便攜式煙氣分析儀的監測系統設計：

 

    1 CEMS系統設計思路

    CEMS系統主要包括顆粒物測量、煙氣參數測量子系統、氣態(tài)污染物測量、數據采集與處理系統。

    1.1顆粒物測量

    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)際應用中，顆粒物的測量一般采用光學(xué)測量原理。常見(jiàn)的有光學(xué)動(dòng)態(tài)濁度法和光學(xué)背散射法。

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

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

    在實(shí)際應用中，可根據現場(chǎng)實(shí)際工況、安裝條件等選擇合適的技術(shù)完成顆粒物的測量。

    1.2煙氣參數測量子系統

    煙氣參數測量子系統測量包括煙氣溫度、煙氣壓力、煙氣流速（流量）、煙氣濕度等煙氣參數。

    1.2.1煙氣溫度的測量

    煙氣溫度的測量一般采用熱電阻或熱電偶法。以熱電阻為例，其利用金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一原理來(lái)測量。在CEMS系統設計中，可采用法蘭式安裝，配置相應溫度變送器，即可完成溫度信號的測量。

    1.2.2 煙氣壓力的測量

    煙氣壓力的測量原理是指將作用于擴散硅、壓阻、電容、陶瓷等感壓元件的壓力值轉換成電信號，再進(jìn)行信號處理，zui終輸出標準模擬信號或數字信號。在CEMS系統設計中，一般選擇擴散硅式或電容式壓力變送器進(jìn)行壓力測量。

    1.2.3 煙氣流速（流量）的測量

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

    在CEMS應用中，測定顆粒物的參比方法是以S型皮托管測定煙氣流速實(shí)現等速采樣的，當流速在5m/s以下，用S型皮托管測流速比較困難，測定結果準確度差。因此，參比方法采樣點(diǎn)應盡可能選煙氣流速大于 5m/s的位置。[1]

    1.2.4 煙氣濕度的測量

    煙氣濕度的測量一般選用將電容性聚合材料制成的濕度傳感器，再通過(guò)高速A/D以及信號轉換電路，實(shí)現對濕度的高速響應。在目前的CEMS技術(shù)規范中，濕度的連續自動(dòng)監測并非是強制要求的，可以采用手工測量并在系統中輸入。

    1.3氣態(tài)污染物測量

    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系統應用中，氣體一般要求測量二氧化硫（SO2）、氮氧化物（以NO2計）、氧氣（O2）。而在測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)測量原理測量二氧化硫與氮氧化物，采用電化學(xué)原理測量氧氣比較成熟。

    紅外光學(xué)測量方法是以比爾-朗伯定律為基礎的，比爾-朗伯定律的基本數學(xué)表達式為：

    A=lg（1/T）=Kbc

    A--------吸光度，

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

    其物理意義是當一束平行單色光垂直通過(guò)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(cháng)度是一定的，即吸收層厚度b已知，則只要通過(guò)檢測部件將入射光強與透射光強檢出，那么我們就可以根據以上公式確定氣體的濃度。

    電化學(xué)測量氧氣傳感器基于燃料電池原理來(lái)工作的。氧氣在陰極與電解液的分界面被轉換成電流，并且所產(chǎn)生的電流與氧氣的濃度成正比。經(jīng)過(guò)信號調理從而可以計算出氧氣數值。

    1.4數據采集與處理系統

    數據采集與處理系統主要完成煙氣采樣、預處理的控制；各信號數據的采集、處理、顯示；計算煙氣污染物的折算數據、排放量；顯示和打印各種參數，圖表；并通過(guò)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸至相應管理部門(mén)。

    2 CEMS系統工藝設計

    圖1 CEMS系統煙氣采樣及處理過(guò)程設計圖

    如圖1所示，氣體處理分為三部分：

    1.氣體采樣

    煙囪或煙道內樣氣經(jīng)過(guò)加熱采樣管→加熱采樣管線(xiàn)→煙氣入口箭頭→氣體除濕器→采樣泵→氣體除濕器→過(guò)濾器→分析儀流量控制→精密過(guò)濾器→分析儀→廢氣排出，從而完成采樣分析過(guò)程。加熱采樣管和加熱采樣管線(xiàn)為了保證樣氣不會(huì )因為溫差而冷凝成水或結晶，從而堵塞氣路；氣體除濕器采用半導體式或壓縮機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(guò)程；過(guò)濾器和精密過(guò)濾器為了保證進(jìn)入分析儀的樣氣無(wú)塵，從而保護分析儀表；流量控制閥為了保證進(jìn)入分析儀的氣流穩定。整個(gè)采樣過(guò)程保證了進(jìn)入分析儀的樣氣無(wú)塵、無(wú)水且流量穩定。

    2.系統反吹

    系統反吹主要通過(guò)0.4-0.6MPa的潔凈壓縮空氣或氮氣對加熱采樣管進(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(cháng)而堵塞加熱采樣管。

    3.氣體標定

    隨著(zhù)分析儀使用時(shí)間的推進(jìn)，分析儀不可避免的會(huì )因為溫度和時(shí)間的變化出現零點(diǎn)漂移和量程漂移現象，此時(shí)，需要通過(guò)標定選擇閥切換通入純氮氣標定分析儀零點(diǎn)；通入對應量程的標定氣體來(lái)標定分析儀的量程。

    3 數據采集與處理系統設計

    圖2 數據采集與處理系統

    如圖2所示，西門(mén)子PLC S7-200作為下位機負責信號的采集和系統控制及指示功能；上位機采用監控工控機搭載組態(tài)王6.53，負責采集數據的顯示、歷史數據的儲存、以及各類(lèi)報表、曲線(xiàn)的生成；數采儀負責將采集的數據及狀態(tài)等通過(guò)GPRS或網(wǎng)絡(luò )等傳輸至環(huán)保局或其他主管單位。下位機和上位機之間通過(guò)西門(mén)子PPI協(xié)議通信；上位機和數采儀之間通過(guò)RS232串口通信。

    3.1 下位機設計

    S7-200系列小型PLC可以應用于各種自動(dòng)化系統。結構緊湊，低成本以及功能強大的指令集，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]

    在下位機的編程中，主要涉及數字量的采集控制以及模擬量的采集處理。

    示例1：數字量控制

    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， 系統采樣周期：VW0

    = 取樣泵：Q0.4

    如示例1，系統采樣周期為VW0，實(shí)時(shí)時(shí)間計數器為C0，程序通過(guò)取C0值來(lái)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?。篤D528， 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?。篤D532， 溫度：VD332如示例2，通過(guò)添加模擬量比例換算指令庫“Scale_I_to_R”，可以直接用來(lái)完成模擬量輸入到S7-200內部數據的轉換。在S7-200 CPU內部，4-20mA對應于數值范圍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終轉換結果保存于VD328。

    3.2上位機設計

    組態(tài)王軟件系統與zui終工程人員使用的具體的PLC或現場(chǎng)部件無(wú)關(guān)。對于不同的硬件設施，只需為組態(tài)王配置相應的通信驅動(dòng)程序即可。組態(tài)王驅動(dòng)程序采用軟件技術(shù)，使通訊程序和組態(tài)王構成一個(gè)完整的系統。[3] 在CEMS系統的上位機軟件設計中，只需對應PLC實(shí)際連接的COM口，選擇西門(mén)子S7-200 PLC即可。

    3.2.1數據顯示

    在正確定義完與組態(tài)王連接的設備后，在數據詞典中定義與PLC連接的I/O地址，通過(guò)在畫(huà)面中訪(fǎng)問(wèn)對應的地址即可訪(fǎng)問(wèn)PLC中對應的變量，從而實(shí)現PLC數字量、模擬量在組態(tài)王畫(huà)面上的顯示或控制。通過(guò)添加組態(tài)王圖庫，可以任意組態(tài)畫(huà)面，添加傳感器、泵、按鈕、指示燈等各類(lèi)器件至組態(tài)王顯示畫(huà)面。在CEMS系統設計中，數據主要顯示顆粒物、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數據保存、訪(fǎng)問(wèn)

    組態(tài)王的歷史數據保存不僅能夠將CEMS系統監控中的各數據保存到組態(tài)王歷史庫中，也可以保存到MS Access、SQL Server、Oracle、dBase等數據庫中。組態(tài)王SQL訪(fǎng)問(wèn)通過(guò)在系統ODBC數據源中定義相應數據庫，通過(guò)SQLInsert（）函數將數據保存到數據庫中；通過(guò)SQLSelect（）或SQLUpdate（）函數訪(fǎng)問(wèn)數據庫中的數據。

    3.2.3圖表、報警顯示

    組態(tài)王對圖表顯示提供了強有力的支持和簡(jiǎn)單的控制方法。趨勢曲線(xiàn)有實(shí)時(shí)趨勢曲線(xiàn)、歷史趨勢曲線(xiàn)顯示。[3] 在趨勢曲線(xiàn)控件中，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的數據庫配置，實(shí)現歷史數據查詢(xún)，可以通過(guò)一些簡(jiǎn)單的按鈕操作，完成翻頁(yè)、設定時(shí)間、打印曲線(xiàn)、打印圖表等功能。

    報警是指當系統中某些量的值超過(guò)了所規定的界*，系統自動(dòng)產(chǎn)生相應警告信息，表明該量的值已經(jīng)超限，提醒操作人員。[3] 組態(tài)王通過(guò)定義變量的報警屬性，調用報警窗口進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置即可查詢(xún)實(shí)時(shí)報警與歷史報警。

    3.2.4報表

    組態(tài)王通過(guò)系統配置的ODBC訪(fǎng)問(wèn)方式可以與各類(lèi)后臺數據庫建立連接；通過(guò)配置插入“Microsoft Date and Time Picker Control”控件實(shí)現時(shí)間的選擇；通過(guò)“AddAllFields（，）”函數顯示所有符合條件的數據；通過(guò)“AverageValueInField（）”計算數據的分鐘、小時(shí)、日平均值等；通過(guò)“ReportSetCellValue（ReportName， Row， Col，Value）”函數給單元格設置值；通過(guò)“ReportSaveAs（ReportName， filename）”保存報表；通過(guò)“ReportPrint2（ReportName）”打印報表。通過(guò)以上各函數及其他函數的有序結合，我們可以實(shí)現歷史數據的提取，時(shí)報表、日報表、月報表、年報表的統計，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(guò)串口，以ModbusRTU協(xié)議，作為從站通信；也可以通過(guò)動(dòng)態(tài)數據交換（DDE）和Visual Basic、Visual C、Visual C++等其他語(yǔ)言編寫(xiě)的程序方便的進(jìn)行數據交換。從而實(shí)現和環(huán)保局數據采集設備的通信。