張印強，程明霄

（南京工業(yè)大學 自動化與電氣工程學院, 南京 210009 ）

0 引言

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)是監(jiān)測煙氣污染物排放的現(xiàn)代化手段，該系統(tǒng)具有連續(xù)監(jiān)測、遠程通訊等特點。由于設備運行過程中存在一定的失效性，對設備的運行狀態(tài)進行遠程監(jiān)控和遠程故障診斷，對保證系統(tǒng)的可靠、連續(xù)運行具有重要的意義[1-3]。

根據(jù)煙氣連續(xù)排放監(jiān)控的要求設計了基于PLC和GPRS無線通信的遠程監(jiān)控及故障診斷系統(tǒng)。現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)以PLC作為控制核心，基于自由口通信和GPRS無線網(wǎng)絡實現(xiàn)與遠程數(shù)據(jù)中心的連接；遠程數(shù)據(jù)中心對現(xiàn)場運行狀態(tài)進行監(jiān)控，現(xiàn)場故障時可進行遠程故障診斷及處理，系統(tǒng)具有工作可靠、維護方便的特點。

1 系統(tǒng)的監(jiān)控要求及結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)的監(jiān)控要求如下：1）能實時監(jiān)測現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)及污染物的排放濃度、煙氣參數(shù)等信息；2）能對煙氣排放數(shù)據(jù)進行歸檔和數(shù)據(jù)查詢；3）現(xiàn)場設備故障時能進行故障報警和遠程故障診斷，從而保證短時間內(nèi)排除故障。

整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由現(xiàn)場層和遠程監(jiān)控層兩部分組成。現(xiàn)場層由泵、閥、濕度儀、氣體分析儀、PLC以及人機界面等組成，由PLC控制采樣泵、反吹閥等按工藝流程正常工作，同時不斷監(jiān)測二氧化硫、氮氧化物、煙塵等被測信號，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送給人機界面進行顯示?，F(xiàn)場層還能夠響應遠程數(shù)據(jù)中心的控制命令完成參數(shù)設置、手動等功能。

系統(tǒng)選用的PLC是德國西門子公司的S7-200系列的CPU 226；氣體分析儀選用西門子的ULTRAMAT 23，可同時對二氧化硫、氮氧化物、氧氣進行濃度分析；濕度儀選用吉納波的HMS535C+。PLC的輸入、輸出點數(shù)統(tǒng)計如下： 數(shù)字量輸入(DI) 點數(shù)為10點；數(shù)字量輸出( DO) 點數(shù)為10點；模擬量輸入( AI)為7個通道；模擬量輸出( AO)為2個通道，PLC的I/O接線示意圖如圖2所示。遠程數(shù)據(jù)中心由數(shù)據(jù)庫服務器和web服務器構(gòu)成，可以方便地完成數(shù)據(jù)監(jiān)視、故障診斷、參數(shù)設定等功能。設備運行狀態(tài)和煙氣排放數(shù)據(jù)通過GPRS模塊傳入GPRS網(wǎng)絡，再由GPRS網(wǎng)絡連接至遠程數(shù)據(jù)中心，由遠程數(shù)據(jù)中心對煙氣排放的數(shù)據(jù)進行歸檔。故障時，遠程數(shù)據(jù)中心響應用戶請求對系統(tǒng)故障進行分析，通過調(diào)用相應的知識庫，利用推理機進行故障診斷并給出解決方案，用戶可根據(jù)診斷結(jié)果排除故障。

2 PLC軟件設計

PLC控制程序完成模擬量信號的采集，并控制相應的泵、閥等部件按工作流程運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)反吹、手動、報警等功能。PLC控制程序包括初始化模塊、反吹模塊、蠕動泵模塊、故障報警模塊、通信模塊等部分。

2.1 通信程序

西門子S7－200系列PLC的自由端口模式是由用戶控制的通信方式，其通信協(xié)議由用戶定義，通過調(diào)用接收中斷、發(fā)送中斷、發(fā)送指令（XMT）、接受指令（RCV）來控制通信操作，利用自由口通信可通過GPRS無線通信模塊建立與遠程數(shù)據(jù)中心的連接，實時傳送監(jiān)控數(shù)據(jù)并響應遠程數(shù)據(jù)中心的控制命令。

2.1.1 通信協(xié)議及通信流程

通信協(xié)議是指兩個或多個通信實體相互通信的全過程中所必須遵守的規(guī)約之集合?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及控制模塊需要每隔30秒將采集到的設備運行狀態(tài)和煙氣排放的相關(guān)實時數(shù)據(jù)發(fā)送給遠程數(shù)據(jù)中心。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕到y(tǒng)采用自定義的不定長命令楨來約定所有的通信命令，通信命令格式如表1所示。

表1 通信命令格式

起始位以 十六進制數(shù)“00”表示，結(jié)束符以十六進制數(shù)“FF”表示，“00”開始，“FF”結(jié)束的數(shù)據(jù)構(gòu)成一個完整的命令楨。發(fā)送實時數(shù)據(jù)、參數(shù)設定等指令編碼簡單的以十六進制數(shù)1、2、3等表示。數(shù)據(jù)塊之間以約定格式進行分隔，采用異或和校驗。通信程序流程如圖3所示。

通信過程中首先進行初始化，設定起始字符，結(jié)束字符，最大接受字符數(shù)等，然后根據(jù)發(fā)送過來的命令字進行命令解析，通過設置相應標志位來實現(xiàn)功能按鈕和閥門等的控制，若無控制命令每隔30秒將監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)回遠程數(shù)據(jù)中心。

2.1.2 GPRS通信

系統(tǒng)采用了西門子的無線數(shù)據(jù)通信模塊MC55完成GPRS通信[4]功能，該模塊內(nèi)置了TPC/IP協(xié)議棧，支持GPRS無線接入。開機后首先對GPRS模塊進行初始化，然后通過AT命令控制MC55模塊接入GPRS網(wǎng)絡，聯(lián)網(wǎng)成功后與遠程數(shù)據(jù)中心進行網(wǎng)絡連接，成功后即可進行數(shù)據(jù)傳輸。用于操作MC55的相關(guān)AT命令如下：

2.1.3 自由口的初始化

自由端口模式控制字節(jié)SMB30用來設置端口0的奇偶校驗，字符的數(shù)據(jù)位數(shù)，波特率和通信協(xié)議,SMB87主要用來設置各種通信檢測條件,SMB88 設定信息字符的開始字符,SMB89 設定信息字符的結(jié)束字符, SMB94 設置接收的最大字符數(shù)(1-255),程序代碼如下：

2.2 遠程控制響應

當PLC接受到參數(shù)設定、手動控制等遠程控制命令后，M寄存器相應位進行置1操作，使用“或指令”將標志位并聯(lián)在控制程序分支，可響應遠端控制命令，實現(xiàn)遠程控制功能。

以抽氣泵控制為例，其控制程序如圖4所示。T37為開機正常啟動后10秒延時計數(shù)器，cg_alarm為除濕器報警，auto_manual為自動／手動按鈕，pump_manual為抽氣泵手動，cal_output為校對，ball_valve_close為球閥關(guān)閉。抽氣泵本地控制時的開啟條件包括自動狀態(tài)下運行正常、手動狀態(tài)按下泵手動按鈕、校對三種情況。為實現(xiàn)遠程操作，利用M0.2作為泵開啟的控制標志位，當PLC接收到來自遠程數(shù)據(jù)中心的“泵開啟”命令后將M0.2置1，此時便可直接控制抽氣泵開啟，實現(xiàn)遠程控制功能。

2.3 故障報警

報警程序的梯形圖如圖5所示。

當自動運行過程中出現(xiàn)氣體分析儀故障或除濕器故障時，5秒鐘計時器T44啟動，若5秒內(nèi)一直有故障，則輸出故障信號。U23_error和cg_alarm分別代表分析儀和除濕器故障，error_sign為故障報警指示。

3 遠程監(jiān)控與故障診斷

遠程數(shù)據(jù)中心可以監(jiān)控分布在不同現(xiàn)場的采集終端的運行狀態(tài)和排放數(shù)據(jù)，進行實時數(shù)據(jù)顯示，并通過web服務器響應用戶請求進行遠程故障診斷與處理。

3.1 遠程監(jiān)控

遠程數(shù)據(jù)中心能接收來自現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，進行相關(guān)的處理后存檔，同時對外提供采集數(shù)據(jù)的Web 訪問服務。由于有多臺數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送數(shù)據(jù)，遠程數(shù)據(jù)中心采用“線程池”技術(shù)和TCP/IP Socket接口進行數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)庫服務器啟動監(jiān)聽線程響應采集終端的數(shù)據(jù)連接，當客戶端請求連接時根據(jù)線程池狀態(tài)啟動“數(shù)據(jù)接受線程”進行端口綁定和數(shù)據(jù)處理，客戶端斷開連接后關(guān)閉線程，利用多線程技術(shù)解決了數(shù)據(jù)的實時、高效傳輸?shù)膯栴}。系統(tǒng)采用SQL Server數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)管理，方便對各種狀態(tài)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的分析管理，維護方便。

3.2 遠程故障診斷

故障診斷是尋找故障原因的過程，包括狀態(tài)檢測、故障原因分析及劣化趨勢預測等功能，遠程故障診斷專家系統(tǒng)由知識庫、數(shù)據(jù)庫、推理機及人機接口組成[5-7]。

3.2.1 知識庫

知識庫是專家系統(tǒng)最重要的組成部分之一, 其主要功能是存儲和管理專家系統(tǒng)中的知識。知識庫的結(jié)構(gòu)形式取決于所采用的知識表示方法，這里將故障樹分析法和產(chǎn)生式規(guī)則表達結(jié)合起來進行知識的表示。

故障樹模型是一個基于研究對象結(jié)構(gòu)，功能特征的行為模型，以系統(tǒng)最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)作為故障樹的頂事件，以可能導致頂事件發(fā)生的其它事件為底事件，并用特定的邏輯符號表示事件之間關(guān)聯(lián)的一種倒樹狀結(jié)構(gòu)的邏輯圖[6]。通過對煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的故障特征進行分析和歸納建立了系統(tǒng)的故障樹模型，故障樹模型可以劃分為幾個層次： 系統(tǒng)級、部件級、器件級等，其中系統(tǒng)級包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、流程控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)三個部分。以抽氣泵停止為例，建立的故障樹模型如圖6所示。抽氣泵停止工作的原因分為抽氣泵本身故障和其他故障報警引發(fā)的停止兩類。故障報警中僅有除濕器故障和負壓報警故障會引起抽氣泵停止，結(jié)合報警故障的具體原因?qū)⒐收蠘鋵訉蛹毣?。故障樹的子?jié)點與父節(jié)點之間都存在確定性的因果關(guān)系, 使用IF（前提）THEN（結(jié)論）形式的產(chǎn)生式規(guī)則表示這種正向因果關(guān)系。

3.2.2 推理機

推理機是專家系統(tǒng)的另一個重要模塊，它根據(jù)用戶提供的故障征兆，利用知識庫中存貯的知識，按一定的推理策略逐步求解問題。本專家系統(tǒng)采用正向推理的方法進行故障搜索定位，根據(jù)故障樹的層次，從頂?shù)降姿阉?，找出可能出現(xiàn)故障的原因。推理過程中首先選擇規(guī)則，再尋找對于規(guī)則的前提，最后根據(jù)匹配結(jié)果得出結(jié)論。

4 結(jié)束語

煙氣排放遠程監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)采用了自動連接與傳輸，通過GPRS無線通信將現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端與遠程數(shù)據(jù)中心連接，實現(xiàn)了遠程監(jiān)控和遠程故障診斷，大大提高了系統(tǒng)的可靠程度?；谏鲜龇桨冈O計的遠程監(jiān)控和故障診斷系統(tǒng)已成功投入使用，實際使用效果良好。

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