基于FPGA的礦山電能智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)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(yè)在國民生產(chǎn)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(shù)為大型設(shè)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(jié)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(cè)重于解決煤礦大型設(shè)備在避峰就谷時產(chǎn)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(jié)能的目的。由于單片機的實時性和穩(wěn)定性不理想，而FPGA是以硬件電路的方式來實現(xiàn)，其穩(wěn)定性高于單片機，運行速度較快，實時性也較好，所以本系統(tǒng)采用FPGA芯片來實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)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(tǒng)的工作流程是：扭矩傳感器將采集到的扭力的變化轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換。用Verilog HDL編寫代碼通過FPGA來比較轉(zhuǎn)換出的數(shù)值與系統(tǒng)設(shè)置的數(shù)值，通過模糊PID算法給出輸出值給PWM模塊。PWM模塊根據(jù)輸入量的大小調(diào)整輸出脈沖占空比來控制礦山大型設(shè)備的運行。按鍵、顯示、報警電路主要用來設(shè)定數(shù)值、顯示當前運行狀況、設(shè)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(jiān)控設(shè)備的運行。電源、晶振等為系統(tǒng)配置電源、時鐘。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 FPGA的選型

此設(shè)計采用Cyclone II系列的FPGA。此產(chǎn)品價格要比第一代產(chǎn)品便宜而且內(nèi)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(nèi)核供電。其內(nèi)部邏輯資源可以實現(xiàn)更為復雜的邏輯應用。

2.2 上位機

基于FPGA的煤礦瓦斯?jié)舛鹊闹悄軝z測及通風控制系統(tǒng)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(fā)送數(shù)據(jù)來來反映采集到的數(shù)據(jù)的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于FPGA的礦山電能智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分由模糊PID控制器、分頻模塊、數(shù)據(jù)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(xiàn)

基于FPGA的模糊PID控制的算法比較復雜，本設(shè)計采用模塊化的設(shè)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(shè)計模塊、模糊控制輸出模塊等。

3.1.1 建立模糊規(guī)則表

扭矩傳感器從現(xiàn)場采集到的模擬量A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，要實現(xiàn)對其模糊控制，就需要將精確的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模糊量。要實現(xiàn)模糊量化的設(shè)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(guī)則數(shù)量太多以至于設(shè)計太復雜。如果輸入量劃分過少的話，卻難以實現(xiàn)精確的控制。本設(shè)計采用七級編碼機制能合理滿足控制的精度及系統(tǒng)復雜度。

3.1.2 解模糊化模塊

隸屬函數(shù)是對數(shù)據(jù)的一個概率判斷，設(shè)計采用離線查表的方式模糊控制規(guī)則和隸屬函數(shù)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(jù)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(shè)計好整個模糊PID控制器的Verilog HDL的代碼后，用Quartus II 9.0開發(fā)平臺上進行仿真、調(diào)試、分析和驗證，其仿真結(jié)果如下圖所示。

圖1 自適應模糊PID控制器的仿真結(jié)果

3.2 PWM模塊的設(shè)計

PWM脈寬調(diào)制模塊的Verilog HDL程序代碼如下：

4 結(jié)語

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

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