摘 要：瓦斯抽排是保障煤礦安全生產(chǎn)的重要工作，同時也是實現(xiàn)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(yè)實現(xiàn)健康經(jīng)營和安全生產(chǎn)起到了積極的推動作用，同時也有效地促進了節(jié)能減排工作的開展，幫助企業(yè)走上可持續(xù)性發(fā)展道路。文章針對煤礦瓦斯抽排系統(tǒng)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(yōu)化策略，并設計了相關的硬件系統(tǒng)和基于西門子S7-200PLC的軟件系統(tǒng)，有效地提高了瓦斯自動化抽排系統(tǒng)的控制精度和響應速度，具備了一定的經(jīng)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(yè)均嚴格遵循了國家出臺的相關安全規(guī)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(tǒng)的精確控制成為了影響整個系統(tǒng)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(tǒng)進行動態(tài)調節(jié)，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(tǒng)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(nèi)瓦斯?jié)舛鹊膶崟r監(jiān)控，以排出管道無效流量作為反饋信息，來實現(xiàn)對自動調節(jié)閥門開度的動態(tài)調節(jié)，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(nèi)的瓦斯流量始終處于安全水平以內(nèi)。

圖1 瓦斯抽排流程圖

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 硬件系統(tǒng)結構

本硬件系統(tǒng)位于圖1中的控制器部位，實現(xiàn)對自動調節(jié)閥的動態(tài)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(yōu)良，由于本模塊是數(shù)字化模塊，因此需要在系統(tǒng)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(nèi)的瓦斯流量進行監(jiān)測；采用流量傳感器對泵內(nèi)水流量進行監(jiān)控；控制系統(tǒng)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(nèi)通過管理軟件對本系統(tǒng)進行實時管理。

圖2 系統(tǒng)硬件結構圖

2.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)啟動時，抽排泵位于停止狀態(tài)，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(tài)。在抽排過程中，實時監(jiān)測瓦斯傳感器采集到的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)與回風大巷中預先設定的瓦斯?jié)舛劝踩颠M行對比，得到偏差量E以及管道瓦斯?jié)舛萒1，根據(jù)這兩個參數(shù)，按照模糊機制的隸屬度函數(shù)計算出相應的模糊量，并啟動模糊控制器，根據(jù)預先設定的模糊規(guī)則，計算得到模糊量輸出，再執(zhí)行反模糊化操作，即可得到精確量，根據(jù)此數(shù)值完成對閥門開度的調節(jié)，改變有效流量；同時為了加強保護，系統(tǒng)設定了警報機制，當采集到的回風巷道中瓦斯?jié)舛萒3超限，則立即開啟警報，將此信息以最高優(yōu)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(tǒng)運行過程中，根據(jù)流量傳感器反饋的抽排泵中水流信息實現(xiàn)對抽排泵的斷水保護。

3 模糊控制算法

本系統(tǒng)的主要目的是控制回風巷道中的瓦斯?jié)舛龋赃_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(huán)反饋控制方式無法實現(xiàn)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(shù)學模型，通過最大程度地借鑒知識經(jīng)驗與操作經(jīng)驗，實現(xiàn)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?jié)舛鹊淖兓詣诱{整其開度，從而自動調節(jié)流量，實現(xiàn)對閥門的自動控制。

根據(jù)模糊機制原理，得到瓦斯?jié)舛绕頔的論域為{-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(jù)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(guī)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(jù)每一條規(guī)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(jù)輸入的所有參數(shù)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(zhí)行模糊操作時，都根據(jù)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(jù)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(tǒng)所需的輸出控制量，通過對控制量u的實時改變，控制系統(tǒng)就可實現(xiàn)對閥門開度的動態(tài)調節(jié)。

4 結束語

文章提出的基于模糊機制的瓦斯抽排控制系統(tǒng)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(chǎn)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(fā)展，會出現(xiàn)更多更優(yōu)秀的優(yōu)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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