作系統(tǒng)初始化后運(yùn)行首一個(gè)任務(wù)，創(chuàng)建嵌入式系統(tǒng)的其他監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)，該任務(wù)執(zhí)行一次后刪除，自身不再執(zhí)行。如圖7所示。

圖7 各任務(wù)關(guān)系圖

本文所討論的控制系統(tǒng)屬于復(fù)雜的非線性、時(shí)變、強(qiáng)干擾、多耦合的系統(tǒng)，如果運(yùn)用傳統(tǒng)的控制方法很難取得較好的控制效果。但采用本文所討論的模糊控制方法可達(dá)到大巷不超限的前提下盡快的抽排瓦斯控制效果而且可以很好的適應(yīng)井下惡劣條件，可取得很好的實(shí)際運(yùn)行效果。

［1］李士勇.模糊控制、神經(jīng)控制和智能控制［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1996.

［2］張?jiān)?模糊數(shù)學(xué)在自動(dòng)化技術(shù)中的應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出社，1996.

［3］孫優(yōu)賢，楮健.工業(yè)過程控制技術(shù)方法篇［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［4］國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦安全規(guī)程［M］.北京：中國法制出版社，2005.

［5］許力.智能控制與智能系統(tǒng)〔M〕.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［6］Zadeh L.A.Fuzzy Set［J］.Information and control，1965，8（2）：338-358.

A Controller forDual Coa lmine Gas Pumping-exhaust System Based on Embedded System

HUANG Kai-feng，YANG Yi-ting
（Departm ent of Information and Electric Engineering，Huainan Vocational＆Technical College，Huannan Anhui232001）

The situation of coalmine safety in production in China remains serious.The chief disaster is the sudden gas outburst.Aiming at the problems and the potential safety hazards of the current gas pumping-exhaust system widespread used，the intelligent controller of coalmine gas mobile pumping-exhaust system is researched and the current system is optimized.Intelligent controller based on embedded system of coalmine gasmobile pumping-exhaust system by uniting gas concentration monitorwith fuzzy control algorithm solves the recurrent problem of gas overrun in the current gas pumping-exhaust system，improves the system accuracy，security and reliability.

safety；pumping；embedded system；fuzzy control

TD712+.62

B

1671-4733（2010）02-0039-03

2010-05-17

淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：HKJ09-5）

黃凱峰（1982-），男，黑龍江鶴崗人，助理講師，碩士，從事智能控制理論及控制工程研究；電話：0554-6656951。