煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）設計

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（Continuous Emission Monitoring System， 以下簡稱CEMS）是指能夠?qū)潭ㄎ廴驹磁欧诺奈廴疚镞M行實時的、連續(xù)的在線測量，并且能夠?qū)⑿畔崟r傳送到相關(guān)主管部門的一套裝置。
　　1 CEMS系統(tǒng)設計思路
　　CEMS系統(tǒng)主要包括顆粒物測量、煙氣參數(shù)測量子系統(tǒng)、氣態(tài)污染物測量、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。
　　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]在實際應用中，顆粒物的測量一般采用光學測量原理。常見的有光學動態(tài)濁度法和光學背散射法。
　　動態(tài)濁度法一般為雙側(cè)安裝，包含發(fā)射單元、接收單元、控制單元三個部分。通過監(jiān)測從發(fā)射端到接收端的光強變化的變化率，這個變化率是由顆粒物的分布對光強的削弱引起的?？刂茊卧ㄟ^對光強的變化率進行測量和計算，從而得到工況下的顆粒物濃度。
　　光學背散射法為單側(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，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(jù)算法計算出工況下顆粒物物的濃度。
　　在實際應用中，可根據(jù)現(xiàn)場實際工況、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(shù)測量子系統(tǒng)
　　煙氣參數(shù)測量子系統(tǒng)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(shù)。
　　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測量。在CEMS系統(tǒng)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(zhuǎn)換成電信號，再進行信號處理，終輸出標準模擬信號或數(shù)字信號。在CEMS系統(tǒng)設計中，一般選擇擴散硅式或電容式壓力變送器進行壓力測量。
　　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(jù)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測量流量的儀表。熱式測量原理是測量探頭通過與流體介質(zhì)的溫度相比較進行加熱，當流體經(jīng)過探頭的時候，會帶走加圈的一部分熱量。通過測量這兩個熱敏電阻之間的阻值差變化來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現(xiàn)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(jié)果度差。因此，參比方法采樣點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，再通過高速A/D以及信號轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)對濕度的高速響應。在目前的CEMS技術(shù)規(guī)范中，濕度的連續(xù)自動監(jiān)測并非是強制要求的，可以采用手工測量并在系統(tǒng)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(tǒng)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、紫外光學、紅外光學、電化學原理，目前市場上采用紅外光學測量原理測量二氧化硫與氮氧化物，采用電化學原理測量氧氣比較成熟。
　　紅外光學測量方法是以比爾-朗伯定律為基礎的，比爾-朗伯定律的基本數(shù)學表達式為：
　　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(shù)，是一常數(shù)
　　其物理意義是當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，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，氣倉長度是一定的，即吸收層厚度b已知，則只要通過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(jù)以上公式確定氣體的濃度。
　　電化學測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)過信號調(diào)理從而可以計算出氧氣數(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、預處理的控制；各信號數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示；計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)絡或無線網(wǎng)絡傳輸至相應管理部門。
　　2 CEMS系統(tǒng)工藝設計
　　圖1 CEMS系統(tǒng)煙氣采樣及處理過程設計圖
　　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(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樣氣不會因為溫差而冷凝成水或結(jié)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，蠕動泵將冷凝水的水排出；采樣泵為整個氣路的動力裝置，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進入分析儀的樣氣無塵，從而保護分析儀表；流量控制閥為了進入分析儀的氣流穩(wěn)定。整個采樣過程了進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氣對加熱采樣管進行定時反吹，加熱采樣管不會因樣氣含塵量太大或取樣時間太長而堵塞加熱采樣管。
　　3.氣體標定
　　隨著分析儀使用時間的推進，分析儀不可避免的會因為溫度和時間的變化出現(xiàn)零點漂移和量程漂移現(xiàn)象，此時，需要通過標定選擇閥切換通入純氮氣標定分析儀零點；通入對應量程的標定氣體來標定分析儀的量程。
　　3 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設計
　　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作為下位機負責信號的采集和系統(tǒng)控制及指示功能；上位機采用監(jiān)控工控機搭載組態(tài)王6.53，負責采集數(shù)據(jù)的顯示、歷史數(shù)據(jù)的儲存、以及各類報表、曲線的生成；數(shù)采儀負責將采集的數(shù)據(jù)及狀態(tài)等通過GPRS或網(wǎng)絡等傳輸至環(huán)保局或其他主管單位。下位機和上位機之間通過西門子PPI協(xié)議通信；上位機和數(shù)采儀之間通過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化系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)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的解決方案。[2]
　　在下位機的編程中，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，實時時間計數(shù)器為C0，程序通過取C0值來控制不同時期煙道反吹電磁閥、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， 流速量程大：VD428， 流速量程小：VD528， 流速：VD328
　　CALL Scale_I_to_R：SBR3， 溫度模擬量：AIW12， 32000， 6400， 溫度量程大：VD432， 溫度量程小：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對應于數(shù)值范圍6400-32000，則可看出示例2中流速輸入AIW10，流速程為VD428，流速小量程為VD528，則終轉(zhuǎn)換結(jié)果保存于VD328。
　　3.2上位機設計
　　組態(tài)王軟件系統(tǒng)與終工程人員使用的具體的PLC或現(xiàn)場部件無關(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(qū)動程序即可。組態(tài)王驅(qū)動程序采用軟件技術(shù)，使通訊程序和組態(tài)王構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。[3] 在CEMS系統(tǒng)的上位機軟件設計中，只需對應PLC實際連接的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應的地址即可訪問PLC中對應的變量，從而實現(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)設計中，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、報警顯示
　　組態(tài)王對圖表顯示提供了強有力的支持和簡單的控制方法。趨勢曲線有實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線顯示。[3] 在趨勢曲線控件中，可以通過簡單的數(shù)據(jù)庫配置，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢，可以通過一些簡單的按鈕操作，完成翻頁、設定時間、打印曲線、打印圖表等功能。
　　報警是指當系統(tǒng)中某些量的值過了所規(guī)定的界*，系統(tǒng)自動產(chǎn)生相應警告信息，表明該量的值已經(jīng)限，提醒操作人員。[3] 組態(tài)王通過定義變量的報警屬性，調(diào)用報警窗口進行簡單的配置即可查詢實時報警與歷史報警。
　　3.2.4報表
　　組態(tài)王通過系統(tǒng)配置的ODBC訪問方式可以與各類后臺數(shù)據(jù)庫建立連接；通過配置插入“Microsoft Date and Time Picker Control”控件實現(xiàn)時間的選擇；通過“AddAllFields（，）”函數(shù)顯示所有符合條件的數(shù)據(jù)；通過“AverageValueInField（）”計算數(shù)據(jù)的分鐘、小時、日平均值等；通過“ReportSetCellValue（ReportName， Row， Col，Value）”函數(shù)給單元格設置值；通過“ReportSaveAs（ReportName， filename）”保存報表；通過“ReportPrint2（ReportName）”打印報表。通過以上各函數(shù)及其他函數(shù)的有序結(jié)合，我們可以實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的提取，時報表、日報表、月報表、年報表的統(tǒng)計，輸出為EXCEL格式文件或直接打印。
　　3.2.5通信
　　組態(tài)王可以通過串口，以ModbusRTU協(xié)議，作為從站通信；也可以通過動態(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行數(shù)據(jù)交換。從而實現(xiàn)和環(huán)保局數(shù)據(jù)采集設備的通信。
　　4 結(jié)束語
　　本文系統(tǒng)的分析了煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）設計中所使用的相關(guān)技術(shù)，基于此技術(shù)生產(chǎn)的煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)以在國內(nèi)多家廠家投入使用，運行良好。
　　隨著科學技術(shù)的，近年來各種新型傳感器涌入市場，我們將持續(xù)關(guān)注CEMS系統(tǒng)設計。