張印強(qiáng)，程明霄

（南京工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院, 南京 210009 ）

0 引言

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)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(cè)、遠(yuǎn)程通訊等特點(diǎn)。由于設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中存在一定的失效性，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程故障診斷，對(duì)保證系統(tǒng)的可靠、連續(xù)運(yùn)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(shè)計(jì)了基于PLC和GPRS無(wú)線通信的遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)以PLC作為控制核心，基于自由口通信和GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的連接；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，現(xiàn)場(chǎng)故障時(shí)可進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷及處理，系統(tǒng)具有工作可靠、維護(hù)方便的特點(diǎn)。

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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及污染物的排放濃度、煙氣參數(shù)等信息；2）能對(duì)煙氣排放數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔和數(shù)據(jù)查詢；3）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障時(shí)能進(jìn)行故障報(bào)警和遠(yuǎn)程故障診斷，從而保證短時(shí)間內(nèi)排除故障。

整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層兩部分組成?，F(xiàn)場(chǎng)層由泵、閥、濕度儀、氣體分析儀、PLC以及人機(jī)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(shí)不斷監(jiān)測(cè)二氧化硫、氮氧化物、煙塵等被測(cè)信號(hào)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送給人機(jī)界面進(jìn)行顯示。現(xiàn)場(chǎng)層還能夠響應(yīng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的控制命令完成參數(shù)設(shè)置、手動(dòng)等功能。

系統(tǒng)選用的PLC是德國(guó)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(shí)對(duì)二氧化硫、氮氧化物、氧氣進(jìn)行濃度分析；濕度儀選用吉納波的HMS535C+。PLC的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)如下： 數(shù)字量輸入(DI) 點(diǎn)數(shù)為10點(diǎn)；數(shù)字量輸出( DO) 點(diǎn)數(shù)為10點(diǎn)；模擬量輸入( AI)為7個(gè)通道；模擬量輸出( AO)為2個(gè)通道，PLC的I/O接線示意圖如圖2所示。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和web服務(wù)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(shè)定等功能。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和煙氣排放數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊傳入GPRS網(wǎng)絡(luò)，再由GPRS網(wǎng)絡(luò)連接至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心對(duì)煙氣排放的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔。故障時(shí)，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心響應(yīng)用戶請(qǐng)求對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行分析，通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的知識(shí)庫(kù)，利用推理機(jī)進(jìn)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(shè)計(jì)

PLC控制程序完成模擬量信號(hào)的采集，并控制相應(yīng)的泵、閥等部件按工作流程運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)反吹、手動(dòng)、報(bào)警等功能。PLC控制程序包括初始化模塊、反吹模塊、蠕動(dòng)泵模塊、故障報(bào)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(guò)調(diào)用接收中斷、發(fā)送中斷、發(fā)送指令（XMT）、接受指令（RCV）來(lái)控制通信操作，利用自由口通信可通過(guò)GPRS無(wú)線通信模塊建立與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的連接，實(shí)時(shí)傳送監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并響應(yīng)遠(yuǎn)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(gè)或多個(gè)通信實(shí)體相互通信的全過(guò)程中所必須遵守的規(guī)約之集合?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及控制模塊需要每隔30秒將采集到的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和煙氣排放的相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，系統(tǒng)采用自定義的不定長(zhǎng)命令楨來(lái)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(jìn)制數(shù)“00”表示，結(jié)束符以十六進(jìn)制數(shù)“FF”表示，“00”開(kāi)始，“FF”結(jié)束的數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)完整的命令楨。發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、參數(shù)設(shè)定等指令編碼簡(jiǎn)單的以十六進(jìn)制數(shù)1、2、3等表示。數(shù)據(jù)塊之間以約定格式進(jìn)行分隔，采用異或和校驗(yàn)。通信程序流程如圖3所示。

通信過(guò)程中首先進(jìn)行初始化，設(shè)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(guò)來(lái)的命令字進(jìn)行命令解析，通過(guò)設(shè)置相應(yīng)標(biāo)志位來(lái)實(shí)現(xiàn)功能按鈕和閥門等的控制，若無(wú)控制命令每隔30秒將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)回遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。

2.1.2 GPRS通信

系統(tǒng)采用了西門子的無(wú)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(wú)線接入。開(kāi)機(jī)后首先對(duì)GPRS模塊進(jìn)行初始化，然后通過(guò)AT命令控制MC55模塊接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)網(wǎng)成功后與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，成功后即可進(jìn)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(lái)設(shè)置端口0的奇偶校驗(yàn)，字符的數(shù)據(jù)位數(shù)，波特率和通信協(xié)議,SMB87主要用來(lái)設(shè)置各種通信檢測(cè)條件,SMB88 設(shè)定信息字符的開(kāi)始字符,SMB89 設(shè)定信息字符的結(jié)束字符, SMB94 設(shè)置接收的最大字符數(shù)(1-255),程序代碼如下：

2.2 遠(yuǎn)程控制響應(yīng)

當(dāng)PLC接受到參數(shù)設(shè)定、手動(dòng)控制等遠(yuǎn)程控制命令后，M寄存器相應(yīng)位進(jìn)行置1操作，使用“或指令”將標(biāo)志位并聯(lián)在控制程序分支，可響應(yīng)遠(yuǎn)端控制命令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(kāi)機(jī)正常啟動(dòng)后10秒延時(shí)計(jì)數(shù)器，cg_alarm為除濕器報(bào)警，auto_manual為自動(dòng)／手動(dòng)按鈕，pump_manual為抽氣泵手動(dòng)，cal_output為校對(duì)，ball_valve_close為球閥關(guān)閉。抽氣泵本地控制時(shí)的開(kāi)啟條件包括自動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行正常、手動(dòng)狀態(tài)按下泵手動(dòng)按鈕、校對(duì)三種情況。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，利用M0.2作為泵開(kāi)啟的控制標(biāo)志位，當(dāng)PLC接收到來(lái)自遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的“泵開(kāi)啟”命令后將M0.2置1，此時(shí)便可直接控制抽氣泵開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。

2.3 故障報(bào)警

報(bào)警程序的梯形圖如圖5所示。

當(dāng)自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)氣體分析儀故障或除濕器故障時(shí)，5秒鐘計(jì)時(shí)器T44啟動(dòng)，若5秒內(nèi)一直有故障，則輸出故障信號(hào)。U23_error和cg_alarm分別代表分析儀和除濕器故障，error_sign為故障報(bào)警指示。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心可以監(jiān)控分布在不同現(xiàn)場(chǎng)的采集終端的運(yùn)行狀態(tài)和排放數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，并通過(guò)web服務(wù)器響應(yīng)用戶請(qǐng)求進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷與處理。

3.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心能接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)的處理后存檔，同時(shí)對(duì)外提供采集數(shù)據(jù)的Web 訪問(wèn)服務(wù)。由于有多臺(tái)數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心采用“線程池”技術(shù)和TCP/IP Socket接口進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器啟動(dòng)監(jiān)聽(tīng)線程響應(yīng)采集終端的數(shù)據(jù)連接，當(dāng)客戶端請(qǐng)求連接時(shí)根據(jù)線程池狀態(tài)啟動(dòng)“數(shù)據(jù)接受線程”進(jìn)行端口綁定和數(shù)據(jù)處理，客戶端斷開(kāi)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(shí)時(shí)、高效傳輸?shù)膯?wèn)題。系統(tǒng)采用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，方便對(duì)各種狀態(tài)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的分析管理，維護(hù)方便。

3.2 遠(yuǎn)程故障診斷

故障診斷是尋找故障原因的過(guò)程，包括狀態(tài)檢測(cè)、故障原因分析及劣化趨勢(shì)預(yù)測(cè)等功能，遠(yuǎn)程故障診斷專家系統(tǒng)由知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、推理機(jī)及人機(jī)接口組成[5-7]。

3.2.1 知識(shí)庫(kù)

知識(shí)庫(kù)是專家系統(tǒng)最重要的組成部分之一, 其主要功能是存儲(chǔ)和管理專家系統(tǒng)中的知識(shí)。知識(shí)庫(kù)的結(jié)構(gòu)形式取決于所采用的知識(shí)表示方法，這里將故障樹分析法和產(chǎn)生式規(guī)則表達(dá)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行知識(shí)的表示。

故障樹模型是一個(gè)基于研究對(duì)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(dǎo)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(hào)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(guò)對(duì)煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的故障特征進(jìn)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(gè)層次： 系統(tǒng)級(jí)、部件級(jí)、器件級(jí)等，其中系統(tǒng)級(jí)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(gè)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(bào)警引發(fā)的停止兩類。故障報(bào)警中僅有除濕器故障和負(fù)壓報(bào)警故障會(huì)引起抽氣泵停止，結(jié)合報(bào)警故障的具體原因?qū)⒐收蠘鋵訉蛹?xì)化。故障樹的子節(jié)點(diǎn)與父節(jié)點(diǎn)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(jī)

推理機(jī)是專家系統(tǒng)的另一個(gè)重要模塊，它根據(jù)用戶提供的故障征兆，利用知識(shí)庫(kù)中存貯的知識(shí)，按一定的推理策略逐步求解問(wèn)題。本專家系統(tǒng)采用正向推理的方法進(jìn)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(guò)程中首先選擇規(guī)則，再尋找對(duì)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(yǔ)

煙氣排放遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)采用了自動(dòng)連接與傳輸，通過(guò)GPRS無(wú)線通信將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集端與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心連接，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程故障診斷，大大提高了系統(tǒng)的可靠程度?；谏鲜龇桨冈O(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷系統(tǒng)已成功投入使用，實(shí)際使用效果良好。

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