基于FPGA的矿山电能智能监控系统设计

孙前程

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南232001）

0 引言

我国是一个煤矿资源丰富的煤矿大国，煤矿企业在国民生产生活中扮演着一个重要的角色，煤矿的耗能问题也是非常严重。在煤矿能耗中绝大多数为大型设备的电能消耗。其中通风、压风、提升、排水、运输分别占总电耗的25%、20%、13%、10%左右。目前的煤矿节能主要从避峰就谷、降低用电量、提高利用率等方面入手。本文侧重于解决煤矿大型设备在避峰就谷时产生的不必要的浪费，从降低避峰就谷时电能负荷的波动入手以达到节能的目的。由于单片机的实时性和稳定性不理想，而FPGA是以硬件电路的方式来实现，其稳定性高于单片机，运行速度较快，实时性也较好，所以本系统采用FPGA芯片来实现。

1 系统的总体结构

系统由数据采集传输模块，模糊PID控制器，PWM模块，显示和报警模块以及通信模块组成。整个系统的工作流程是：扭矩传感器将采集到的扭力的变化转换成电信号，经过A/D转换电路转换。用Verilog HDL编写代码通过FPGA来比较转换出的数值与系统设置的数值，通过模糊PID算法给出输出值给PWM模块。PWM模块根据输入量的大小调整输出脉冲占空比来控制矿山大型设备的运行。按键、显示、报警电路主要用来设定数值、显示当前运行状况、设定报警范围。用UART与上位机进行信息传递，这样工作人员就可以远距离监控设备的运行。电源、晶振等为系统配置电源、时钟。

2 系统硬件设计

2.1 FPGA的选型

此设计采用Cyclone II系列的FPGA。此产品价格要比第一代产品便宜而且内存容量要比后者大很多。此系列的器件采用90纳米工艺，1.2v内核供电。其内部逻辑资源可以实现更为复杂的逻辑应用。

2.2 上位机

基于FPGA的煤矿瓦斯浓度的智能检测及通风控制系统在运行时通过UART与上位机通信。FPGA和PC机之间可以方便的进行串口通信。FPGA向PC机发送数据来来反映采集到的数据的。

3 系统软件设计

基于FPGA的矿山电能智能监控系统的软件部分由模糊PID控制器、分频模块、数据采集模块、显示和报警模块及PWM模块组成。

3.1 模糊PID控制器的FPGA实现

基于FPGA的模糊PID控制的算法比较复杂，本设计采用模块化的设计思想来完成。将整个控制模块划分为若干个小模块，对小模块进行功能、时序仿真。然后对各个小模块进行例化。整个控制模块有误差计算模块、模糊化设计模块、模糊控制输出模块等。

3.1.1 建立模糊规则表

扭矩传感器从现场采集到的模拟量A/D转换成数字量，要实现对其模糊控制，就需要将精确的数字量转换成模糊量。要实现模糊量化的设计就需要划分合理模糊论域。若是对输入量模糊分太细的话，会导致规则数量太多以至于设计太复杂。如果输入量划分过少的话，却难以实现精确的控制。本设计采用七级编码机制能合理满足控制的精度及系统复杂度。

3.1.2 解模糊化模块

隶属函数是对数据的一个概率判断，设计采用离线查表的方式模糊控制规则和隶属函数所需的知识库存储在FPGA自带的ROM里。利用Quartus II 9.0软件中的tool工具生成三个只读存储器的IP核，分别为rom1,rom2,rom3，然后将生成的mif文件添加到存储器里，最后根据重心法离线算出的kp、ki、kd的值加到mif文件中，对应相应的地址。

3.1.3 自适应模糊PID控制器的仿真

设计好整个模糊PID控制器的Verilog HDL的代码后，用Quartus II 9.0开发平台上进行仿真、调试、分析和验证，其仿真结果如下图所示。

图1 自适应模糊PID控制器的仿真结果

3.2 PWM模块的设计

PWM脉宽调制模块的Verilog HDL程序代码如下：

4 结语

基于FPGA的矿山电能智能监控系统采用Verilog硬件描述语言。用FPFA做主控芯片，主要实现与上位机的通信、实现自适应模糊PID控制器以及PWM脉宽调制的功能。利用FPGA的高稳定性、实时性好等特点，实时采集通风机工作状况并通过内部PWM控制模块及时调整其他设备的运行状态，从而降低电能负荷的上下波动，实现了节省电能的目的，达到了预期的设计目标。

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