基于FPGA的礦山電能智能監控系統設計

孫前程

（安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽 淮南232001）

0 引言

我國是一個煤礦資源豐富的煤礦大國，煤礦企業在國民生產生活中扮演著一個重要的角色，煤礦的耗能問題也是非常嚴重。在煤礦能耗中絕大多數為大型設備的電能消耗。其中通風、壓風、提升、排水、運輸分別占總電耗的25%、20%、13%、10%左右。目前的煤礦節能主要從避峰就谷、降低用電量、提高利用率等方面入手。本文側重于解決煤礦大型設備在避峰就谷時產生的不必要的浪費，從降低避峰就谷時電能負荷的波動入手以達到節能的目的。由于單片機的實時性和穩定性不理想，而FPGA是以硬件電路的方式來實現，其穩定性高于單片機，運行速度較快，實時性也較好，所以本系統采用FPGA芯片來實現。

1 系統的總體結構

系統由數據采集傳輸模塊，模糊PID控制器，PWM模塊，顯示和報警模塊以及通信模塊組成。整個系統的工作流程是：扭矩傳感器將采集到的扭力的變化轉換成電信號，經過A/D轉換電路轉換。用Verilog HDL編寫代碼通過FPGA來比較轉換出的數值與系統設置的數值，通過模糊PID算法給出輸出值給PWM模塊。PWM模塊根據輸入量的大小調整輸出脈沖占空比來控制礦山大型設備的運行。按鍵、顯示、報警電路主要用來設定數值、顯示當前運行狀況、設定報警范圍。用UART與上位機進行信息傳遞，這樣工作人員就可以遠距離監控設備的運行。電源、晶振等為系統配置電源、時鐘。

2 系統硬件設計

2.1 FPGA的選型

此設計采用Cyclone II系列的FPGA。此產品價格要比第一代產品便宜而且內存容量要比后者大很多。此系列的器件采用90納米工藝，1.2v內核供電。其內部邏輯資源可以實現更為復雜的邏輯應用。

2.2 上位機

基于FPGA的煤礦瓦斯濃度的智能檢測及通風控制系統在運行時通過UART與上位機通信。FPGA和PC機之間可以方便的進行串口通信。FPGA向PC機發送數據來來反映采集到的數據的。

3 系統軟件設計

基于FPGA的礦山電能智能監控系統的軟件部分由模糊PID控制器、分頻模塊、數據采集模塊、顯示和報警模塊及PWM模塊組成。

3.1 模糊PID控制器的FPGA實現

基于FPGA的模糊PID控制的算法比較復雜，本設計采用模塊化的設計思想來完成。將整個控制模塊劃分為若干個小模塊，對小模塊進行功能、時序仿真。然后對各個小模塊進行例化。整個控制模塊有誤差計算模塊、模糊化設計模塊、模糊控制輸出模塊等。

3.1.1 建立模糊規則表

扭矩傳感器從現場采集到的模擬量A/D轉換成數字量，要實現對其模糊控制，就需要將精確的數字量轉換成模糊量。要實現模糊量化的設計就需要劃分合理模糊論域。若是對輸入量模糊分太細的話，會導致規則數量太多以至于設計太復雜。如果輸入量劃分過少的話，卻難以實現精確的控制。本設計采用七級編碼機制能合理滿足控制的精度及系統復雜度。

3.1.2 解模糊化模塊

隸屬函數是對數據的一個概率判斷，設計采用離線查表的方式模糊控制規則和隸屬函數所需的知識庫存儲在FPGA自帶的ROM里。利用Quartus II 9.0軟件中的tool工具生成三個只讀存儲器的IP核，分別為rom1,rom2,rom3，然后將生成的mif文件添加到存儲器里，最后根據重心法離線算出的kp、ki、kd的值加到mif文件中，對應相應的地址。

3.1.3 自適應模糊PID控制器的仿真

設計好整個模糊PID控制器的Verilog HDL的代碼后，用Quartus II 9.0開發平臺上進行仿真、調試、分析和驗證，其仿真結果如下圖所示。

圖1 自適應模糊PID控制器的仿真結果

3.2 PWM模塊的設計

PWM脈寬調制模塊的Verilog HDL程序代碼如下：

4 結語

基于FPGA的礦山電能智能監控系統采用Verilog硬件描述語言。用FPFA做主控芯片，主要實現與上位機的通信、實現自適應模糊PID控制器以及PWM脈寬調制的功能。利用FPGA的高穩定性、實時性好等特點，實時采集通風機工作狀況并通過內部PWM控制模塊及時調整其他設備的運行狀態，從而降低電能負荷的上下波動，實現了節省電能的目的，達到了預期的設計目標。

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