CN113236332A - 一种穿煤隧道施工期有毒有害气体监控与综合处治系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种穿煤隧道施工期有毒有害气体监控与综合处治系统，属于隧道有毒有害气体的监测技术领域。该系统包括监测系统、通风系统、喷雾系统、PLC控制系统和监控中心；PLC控制系统与监测系统、通风系统和喷雾系统连接；监测系统通过传感器对隧道内有毒有害气体浓度和风速进行不间断监测，并将监测结果实时传输给PLC控制系统，PLC控制系统根据气体浓度大小及对应传感器位置、隧道风速进行分析计算，得出分别控制信号；通风系统或喷雾系统根据PLC控制系统的控制信号进行对应位置的风速大小或喷雾大小的调节。本发明克服了人工实时监测的控制手段单一、控制滞后、效率低且等不足，实现了实时自动监测和处理隧道内有毒有害气体。

Description

一种穿煤隧道施工期有毒有害气体监控与综合处治系统

技术领域

本发明隧道有毒有害气体的监测技术领域，涉及一种穿煤隧道施工期有毒有害气体监控与综合处治系统。

背景技术

穿山隧道是山岭地区修建公路和铁路的重要组成部分，在煤炭生产地区穿山隧道难免需要穿越煤系地层，隧道在开挖时会破坏地质结构，容易产生大量有毒有害气体，如瓦斯(CH₄)、一氧化碳(CO)、硫化氢(H₂S)等天然气体。特别是在地下隧道施工过程中，自然风和交通风对隧道内空气的置换能力差，而施工又容易破坏土地导致地底有害气体泄漏，导致以下两种情况：一是当有毒有害气体存在浓度超标时，施工人员具有中毒风险；二是当硫化氢、瓦斯等可燃性气体发生燃烧、爆炸时，对施工人员造成伤害的风险。

然而国内外关于瓦斯和硫化氢灾害防治的研究主要集中在煤矿开采领域，而隧道领域的相关研究还比较缺乏。对穿越煤系地层隧道施工期高瓦斯高硫化氢的处治主要有以下三方面：

(1)超前钻孔预抽预排，降低煤层瓦斯压力，减少煤层瓦斯涌出量；

(2)加强施工通风，降低隧道内空气中的瓦斯硫化氢浓度；

(3)掌子面喷洒碱液或生石灰，中和空气中硫化氢。

由于我国煤层透气性很低，压力很小，有毒有害气体越难抽出，同时超前钻孔预抽预排时间长、难以达到预期效果，导致穿越煤系地层隧道对瓦斯和硫化氢灾害的防治更多依靠加强施工通风和掌子面喷洒碱液或生石灰。同时，除瓦斯和硫化氢外，隧道内有毒有害气体种类还很多，采用常规监测手段太过单一、效率低下、占用场地空间且能耗偏高等不足。因此，为确保隧道施工的安全，及时对隧道中有害废气的质量浓度进行监测、预警、喷雾和通风控制，亟需一种穿越煤系地层隧道有毒有害气体的监控和与综合处治系统。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种穿煤隧道施工期有毒有害气体监控与综合处治系统，用于确保隧道施工的安全，及时对隧道中有害废气的质量浓度进行监测、预警、喷雾和通风控制，克服人工实时监测的控制手段单一、控制滞后、效率低且效果不明等不足。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种穿煤隧道施工期有毒有害气体监控与综合处治系统，包括监测系统、通风系统、喷雾系统和PLC控制系统；

所述PLC控制系统分别与监测系统、通风系统和喷雾系统连接；所述监测系统通过传感器对隧道内有毒有害气体浓度和风速进行不间断监测，并将监测结果实时传输给PLC控制系统，PLC控制系统根据气体浓度大小及对应传感器位置、隧道风速进行分析计算，得出分别控制信号；所述通风系统或喷雾系统根据PLC控制系统的控制信号进行对应位置的风速大小或喷雾大小的调节。

优选的，所述监测系统包括各种传感器，具体包括硫化氢传感器1、CO传感器5、瓦斯传感器4和风速传感器3；

所述硫化氢传感器1、CO传感器5、瓦斯传感器4和风速传感器3等均安装于掌子面后5～10m处、隧道中部、隧道进出口、衬砌前端及回风点等处，同时各传感器根据气体密度、吊点位置、骨架支撑和接线走向等设置悬挂位置，瓦斯的密度比空气密度小，传感器宜自由悬挂在拱顶以下250mm，硫化氢气体密度比空气密度大，硫化氢传感器1悬挂在路面以上1.5m处，悬挂长度为100～150mm。CO传感器5宜固定在拱肩处，悬挂长度不小于250mm，通过传感器对隧道内有毒有害气体浓度进行不间断监测。

优选的，所述监测系统还包括无线传输模块和电源模块。

优选的，所述通风系统包括射流风机2、变频器和通风管；所述通风系统通过变频器改变交流电机供电的频率和幅值来改变射流风机的转速，射流风机纵向通风，固定在拱肩处。

优选的，所述喷雾系统包括全断面净化喷雾；所述全断面净化喷雾包括(高压雾化)喷嘴6、喷雾架7和吸收液，并通过(高压雾化)喷嘴6喷射吸收液来吸收硫化氢，此处高压雾化喷嘴的工作原理就是在压力下的流动吸收液以很快的速度从喷嘴口喷射出来，将气体压力转化为动力，使周围气体流动的比率增强，压力式加湿空气雾化喷嘴经过空气和吸收液之间的相互摩擦产生雾化，从而达到全断面净化硫化氢的效果；所述全断面净化喷雾宜设置在掌子面后一定距离处以及各射流风机2出风口后一定距离的位置处。

优选的，所述喷雾系统还包括变频器、加压装置10、吸收液供应泵站、供液管路8、双功能水表和水质过滤器等。

优选的，所述PLC控制系统包括模糊控制器；所述PLC控制系统采取自动变频模式，通过传感器传输的高瓦斯高硫化氢浓度，在模糊控制器中进行模糊控制处理和逻辑比较，当其中任何一种有毒有害气体浓度达到预先设定的最低浓度时，控制信号就会对变频控制单元发送指令，提高被控对象的运行频率，随着有害物质浓度的增加，被控对象运行的频率会越来越高，如果被控对象的频率达到最大时仍不能满足要求则进行报警；反之，随着浓度的降低，被控对象运行的频率会越来越低，风量会越来越小，直至风速降至最小风速设定值；其中，被控对象为射流风机和泵送站内置的加压装置。

进一步，所述模糊控制器的分析计算步骤包括：

S1：模糊控制器根据预设的给定值与现场传感器采样的实际浓度精确值进行计算，得出偏差值e和偏差变化率e_c两个偏差信号；此处被控制量指浓度值、风速值。

S2：将两个偏差信号进行模糊化，计算出实际浓度的隶属度和模糊量；

S3：将两个偏差信号的模糊量用相应的模糊语言表示，从而得到模糊语言的一个子集，再由子集按照一定的模糊控制规则R(模糊关系)根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量u；

S4：为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊控制量u进行非模糊化处理转换为精确数字量，然后经数模转换变为精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行一步控制；最后进行二次采样，完成后续循环控制，使被控对象具有良好的动静态性能；其中，执行机构为变频器，被控对象为射流风机和泵送站内置的加压装置。

优选的，该系统还包括监控中心，具体包括显示器、报警器、输入端、输出端和人工控制系统；所述监控中心用于接收PLC控制系统上传的信号；所述显示器用于显示PLC控制系统计算、分析和判断的各种参数值；所述输出端和人工控制系统用于根据现有的参数进行人工操作，从而通过输出端再反馈给PLC控制系统；所述报警器根据PLC控制系统判断的结果进行报警。

本发明的有益效果在于：本发明能够克服人工实时监测的控制手段单一、控制滞后、效率低且效果不明等不足。本发明与其它现有监测方法相比，对于有毒有害气体可监测的种类增加，其原理则以各种气体的浓度值为指标，通过对监测数据进行分析判断，并通过报警和远程自动控制系统，采取最合理的方式降低施工隧道内各气体浓度的含量，以解决开挖过程中有毒有害气体泄漏，从而威胁施工人员的安全。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本实施例中穿煤隧道施工期高瓦斯高硫化氢监控与综合处治系统三维图；

图2为本实施例中传感器平面布置图；

图3为本实施例中喷雾系统的全断面净化喷雾布置图

图4为模糊控制器框架图；

图5为四种模糊控制器的原理流程图；

附图标记：1-硫化氢传感器，2-射流风机，3-风速传感器，4-瓦斯传感器，5-CO传感器，6-喷嘴，7-喷雾架，8-供液管路，9-控制箱，10-加压装置，11-电源电缆。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图5，本实施例设计了一种穿煤隧道施工期高瓦斯高硫化氢监控与综合处治系统，包括监测系统、通风系统、喷雾系统、PLC控制系统和监控中心等5种子系统，各子系统按照一定次序组合，彼此之间相互连接又相互作用从而形成完整的控制系统。该控制系统过程即在洞内掌子面(主要位置)、衬砌前端、洞内回风口处设置自动监测传感器，在洞口设置PLC控制系统，利用有毒有害气体监控传感器全天监测隧道内有毒有害气体浓度，每3min各探头自动采集一组数据，并传输至监控中心室进行显示、记录和保存。当有毒有害气体浓度达到设定的上限值时，洞内报警装置和监控中心室报警器将同时报警，并启动应急响应。

监测系统由无线传输模块、电源模块以及各种传感器等，如CO传感器5、瓦斯传感器4、风速传感器3、硫化氢传感器1等组成。其中，CO传感器5、硫化氢传感器1、瓦斯传感器4、风速传感器3等均安装于掌子面后5～10m处、隧道中部、隧道进出口、衬砌前端及回风点等处，同时各传感器安装应充分考虑气体密度、吊点位置、骨架支撑、接线走向等，瓦斯的密度比空气密度小，传感器宜自由悬挂在拱顶以下250mm，硫化氢气体密度比空气密度大，硫化氢传感器1悬挂在路面以上1.5m处，悬挂长度为100～150mm。CO传感器5宜固定在拱肩处，悬挂长度不小于250mm，通过传感器对隧道内有毒有害气体浓度进行不间断监测，同时将监测到的数据通过输出端远程上传给PLC控制系统，并最终在监控中心室的显示器上显示。

通风系统由射流风机2、变频器和通风管组成。变频器多用交-直-交变频器，通过改变交流电机供电的频率和幅值来改变射流风机的转速，射流风机纵向通风，宜固定在拱肩处，悬挂长度不小于250mm；设置其目的：一是提供隧道内作业人员呼吸所需要的氧气；二是冲淡和稀释有毒有害气体(如CO、瓦斯)；三是防止有毒有害气体在角隅和洞顶滞留。冲淡和稀释有毒有害气体主要与风量有关，防止有害气体滞留主要与风速有关。

喷雾系统由变频器、加压装置10、吸收液供应泵站、供液管路8、双功能水表、水质过滤器、全断面净化喷雾等组成，其中吸收液为NaHCO3，全断面净化喷雾由(高压雾化)喷嘴6、喷雾架7和吸收液组成，并通过(高压雾化)喷嘴6喷射吸收液来吸收硫化氢，此处高压雾化喷嘴的工作原理就是在压力下的流动吸收液以很快的速度从喷嘴口喷射出来，将气体压力转化为动力，使周围气体流动的比率增强，压力式加湿空气雾化喷嘴经过空气和吸收液之间的相互摩擦产生雾化，从而达到全断面净化硫化氢的效果；全断面净化喷雾宜设置在掌子面后一定距离处以及各射流风机出风口后一定距离的位置处。

PLC控制系统由洞口自动处治系统(PLC)、UPS电源及电源避雷器组成，其中PLC控制系统内置有第一、第二、第三和第四模糊控制器的控制程序，PLC控制系统控制四种模糊控制器对报警的信号(包括气体浓度大小及发生位置、隧道风速值)进行分析计算。UPS电源为主控计算机进行不间断供电，电源避雷器保护所述UPS电源不受雷击影响；

监控中心由显示器、报警器、输入端、输出端和人工控制系统组成。PLC控制系统将信号上传给监控中心，显示器则是显示PLC控制系统计算、分析和判断的各种参数值，输出端和人工控制系统则是根据现有的参数进行人工操作，从而通过输出端再反馈给PLC控制系统，报警器可以根据PLC控制系统判断的结果进行报警；

本系统的控制原理采取自动变频模式，通过传感器传输的高瓦斯高硫化氢浓度，在模糊控制器中进行模糊控制处理和逻辑比较，当其中任何一种有毒有害气体浓度达到预先设定的最低浓度时，控制信号就会对变频控制单元发送指令，提高被控对象的运行频率，随着有害物质浓度的增加，被控对象运行的频率会越来越高，如果被控对象的频率达到最大时仍不能满足要求则进行报警。反之，随着浓度的降低，被控对象运行的频率会越来越低，风量会越来越小，直至风速降至最小风速设定值。(被控对象为射流风机、加压装置。)

上述穿煤隧道施工期高瓦斯高硫化氢监控与综合处治系统远程智能控制系统的具体实施步骤如下所述：

步骤1：通过监测系统中的瓦斯传感器、风速传感器、一氧化碳传感器、硫化氢传感器分别对隧道内的瓦斯浓度值、CO浓度值、风速值和硫化氢浓度值进行监测和记录，并将监测数据上传至PLC控制系统。

步骤2：PLC控制系统对施工隧道内特定位置处的瓦斯浓度值、CO浓度值、硫化氢浓度、风速值进行分析比较，若瓦斯浓度值、CO浓度值超出PLC控制系统预设的某一上限值，则执行C步骤。若瓦斯浓度值、CO浓度值未超出PLC控制系统预设的某一上限值，则执行D步骤。若硫化氢浓度值超出PLC控制系统预设的某一上限值，则执行E、F步骤。

其中，PLC控制系统预设的瓦斯浓度值、CO浓度值、硫化氢浓度、风速值具体为：一般CO浓度上限值为100PPm，瓦斯浓度上限值为0.5％，硫化氢上限值为6.6PPm，风速下限值为0.5m/s。

步骤3：若判断瓦斯浓度值、CO浓度值超出PLC控制系统中设定上限值，PLC控制系统则将信号上传至监控中心室，使得监控中心室控制报警器和传感器同时报警；同时PLC控制系统内置的第一、第二模糊控制器对报警的信号进行分析计算，并将计算处理后得到的控制频率信号输出给通风系统中的射流风机，射流风机则比较两者控制频率信号中的较大者来增大风机转速以达到增加其输风量的目的，直至两者浓度值皆低于PLC控制系统设定上限值即可。

步骤4：若判断瓦斯浓度值、CO浓度值未超出PLC控制系统中设定上限值，则PLC控制系统根据当前瓦斯浓度和CO浓度分别计算两者所需风速值，选取风速值中的较大者作为隧道所需风速值；若隧道所需风速值大于隧道风速值，PLC控制系统则将信号上传至监控中心室，使得监控中心室报警器报警；同时PLC控制系统控制第三模糊控制器对报警的信号进行分析计算，并将计算处理后得到的控制频率信号输出给通风系统中的射流风机，射流风机则根据计算处理后的控制频率信号重新调整其输风量，直至隧道内风速值大于或等于隧道所需风速值即可。

步骤5：若判断硫化氢浓度值超出PLC控制系统预设的某一上限值，则PLC控制系统将信号上传至监控中心室，使得监控中心室控制报警器和传感器同时报警；同时PLC控制系统控制第四模糊控制器对报警的信号进行分析计算，并将涌出硫化氢计算后所需的吸收剂用量按照模糊规则进行计算，通过变频器将信号输出给喷雾系统中的加压装置来加大压力输出频率，通过高压喷嘴喷出的雾化吸收液与硫化氢之间的化学反应来降低隧道内硫化氢的浓度值，直至低于设定上限值。

步骤6：若报警器和传感器报警后，系统无法远程智能控制有效降低各浓度低于上限值，则可以通过监控中心室的人工控制系统对模糊控制器中各控制量参数进行强制性调整来达到有效降低浓度值的目的。若人工控制系统仍然无法降低各浓度低于上限值，现场管理人员应启动应急预案，并应立即停工，待隧道内各气体浓度均处于正常情况时方可施工；也可采取以下措施，如对于CO和瓦斯，可以增大射流风机的台数来增大输风量等方式，对于硫化氢可通过在射流风机出风口后一定距离布置全断面净化喷幕，实现对随风流扩散的硫化氢的拦截捕捉及净化吸收，进一步达到有效治理硫化氢职业危害目的。

步骤3～5中，PLC控制系统内置的模糊控制器的分析计算过程如下：

第一步，传感器采样获取被控制量的精确值，然后PLC控制系统中的内置模糊控制器则根据预设的给定值与现场采样的实际浓度精确值进行计算，得出偏差值e和偏差变化率e_c两个偏差信号；此处被控制量指浓度值、风速值。

第二步，将两个偏差信号按照编制好的程序进行模糊化，计算出该浓度的隶属度和模糊量；

第三步，两个偏差信号的模糊量可用相应的模糊语言表示，从而得到模糊语言的一个子集，再由子集按照一定的模糊控制规则R(模糊关系)根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量u；

第四步，为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊控制量u进行非模糊化处理转换为精确数字量，得到精确数字量后，经数模转换变为精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行一步控制；然后进行二次采样，完成后续循环控制，使被控对象具有良好的动静态性能。此处执行机构为变频器、被控对象为射流风机和泵送站内置的加压装置。

其中，PID模糊控制器的基本原理是：建立偏差e(k)和偏差变化率e_c(k)两输入、三输出K_p、K_i、K_d的模糊控制器，按系统中存在的数据库内的模糊规则，输入为相应的偏差和偏差变化率,糊控制器的输出均为PID的3个参数，再根据PID自适应调整输出数据的大小，使被控对象具有良好的动静态性能。

采用位置式算法离散化后的PID的数字表达式为：

其中，u(k)为第k次采样时刻控制器输出的控制量，T为PID模糊控制器的采样周期，e(k)为第k次采样时的偏差值，K_p为比例增益，K_i为积分增益，K_d为微分增益。

PID实际上就是一个单闭环控制器，以隧道施工作业面CO浓度为例，当实际CO浓度PV小于设定浓度SV时，PID输出减小，PID控制的变频器频率降低，风机风量与风压降低，实际浓度将增大，如果实际浓度PV大于设定浓度SV，则PID输出增大，PID控制的变频器频率增大，实际浓度PV降低，直到达到设定值。

模糊控制器的算法设计步骤如下：

(1)确定输入输出变量及模糊化

施工隧道气体的浓度是通过改变变频器的输出信号从而改变射流风机的转速和加压装置的压力来实现的。基于对系统的分析，把浓度偏差e(k)和偏差变化率e_c(k)作为模糊控制器的输入以及PID控制器的三个参数K_p、K_i、K_d作为输出。偏差变化率以1个采样时间间隔计算，其变化率的公式为e_c(k)＝e_t-e_t-1(e_t、e_t-1为采样时刻t、t-1的偏差量)，选偏差变化率的离散区域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，同样模糊语言集选为{NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}，子集中的元素分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。其中，NB表明污染物浓度比设定值高很多；NM表明污染物浓度比设定值高一些；NS表明污染物浓度比设定值高得不多；O表明污染物浓度与设定值基本相同；PS表明污染物浓度比设定值低很少；PM表明污染物浓度比设定值低一些；PB表明污染物浓度比设定值低很多。

输出变量K_p、K_i、K_d的稳定设定范围分别为(a,b)、(c,d)、(e,f)模糊子集均设为子集中的元素{NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}，分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，并将K_p、K_i、K_d量化到离散区域(-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6)内。其中，NB表明污染物浓度增大速度快；NM表明污染物浓度增大速度一般；NS表明污染物浓度增大速度慢；O表明污染物浓度基本不变；PS表明污染物浓度下降速度慢；PM表明污染物浓度下降速度一般；PB表明污染物浓度下降速度快。

(2)输入输出变量隶属度函数的选择

模糊化就是确定语言变量的隶属度函数，隧道通风模糊推理系统的输入变量采用梯形隶属函数，输出变量采用梯型隶属函数。见下公式：

其中，x表示输入参数偏差和偏差变化率，A(x)表示NB隶属度函数，B(x)表示NM、NS、O、PS、PM隶属度函数，C(x)表示PB隶属度函数。

(3)模糊规则的设定

依据不一样的偏差e_c(k)、偏差变化率e(k)，总结出参数自整定原则：

A、当偏差的绝对值较大时，易将K_p值取得较大，这样不仅很好的跟踪系统，其响应速度也跟着加快，则可以使系统的时间常数和阻尼系数减小；K_d值较小时，则保证了偏差绝对值瞬时增大时，微分过于饱和的情况，避免了控制作用太大超过其准许范围；而取零时，防止随着系统响应时超调增大，可去除积分作用。

B、当偏差绝对值与偏差变化率的绝对值适中时，K_p要取较小值，从而减小系统的超调。同时，为了避免对系统的响应速度造成影响，K_d、K_i取值中等，尤其是K_i，不能太大。

C、当设定值与实测值相近时，也就是偏差绝对值近似忽略，K_p、K_i的值易取较大，从而保证系统良好的稳定性。K_d取值适中，避免系统在平衡点产生振荡。

本系统设计中，四种模糊控制器的输入变量均为七级模糊划分，包含49条模糊规则。其中模糊规则表(如表1所示)及其模糊控制规则的语言描述如下：

①:if(e is NB)and(e_c is NB)then(k_p is PB)and(k_i is NB)and(k_a is PS)

②:if(e is NB)and(e_c is NM)then(k_p is PB)and(k_i is NB)and(k_a is NS)

③：if(e is NB)and(e_c is NS)then(k_p is PM)and(k_i is NM)and(k_a is NB)

④：if(e is NB)and(e_c is O)then(k_p is PM)and(k_i is NM)and(k_c is NB)

……

if(e is PB)and(e_c is PB)then(k_p is NB)and(k_i is PB)and(k_a is PB)

表1模糊规则表

U

NB

NM

NS

O

PS

PM

PB

NB

NB

NB

NB

NB

NB

NM

PS

NM

NB

NB

NB

NB

NB

NS

PM

NS

NB

NB

NB

NB

NM

NS

PM

0

NB

NB

NB

NM

NM

O

PB

PS

NB

NB

NM

NM

NS

PS

PB

PM

NB

NB

NM

NS

O

PS

PB

PB

NM

NM

NS

NS

PS

PM

PB

(4)模糊控制规则矩阵形式

模糊控制器的核心是模糊推理，它具有模拟人思维的推理能力，该推理过程是基于推理规则和模糊逻辑中的蕴含关系进行的。由规则推导出其蕴涵模糊关系的方法有十多种方法，其中最常用的是Mamdani的max-min合成法，具体说明如下：

每一条模糊推理句可推出一个模糊关系矩阵R_i，

当输入的偏差与偏差变化率两个变量分别取取模糊集，则PID的3个输出参数控制量模糊推理可得：

U＝(e×e_c)R

(5)解模糊

解模糊的作用是将模糊推理得到的控制量(模糊量)变换为实际用于控制的清晰量，它包含两部分：

①将模糊的控制量经清晰化变换后，变成表示在论域范围内的清晰量；

②将表示在论域范围内的清晰量经尺度变换变成实际的控制量。

把模糊量转换成精确量，本系统的设计中，解模糊应用加权平均判决法。其表达式为：

解模糊就是根据一定的算法将模糊推理得到的模糊输出转化为可以直接控制对象的精确输出。输出u在作用于执行机构之前，应将其论域转换为执行机构所能接受的范围。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种穿煤隧道施工期有毒有害气体监控与综合处治系统，其特征在于，该系统包括监测系统、通风系统、喷雾系统和PLC控制系统；

所述PLC控制系统分别与监测系统、通风系统和喷雾系统连接；所述监测系统通过传感器对隧道内有毒有害气体浓度和风速进行不间断监测，并将监测结果实时传输给PLC控制系统，PLC控制系统根据气体浓度大小及对应传感器位置、隧道风速进行分析计算，得出分别控制信号；所述通风系统或喷雾系统根据PLC控制系统的控制信号进行对应位置的风速大小或喷雾大小的调节。

2.根据权利要求1所述的监控与综合处治系统，其特征在于，所述监测系统包括各种传感器，具体包括硫化氢传感器(1)、CO传感器(5)、瓦斯传感器(4)和风速传感器(3)；

所述硫化氢传感器(1)、CO传感器(5)、瓦斯传感器(4)和风速传感器(3)均安装于掌子面后5～10m处、隧道中部、隧道进出口、衬砌前端及回风点处，同时各传感器根据气体密度、吊点位置、骨架支撑和接线走向设置悬挂位置。

3.根据权利要求2所述的监控与综合处治系统，其特征在于，所述监测系统还包括无线传输模块和电源模块。

4.根据权利要求1所述的监控与综合处治系统，其特征在于，所述通风系统包括射流风机(2)、变频器和通风管；所述通风系统通过变频器改变交流电机供电的频率和幅值来改变射流风机的转速，射流风机纵向通风，固定在拱肩处。

5.根据权利要求1所述的监控与综合处治系统，其特征在于，所述喷雾系统包括全断面净化喷雾；所述全断面净化喷雾包括喷嘴(6)、喷雾架(7)和吸收液，并通过喷嘴(6)喷射吸收液来吸收硫化氢，所述全断面净化喷雾设置在掌子面后一定距离处以及各射流风机(2)出风口后一定距离的位置处。

6.根据权利要求5所述的监控与综合处治系统，其特征在于，所述喷雾系统还包括变频器、加压装置(10)、吸收液供应泵站、供液管路(8)和水质过滤器。

7.根据权利要求1所述的监控与综合处治系统，其特征在于，所述PLC控制系统包括模糊控制器；所述PLC控制系统采取自动变频模式，通过传感器传输的高瓦斯高硫化氢浓度，在模糊控制器中进行模糊控制处理和逻辑比较，当其中任何一种有毒有害气体浓度达到预先设定的最低浓度时，控制信号对变频控制单元发送指令，提高被控对象的运行频率，随着有害物质浓度的增加，被控对象运行的频率会越来越高，如果被控对象的频率达到最大时仍不能满足要求则进行报警；反之，随着浓度的降低，被控对象运行的频率会越来越低，风量会越来越小，直至风速降至最小风速设定值；其中，被控对象为射流风机和泵送站内置的加压装置。

8.根据权利要求7所述的监控与综合处治系统，其特征在于，所述模糊控制器的分析计算步骤包括：

S1：模糊控制器根据预设的给定值与现场传感器采样的实际浓度精确值进行计算，得出偏差值e和偏差变化率e_c两个偏差信号；

S2：将两个偏差信号进行模糊化，计算出实际浓度的隶属度和模糊量；

S3：将两个偏差信号的模糊量用相应的模糊语言表示，从而得到模糊语言的一个子集，再由子集按照模糊控制规则R进行模糊决策，得到模糊控制量u；

S4：将模糊控制量u进行非模糊化处理转换为精确数字量，然后经数模转换变为精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行一步控制；最后进行二次采样，完成后续循环控制，使被控对象具有良好的动静态性能；其中，执行机构为变频器，被控对象为射流风机和泵送站内置的加压装置。

9.根据权利要求1～8中任意一项所述的监控与综合处治系统，其特征在于，该系统还包括监控中心，具体包括显示器、报警器、输入端、输出端和人工控制系统；所述监控中心用于接收PLC控制系统上传的信号；所述显示器用于显示PLC控制系统计算、分析和判断的各种参数值；所述输出端和人工控制系统用于根据现有的参数进行人工操作，从而通过输出端再反馈给PLC控制系统；所述报警器根据PLC控制系统判断的结果进行报警。

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