基于嵌入式技術的雙泵瓦斯抽排控制器設計

黃凱峰，楊怡婷

（淮南職業技術學院信電系，安徽 淮南 232001）

基于嵌入式技術的雙泵瓦斯抽排控制器設計

黃凱峰，楊怡婷

（淮南職業技術學院信電系，安徽 淮南 232001）

安全生產是煤礦生產的頭等大事，防突工作是煤礦安全的重中之重；目前淮南礦業集團井下廣泛采用的瓦斯抽排系統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；整個抽排系統的智能控制基于嵌入式系統通過瓦斯濃度監測結合模糊控制算法，解決了現有井下回風巷中經常出現的瓦斯超限問題，提高了煤礦生產安全性及可靠性。

煤礦安全；瓦斯抽排；嵌入式技術；模糊控制

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

一 引言

目前，國內的大部分煤礦瓦斯災害都很嚴重。根據《煤礦生產安全規程》規定，必須堅持“先抽后采”的原則，而閥門的調節又不可能立即到位，其相對于執行機構來說具有很大的滯后性，另外井下生產條艱苦、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多耦合、時變、多變量的過程，很難用經典數學模型來進行描述，因此用常規的控制理論解決這種工業過程的自動控制問題就遇到了障礙。自從1965年美國California大學L.A.Zadeh在《Information and Control》發表論文“Fuzzy Sets”，創立了模糊數學，模糊數學是處理模糊信息的有力工具.模糊控制成為解決非線性，不可描述系統的有效方法，近年來，也出現了不少成功的模糊控制應用范例。

二 系統介紹

本系統以淮南礦業集團潘集一礦為研究對象，在回風巷和抽排地點分別設置兩個高濃甲烷T1、T3濃度傳感器，兩個低濃甲烷T2、T4。雙泵瓦斯抽排控制系統結構示意圖，如圖1所示：

圖1 系統示意圖

系統硬件主要S3C44B0X芯片及μCOS-Ⅱ操作系統，顯示鍵盤，瓦斯濃度測量及電源電路等組成?？煽焖賹ΜF場瓦斯濃度實時、連續的測量，測量數據處理后，可以根據瓦斯濃度的情況智能的決策得到控制量，已達到在大巷不超限的前提下盡快的抽排瓦斯。

抽排系統控制過程是：首先，啟動泵時，自檢測閥門通電情況，若已通電，則全開特殊裝置（閥門），同時閘閥F1、F2完全關閉，則啟動抽排泵工作。運行時，管道內兩高濃瓦斯傳感器T1、T3進行測量，判斷瓦斯濃度是否達到20％以上可儲存利用的來發電，若達到，則打開F3、F4；若達到打開閘閥F1、F2，關閉F3、F4；同時結合T4瓦斯檢測值，模糊化后輸入智能模糊控制器，由語義規則作出判決，通過D/A轉換成模擬信號對被控對象進行智能控制，系統運行過程中，若檢測的回風巷道中瓦斯濃度T4超限，則立即報警并停泵保護。此外，通過流量傳感器檢測抽排泵中水流狀況，以能夠實現對抽排泵的有效斷水保護。

三 模糊控制器的設計

1 模糊控制器的基本結構

一般的模糊控制器有：輸入數據模糊化，模糊語義控制規則，決策和解模糊輸出。這幾部分組成。具體結構與組成如圖2所示：

圖2 瓦斯濃度模糊控制器結構框圖

2 模糊控制器設計

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

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

3）模糊控制隸屬函數確定

本模糊控制器采用三角形結合梯形函數分布來定義，模糊語意：

圖3 瓦斯濃度偏差E、瓦斯濃度T1的隸屬度函數

圖4 輸出Z隸屬度函數圖

4）確定模糊控制規則表（Fuzzy control rules）見表1：

表1 模糊控制規則表

由Mamdani多維推理我們可知

由公式（1）（2）可得關系矩陣R；

又由于推理結論B’=A＊R（其中A為推理條件），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現場的變化情況進行智能控制。

表2 模糊控制決策表

四 嵌入式系統設計

本系統采用S3C44B0X芯片及μCOS-Ⅱ操作系統，快?？煽焖賹ΜF場瓦斯濃度實時、連續的測量，測量數據處理后，可以根據瓦斯濃度的情況智能的決策得到控制量，已達到在大巷不超限的前提下盡快的抽排瓦斯。

1 嵌入式系統硬件設計

1）最小系統設計

最小工作系統以Samsung公司的S3C44B0X為核心，采用11.059 2MHz晶振，并利用MAX708SD組成復位電路，它包含一個看門狗定時器、一個微處理器復位模塊、一個供電失敗比較器和手動復位輸入模塊。如圖5所示

圖5 嵌入式系統硬件結構

2）電源系設計

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，所以需要實現電源變換，由于效率和電源穩定性的要求，現在通常采用DC/DC實現高電壓到3.3 V的轉換。現以MICROCHIP公司的TC12033的DC/DC

應用電路。

圖6 TC120333的應用電路

2 嵌入式系統軟件設計

系統采用美國的μCOS-Ⅱ操作系統作為應用軟件的平臺，可以避免傳統的前后臺程序設計伴隨系統功能增加造成程序編寫量成指數增加以及資源調度不當發生的死鎖現象，同時也提高抗系統的實時性和可靠性。

3 用戶任務設計

嵌入式系統中，合理的劃分任務及優先級，不但能簡化軟件設計的復雜性、任務調度的正確性，而且還能增強系統的穩定性、健壯性以及實時性。

本系統軟件主要功能有：各點瓦斯濃度顯示；數據關聯處理；瓦斯濃度信號采集；斷水保護。

基于μCOS-Ⅱ實時操作系統，根據瓦斯抽排控制系統的功能要求，劃分量任務以及優先級，任務優先級取偶數，為以后系統升級里留下空間。見表3。

表3 斯抽排控制系統任務劃分

TaskStart（）是操作系統初始化后運行首一個任務，創建嵌入式系統的其他監控系統任務，該任務執行一次后刪除，自身不再執行。如圖7所示。

圖7 各任務關系圖

本文所討論的控制系統屬于復雜的非線性、時變、強干擾、多耦合的系統，如果運用傳統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井下惡劣條件，可取得很好的實際運行效果。

［1］李士勇.模糊控制、神經控制和智能控制［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1996.

［2］張曾科.模糊數學在自動化技術中的應用［M］.北京：清華大學出社，1996.

［3］孫優賢，楮健.工業過程控制技術方法篇［M］.北京：化學工業出版社，2006.

［4］國家煤礦安全監察局.煤礦安全規程［M］.北京：中國法制出版社，2005.

［5］許力.智能控制與智能系統〔M〕.北京：機械工業出版社，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

淮南職業技術學院自然科學基金（項目編號：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。