鄧喆　 程永強(qiáng)

摘 要： 鑒于諸多現(xiàn)有大氣煙塵監(jiān)測(cè)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)流程繁瑣，監(jiān)測(cè)效率低等缺點(diǎn)，根據(jù)我國(guó)基于稱重法的煙塵固體顆粒物監(jiān)測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一種基于濾膜稱重法的在線式煙塵濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用PLC和WINCC上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)各部分進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)濾膜自動(dòng)加載要求，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理。使用該系統(tǒng)對(duì)太原二電廠現(xiàn)場(chǎng)煙塵濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了濾膜自動(dòng)加載以及在線式連續(xù)監(jiān)測(cè)和無(wú)人值守，對(duì)各種需要實(shí)時(shí)煙塵監(jiān)測(cè)的場(chǎng)所極具實(shí)用意義。

關(guān)鍵詞： 煙塵濃度監(jiān)測(cè)； 在線監(jiān)測(cè)； 濾膜稱重法； 可編程邏輯控制器； 機(jī)械手； WINCC

中圖分類(lèi)號(hào)： TN02?34； TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）11?0144?05

Design of on?line smoke concentration monitoring system

based on filter membrane weighing method

DENG Zhe， CHENG Yongqiang

（College of Information Engineering， Taiyuan University of Technology， Yuci 030600， China）

Abstract： The available smoke concentration monitoring methods can′t realize the on?line continuous monitoring， and has the defects of tedious monitoring process and low monitoring efficiency. On the basis of the national standards related to smoke solid particle monitoring based on weighing method， an on?line smoke concentration monitoring system based on filter membrane weighing method is put forward. The PLC and WINCC upper computer are used in the system to control each component of the system in real time， implement the automatic loading of filter membrane， and analyze and process the monitoring data in real time. This system was used to monitor the site smoke concentration of Taiyuan Second Thermal Power Plant in real time. The monitoring results show that the system can realize the automatic loading of filter membrane， on?line continuous monitoring and unattended running， and has extremely practical significance for various sites needing real?time smoke monitoring.

Keywords： smoke concentration monitoring； on?line monitoring； filter membrane weighing method； programmable logic controller； manipulator； WINCC

0 引 言

眾所周知，人類(lèi)的生存離不開(kāi)空氣，人們的生活質(zhì)量與大氣環(huán)境質(zhì)量息息相關(guān)。如何解決大氣環(huán)境問(wèn)題成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)，其中對(duì)大氣煙塵濃度的監(jiān)測(cè)尤為重要。當(dāng)前在線式煙塵監(jiān)測(cè)方法中，濾膜稱重法監(jiān)測(cè)結(jié)果不受煙塵顆粒物屬性限制，準(zhǔn)確率高，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中經(jīng)常被當(dāng)作其他監(jiān)測(cè)方法的對(duì)比方法，但缺點(diǎn)是該方法一般操作較繁瑣，測(cè)量周期比較長(zhǎng)，噪聲大，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[1]。根據(jù)濾膜稱重法的不足和國(guó)家關(guān)于煙塵濃度監(jiān)測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于濾膜稱重法的在線式煙塵濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中包括PLC控制濾膜自動(dòng)加載系統(tǒng)和稱重系統(tǒng)，大大改善了操作繁瑣問(wèn)題，使用WINCC組態(tài)軟件繪制監(jiān)測(cè)界面、煙塵濃度曲線和歷史數(shù)據(jù)表格，便于監(jiān)控人員實(shí)時(shí)監(jiān)控操作，保存的各項(xiàng)重要數(shù)據(jù)為后續(xù)分析研究提供了便利。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用濾膜稱重法，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，將采樣槍伸入煙道中，采樣嘴正對(duì)氣流方向，采樣前先打開(kāi)反吹泵進(jìn)行反吹；反吹結(jié)束后打開(kāi)吸氣泵進(jìn)行等速采樣，采集含有煙塵顆粒物的煙道氣體；煙氣流經(jīng)稱重系統(tǒng)，氣體中的煙塵顆粒物被截留在采樣筒內(nèi)部的濾膜上，根據(jù)采樣前后的濾膜重量差得到煙塵顆粒物的重量；將采樣后的氣體依次通過(guò)汽水分離器、雙氧水、變色硅膠等裝置，除去氣體中的水蒸汽和雜質(zhì)；根據(jù)流量計(jì)測(cè)得煙氣流量；再根據(jù)煙氣流量和煙塵顆粒物重量計(jì)算出煙塵濃度；最后將煙塵顆粒物重量、煙氣流量、煙塵濃度等重要數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)界面上，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存管理。

稱重系統(tǒng)是整套設(shè)備的核心，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，機(jī)械手在7個(gè)工位之間旋轉(zhuǎn)。

1） 系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，由于機(jī)械手所處位置未知，機(jī)械手順時(shí)針旋轉(zhuǎn)尋找起始位置，通過(guò)1號(hào)和6號(hào)位接近開(kāi)關(guān)監(jiān)測(cè)機(jī)械手，使機(jī)械手轉(zhuǎn)回1號(hào)位起始位置；

2） 機(jī)械手到達(dá)起始位置后，通過(guò)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)各工位上是否有濾膜，若某工位上有濾膜，機(jī)械手轉(zhuǎn)到該工位吸取濾膜，然后轉(zhuǎn)到7號(hào)廢膜筒處丟棄濾膜；

3） 機(jī)械手重新轉(zhuǎn)回起始位置，吸取2號(hào)位濾膜筒內(nèi)的初始濾膜，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到3號(hào)烘干位置，對(duì)初始濾膜進(jìn)行烘干處理；

4） 機(jī)械手吸取干燥濾膜，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到5號(hào)位電子天平處，稱取初始濾膜質(zhì)量[m0]；

5） 機(jī)械手吸取稱重后濾膜，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到4號(hào)位采樣筒處，將濾膜放入采樣筒內(nèi)，閉合采樣筒，開(kāi)始抽氣采樣；

6） 采樣完成后，打開(kāi)采樣筒，機(jī)械手吸取采樣后濾膜，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到3號(hào)烘干位置，對(duì)采樣后濾膜進(jìn)行烘干處理；

7） 機(jī)械手吸取干燥濾膜，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到5號(hào)位電子天平處，稱取采樣后濾膜質(zhì)量[m1]；

8） 若[m1≥mmax]（濾膜承載上限質(zhì)量），機(jī)械手吸取濾膜，順時(shí)針轉(zhuǎn)到7號(hào)位廢膜筒位置將濾膜丟棄，若[m1

9） 丟棄濾膜后，機(jī)械手順時(shí)針轉(zhuǎn)回1號(hào)位起始位置，等待下一個(gè)稱重命令。

2 系統(tǒng)控制方案

該系統(tǒng)采用全自動(dòng)控制方式，自動(dòng)控制即通過(guò)按下啟動(dòng)按鈕操作完成系統(tǒng)的單機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，無(wú)需人工干預(yù)；全自動(dòng)控制指根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求和參數(shù)設(shè)定實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并能夠及時(shí)阻斷各種非正常運(yùn)行，同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警[2]。

采樣裝置前端裝有皮托管和溫度變送器，溫度變送器可以測(cè)得煙道中的實(shí)時(shí)溫度，皮托管可以測(cè)得煙道中煙氣的動(dòng)壓和靜壓[3]。動(dòng)壓與靜壓的差值為差壓值[ΔP]，差壓與煙氣流速成正比關(guān)系，通過(guò)式（1）和式（2）可以計(jì)算得到煙氣流速[Vs]（單位：m/s）。測(cè)得流速大小以后可以使用PLC的PID模塊對(duì)采樣的吸氣泵進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)[4]，從而實(shí)現(xiàn)等速采樣。

[Vs=1.414×Kp×Pdρ] （1）

[ρ=1.34×273273+ts×Ba+Ps101.325] （2）

式中：[Kp]為皮托管系數(shù)；[Pd]為煙氣動(dòng)壓；[Ps]為煙氣靜壓；[ρ]為煙氣濃度；[ts]為煙氣溫度；[Ba]為大氣壓強(qiáng)。

計(jì)算出煙氣的實(shí)時(shí)流速[Vs]后，再根據(jù)式（3）和式（4）計(jì)算得到煙塵濃度[C]。

[V=Qs×t] （3）

[C=mn-mn-1V×106] （4）

式中：[n]為大于1的正整數(shù)；[m0]為初始濾膜質(zhì)量；[m1]為第一次采樣后濾膜質(zhì)量；[mn]為第[n]次采樣后濾膜質(zhì)量；[V]為干氣體的體積；[Qs]為流量計(jì)測(cè)得的氣體流量；[t]為采樣時(shí)間。

2.1 硬件選型

控制系統(tǒng)PLC選用德國(guó)西門(mén)子公司S7?200系列的CPU224型號(hào)，該型號(hào)PLC一共有24個(gè)I/O點(diǎn)，14個(gè)輸入點(diǎn)，10個(gè)輸出點(diǎn)。它可以連接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[5]；同時(shí)具有2個(gè)RS 485通信口，RS 485通信口可連接計(jì)算機(jī)，通過(guò)PC Access軟件完成與WINCC上位機(jī)的通信，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的在線監(jiān)控。

1，6號(hào)位接近開(kāi)關(guān)選用的是電感式PNP直流三線常開(kāi)開(kāi)關(guān)，型號(hào)為L(zhǎng)J18A3?8?Z/BY，工作電壓為24 V，電流為300 mA，能迅速精準(zhǔn)地檢測(cè)到機(jī)械手位置。

3號(hào)烘干處選用的是額定電壓24 V、額定功率50 W的加熱板，通電時(shí)表面溫度可達(dá)到220 ℃左右，可以快速將濾膜烘干。

5號(hào)位電子天平選用的是梅特勒?托利多TLE104E型號(hào)，精度可達(dá)到ug級(jí)別，可以準(zhǔn)確稱量煙塵顆粒物的質(zhì)量。該天平具有RS 232的通信接口，可使用RS 232轉(zhuǎn)RS 485的數(shù)據(jù)線與PLC的RS 485通信口連接，從而實(shí)現(xiàn)PLC與電子天平的數(shù)據(jù)交換。它還提供一系列完整的指令，可以使用PLC對(duì)天平進(jìn)行完整的控制。

2.2 稱重系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

稱重系統(tǒng)包括多個(gè)工位，為滿足系統(tǒng)測(cè)量精度，需對(duì)多個(gè)裝置進(jìn)行特別定制，其中包括濾膜筒部分、采樣筒部分、廢棄筒部分、控制部分、機(jī)械手部分和上位機(jī)部分。

2.2.1 濾膜筒部分

濾膜筒結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，濾膜筒底部同心圓（半徑為30 mm）上固定三根彈簧，彈簧上方放置一個(gè)方形托盤(pán)，將100張直徑為90 mm的圓形濾膜和100張邊長(zhǎng)為90 mm的方形濾紙交替疊放在托盤(pán)上，彈簧處于壓縮狀態(tài)。機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到濾膜筒位置，吸取最上面的一張濾膜，彈簧向上彈起些許距離，此時(shí)最上面一張為濾紙，方形濾紙四角被濾膜筒四角上的四個(gè)擋片擋住。由于濾膜透氣，采用濾膜濾紙交替放置和濾膜筒四角有擋片的設(shè)計(jì)，可以保證每次只吸取一張濾膜，無(wú)需對(duì)濾膜做任何特殊處理，將濾紙丟棄后可循環(huán)取膜，為后續(xù)稱重環(huán)節(jié)做好準(zhǔn)備。

濾膜選用的是直徑為90 mm的超細(xì)玻璃纖維濾膜，對(duì)大氣煙塵顆粒物的捕獲率達(dá)到99%以上。

2.2.2 采樣筒部分

采樣筒結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，采樣筒由上下兩部分組成。采樣筒上部頂端裝有電動(dòng)推桿裝置，電動(dòng)推桿選用的是最大行程為210 mm、最大載重為15 kg的220 V交流電動(dòng)推桿，由24 V直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在電動(dòng)推桿作用下可實(shí)現(xiàn)采樣筒上下開(kāi)合。采樣筒下部中放置濾膜托盤(pán)，托盤(pán)上放置PTFE平墊，機(jī)械手吸取濾膜旋轉(zhuǎn)到采樣筒位置后，濾膜掉落到墊片上。濾膜托盤(pán)為不銹鋼材質(zhì)，托盤(pán)上布滿直徑為5 mm的小孔，采樣時(shí)煙氣可從小孔通過(guò)，同時(shí)可避免濾膜受氣流沖擊發(fā)生形變。采樣筒上下部分端口處設(shè)計(jì)成斜口狀，為采樣筒精準(zhǔn)閉合提供一定的自由度，端口處的凹槽內(nèi)裝有PTFE密封圈，確保抽氣采樣時(shí)采樣筒的氣密性良好。

2.2.3 廢棄筒部分

廢棄筒尺寸與濾膜筒相同，內(nèi)部為空，上端四角無(wú)擋片，當(dāng)機(jī)械手吸取的是濾紙或過(guò)載濾膜時(shí)，機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到廢棄筒位置，將其丟棄到廢棄筒內(nèi)。

2.2.4 控制部分

該部分包括PLC控制單元，PLC對(duì)各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，最終控制采氣流量[6]。該部分流量計(jì)選用北京七星CS230系列質(zhì)量流量計(jì)，輸入煙氣系數(shù)后，該流量計(jì)可直接輸出管路中標(biāo)況下流量；采氣泵選用隔膜式真空泵，流量范圍為0～100 L/min，通過(guò)變頻器可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)管路中流量的變化。

2.2.5 機(jī)械手部分

機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，機(jī)械手前端上部裝有電磁鐵，電磁鐵選用直流24 V、最大行程為15 mm的微型電磁鐵；電磁鐵前端裝有用于接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)的鐵片，電磁鐵下端裝有吸嘴座，吸嘴座底端裝有真空吸嘴，吸嘴座側(cè)面通過(guò)橡膠管連接吸氣泵，吸氣泵選用直流24 V的小型真空吸氣泵；電磁鐵控制真空吸嘴上下移動(dòng)，吸氣泵控制吸嘴吸取濾膜；機(jī)械手尾端與步進(jìn)電機(jī)軸固定，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)使機(jī)械手旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)選用諾力28GP?28H250E10型號(hào)的行星減速步進(jìn)電機(jī)，配套使用NL?BJH?01型號(hào)的二相混合式驅(qū)動(dòng)器，精度最高為3 200步/轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手精準(zhǔn)定位。

2.2.6 上位機(jī)部分

上位機(jī)采用西門(mén)子WINCC軟件繪制，實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)工作情況，形成歷史存檔。

2.3 系統(tǒng)通信

綜合控制系統(tǒng)PLC通過(guò)接收各變送器的4～20 mA信號(hào)，控制系統(tǒng)各部分運(yùn)行，優(yōu)化PID算法，實(shí)現(xiàn)整個(gè)稱重過(guò)程。WINCC與PLC之間的通信依靠通信驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)PC Access軟件與PLC、上位機(jī)分別通信，上位機(jī)可獲取在線煙塵稱重系統(tǒng)的運(yùn)行情況[7]。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括PLC程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)程序設(shè)計(jì)兩部分。PLC程序設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，其中包括控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各部分精準(zhǔn)運(yùn)行和實(shí)時(shí)采集在線數(shù)據(jù)；上位機(jī)程序設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)中各部分的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并生成數(shù)據(jù)存檔，同時(shí)可以通過(guò)更改或設(shè)置上位機(jī)參數(shù)來(lái)協(xié)同PLC控制。

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化編程思想，將整個(gè)程序分為若干個(gè)子程序模塊，通過(guò)在OB1主程序中對(duì)各子程序模塊進(jìn)行組合、調(diào)用[8]。在本系統(tǒng)中，子程序模塊包括系統(tǒng)初始化模塊、機(jī)械手尋找起始位置程序、吸取濾膜程序、濾膜烘干程序、濾膜稱重程序、煙塵采樣程序，濾膜重復(fù)使用模塊，丟棄濾膜程序等。程序流程圖如圖7所示。

3.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用西門(mén)子WINCC 7.0軟件，該軟件具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)功能，可以實(shí)時(shí)保存重要的檢測(cè)數(shù)據(jù)和故障信息，進(jìn)行事件記錄，為報(bào)表處理及事故調(diào)查提供支持[9]。本系統(tǒng)運(yùn)行狀況用指示燈顯示，在界面將各數(shù)據(jù)予以表示，同時(shí)用報(bào)表的形式儲(chǔ)存歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警信息，供環(huán)保部門(mén)等職能管理部門(mén)及時(shí)掌握在線式煙塵濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況[10]。上位機(jī)程序結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

上位機(jī)監(jiān)控界面分為三部分：監(jiān)控主畫(huà)面、煙塵濃度趨勢(shì)圖畫(huà)面、煙塵濃度表格畫(huà)面。監(jiān)控主畫(huà)面如圖9所示，從主界面中可以直觀地看到各種重要參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)值，如煙氣流速、天平讀數(shù)、煙塵質(zhì)量、流量讀數(shù)、煙塵濃度值等，同時(shí)狀態(tài)指示區(qū)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行情況；煙塵濃度趨勢(shì)圖畫(huà)面顯示煙塵濃度曲線；煙塵濃度表格畫(huà)面顯示各種重要的歷史數(shù)據(jù)。

選取2016年3月6日為實(shí)例，將本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)儀表所測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示，結(jié)果顯示本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)效果良好，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

4 結(jié) 論

基于濾膜稱重法的在線式煙塵濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)PLC控制步進(jìn)電機(jī)和機(jī)械手上的吸氣泵和電磁鐵實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加載和丟棄濾膜；通過(guò)PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)煙道氣體的等速采樣；同時(shí)通過(guò)控制接近開(kāi)關(guān)、加熱板、電子天平等實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)機(jī)械手位置、濾膜烘干、濾膜稱重等步驟的全自動(dòng)化；通過(guò)WINCC組態(tài)軟件繪制監(jiān)測(cè)組態(tài)界面，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全自動(dòng)化控制和煙塵濃度監(jiān)測(cè)重要數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，大大提高了監(jiān)測(cè)效率，增強(qiáng)了在線式煙塵濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。

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