基于模糊機(jī)制的瓦斯自動(dòng)抽排系統(tǒng)的優(yōu)化

摘 要：瓦斯抽排是保障煤礦安全生產(chǎn)的重要工作，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)瓦斯綜合利用的前提。因此，進(jìn)一步提高瓦斯自動(dòng)抽排工藝的安全性、可靠性和實(shí)時(shí)性，對(duì)于煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)健康經(jīng)營(yíng)和安全生產(chǎn)起到了積極的推動(dòng)作用，同時(shí)也有效地促進(jìn)了節(jié)能減排工作的開(kāi)展，幫助企業(yè)走上可持續(xù)性發(fā)展道路。文章針對(duì)煤礦瓦斯抽排系統(tǒng)進(jìn)行研究，結(jié)合人工智能領(lǐng)域的模糊機(jī)制，提出了有針對(duì)性的優(yōu)化策略，并設(shè)計(jì)了相關(guān)的硬件系統(tǒng)和基于西門(mén)子S7-200PLC的軟件系統(tǒng)，有效地提高了瓦斯自動(dòng)化抽排系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度，具備了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：瓦斯；抽排；模糊機(jī)制；PLC

引言

瓦斯是煤層中的一種伴生氣體，在開(kāi)采的過(guò)程中，由于周圍煤層壓力的減少釋出逸散，當(dāng)瓦斯大量快速釋出時(shí)即形成瓦斯突出，進(jìn)而可能導(dǎo)致瓦斯爆炸事故。為有效降低瓦斯危害，合理利用瓦斯資源，各個(gè)大中型煤礦企業(yè)均嚴(yán)格遵循了國(guó)家出臺(tái)的相關(guān)安全規(guī)程，做到先抽后采的工作順序。目前，煤礦瓦斯抽排最主要的方式為鉆孔預(yù)抽，在此過(guò)程中，對(duì)抽排系統(tǒng)的精確控制成為了影響整個(gè)系統(tǒng)工作質(zhì)量的關(guān)鍵因素。文章針對(duì)這一情況，采用了人工智能領(lǐng)域的模糊機(jī)制對(duì)抽排系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，收到了良好的效果。

1 瓦斯自動(dòng)抽排基本工作原理

圖1給出了鉆孔抽排工作的基本原理，如圖所示，本系統(tǒng)的核心模塊即位于抽排泵的抽入與排出管道之間，通過(guò)對(duì)管道內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊膶?shí)時(shí)監(jiān)控，以排出管道無(wú)效流量作為反饋信息，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，從而控制排入大巷中的瓦斯流量，同時(shí)通過(guò)設(shè)定嚴(yán)格的安全界限，保障大巷內(nèi)的瓦斯流量始終處于安全水平以內(nèi)。

圖1 瓦斯抽排流程圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本硬件系統(tǒng)位于圖1中的控制器部位，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥的動(dòng)態(tài)控制，其硬件構(gòu)成如圖2所示。核心控制模塊選用西門(mén)子公司推出的S7-200PLC模塊，該模塊可靠性高，性能優(yōu)良，由于本模塊是數(shù)字化模塊，因此需要在系統(tǒng)中加裝A/D轉(zhuǎn)換模塊EM235；選用1個(gè)高濃傳感器和2個(gè)低濃傳感器來(lái)對(duì)管道和大巷內(nèi)的瓦斯流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)；采用流量傳感器對(duì)泵內(nèi)水流量進(jìn)行監(jiān)控；控制系統(tǒng)通過(guò)串口通信技術(shù)與上位機(jī)之間保持信息的流暢傳輸，并在上位機(jī)內(nèi)通過(guò)管理軟件對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，抽排泵位于停止?fàn)顟B(tài)，各閥門(mén)通電，開(kāi)啟閘閥F、F2，關(guān)閉F1，此時(shí)抽排泵進(jìn)入工作狀態(tài)。在抽排過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)瓦斯傳感器采集到的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)與回風(fēng)大巷中預(yù)先設(shè)定的瓦斯?jié)舛劝踩颠M(jìn)行對(duì)比，得到偏差量E以及管道瓦斯?jié)舛萒1，根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)，按照模糊機(jī)制的隸屬度函數(shù)計(jì)算出相應(yīng)的模糊量，并啟動(dòng)模糊控制器，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的模糊規(guī)則，計(jì)算得到模糊量輸出，再執(zhí)行反模糊化操作，即可得到精確量，根據(jù)此數(shù)值完成對(duì)閥門(mén)開(kāi)度的調(diào)節(jié)，改變有效流量；同時(shí)為了加強(qiáng)保護(hù)，系統(tǒng)設(shè)定了警報(bào)機(jī)制，當(dāng)采集到的回風(fēng)巷道中瓦斯?jié)舛萒3超限，則立即開(kāi)啟警報(bào)，將此信息以最高優(yōu)先級(jí)通知上位機(jī)，同時(shí)不等待上位機(jī)的指令送達(dá)即強(qiáng)行制止抽排泵運(yùn)行；此外，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)流量傳感器反饋的抽排泵中水流信息實(shí)現(xiàn)對(duì)抽排泵的斷水保護(hù)。

3 模糊控制算法

本系統(tǒng)的主要目的是控制回風(fēng)巷道中的瓦斯?jié)舛?，以達(dá)到安全抽排的目的。而被控對(duì)象顯然受到了多種因素的干擾，且無(wú)法建立精確的控制模型，因此一般的閉環(huán)反饋控制方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度、高響應(yīng)速度的控制要求，而模糊機(jī)制最大的特點(diǎn)就是不需要建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)最大程度地借鑒知識(shí)經(jīng)驗(yàn)與操作經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的高效控制，本設(shè)計(jì)將模糊控制理論應(yīng)用于閥門(mén)開(kāi)度控制，使閥門(mén)隨著瓦斯?jié)舛鹊淖兓詣?dòng)調(diào)整其開(kāi)度，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門(mén)的自動(dòng)控制。

根據(jù)模糊機(jī)制原理，得到瓦斯?jié)舛绕頔的論域?yàn)閧-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}，模糊語(yǔ)言集為{PB，PS，ZE，NS，NB}，分別代表{正大偏差，正小偏差，無(wú)偏差，負(fù)小偏差，負(fù)大偏差}。

根據(jù)廣泛調(diào)研及查閱資料得到的先驗(yàn)知識(shí)，總結(jié)出25條模糊控制規(guī)則，形式均為：IF E=Ai and T1=Bj THEN U=Ck。其中E為回風(fēng)濃度偏差，U為對(duì)閥門(mén)開(kāi)度的控制信號(hào)。根據(jù)每一條規(guī)則可求得

對(duì)應(yīng)模糊關(guān)系矩陣：Rij=（Ei×T1j）×Uij，則總的模糊關(guān)系 。

采用重心法 對(duì)矩陣中的每一行進(jìn)行模糊判

決，并根據(jù)輸入的所有參數(shù)組合計(jì)算出相應(yīng)的輸出控制量，即可形成一張“輸入量-輸出量”的映射表，每次執(zhí)行模糊操作時(shí)，都根據(jù)輸入量查詢?cè)摫?，得到相?yīng)的濃度值。

隨后，將實(shí)際的偏差量和濃度量e（k）和T1（k）分別乘以量化因子k1和k2，可得查找論域控制表所需要的xi和yj，即xi=k1e（k），yj=k2T1（k）。根據(jù)查詢結(jié)果，可得到輸出控制量的論域值Uij再將此值乘以比例因子k3，得到u=k3Uij，本式中的u即為控制系統(tǒng)所需的輸出控制量，通過(guò)對(duì)控制量u的實(shí)時(shí)改變，控制系統(tǒng)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門(mén)開(kāi)度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章提出的基于模糊機(jī)制的瓦斯抽排控制系統(tǒng)可有效地提高瓦斯抽排工作的質(zhì)量，較好地保障了煤礦井下生產(chǎn)的安全性。相信隨著自動(dòng)化技術(shù)和人工智能技術(shù)等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，會(huì)出現(xiàn)更多更優(yōu)秀的優(yōu)化策略，進(jìn)一步提高瓦斯抽排工作的可靠性和高效性。

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