基于ARM的煤礦井下供水智能控制系統

張雅潔 張自強

（安徽水利水電職業技術學院，安徽 合肥231603）

0 引言

針對淮滬煤電丁集礦井下供水的特殊情況，為了更好地保證井下供水安全，降低井下閥門和管道的損耗，防止管道在水壓過大時，發生爆管的事情。根據井下供水的要求，必須保證井下管道的壓力在2～3MPa之間，而由于供水又是采用自流水的形式，流量不確定，井口到井下的距離有800多米，水從井口到井下都需要一定的時間，且會有沖擊效應，這些都會對控制閥門的開度產生一定的影響，且井下壓力的顯示也滯后于執行機構，因此，該系統很難建立精確的數學模型，另外以往的井下供水系統對于檢測量又比較單一，建成的都是單輸入的控制系統，控制效果不佳，因此本人設計了基于ARM的煤礦井下供水多輸入模糊控制系統。

1 系統組成及其功能特點

1.1 系統的組成

該系統主要部件及組成主要有：水壓壓力傳感器、ARM智能控制器、電動球閥、流量傳感器。系統結構框圖和自動供水流程圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 系統結構框圖

1.2 系統的功能特點

（1）該系統能夠根據井下壓力的要求及時自動調節電動閥門，確保井下水壓在設定范圍內，并能夠根據要求隨時更改設定壓力值；

（2）該系統利用井下壓力傳感器和井上流量傳感器傳來的數據作為控制器的輸入，具有提前預測的能力，極大地提高了控制系統的可靠性和精度；

（3）該系統具有實時顯示井下水壓的能力；

（4）該系統還根據實際情況安裝了排氣閥和安全閥，同時解決了管道中有水汽和控制器失效時壓力過大的問題；

（5）本系統采用光纖傳輸；

（6）本系統在硬件上采用了先進的ARM920T作為嵌入式控制器，控制策略采用多輸入模糊控制；

（7）本系統可以實現對主井和副井同時控制。

2 系統的工作原理

根據淮滬煤電丁集礦井下供水的實際情況，本系統采用一個壓力傳感器和一個流量傳感器分別來測量井下供水壓力p和井上水流速度v；將p和v作為系統的輸入量來控制井上閥門的開度。其中壓力傳感器將測得的值先傳給KZC127礦用隔爆兼本安型信號轉換器，然后KZC127再通過光纖將值傳給KJJ121型礦用隔爆型網路控制器，最后KJJ121通過工業以太網將值傳給井上的控制器。

系統中電動球閥F1是執行機構，通過調整它的開度可以控制井下管道內的水壓，保證其在安全范圍內；安全閥是在控制器或執行機構出現故障時，及時排出管道內多余的水，降低管道內的水壓，降低由于水壓過高對管壁和閥門的損耗；排氣閥的作用是排出水流帶入管道內的氣體，解決由于氣體壓縮造成壓力傳感器誤判的問題。

3 智能控制器的設計

由于在整個供水過程中，系統具有很大的不確定性、高度的非線性，要建立一個線性系統是不可能的，因此在綜合考慮現場各種環境的情況下，本系統選用多輸入模糊控制的控制策略。

3.1 多輸入模糊控制器的結構

本系統的控制策略的控制器結構如圖3所示。

圖2 自動供水流程圖

圖3 井下供水多輸入模糊控制器結構

3.2 多輸入模糊算法

1）輸入輸出變量尺度變換及模糊化處理

v流量：v=[20,166],離散論域定為：V={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}；

p的誤差變化范圍:e=[-0.5,0.5],論域定為：E={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}；

p的誤差改變量的變化范圍：Δe=[-1,1],論域定為：EC={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}；

控制量u1和u2輸出范圍：u1=u2=[4mA,20mA],論域定為：

令V、E、EC、U1和U2的模糊分割后的集合為：{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},且隸屬函數采用最常用的三角函數來描述，則煤礦井上管道內水的流量V、煤礦井下管道內水壓P誤差E、誤差改變量EC、控制量U1和U2的隸屬度賦值表如表1所示。

表1 V、E、EC、U1和U2的隸屬度賦值表

2）模糊控制規則表和模糊控制總表的設計

通過現場調查和現場專家及技術人員的經驗，制定了輸出U1和輸出U2模糊控制規則表。

根據Mamdani模型的模糊推理的并行法可知：各模糊規則的模糊蘊含關系分別是R1，R2，…，Rj，且Ri=Ai1×Ai2×…×Aij×Bi，如果系統的當前狀態為：A’1，A’2,…，A’j，則所有模糊規則的輸出為：

由此可得該控制器的最終輸出為：B’=B’1∪B’2∪…∪B’j

再根據面積中心法進行解模糊運算，從而得到該控制器的模糊控制總表，如表2所示。

表2 模糊控制總表

將以上算法用C語言進行編程，并將其移植到ARM中去，從而增強了控制的快速性，大大提高了控制器的控制精度，防止了由于計算而造成的延遲，消除了以往用PLC來控制要通過上位機來計算而造成的時間延遲。

4 系統仿真

本系統模擬淮滬煤電丁集礦自動供水的實際情況用MATLAB進行系統仿真，煤礦井下水壓可以快速地控制在安全范圍內，同時也保證了井下供水的要求，達到了預期設想的控制效果。

5 結語

本系統綜合采用了多輸入模糊控制、ARM、光纖傳輸、工業以太網等技術，實現了井下供水無人看守的自動控制，解決了深井井下供水存在的問題，同時也大大降低了生產成本，此系統具有很強的抗干擾性能、結構簡單、調試方便、魯棒性好等特點。

［1］許力.智能控制與智能系統[M].北京:機械工業出版社,2006,12.

［2］張曾科,編.模糊數學在自動化技術中的應用.北京:清華大學出版社,1999.

［3］劉金琨.先進PID控制及其MATLAB仿真.電子工業出版社,2003.