基于模糊機制的瓦斯自動抽排系統的優化

摘 要：瓦斯抽排是保障煤礦安全生產的重要工作，同時也是實現瓦斯綜合利用的前提。因此，進一步提高瓦斯自動抽排工藝的安全性、可靠性和實時性，對于煤礦企業實現健康經營和安全生產起到了積極的推動作用，同時也有效地促進了節能減排工作的開展，幫助企業走上可持續性發展道路。文章針對煤礦瓦斯抽排系統進行研究，結合人工智能領域的模糊機制，提出了有針對性的優化策略，并設計了相關的硬件系統和基于西門子S7-200PLC的軟件系統，有效地提高了瓦斯自動化抽排系統的控制精度和響應速度，具備了一定的經濟效益和社會效益。

關鍵詞：瓦斯；抽排；模糊機制；PLC

引言

瓦斯是煤層中的一種伴生氣體，在開采的過程中，由于周圍煤層壓力的減少釋出逸散，當瓦斯大量快速釋出時即形成瓦斯突出，進而可能導致瓦斯爆炸事故。為有效降低瓦斯危害，合理利用瓦斯資源，各個大中型煤礦企業均嚴格遵循了國家出臺的相關安全規程，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抽，在此過程中，對抽排系統的精確控制成為了影響整個系統工作質量的關鍵因素。文章針對這一情況，采用了人工智能領域的模糊機制對抽排系統進行動態調節，收到了良好的效果。

1 瓦斯自動抽排基本工作原理

圖1給出了鉆孔抽排工作的基本原理，如圖所示，本系統的核心模塊即位于抽排泵的抽入與排出管道之間，通過對管道內瓦斯濃度的實時監控，以排出管道無效流量作為反饋信息，來實現對自動調節閥門開度的動態調節，從而控制排入大巷中的瓦斯流量，同時通過設定嚴格的安全界限，保障大巷內的瓦斯流量始終處于安全水平以內。

圖1 瓦斯抽排流程圖

2 控制系統設計

2.1 硬件系統結構

本硬件系統位于圖1中的控制器部位，實現對自動調節閥的動態控制，其硬件構成如圖2所示。核心控制模塊選用西門子公司推出的S7-200PLC模塊，該模塊可靠性高，性能優良，由于本模塊是數字化模塊，因此需要在系統中加裝A/D轉換模塊EM235；選用1個高濃傳感器和2個低濃傳感器來對管道和大巷內的瓦斯流量進行監測；采用流量傳感器對泵內水流量進行監控；控制系統通過串口通信技術與上位機之間保持信息的流暢傳輸，并在上位機內通過管理軟件對本系統進行實時管理。

圖2 系統硬件結構圖

2.2 系統工作流程

系統啟動時，抽排泵位于停止狀態，各閥門通電，開啟閘閥F、F2，關閉F1，此時抽排泵進入工作狀態。在抽排過程中，實時監測瓦斯傳感器采集到的瓦斯濃度數據，將此數據與回風大巷中預先設定的瓦斯濃度安全值進行對比，得到偏差量E以及管道瓦斯濃度T1，根據這兩個參數，按照模糊機制的隸屬度函數計算出相應的模糊量，并啟動模糊控制器，根據預先設定的模糊規則，計算得到模糊量輸出，再執行反模糊化操作，即可得到精確量，根據此數值完成對閥門開度的調節，改變有效流量；同時為了加強保護，系統設定了警報機制，當采集到的回風巷道中瓦斯濃度T3超限，則立即開啟警報，將此信息以最高優先級通知上位機，同時不等待上位機的指令送達即強行制止抽排泵運行；此外，系統運行過程中，根據流量傳感器反饋的抽排泵中水流信息實現對抽排泵的斷水保護。

3 模糊控制算法

本系統的主要目的是控制回風巷道中的瓦斯濃度，以達到安全抽排的目的。而被控對象顯然受到了多種因素的干擾，且無法建立精確的控制模型，因此一般的閉環反饋控制方式無法實現高精度、高響應速度的控制要求，而模糊機制最大的特點就是不需要建立數學模型，通過最大程度地借鑒知識經驗與操作經驗，實現對被控對象的高效控制，本設計將模糊控制理論應用于閥門開度控制，使閥門隨著瓦斯濃度的變化自動調整其開度，從而自動調節流量，實現對閥門的自動控制。

根據模糊機制原理，得到瓦斯濃度偏差E的論域為{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}，模糊語言集為{PB，PS，ZE，NS，NB}，分別代表{正大偏差，正小偏差，無偏差，負小偏差，負大偏差}。

根據廣泛調研及查閱資料得到的先驗知識，總結出25條模糊控制規則，形式均為：IF E=Ai and T1=Bj THEN U=Ck。其中E為回風濃度偏差，U為對閥門開度的控制信號。根據每一條規則可求得

對應模糊關系矩陣：Rij=（Ei×T1j）×Uij，則總的模糊關系 。

采用重心法 對矩陣中的每一行進行模糊判

決，并根據輸入的所有參數組合計算出相應的輸出控制量，即可形成一張“輸入量-輸出量”的映射表，每次執行模糊操作時，都根據輸入量查詢該表，得到相應的濃度值。

隨后，將實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）。根據查詢結果，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即為控制系統所需的輸出控制量，通過對控制量u的實時改變，控制系統就可實現對閥門開度的動態調節。

4 結束語

文章提出的基于模糊機制的瓦斯抽排控制系統可有效地提高瓦斯抽排工作的質量，較好地保障了煤礦井下生產的安全性。相信隨著自動化技術和人工智能技術等領域的不斷發展，會出現更多更優秀的優化策略，進一步提高瓦斯抽排工作的可靠性和高效性。

參考文獻

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