聶秀珍,何小剛

基于PLC的煙塵濃度自動監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)

聶秀珍1,何小剛2

1. 山西輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系, 山西 太原 030073 2. 太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院, 山西 榆次 030600

針對煙塵監(jiān)測裝置存在體積大、價(jià)格高、效率低的問題，本文設(shè)計(jì)一種基于PLC的煙塵濃度自動監(jiān)測裝置，該裝置采用稱重法為主、激光法測量為輔的策略實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場煙塵測量，實(shí)時(shí)采集并處理數(shù)據(jù)，同時(shí)采用WINCC上位機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。實(shí)證表明：本裝置能夠?qū)焿m濃度進(jìn)行自動監(jiān)測，對促進(jìn)改善空氣質(zhì)量具有一定指導(dǎo)意義。

可編程邏輯控制器 PLC; 煙塵濃度; 自動監(jiān)測

我國目前電力發(fā)展的主力軍主要還是火力發(fā)電，但由于火力發(fā)電主要靠煤，而燃煤產(chǎn)生的粉塵、二氧化硫等嚴(yán)重影響空氣質(zhì)量，要治理這日益嚴(yán)峻的大氣污染問題，就需要從污染源頭實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地連續(xù)監(jiān)測大氣污染物的濃度[1]。而太原第二熱電廠的煙塵監(jiān)測設(shè)備采氣管路復(fù)雜，維護(hù)困難，且煙塵監(jiān)測方法不是國家標(biāo)準(zhǔn)濾膜稱重法，監(jiān)測精度難有保證，再加上造價(jià)昂貴，不利于廣泛推廣，影響實(shí)際監(jiān)測效果。因此，如何利用自動化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對火力發(fā)電廠排放的煙塵氣濃度的自動監(jiān)測，同時(shí)降低設(shè)備成本，提高監(jiān)測效率，對實(shí)現(xiàn)火力發(fā)電廠的煙塵實(shí)時(shí)監(jiān)測有著重要現(xiàn)實(shí)意義。

本文設(shè)計(jì)的自動監(jiān)測裝置，可以對現(xiàn)場的煙氣自動采樣，實(shí)時(shí)監(jiān)測煙塵濃度，并采用各種傳感器來分析煙氣組分濃度，并通過PLC實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，將各測量數(shù)據(jù)存檔并顯示在WINCC監(jiān)控系統(tǒng)中，有效提高數(shù)據(jù)處理的效率，方便相關(guān)人員的查閱各數(shù)據(jù)曲線。并可實(shí)時(shí)監(jiān)測各運(yùn)行部分的情況，實(shí)現(xiàn)各運(yùn)行設(shè)備的優(yōu)化組合，延長設(shè)備的使用壽命。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本裝置系統(tǒng)是將溫度計(jì)、S型皮托管以及采樣管組成為一體，在采集煙塵參數(shù)時(shí)插入煙道，可以采集到現(xiàn)場的測點(diǎn)煙氣動壓等一系列參數(shù)，這些參數(shù)再由PLC來計(jì)算出煙塵的等速采樣流量，我們再調(diào)節(jié)采氣泵使得采樣流量與計(jì)算得出的等速采樣流量能夠保持一致[2]。該系統(tǒng)在現(xiàn)場測點(diǎn)附近插入一支激光煙塵濃度測量傳感器，實(shí)時(shí)向PLC發(fā)送煙塵濃度數(shù)據(jù)，同時(shí)系統(tǒng)以30 min為采樣間隔，以濾膜稱重法為主實(shí)現(xiàn)煙塵采樣，稱重部分采用全自動機(jī)械臂對濾膜進(jìn)行取放并稱重，每次采樣時(shí)間到，得到稱重法煙塵濃度，對于煙塵濃度的激光法及時(shí)進(jìn)行算法修正，可以計(jì)算出煙塵濃度。采樣的后端設(shè)計(jì)主要包含煙氣分析部分和冷凝部分，可以實(shí)現(xiàn)對采用流量、煙氣含氧量、含濕量等參數(shù)的測量。本裝置集成于一1200*600*600 mm的控制柜內(nèi)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

我們可以通過監(jiān)控中心的WINCC上位機(jī)來實(shí)時(shí)讀取現(xiàn)場測點(diǎn)處煙塵濃度值，以及煙氣各成分的含量值，并實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的自動控制與監(jiān)測。

圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)控制方案

為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測煙塵濃度，本裝置修正了通過兩種監(jiān)測手段得出的濃度值。本裝置的測量是每隔30 min進(jìn)行采樣一次，現(xiàn)場測點(diǎn)的參數(shù)通過PLC讀取，采集到的現(xiàn)場差壓、溫度以及含濕量等參數(shù)以及現(xiàn)場干煙氣標(biāo)礦流速，結(jié)合采樣嘴截面積得到煙塵等速采樣標(biāo)況流量，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)采氣泵使采樣流量與等速采樣流量保持一致，可以實(shí)現(xiàn)等速采樣。對于煙塵濃度值的計(jì)算，首先比較采樣前后濾膜的質(zhì)量變化量，并計(jì)算出塵重，我們可以采樣計(jì)算出此裝置在該時(shí)段干煙氣的實(shí)際體積，最后得到煙塵在此時(shí)段的濃度值。

同時(shí)現(xiàn)場激光法煙塵傳感器實(shí)時(shí)發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)至PLC，用稱重法煙塵濃度矯正后，得到實(shí)時(shí)煙塵濃度值。技術(shù)流程如圖2所示。

圖 2 技術(shù)流程圖

該系統(tǒng)可設(shè)置手動控制和全自動控制兩種方式，手動控制即具有操作權(quán)限的工作人員可以對完成系統(tǒng)進(jìn)行單機(jī)運(yùn)行，由于手動操作控制的優(yōu)先控制權(quán)特點(diǎn)，操作人員可以在系統(tǒng)運(yùn)行過程中進(jìn)行手動調(diào)試，但不能影響系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；全自動控制是裝置自動完成正常運(yùn)行，也可以及時(shí)阻斷現(xiàn)場遇到的各種非正常的運(yùn)行情況，裝置可以進(jìn)行報(bào)警操作[3]。

2.1 硬件選型

裝置的硬件控制系統(tǒng)選用的是可編程控制器PLC的S7-300系列，CPU型號為緊湊型的CPU313C-2DP模塊，該模塊有3個30 KHZ的高速計(jì)數(shù)器，工作存儲區(qū)為128 KB[4]，具有32個數(shù)字量的I/O口，與上位機(jī)的通信是通過自帶的MPI接口，較強(qiáng)的控制能力可以對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，裝置中的各種傳感器通過16輸入/16輸出的接口與PLC進(jìn)行通信。該裝置的硬件類型及型號清單如表1所示。

表 1 系統(tǒng)硬件清單

2.2 工藝設(shè)計(jì)

正如圖1中所示，煙塵氣濃度自動監(jiān)測系統(tǒng)主要由這幾部分組成：取樣部分、稱重部分和煙氣分析部分、煙塵校對部分、上位機(jī)部分。

2.2.1 取樣部分按照國家標(biāo)準(zhǔn)《煙塵采樣器技術(shù)條件》（HJ/T 48-1999），本裝置設(shè)計(jì)是將S型皮托管與溫度計(jì)以及采樣管組成為一體，在采集煙塵參數(shù)時(shí)插入煙道，可以采集到現(xiàn)場的測點(diǎn)煙氣動壓、溫度、含濕量等一系列參數(shù)，根據(jù)國家環(huán)境保護(hù)總局的標(biāo)準(zhǔn)，我們將采集回來的參數(shù)經(jīng)PLC來計(jì)算出煙塵的等速采樣流量，通過調(diào)節(jié)采氣泵使得采樣流量與計(jì)算得出的等速采樣流量能夠保持一致，實(shí)現(xiàn)等速采樣[5]。

本裝置設(shè)計(jì)導(dǎo)氣管盡可能細(xì)，故導(dǎo)氣管選用12 mm*1 mm的聚四氟乙烯管，內(nèi)徑10 mm，保證煙氣流速在10 m/s以上，煙塵損失盡可能小。同時(shí)氣路盡可能短，測點(diǎn)至稱重前伴熱距離設(shè)計(jì)2 m，考慮到測點(diǎn)實(shí)際煙氣溫度只有50 ℃，該狀態(tài)煙氣中水分未完全氣化，溫控器控制伴熱溫度保持180 ℃。

2.2.2 稱重部分系統(tǒng)中的稱重部分指的是經(jīng)過取樣之后的煙氣進(jìn)入的設(shè)計(jì)。該部分設(shè)計(jì)簡易機(jī)械抓取臂，以它為圓心畫圓，設(shè)置四個工位，分別為：高溫濾膜盒、可升降高溫采樣器、微量電子天平、廢膜盒。圖3為示意圖。機(jī)械臂綁在步進(jìn)電機(jī)上，通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的移動，機(jī)械臂上綁有吸嘴與小氣泵，通過控制小氣泵的啟停實(shí)現(xiàn)吸放膜。每次采樣前，機(jī)械臂從高溫濾膜盒中吸取干凈的膜，天平稱重后，放入高溫采樣器。采樣時(shí)，保持采樣器密封嚴(yán)密，同時(shí)采樣空間溫度高于100 ℃，保證濾膜時(shí)刻干燥。對于煙塵塵重的計(jì)算，本文是采用的作差法，也就是對濾膜進(jìn)行兩次采樣30 min后，取出濾膜并稱量，通過作差求得煙塵塵重[6]。該部分煙塵濾膜濾膜采用直徑為90 mm的玻璃纖維濾膜，干凈單膜重約0.345 g，采樣30 min的積塵量約為1.5 mg，考慮濾膜的磨損程度等因素，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，本裝置同一張濾膜可重復(fù)采樣10次，每次采樣所需時(shí)長約40 min，故一天需要4張膜。濾膜盒設(shè)計(jì)可存放200張濾膜，可供系統(tǒng)連續(xù)采樣一個月，滿足自動監(jiān)測要求。對于稱重部分的微量電子天平，采用可讀性為0.1 mg的梅特勒-托利多TLE104電子天平。

2.2.3 冷凝部分經(jīng)過稱重后，為保證進(jìn)入采氣泵、渦輪流量計(jì)前的煙氣中不含水，同時(shí)煙氣溫度在0~20 ℃范圍內(nèi)，在管路中加入冷凝部分。該部分購買壓縮機(jī)原理制冷器，對采樣氣體不斷進(jìn)行制冷，此時(shí)氣體中的水分得到有機(jī)的分離。在每次采集完之后，利用電動排水閥可以排水，在冷凝完之后，利用管道中的溫度變送器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的冷凝效果。

圖 3 稱重部分結(jié)構(gòu)圖

2.2.4 煙氣分析部分本系統(tǒng)對于氣體的存儲選用的是400*150*150 mm的不銹鋼容器。本系統(tǒng)管道直徑為內(nèi)徑10 mm，測量含濕量、氧含量等傳感器一方面探頭較長，無法深入10 mm內(nèi)徑的管道；另一方面要求測量氣體流速<1 m/s，經(jīng)實(shí)驗(yàn)知當(dāng)60 L/min的煙氣流量從內(nèi)徑10 mm的管道進(jìn)入150 mm*150 mm的矩形管道，流速急劇減小，約0.04 m/s，滿足測量條件。

溫濕度傳感器選用美國OMEGA公司的HX-71，測量范圍0~99%，精度2.5%。使用溫濕度傳感器可知曉經(jīng)過冷凝部分后，水分是否被完全除盡，如果煙氣中還殘留水蒸氣，可用傳感器測量，實(shí)現(xiàn)干煙氣體積的準(zhǔn)確計(jì)量。氧氣傳感器選用北京昆侖海岸的氧化鋯傳感器，測量精度2%，可有效測量煙氣中的含氧量，為后續(xù)的折算煙塵濃度做準(zhǔn)備。

2.2.5 煙塵校對部分本文采用的稱重法是參照《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》（GB/T 16157-1996），國家標(biāo)準(zhǔn)中最可靠的測量含塵量的方法[7]?？紤]到本裝置濾膜稱重法單次采樣時(shí)間間隔為30 min，還無法做到實(shí)時(shí)在線采樣，現(xiàn)加入青島科迪博MODEL 3020激光煙塵濃度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測煙塵濃度，用作稱重法的對比，采樣期間，PLC不斷用稱重法數(shù)據(jù)校準(zhǔn)激光法數(shù)據(jù)，得到更精確的煙塵濃度值。

2.2.6 控制與上位機(jī)部分該部分包括PLC控制單元與WINCC監(jiān)控軟件，PLC將各監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、處理，一方面實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)煙塵測量等速采樣要求；另一方面控制機(jī)械臂轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)濾膜取放的操作，實(shí)現(xiàn)自動煙塵采樣，該部分通過計(jì)算采樣前后濾膜兩次稱重的差值，得到采樣時(shí)段的煙塵量，再計(jì)算該時(shí)段干煙氣采樣體積，得到稱重法濃度值。再不斷與激光法取得的濃度值進(jìn)行校對，對于采氣泵0~100 L/min的流量范圍，可以通過變頻器進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，改變管路中的流量變化，這就要求采用隔膜式的真空泵；流量計(jì)選用美國OMEGA渦輪系列流量計(jì)，同時(shí)在管路增加溫度、壓力變送器，實(shí)現(xiàn)溫壓補(bǔ)償。

本文的監(jiān)控軟件是利用西門子的WINCC軟件，WINCC軟件可以實(shí)時(shí)的繪制各個參數(shù)的曲線，也可以保存測量的煙塵濃度等各種參數(shù)。

2.3 系統(tǒng)通訊

控制系統(tǒng)PLC通過接收各傳感器的4~20 mA電流信號，完成煙塵采樣所需要的各部分動作。系統(tǒng)通訊是MPI通訊方式連接S7-300系列的PLC與WINCC上位機(jī)，其中在上位機(jī)上安裝了CP5611通訊卡，這樣就不需要PLC來編程[8]，只需要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置即可。其中系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖 4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煙塵氣濃度自動監(jiān)測裝置的軟件設(shè)計(jì)由西門子Step7 v5.1軟件和上位機(jī)的組軟件組成。本系統(tǒng)控制核心是PLC程序的設(shè)計(jì)，該部分實(shí)現(xiàn)測點(diǎn)各傳感器參數(shù)的讀取，等速采樣的控制，煙塵采樣的自動控制，以及煙塵濃度的校正折算。組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控與重要數(shù)據(jù)的存檔，也可通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的手動控制。

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)中用若干子程序模塊來組成系統(tǒng)程序，子程序模塊[9]可以在OB1主程序中直接調(diào)用，子程序模塊包括初始化程序、等速采樣控制程序、模擬量采集程序、采樣前濾膜準(zhǔn)備程序、采樣程序、采樣后濾膜稱重程序、煙塵濃度計(jì)算、煙塵校對程序、手動控制程序、系統(tǒng)自動控制程序、保護(hù)處理程序。程序流程圖如圖5所示。

圖 5 程序流程圖

3.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

本文采用WINCC 7.0軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)控并存儲重要的測點(diǎn)處煙塵各參數(shù)，擁有實(shí)時(shí)曲線與歷史曲線等記錄，為信息化建設(shè)提供較好的平臺。在軟件設(shè)計(jì)中增加了手自動按鈕，可以通過動畫模擬的方式，實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的自動化運(yùn)行，這樣可以提高系統(tǒng)的可控制性[10]。上位機(jī)程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖 6 上位機(jī)程序結(jié)構(gòu)

WINCC上位機(jī)監(jiān)控畫面包括煙塵氣濃度自動監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控主畫面，系統(tǒng)手動調(diào)試畫面，上位機(jī)中設(shè)置了兩個用戶登錄等級，分別為工程師和操作員設(shè)置，軟件可以進(jìn)行曲線制作，報(bào)表打印等功能，出現(xiàn)報(bào)警信息的時(shí)候會以彈窗的形式表示。WINCC監(jiān)控主畫面如圖7所示。

圖 7 WINCC監(jiān)控主畫面

4 結(jié)論

基于PLC的煙塵氣濃度自動監(jiān)測裝置通過濾膜稱重法與激光法的相互校正，保證煙塵濃度測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了煙塵濃度的在線監(jiān)測。同時(shí)控制變頻器的頻率實(shí)現(xiàn)煙塵采樣需要的等速采樣控制，以及煙氣冷凝、煙氣成分分析等步驟的自動化運(yùn)行。增加WINCC上位機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，完成數(shù)據(jù)的自動傳輸與存儲，提高了煙塵濃度測量的自動化水平。

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Design of an Automatic Monitoring Device for Soot Concentration Based on PLC

NIE Xiu-zhen1, HE Xiao-gang2

1.030073,2.030600,

Aiming at some problems such as large volume, expensive price and low efficiency, this paper put forward an automatic device for soot concentration monitoring based on PLC. The device adopted the principal weighing method and laser method as a subsidary to measure soot in the field and real-time data were collected and processed to be monitored by the WINCC host computer. The field application showed that the device could be able to automatically monitor soot concentration and there was a certain guiding significance for improving an air quality.

Programmable Logic Controller, PLC;soot concentration; automatic monitoring

X851

A

1000-2324(2019)02-0285-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.02.025

2018-03-02

2018-04-25

山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（工業(yè)）項(xiàng)目:在線式微量煙塵顆粒稱重系統(tǒng)的研發(fā)(201603D121011)

聶秀珍(1983-),女,碩士研究生,講師,研究方向:電子通信、控制理論與控制工程. E-mail:niexiuzhen610@163.com