基于嵌入式技术的双泵瓦斯抽排控制器设计

黄凯峰，杨怡婷

（淮南职业技术学院信电系，安徽 淮南 232001）

基于嵌入式技术的双泵瓦斯抽排控制器设计

黄凯峰，杨怡婷

（淮南职业技术学院信电系，安徽 淮南 232001）

安全生产是煤矿生产的头等大事，防突工作是煤矿安全的重中之重；目前淮南矿业集团井下广泛采用的瓦斯抽排系统存在的问题和安全隐患，提出了新型瓦斯抽排泵的智能控制系统；整个抽排系统的智能控制基于嵌入式系统通过瓦斯浓度监测结合模糊控制算法，解决了现有井下回风巷中经常出现的瓦斯超限问题，提高了煤矿生产安全性及可靠性。

煤矿安全；瓦斯抽排；嵌入式技术；模糊控制

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

一 引言

目前，国内的大部分煤矿瓦斯灾害都很严重。根据《煤矿生产安全规程》规定，必须坚持“先抽后采”的原则，而阀门的调节又不可能立即到位，其相对于执行机构来说具有很大的滞后性，另外井下生产条艰苦、常年高地压、湿度在100％、干扰源多，粉尘大。瓦斯的抽排过程是一个多耦合、时变、多变量的过程，很难用经典数学模型来进行描述，因此用常规的控制理论解决这种工业过程的自动控制问题就遇到了障碍。自从1965年美国California大学L.A.Zadeh在《Information and Control》发表论文“Fuzzy Sets”，创立了模糊数学，模糊数学是处理模糊信息的有力工具.模糊控制成为解决非线性，不可描述系统的有效方法，近年来，也出现了不少成功的模糊控制应用范例。

二 系统介绍

本系统以淮南矿业集团潘集一矿为研究对象，在回风巷和抽排地点分别设置两个高浓甲烷T1、T3浓度传感器，两个低浓甲烷T2、T4。双泵瓦斯抽排控制系统结构示意图，如图1所示：

图1 系统示意图

系统硬件主要S3C44B0X芯片及μCOS-Ⅱ操作系统，显示键盘，瓦斯浓度测量及电源电路等组成。可快速对现场瓦斯浓度实时、连续的测量，测量数据处理后，可以根据瓦斯浓度的情况智能的决策得到控制量，已达到在大巷不超限的前提下尽快的抽排瓦斯。

抽排系统控制过程是：首先，启动泵时，自检测阀门通电情况，若已通电，则全开特殊装置（阀门），同时闸阀F1、F2完全关闭，则启动抽排泵工作。运行时，管道内两高浓瓦斯传感器T1、T3进行测量，判断瓦斯浓度是否达到20％以上可储存利用的来发电，若达到，则打开F3、F4；若达到打开闸阀F1、F2，关闭F3、F4；同时结合T4瓦斯检测值，模糊化后输入智能模糊控制器，由语义规则作出判决，通过D/A转换成模拟信号对被控对象进行智能控制，系统运行过程中，若检测的回风巷道中瓦斯浓度T4超限，则立即报警并停泵保护。此外，通过流量传感器检测抽排泵中水流状况，以能够实现对抽排泵的有效断水保护。

三 模糊控制器的设计

1 模糊控制器的基本结构

一般的模糊控制器有：输入数据模糊化，模糊语义控制规则，决策和解模糊输出。这几部分组成。具体结构与组成如图2所示：

图2 瓦斯浓度模糊控制器结构框图

2 模糊控制器设计

1）输入线性化以模糊化

T1浓度范围［10％，70％］模糊化为｛-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5｝；E变化范围为［-0.6％1.4％］模糊化为｛-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5｝；特殊装置（阀门）开启的范围［4，20mA］；模糊化为｛-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4｝。

2）模糊控制语言值的确定

的模糊语言集可设为｛PB，PS，ZE，NS，NB｝，模糊语言集可设为为｛NB，NS，ZE，PS，PB｝，模糊语言集可设为｛NB，NS，ZE，PS，PB｝。如图3，图4所示。

3）模糊控制隶属函数确定

本模糊控制器采用三角形结合梯形函数分布来定义，模糊语意：

图3 瓦斯浓度偏差E、瓦斯浓度T1的隶属度函数

图4 输出Z隶属度函数图

4）确定模糊控制规则表（Fuzzy control rules）见表1：

表1 模糊控制规则表

由Mamdani多维推理我们可知

由公式（1）（2）可得关系矩阵R；

又由于推理结论B’=A＊R（其中A为推理条件），在多维情况下有：

5）决策与输出

本文采用重心法作为去模糊策略（加权平均法），最终可得到模糊控制表如表2，由此表控制器可以通过离线查表方法对现场的变化情况进行智能控制。

表2 模糊控制决策表

四 嵌入式系统设计

本系统采用S3C44B0X芯片及μCOS-Ⅱ操作系统，快。可快速对现场瓦斯浓度实时、连续的测量，测量数据处理后，可以根据瓦斯浓度的情况智能的决策得到控制量，已达到在大巷不超限的前提下尽快的抽排瓦斯。

1 嵌入式系统硬件设计

1）最小系统设计

最小工作系统以Samsung公司的S3C44B0X为核心，采用11.059 2MHz晶振，并利用MAX708SD组成复位电路，它包含一个看门狗定时器、一个微处理器复位模块、一个供电失败比较器和手动复位输入模块。如图5所示

图5 嵌入式系统硬件结构

2）电源系设计

ARM CPU通常需要两种以上的电源，其中一种电源是核电压；另外一种是I/O口电压，以S3C44B0X为例，如图6所示，它的Vdd是3.3V，所以需要实现电源变换，由于效率和电源稳定性的要求，现在通常采用DC/DC实现高电压到3.3 V的转换。现以MICROCHIP公司的TC12033的DC/DC

应用电路。

图6 TC120333的应用电路

2 嵌入式系统软件设计

系统采用美国的μCOS-Ⅱ操作系统作为应用软件的平台，可以避免传统的前后台程序设计伴随系统功能增加造成程序编写量成指数增加以及资源调度不当发生的死锁现象，同时也提高抗系统的实时性和可靠性。

3 用户任务设计

嵌入式系统中，合理的划分任务及优先级，不但能简化软件设计的复杂性、任务调度的正确性，而且还能增强系统的稳定性、健壮性以及实时性。

本系统软件主要功能有：各点瓦斯浓度显示；数据关联处理；瓦斯浓度信号采集；断水保护。

基于μCOS-Ⅱ实时操作系统，根据瓦斯抽排控制系统的功能要求，划分量任务以及优先级，任务优先级取偶数，为以后系统升级里留下空间。见表3。

表3 斯抽排控制系统任务划分

TaskStart（）是操作系统初始化后运行首一个任务，创建嵌入式系统的其他监控系统任务，该任务执行一次后删除，自身不再执行。如图7所示。

图7 各任务关系图

本文所讨论的控制系统属于复杂的非线性、时变、强干扰、多耦合的系统，如果运用传统的控制方法很难取得较好的控制效果。但采用本文所讨论的模糊控制方法可达到大巷不超限的前提下尽快的抽排瓦斯控制效果而且可以很好的适应井下恶劣条件，可取得很好的实际运行效果。

［1］李士勇.模糊控制、神经控制和智能控制［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1996.

［2］张曾科.模糊数学在自动化技术中的应用［M］.北京：清华大学出社，1996.

［3］孙优贤，楮健.工业过程控制技术方法篇［M］.北京：化学工业出版社，2006.

［4］国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程［M］.北京：中国法制出版社，2005.

［5］许力.智能控制与智能系统〔M〕.北京：机械工业出版社，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

淮南职业技术学院自然科学基金（项目编号：HKJ09-5）

黄凯峰（1982-），男，黑龙江鹤岗人，助理讲师，硕士，从事智能控制理论及控制工程研究；电话：0554-6656951。