便攜式煙氣分析儀的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

 

    1 CEMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

    CEMS系統(tǒng)主要包括顆粒物測(cè)量、煙氣參數(shù)測(cè)量子系統(tǒng)、氣態(tài)污染物測(cè)量、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。

    1.1顆粒物測(cè)量

    顆粒物是指燃料和其他物質(zhì)燃燒、合成、分解以及各種物料在處理中所產(chǎn)生的懸浮于液體和煙氣中的固體和液體顆粒狀物質(zhì)。[1]在實(shí)際應(yīng)用中，顆粒物的測(cè)量一般采用光學(xué)測(cè)量原理。常見的有光學(xué)動(dòng)態(tài)濁度法和光學(xué)背散射法。

    動(dòng)態(tài)濁度法一般為雙側(cè)安裝，包含發(fā)射單元、接收單元、控制單元三個(gè)部分。通過監(jiān)測(cè)從發(fā)射端到接收端的光強(qiáng)變化的變化率，這個(gè)變化率是由顆粒物的分布對(duì)光強(qiáng)的削弱引起的?？刂茊卧ㄟ^對(duì)光強(qiáng)的變化率進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，從而得到工況下的顆粒物濃度。

    光學(xué)背散射法為單側(cè)安裝，其集發(fā)射、接收、控制單元于一體。其通過發(fā)射高穩(wěn)定的激光信號(hào)，照射顆粒物粒子，被照射的顆粒物粒子將反射信號(hào)，反射的信號(hào)強(qiáng)度與顆粒物濃度的變化成正比，從而根據(jù)算法計(jì)算出工況下顆粒物物的濃度。

    在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況、安裝條件等選擇合適的技術(shù)完成顆粒物的測(cè)量。

    1.2煙氣參數(shù)測(cè)量子系統(tǒng)

    煙氣參數(shù)測(cè)量子系統(tǒng)測(cè)量包括煙氣溫度、煙氣壓力、煙氣流速（流量）、煙氣濕度等煙氣參數(shù)。

    1.2.1煙氣溫度的測(cè)量

    煙氣溫度的測(cè)量一般采用熱電阻或熱電偶法。以熱電阻為例，其利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一原理來測(cè)量。在CEMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可采用法蘭式安裝，配置相應(yīng)溫度變送器，即可完成溫度信號(hào)的測(cè)量。

    1.2.2 煙氣壓力的測(cè)量

    煙氣壓力的測(cè)量原理是指將作用于擴(kuò)散硅、壓阻、電容、陶瓷等感壓元件的壓力值轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再進(jìn)行信號(hào)處理，zui終輸出標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。在CEMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般選擇擴(kuò)散硅式或電容式壓力變送器進(jìn)行壓力測(cè)量。

    1.2.3 煙氣流速（流量）的測(cè)量

    煙氣流速（流量）的測(cè)量一般基于差壓式（S型皮托管）和熱式測(cè)量原理。差壓式流量計(jì)是根據(jù)安裝于管道中流量檢測(cè)件產(chǎn)生的差壓、已知的流體條件和檢測(cè)件與管道的幾何尺寸來測(cè)量流量的儀表。熱式測(cè)量原理是測(cè)量探頭通過與流體介質(zhì)的溫度相比較進(jìn)行加熱，當(dāng)流體經(jīng)過探頭的時(shí)候，會(huì)帶走加圈的一部分熱量。通過測(cè)量這兩個(gè)熱敏電阻之間的阻值差變化來反應(yīng)流體流速的變化。

    在CEMS應(yīng)用中，測(cè)定顆粒物的參比方法是以S型皮托管測(cè)定煙氣流速實(shí)現(xiàn)等速采樣的，當(dāng)流速在5m/s以下，用S型皮托管測(cè)流速比較困難，測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確度差。因此，參比方法采樣點(diǎn)應(yīng)盡可能選煙氣流速大于 5m/s的位置。[1]

    1.2.4 煙氣濕度的測(cè)量

    煙氣濕度的測(cè)量一般選用將電容性聚合材料制成的濕度傳感器，再通過高速A/D以及信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的高速響應(yīng)。在目前的CEMS技術(shù)規(guī)范中，濕度的連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)并非是強(qiáng)制要求的，可以采用手工測(cè)量并在系統(tǒng)中輸入。

    1.3氣態(tài)污染物測(cè)量

    氣態(tài)污染物是指以氣體狀態(tài)分散在煙氣中的各種污染物。[1]

    在CEMS系統(tǒng)應(yīng)用中，氣體一般要求測(cè)量二氧化硫（SO2）、氮氧化物（以NO2計(jì)）、氧氣（O2）。而在測(cè)量原理上有激光光學(xué)、紫外光學(xué)、紅外光學(xué)、電化學(xué)原理，目前市場(chǎng)上采用紅外光學(xué)測(cè)量原理測(cè)量二氧化硫與氮氧化物，采用電化學(xué)原理測(cè)量氧氣比較成熟。

    紅外光學(xué)測(cè)量方法是以比爾-朗伯定律為基礎(chǔ)的，比爾-朗伯定律的基本數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

    A=lg（1/T）=Kbc

    A--------吸光度，

    T--------透射比，是透射光強(qiáng)度比上入射光強(qiáng)度c--------吸光物質(zhì)的濃度b--------吸收層厚度K--------摩爾消光系數(shù)，是一常數(shù)

    其物理意義是當(dāng)一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時(shí)，其吸光度A與吸光物質(zhì)的濃度c及吸收層厚度b成正比。在儀器中，氣倉長(zhǎng)度是一定的，即吸收層厚度b已知，則只要通過檢測(cè)部件將入射光強(qiáng)與透射光強(qiáng)檢出，那么我們就可以根據(jù)以上公式確定氣體的濃度。

    電化學(xué)測(cè)量氧氣傳感器基于燃料電池原理來工作的。氧氣在陰極與電解液的分界面被轉(zhuǎn)換成電流，并且所產(chǎn)生的電流與氧氣的濃度成正比。經(jīng)過信號(hào)調(diào)理從而可以計(jì)算出氧氣數(shù)值。

    1.4數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

    數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)主要完成煙氣采樣、預(yù)處理的控制；各信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示；計(jì)算煙氣污染物的折算數(shù)據(jù)、排放量；顯示和打印各種參數(shù)，圖表；并通過有線網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至相應(yīng)管理部門。

    2 CEMS系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

    圖1 CEMS系統(tǒng)煙氣采樣及處理過程設(shè)計(jì)圖

    如圖1所示，氣體處理分為三部分：

    1.氣體采樣

    煙囪或煙道內(nèi)樣氣經(jīng)過加熱采樣管→加熱采樣管線→煙氣入口箭頭→氣體除濕器→采樣泵→氣體除濕器→過濾器→分析儀流量控制→精密過濾器→分析儀→廢氣排出，從而完成采樣分析過程。加熱采樣管和加熱采樣管線為了保證樣氣不會(huì)因?yàn)闇夭疃淠伤蚪Y(jié)晶，從而堵塞氣路；氣體除濕器采用半導(dǎo)體式或壓縮機(jī)式原理將樣氣中水分除去，蠕動(dòng)泵將冷凝水的水排出；采樣泵為整個(gè)氣路的動(dòng)力裝置，完成樣氣從煙囪或煙道到分析儀的采樣過程；過濾器和精密過濾器為了保證進(jìn)入分析儀的樣氣無塵，從而保護(hù)分析儀表；流量控制閥為了保證進(jìn)入分析儀的氣流穩(wěn)定。整個(gè)采樣過程保證了進(jìn)入分析儀的樣氣無塵、無水且流量穩(wěn)定。

    2.系統(tǒng)反吹

    系統(tǒng)反吹主要通過0.4-0.6MPa的潔凈壓縮空氣或氮?dú)鈱?duì)加熱采樣管進(jìn)行定時(shí)反吹，保證加熱采樣管不會(huì)因樣氣含塵量太大或取樣時(shí)間太長(zhǎng)而堵塞加熱采樣管。

    3.氣體標(biāo)定

    隨著分析儀使用時(shí)間的推進(jìn)，分析儀不可避免的會(huì)因?yàn)闇囟群蜁r(shí)間的變化出現(xiàn)零點(diǎn)漂移和量程漂移現(xiàn)象，此時(shí)，需要通過標(biāo)定選擇閥切換通入純氮?dú)鈽?biāo)定分析儀零點(diǎn)；通入對(duì)應(yīng)量程的標(biāo)定氣體來標(biāo)定分析儀的量程。

    3 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    圖2 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

    如圖2所示，西門子PLC S7-200作為下位機(jī)負(fù)責(zé)信號(hào)的采集和系統(tǒng)控制及指示功能；上位機(jī)采用監(jiān)控工控機(jī)搭載組態(tài)王6.53，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的顯示、歷史數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、以及各類報(bào)表、曲線的生成；數(shù)采儀負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)及狀態(tài)等通過GPRS或網(wǎng)絡(luò)等傳輸至環(huán)保局或其他主管單位。下位機(jī)和上位機(jī)之間通過西門子PPI協(xié)議通信；上位機(jī)和數(shù)采儀之間通過RS232串口通信。

    3.1 下位機(jī)設(shè)計(jì)

    S7-200系列小型PLC可以應(yīng)用于各種自動(dòng)化系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)緊湊，低成本以及功能強(qiáng)大的指令集，使得S7-200控制器是各種小型控制任務(wù)理想的解決方案。[2]

    在下位機(jī)的編程中，主要涉及數(shù)字量的采集控制以及模擬量的采集處理。

    示例1：數(shù)字量控制

    LD SM0.0

    LPS

    AW>= C0， 10

    AW< C0， 100

    = 煙道反吹電磁閥：Q0.0

    LRD

    AW>= C0， 0

    AW<= C0， 110

    = 煙道采樣電磁閥：Q0.2

    LPP

    AW>= C0， 120

    AW<= C0， 系統(tǒng)采樣周期：VW0

    = 取樣泵：Q0.4

    如示例1，系統(tǒng)采樣周期為VW0，實(shí)時(shí)時(shí)間計(jì)數(shù)器為C0，程序通過取C0值來控制不同時(shí)期煙道反吹電磁閥、煙道采樣電磁閥、以及取樣泵的輸出狀態(tài)。

    示例2：模擬量處理

    LD SM0.0

    CALL Scale_I_to_R：SBR3， 流速模擬量：AIW10， 32000， 6400， 流速量程zui大：VD428， 流速量程zui小：VD528， 流速：VD328CALL Scale_I_to_R：SBR3， 溫度模擬量：AIW12， 32000， 6400， 溫度量程zui大：VD432， 溫度量程zui小：VD532， 溫度：VD332如示例2，通過添加模擬量比例換算指令庫“Scale_I_to_R”，可以直接用來完成模擬量輸入到S7-200內(nèi)部數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。在S7-200 CPU內(nèi)部，4-20mA對(duì)應(yīng)于數(shù)值范圍6400-32000，則可看出示例2中流速輸入AIW10，流速zui大量程為VD428，流速zui小量程為VD528，則zui終轉(zhuǎn)換結(jié)果保存于VD328。

    3.2上位機(jī)設(shè)計(jì)

    組態(tài)王軟件系統(tǒng)與zui終工程人員使用的具體的PLC或現(xiàn)場(chǎng)部件無關(guān)。對(duì)于不同的硬件設(shè)施，只需為組態(tài)王配置相應(yīng)的通信驅(qū)動(dòng)程序即可。組態(tài)王驅(qū)動(dòng)程序采用軟件技術(shù)，使通訊程序和組態(tài)王構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。[3] 在CEMS系統(tǒng)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，只需對(duì)應(yīng)PLC實(shí)際連接的COM口，選擇西門子S7-200 PLC即可。

    3.2.1數(shù)據(jù)顯示

    在正確定義完與組態(tài)王連接的設(shè)備后，在數(shù)據(jù)詞典中定義與PLC連接的I/O地址，通過在畫面中訪問對(duì)應(yīng)的地址即可訪問PLC中對(duì)應(yīng)的變量，從而實(shí)現(xiàn)PLC數(shù)字量、模擬量在組態(tài)王畫面上的顯示或控制。通過添加組態(tài)王圖庫，可以任意組態(tài)畫面，添加傳感器、泵、按鈕、指示燈等各類器件至組態(tài)王顯示畫面。在CEMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)主要顯示顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、氧氣、溫度、壓力、流速（流量）、濕度以及各泵與閥的狀態(tài)。

    3.2.2數(shù)據(jù)保存、訪問

    組態(tài)王的歷史數(shù)據(jù)保存不僅能夠?qū)EMS系統(tǒng)監(jiān)控中的各數(shù)據(jù)保存到組態(tài)王歷史庫中，也可以保存到MS Access、SQL Server、Oracle、dBase等數(shù)據(jù)庫中。組態(tài)王SQL訪問通過在系統(tǒng)ODBC數(shù)據(jù)源中定義相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，通過SQLInsert（）函數(shù)將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中；通過SQLSelect（）或SQLUpdate（）函數(shù)訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。

    3.2.3圖表、報(bào)警顯示

    組態(tài)王對(duì)圖表顯示提供了強(qiáng)有力的支持和簡(jiǎn)單的控制方法。趨勢(shì)曲線有實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史趨勢(shì)曲線顯示。[3] 在趨勢(shì)曲線控件中，可以通過簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)庫配置，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢，可以通過一些簡(jiǎn)單的按鈕操作，完成翻頁、設(shè)定時(shí)間、打印曲線、打印圖表等功能。

    報(bào)警是指當(dāng)系統(tǒng)中某些量的值超過了所規(guī)定的界*，系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)警告信息，表明該量的值已經(jīng)超限，提醒操作人員。[3] 組態(tài)王通過定義變量的報(bào)警屬性，調(diào)用報(bào)警窗口進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置即可查詢實(shí)時(shí)報(bào)警與歷史報(bào)警。

    3.2.4報(bào)表

    組態(tài)王通過系統(tǒng)配置的ODBC訪問方式可以與各類后臺(tái)數(shù)據(jù)庫建立連接；通過配置插入“Microsoft Date and Time Picker Control”控件實(shí)現(xiàn)時(shí)間的選擇；通過“AddAllFields（，）”函數(shù)顯示所有符合條件的數(shù)據(jù)；通過“AverageValueInField（）”計(jì)算數(shù)據(jù)的分鐘、小時(shí)、日平均值等；通過“ReportSetCellValue（ReportName， Row， Col，Value）”函數(shù)給單元格設(shè)置值；通過“ReportSaveAs（ReportName， filename）”保存報(bào)表；通過“ReportPrint2（ReportName）”打印報(bào)表。通過以上各函數(shù)及其他函數(shù)的有序結(jié)合，我們可以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的提取，時(shí)報(bào)表、日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表的統(tǒng)計(jì)，輸出為EXCEL格式文件或直接打印。

    3.2.5通信

    組態(tài)王可以通過串口，以ModbusRTU協(xié)議，作為從站通信；也可以通過動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）和Visual Basic、Visual C、Visual C++等其他語言編寫的程序方便的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。從而實(shí)現(xiàn)和環(huán)保局?jǐn)?shù)據(jù)采集設(shè)備的通信。