豈峰利+程永強(qiáng)

摘 要： 為了改善傳統(tǒng)基于濾膜稱(chēng)重法煙塵濃度測(cè)量裝置操作繁瑣、測(cè)量周期長(zhǎng)、噪聲大、不易進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的不足，提出一種結(jié)合PLC控制模塊和改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的煙塵濾膜自動(dòng)加載單元，選用高精度電子天平通過(guò)串口通信實(shí)現(xiàn)了煙塵重量自動(dòng)測(cè)量，使用WinCC組態(tài)軟件完成了機(jī)柜觸摸屏的人機(jī)交互界面。該裝置通過(guò)在太原大唐第二熱電廠進(jìn)行測(cè)試，并將測(cè)得的煙塵濃度進(jìn)行了誤差分析，結(jié)果表明該裝置能夠滿(mǎn)足環(huán)保部關(guān)于煙塵濃度監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

關(guān)鍵詞： 煙塵濃度； 在線監(jiān)測(cè)； 稱(chēng)重法； PLC； 機(jī)械手； WinCC

中圖分類(lèi)號(hào)： TN949.6+5?34； TP271 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）02?0048?05

Abstract： To resolve the problems of complicated procedure， long measurement period， loud noise and poor online real?time monitoring capability of the traditional smoke dust concentration measurement device based on membrane weighing method， an automatic smoke dust membrane loading unit combined with the PLC control module and the improved mechanical structure is proposed. The high?precision electronic balance is selected to achieve automatic smoke dust weight measurement by means of serial port communication. The WinCC configuration software is used to achieve the human?machine interaction interface on the touch screen of the cabinet. The device was tested in the Datang Taiyuan Second Thermal Power Plant and error analysis was performed for the tested smoke dust concentration. The results show that the device can meet the requirement of the smoke dust concentration monitoring standard issued by Ministry of Environmental Protection.

Keywords： smoke dust concentration； online monitoring； weighing method； PLC； robot hand； WinCC

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，日常生活生產(chǎn)中產(chǎn)生的大量煙塵會(huì)排放到大氣中，特別是各大熱電廠、石油化工廠和金屬冶煉廠排放的煙塵、交通工具排放的廢氣等對(duì)大氣的污染更為嚴(yán)重，煙塵污染成為造成大氣污染的主要來(lái)源。因此，對(duì)排放煙塵的濃度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量并對(duì)高濃度煙塵采取有效的治理措施，對(duì)于解決我國(guó)現(xiàn)階段大氣污染問(wèn)題至關(guān)重要[1?2]。

為了有效監(jiān)測(cè)煙塵排放濃度，防止大氣污染，煙塵連續(xù)排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）得到了廣泛的應(yīng)用[3]，可同時(shí)對(duì)排放煙氣中的煙塵濃度、溫度、壓力和流速等進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。煙塵濃度的測(cè)量技術(shù)主要有光衰減法、壓電晶體差頻法等[4?5]，但這些方法都存在一定的不足：光衰減法不適用于測(cè)量煙塵濃度過(guò)低的情況，壓電晶體差頻法需要在每次測(cè)量完之后對(duì)儀器進(jìn)行清理。根據(jù)環(huán)保部門(mén)下發(fā)的《固體污染源廢氣低濃度顆粒物測(cè)定重量法》（GB/T16157—1996）和《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》（HJ/T76—2007）標(biāo)準(zhǔn)要求[6?7]，我國(guó)現(xiàn)階段以重量法測(cè)定煙塵濃度為主。濾膜稱(chēng)重法[8]作為重量法的一種，是將煙道中的氣體進(jìn)行采樣，然后使用玻璃纖維濾膜，將煙塵被過(guò)濾到濾膜上，再將濾膜放在烘干臺(tái)上進(jìn)行反復(fù)烘干直到恒重。通過(guò)采樣前后的濾膜重量之差得到所采集煙塵的重量，再運(yùn)用煙塵的重量和煙道氣體體積計(jì)算得到煙塵的濃度。

傳統(tǒng)濾膜稱(chēng)重法雖不受煙塵中顆粒物物理性質(zhì)的影響，可以得到較準(zhǔn)確的測(cè)量值，但操作比較繁瑣，測(cè)量干擾嚴(yán)重，不易進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)[9]?；诖?，本文研發(fā)了一種新的基于稱(chēng)重法的煙塵濃度在線測(cè)量裝置，并將其運(yùn)用于熱電廠煙塵濃度監(jiān)測(cè)，首先設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了煙塵濾膜自動(dòng)加載單元，通過(guò)機(jī)械裝置和PLC控制模塊簡(jiǎn)化了測(cè)量過(guò)程，縮短了測(cè)量周期；然后選用高精度電子天平通過(guò)串口通信實(shí)現(xiàn)了煙塵重量自動(dòng)測(cè)量，減少了噪聲干擾；最后使用WinCC組態(tài)軟件完成了機(jī)柜觸摸屏的人機(jī)交互界面，方便操作及數(shù)據(jù)查看和保存。本裝置已在太原大唐第二熱電廠進(jìn)行測(cè)試應(yīng)用，并將測(cè)得的煙塵濃度進(jìn)行了誤差分析，結(jié)果表明該裝置能夠滿(mǎn)足環(huán)保部關(guān)于煙塵濃度監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1 基于稱(chēng)重法的CEMS結(jié)構(gòu)組成及工作原理

基于稱(chēng)重法的煙塵連續(xù)排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)CEMS的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要包括煙道內(nèi)采樣系統(tǒng)、在線煙塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸和處理顯示系統(tǒng)。

CEMS的工作原理及流程為：先將煙塵采樣槍置于煙道內(nèi)，采樣嘴正對(duì)氣流方向；在每次采樣之前，先利用反吹泵反吹一段時(shí)間，防止采樣嘴被煙道中的顆粒物堵塞；然后吸氣泵進(jìn)行等速采樣，抽取一定帶有煙塵的煙氣，抽取煙氣中的固體顆粒物并過(guò)濾到濾膜上，根據(jù)濾膜過(guò)濾前后的重量差得到煙塵的重量；最后根據(jù)流量計(jì)測(cè)得采樣煙氣的體積進(jìn)而得到所測(cè)煙塵的濃度。由于煙道中的煙氣含有水蒸氣等雜質(zhì)，會(huì)影響氣體流量的測(cè)定，所以需先通過(guò)汽、水分離裝置（圖1中間部分），將煙道中的氣體除去水蒸氣等雜質(zhì)，然后再對(duì)煙氣的流量進(jìn)行測(cè)量。endprint

采樣裝置前端裝有溫度變送器和壓力變送器，其中溫度變送器可測(cè)得煙道中的實(shí)時(shí)溫度，壓力變送器中的皮托管用于測(cè)得煙道中煙氣的動(dòng)壓和靜壓，用動(dòng)壓與靜壓相減得到煙道中煙氣的差壓值ΔP。差壓值與煙氣的流速有關(guān)系，當(dāng)ΔP越大時(shí)流速也越大，當(dāng)流速為0時(shí)，ΔP也為0。根據(jù)式（1）和式（2）可以算出煙道中氣體的流速Vs（m/s），測(cè)得流速大小后可使用PLC的PID模塊對(duì)采樣的吸氣泵進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)[10]，從而實(shí)現(xiàn)等速采樣。

式中：為皮托管系數(shù)；為煙氣的動(dòng)壓；為煙氣的靜壓；為煙氣密度；為煙氣溫度；為大氣壓強(qiáng)。

然后再根據(jù)式（3）和式（4）計(jì)算出煙氣中煙塵的濃度C（mg/m3）：

式中：為空濾膜的重量；g2為帶有煙塵的濾膜重量；V為干氣體的體積；Qs為流量計(jì)所得的氣體流量；t為采樣槍在煙道中的采樣時(shí)間。

傳統(tǒng)稱(chēng)重法測(cè)量煙塵濃度的裝置往往存在操作繁瑣，測(cè)量干擾大，不能進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)等不足，本文通過(guò)對(duì)煙塵濾膜自動(dòng)加載單元的機(jī)械結(jié)構(gòu)及電氣控制部分進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，將耗時(shí)繁瑣的稱(chēng)重過(guò)程使用PLC進(jìn)行自動(dòng)控制，并使用WinCC組態(tài)軟件在機(jī)柜的觸摸屏上實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互界面，從而方便煙塵監(jiān)控人員操作。

2 煙塵濃度在線測(cè)量裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 PLC控制稱(chēng)重系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 硬件設(shè)計(jì)

稱(chēng)重系統(tǒng)是整套裝置的核心之一，稱(chēng)重系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接影響到煙塵濃度測(cè)量的準(zhǔn)確度。稱(chēng)重系統(tǒng)設(shè)計(jì)為七個(gè)位置，如圖2所示，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)易機(jī)械手吸取濾膜在七個(gè)位置之間進(jìn)行循環(huán)執(zhí)行，其中1號(hào)位和2號(hào)位處于稱(chēng)重系統(tǒng)的同一個(gè)位置。在2號(hào)位處，濾膜桶內(nèi)一共裝有一定量濾膜，放置方式是將濾膜和隔紙交替放置，且最上面放置濾膜。每當(dāng)機(jī)械手前端的裝置將濾膜吸走時(shí)，桶內(nèi)的彈簧就向上彈起，在濾膜桶外面的4個(gè)角上各有4個(gè)擋片，由于濾膜紙是圓形的，而隔紙是方形的，這樣可以防止在吸取濾膜時(shí)將濾膜下面的隔紙一同吸走。

煙塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)后，按下開(kāi)始按鈕，需先讓機(jī)械手調(diào)整到起始位置。首先讓機(jī)械手逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)尋找起始位置1號(hào)接近開(kāi)關(guān)，若在逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)過(guò)程中到達(dá)6號(hào)位置接近開(kāi)關(guān)，說(shuō)明機(jī)械手需要順時(shí)針旋轉(zhuǎn)尋找起始位置，以避免使機(jī)械手上面的接線纏繞。機(jī)械手到達(dá)起始位置后，要對(duì)各個(gè)位置上的殘留濾膜進(jìn)行檢測(cè)，并把殘留濾膜吸到7號(hào)位置處扔掉，最后機(jī)械手再回到起始位置。

機(jī)械手到達(dá)起始位置時(shí)，PLC開(kāi)始控制機(jī)械手前端的電磁鐵和小型吸氣泵開(kāi)始工作，吸取2號(hào)濾膜桶中的濾膜順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°到3號(hào)烘干位置，烘干完成后機(jī)械手吸取濾膜繼續(xù)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)135°到5號(hào)電子天平處，對(duì)烘干后的濾膜進(jìn)行稱(chēng)重。稱(chēng)重完成后機(jī)械手吸取濾膜逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°到4號(hào)位置，到達(dá)4號(hào)位置時(shí)PLC控制小型吸氣泵停止工作，將濾膜放置在采樣桶上。放置后機(jī)械手逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°回到2號(hào)位置。在2號(hào)位置處吸取濾膜的隔紙，然后逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°到7號(hào)位置將隔紙扔掉。采樣桶采用上下開(kāi)合的形式，采樣桶的上蓋固定在電動(dòng)推桿上，PLC控制電動(dòng)推桿的推拉，從而控制采樣桶的開(kāi)合。為了避免機(jī)械手影響采樣桶的閉合，當(dāng)機(jī)械手扔掉濾膜的隔紙后，就順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到2號(hào)位置。等待采樣槍抽取煙道內(nèi)的煙氣的時(shí)間完成，電動(dòng)推桿向上收縮，打開(kāi)采樣桶，機(jī)械手順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°到4號(hào)位置處，然后吸取濾膜順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°到電子天平處，對(duì)有煙塵的濾膜進(jìn)行稱(chēng)重。為了提高對(duì)濾膜的利用率，可以對(duì)采樣后的濾膜重復(fù)使用。稱(chēng)重完以后機(jī)械手繼續(xù)吸取濾膜旋轉(zhuǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°到4號(hào)位置繼續(xù)使用。使用到一定次數(shù)時(shí)，機(jī)械手從5號(hào)位置吸取濾膜逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)240°到7號(hào)位置，將廢棄的濾膜扔掉。然后順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°重新回到2號(hào)位置，重復(fù)上述過(guò)程。如果機(jī)械手在除了調(diào)整初始狀態(tài)之外的其他旋轉(zhuǎn)過(guò)程中旋轉(zhuǎn)到了6號(hào)位置處，說(shuō)明機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)了故障，那么就需要重新調(diào)整初始狀態(tài)，讓機(jī)械手重新工作。

2.1.2 硬件選型

在煙塵稱(chēng)重裝置中，機(jī)械手包括機(jī)械臂、電磁鐵、小型真空吸氣泵、步進(jìn)電機(jī)、真空吸盤(pán)等部分，機(jī)械臂在各位置之間運(yùn)行是通過(guò)可編程邏輯控制器PLC控制的。本文所使用的PLC是德國(guó)西門(mén)子公司S7?200 CPU224，其有24個(gè)I/O點(diǎn)，14個(gè)輸入點(diǎn)，10個(gè)輸出點(diǎn)，可以連接7個(gè)功能擴(kuò)展模塊，并且具有6個(gè)高速脈沖計(jì)數(shù)器和2個(gè)獨(dú)立的高速脈沖輸出點(diǎn)，具有較強(qiáng)的控制能力，本系統(tǒng)中PLC的I/O分配如表1所示。

本系統(tǒng)中機(jī)械手旋轉(zhuǎn)控制選用行星減速步進(jìn)電機(jī)，具體使用諾力電器有限公司的二相混合式的驅(qū)動(dòng)器，型號(hào)為NL?BJH?01，其最高定位精度可達(dá)到3 200步/轉(zhuǎn)，運(yùn)行時(shí)電流設(shè)為3.08 A，微步細(xì)分設(shè)定為1 600 步/s，可以精確地實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的定位。在濾膜吸取過(guò)程中，采用直流24 V，行程為0～15 mm電磁鐵和直流24 V小型真空吸氣泵，并通過(guò)PLC進(jìn)行控制。

電子天平是稱(chēng)重裝置的關(guān)鍵元件，本裝置選用梅特勒?托利多TLE104E型電子天平，該天平精確到微克級(jí)別，可以準(zhǔn)確地稱(chēng)量出煙氣中煙塵的重量。該天平具有RS 232的通信接口，由于S7?200系列PLC的通信口是RS 485，所以通過(guò)RS 232轉(zhuǎn)RS 485線實(shí)現(xiàn)PLC與電子天平之間的數(shù)據(jù)通信。

濾膜的選擇對(duì)快速準(zhǔn)確的煙塵采集至關(guān)重要，本系統(tǒng)的濾膜采用90 mm的圓形超細(xì)玻璃纖維濾膜，濾膜的進(jìn)風(fēng)面用較粗糙的纖維，出風(fēng)面用較細(xì)的纖維，以便有效攔截?zé)焿m顆粒，在篩選濾膜時(shí)標(biāo)準(zhǔn)重量應(yīng)為0.3～0.35 g之間，并將不在這個(gè)范圍內(nèi)的濾膜剔除掉。重量太輕的濾膜過(guò)薄，強(qiáng)度會(huì)降低，易破裂；太重會(huì)使濾膜阻力過(guò)大，降低對(duì)煙塵的捕獲率[11]。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 功能分析

為了滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的功能需求，并符合國(guó)家環(huán)保部分相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本文中CEMS的功能劃分如下：

1） PLC精確控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在稱(chēng)重系統(tǒng)中各個(gè)位置的精確定位；endprint

2） 電子天平的RS 232的通信接口與PLC的RS 485接口進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)電子天平的控制；

3） 利用PLC控制實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂上電磁鐵和小型吸氣泵的控制，并使其配合完成了對(duì)濾膜的吸取；

4） 利用PLC控制加熱板、采樣桶等元件，完成對(duì)濾膜的烘干和煙塵的捕獲等功能；

5） 利用WinCC組態(tài)軟件繪制人機(jī)交互界面，并將煙道內(nèi)溫度，煙氣流速、煙塵重量以及煙塵濃度等重要數(shù)據(jù)在監(jiān)控終端界面上顯示。

2.2.2 運(yùn)行流程

根據(jù)上述功能分析，本文中CEMS的執(zhí)行過(guò)程劃分為5個(gè)狀態(tài)：?jiǎn)?dòng)狀態(tài)、初始狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)和停止?fàn)顟B(tài)，其中，運(yùn)行狀態(tài)又分為機(jī)械旋轉(zhuǎn)狀態(tài)、吸取濾膜狀態(tài)、烘干等待狀態(tài)、采樣等待狀態(tài)和稱(chēng)重等待狀態(tài)。各狀態(tài)間轉(zhuǎn)換所需的條件變量保存在PLC的M存儲(chǔ)區(qū)中，如表2所示。

圖3為狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換流程圖，當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，系統(tǒng)采樣部分進(jìn)行采樣槍反吹、測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)溫度、皮托管差壓和等速采樣等步驟。采樣完成后，系統(tǒng)的稱(chēng)重部分開(kāi)始工作，首先進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)將稱(chēng)重過(guò)程中所用的標(biāo)志位和存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行清零，然后對(duì)稱(chēng)重系統(tǒng)初始狀態(tài)調(diào)整。這些初始工作完成后，稱(chēng)重系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，執(zhí)行煙塵濃度測(cè)量過(guò)程。如果在運(yùn)行過(guò)程中按下了停止按鈕，稱(chēng)重過(guò)程立即停止；如果運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了故障，如濾膜吸取失敗或者步進(jìn)電機(jī)的控制失控等，也需要將稱(chēng)重過(guò)程停止，并進(jìn)行故障處理。

本文CEMS系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)WinCC動(dòng)態(tài)監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀況及相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)，更改和設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)。當(dāng)一次煙塵采樣稱(chēng)重完成后，運(yùn)用PLC控制電子天平與控制終端進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煙塵濃度監(jiān)測(cè)的組態(tài)，如圖4所示，分別顯示了煙道溫度、煙氣流速、差壓、采樣體積、煙塵重量及煙塵濃度等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)煙塵濃度得到系統(tǒng)設(shè)置的閾值時(shí)，將發(fā)出報(bào)警信息。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及誤差分析

本文研發(fā)的在線煙塵濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在太原大唐第二熱電廠進(jìn)行測(cè)試應(yīng)用，其監(jiān)測(cè)的部分煙塵濃度數(shù)據(jù)對(duì)比如圖5所示。

由對(duì)比結(jié)果可以看出所測(cè)得濃度與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際濃度相比略有偏高，其原因分析如下：

1） 采樣時(shí)間偏長(zhǎng)，濾膜上積塵較多，通過(guò)后續(xù)實(shí)驗(yàn)對(duì)采樣時(shí)間進(jìn)行標(biāo)定，以確保測(cè)量的準(zhǔn)確；

2） 濾膜吸濕特性的影響，玻璃纖維濾膜具有吸濕的特性，當(dāng)將濾膜放在天平托盤(pán)上稱(chēng)重時(shí)，濾膜的濕度較空氣的濕度小，所以產(chǎn)生了吸濕現(xiàn)象，呈增重趨勢(shì)；

3） 采樣槍上皮托管制作的尺寸不規(guī)范、采樣嘴使用時(shí)間太久后發(fā)生變形等造成皮托管系數(shù)偏差。

對(duì)于第一個(gè)和第三個(gè)原因?qū)е碌恼`差可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)牟蓸訒r(shí)間和定期更換規(guī)范的皮托管來(lái)解決。對(duì)于濾膜的吸濕問(wèn)題來(lái)說(shuō)，在室內(nèi)可以通過(guò)反復(fù)對(duì)濾膜進(jìn)行烘干，然后在干燥器中冷卻至室溫后，進(jìn)行稱(chēng)重，但是這個(gè)過(guò)程需要較長(zhǎng)時(shí)間，而且對(duì)于采樣現(xiàn)場(chǎng)具體的情況來(lái)講，不易控制，因此對(duì)于這個(gè)因素的影響還需繼續(xù)深入研究解決。

4 結(jié) 語(yǔ)

煙塵連續(xù)排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于熱電廠等廢氣排放企業(yè)的環(huán)保工作具有重要意義，針對(duì)當(dāng)前基于稱(chēng)重法煙塵測(cè)量系統(tǒng)的不足，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于PLC控制的煙塵濾膜自動(dòng)加載單元，簡(jiǎn)化了測(cè)量過(guò)程，縮短了測(cè)量周期；并選用高精度電子天平通過(guò)串口通信實(shí)現(xiàn)了煙塵重量自動(dòng)測(cè)量，提高了測(cè)量準(zhǔn)確性；結(jié)合WinCC組態(tài)軟件完成了機(jī)柜觸摸屏的人機(jī)交互界面，方便操作及數(shù)據(jù)查看和保存。本裝置已在太原大唐第二熱電廠進(jìn)行測(cè)試應(yīng)用，并將測(cè)得的煙塵濃度進(jìn)行了誤差分析，結(jié)果表明該裝置能夠滿(mǎn)足環(huán)保部關(guān)于煙塵濃度監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

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