唐慧鋒
摘要:該文結(jié)合遠(yuǎn)程在線多通道環(huán)境氣體采樣儀設(shè)計(jì)開發(fā)項(xiàng)目實(shí)例,論述了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與PLC控制技術(shù)為核心的遠(yuǎn)程多通道分時(shí)氣體采樣裝置的設(shè)計(jì),通過(guò)優(yōu)化通道設(shè)計(jì),利用PLC的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道分時(shí)采樣,無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程控制繼電器的開合來(lái)觸發(fā)PLC。本裝置解決了人工現(xiàn)場(chǎng)看守氣體采樣及有毒有害氣體環(huán)境下氣體采樣問(wèn)題。
關(guān)鍵詞:分時(shí)采樣裝置;多通道采樣;遠(yuǎn)程控制;PLC控制;氣體采樣
中圖分類號(hào):TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1009-3044(2022)18-0100-03
開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID):
目前國(guó)內(nèi)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)、汽車尾氣排放、燃燒物等污染源的監(jiān)測(cè)主要分兩類在線監(jiān)測(cè)與手工監(jiān)測(cè)。在線監(jiān)測(cè)對(duì)于復(fù)雜成分氣體分析難度較大,有時(shí)候還需要手工采樣氣體樣品到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步分析[1]。針對(duì)手工監(jiān)測(cè)我們國(guó)家也有相關(guān)的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn),比如《HJ 194-2017 環(huán)境空氣質(zhì)量手工監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》《GB37822-2019 揮發(fā)性有機(jī)物無(wú)組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)》,這些規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)中都提到使用直接采樣法采集瞬時(shí)樣品,1小時(shí)內(nèi)等時(shí)間間隔采集3-4個(gè)樣品。
等時(shí)間間隔的采樣,對(duì)樣品數(shù)據(jù)分析有很大的幫助。目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中是一個(gè)通道的采樣裝置,一個(gè)小時(shí)內(nèi)采集3-4個(gè)樣品,一個(gè)氣體樣品采樣結(jié)束后,手工換上新的氣體采樣袋,然后定時(shí)采樣,需要人工值守在旁邊,直到采樣結(jié)束。對(duì)于長(zhǎng)期從事污染源采樣的工作人員滯留污染源時(shí)間長(zhǎng)對(duì)健康不利,同時(shí)工作效率不高,時(shí)間間隔誤差。本文討論基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程多通道分時(shí)氣體采樣裝置相對(duì)于傳統(tǒng)一個(gè)通道的氣體采樣裝置,具有安全、高效等時(shí)間間隔等優(yōu)點(diǎn)的氣體采樣裝置。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程多通道分時(shí)氣體采樣裝置分為下位機(jī)與上位機(jī),如圖1:
上位機(jī)是由服務(wù)器和客戶端組成,客戶端與服務(wù)器建立連接后,客服端可以讀取服務(wù)器相關(guān)數(shù)據(jù),知道GPRS模塊是否通電,以及用于控制PLC電源的繼電器P1是否閉合,觸發(fā)PLC工作的繼電器P2是否閉合。下位機(jī)的GPRS無(wú)線數(shù)傳通信模塊開發(fā)板通電情況下,客戶端通過(guò)修改服務(wù)器的相關(guān)數(shù)據(jù),可以控制PLC電源的繼電器P1是開或閉合,觸發(fā)PLC工作的繼電器P2開或閉合。
本文介紹的是2通道設(shè)計(jì),大于2通道的設(shè)計(jì)可以根據(jù)本文介紹的原理擴(kuò)展。
采樣裝置的硬件部分由PLC控制器帶觸摸屏一體機(jī)、GPRS無(wú)線數(shù)傳通信模塊開發(fā)板,繼電器2個(gè)、電磁閥2個(gè)、泵1個(gè)、電池模塊輸出12V與24V兩種電壓值、真空采樣箱2個(gè)、氣體采樣袋2個(gè)等組成。
下位機(jī)的GPRS模塊通電后與服務(wù)器建立連接,將用于控制PLC電源的繼電器P1是否閉合,觸發(fā)PLC程序工作的繼電器P2是否閉合,這兩個(gè)繼電器的狀態(tài)信息反饋給服務(wù)器??刂芇LC電源的繼電器閉合,PLC通電,觸發(fā)PLC程序工作的繼電器P2閉合,PLC按照設(shè)置的時(shí)間序列進(jìn)行工作。電源模塊24V電源供給PlC,12V供給GPRS模塊與泵及控制氣路的電磁閥。
2 裝置硬件設(shè)計(jì)
2.1 物聯(lián)網(wǎng)通信模塊
GPRS通信技術(shù)是一項(xiàng)基于TCP/IP協(xié)議的無(wú)線通信傳輸技術(shù),GPRS具有傳輸速度快,按照數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi),本系統(tǒng)只是傳輸幾個(gè)開關(guān)量,數(shù)量量很小,按照流量計(jì)費(fèi)可以使得系統(tǒng)流量費(fèi)用非常經(jīng)濟(jì)[2-4]。一般GPRS模塊與MCU控制器串口通信,控制器控制繼電器或外設(shè),GPRS模塊與服務(wù)器建立連接。本文選用GPRS無(wú)線數(shù)傳通信模塊開發(fā)板 ,該開發(fā)板應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí),無(wú)須外掛MCU控制器,開發(fā)板帶有GPIO引腳用于控制繼電器,通過(guò)直接使用GPRS無(wú)線數(shù)傳通信模塊開發(fā)板廠家提供的SDK開發(fā)包或腳本語(yǔ)言,調(diào)用API函數(shù)與服務(wù)器建立連接,根據(jù)通信模塊下位機(jī)收到服務(wù)器發(fā)來(lái)的指令,來(lái)設(shè)置pio.P0_4與pio.P0_5來(lái)控制狀態(tài),繼而達(dá)到控制繼電器P1或P2的開與合[2]。圖2是pio.P0_4控制繼電器P1。
2.2 負(fù)壓箱設(shè)計(jì)
2.2.1 負(fù)壓箱設(shè)計(jì)
負(fù)壓箱采用密封性能比較好的長(zhǎng)方體塑料箱,塑料箱帶上蓋,箱體側(cè)面裝兩個(gè)接口,其中一個(gè)接口裝上單向閥門,氣源的氣體可以進(jìn)入負(fù)壓箱體里面的氣體采樣袋;該接口的外部通過(guò)硅膠軟管或聚四氟乙烯管延伸到氣源,接口另一頭在箱體內(nèi),用硅膠軟管或聚四氟乙烯連接單向閥門進(jìn)氣端,單向閥門的出氣端,通過(guò)硅膠軟管或聚四氟乙烯接到氣體采樣袋閥門進(jìn)氣咀上。另一個(gè)接口是里外直通的,接口外部通過(guò)硅膠軟管或聚四氟乙烯連接到采樣裝置的通道一或通道二;為了保護(hù)泵,可以在這個(gè)氣路管中間上安裝一個(gè)過(guò)濾吸附裝置,比如活性炭過(guò)濾,吸附空氣中水汽、顆粒物、腐蝕性氣體等。
2.2.2 負(fù)壓箱采樣工作原理
當(dāng)氣體采樣袋閥門打開狀態(tài)下,蓋上負(fù)壓箱上蓋,通道抽氣,負(fù)壓箱形成負(fù)壓,為了使得箱體內(nèi)壓力平衡,氣源的氣體通過(guò)管路流到袋子里面。單向閥門作用是氣源的氣體一旦進(jìn)入氣體采樣袋里面,氣體樣品就一直留在氣體采樣袋中,等待人工開箱取出氣體采樣袋樣品氣體。通過(guò)這個(gè)原理實(shí)現(xiàn)了氣體采樣袋氣體樣品取樣。工作人員只要打開箱體上蓋,關(guān)上氣體采樣袋上面的閥門,拔下連到氣體采樣袋閥門氣咀的管子,然后重新?lián)Q上新的氣體采樣袋,可以繼續(xù)下次的氣體樣品采樣。
2.3 多通道設(shè)計(jì)
2.3.1 多通道并行設(shè)計(jì)
多通道設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)多通道分時(shí)氣體采樣裝置的核心裝置,本系統(tǒng)主要是泵吸氣方式來(lái)采集氣體樣品,2個(gè)氣路分別連接到外部的負(fù)壓箱,為了兩個(gè)負(fù)壓箱單獨(dú)工作,設(shè)備里面的內(nèi)部氣路需要并行設(shè)計(jì),從泵抽氣管分出兩個(gè)并行氣路,在每個(gè)氣路上設(shè)置一個(gè)電磁氣閥,電磁閥的進(jìn)氣端與外部的負(fù)壓箱相連,電磁閥的出氣端與泵分出的氣路相連。
2.3.2 多通道并行設(shè)計(jì)控制過(guò)程
當(dāng)電磁氣閥開的狀態(tài),泵工作,那么這一氣路通,泵可以抽到該氣路相連的負(fù)壓箱里面的氣體,使得負(fù)壓箱形成真空度,從而使得負(fù)壓箱里面的氣體采樣袋吸到箱外面的氣源氣體。采樣時(shí)間到,電磁閥門關(guān)閉,泵停止工作,氣體采樣袋采集到這段時(shí)間段的氣體量。等待間隔一定時(shí)間,可以啟動(dòng)第二個(gè)通道進(jìn)行相同的采樣。
2.3.3 多通道并行設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)
并行設(shè)計(jì)的好處是每個(gè)并行氣路是單獨(dú)工作,可以做到一個(gè)通道工作,泵的吸氣能力都集中到這個(gè)通道上,其他通道氣路是處于中斷狀態(tài)。從這個(gè)原理上來(lái)說(shuō),同樣一個(gè)泵,2個(gè)通道的裝置與20個(gè)通道的裝置,隨著通道數(shù)量的增加,泵的處理能力還是一樣的,不受通道數(shù)量的增加而減弱。這種并行設(shè)計(jì)對(duì)以后裝置通道數(shù)量的擴(kuò)充非常有利;通道與通道間是獨(dú)立分開可以實(shí)現(xiàn)分時(shí)采樣獲得的不同時(shí)間點(diǎn)氣體樣品,只要事先將每個(gè)通道的負(fù)壓箱及氣體采樣袋按照要求放好,設(shè)置每個(gè)通道的采樣時(shí)間,每個(gè)通道間的間隔時(shí)間,中間時(shí)間不需要手工去處理,比如取下已經(jīng)采樣好的氣體采樣袋,然后換上新的氣體采樣袋,人工值守旁邊看著時(shí)間等著氣體采樣,再取下已經(jīng)采樣好的,準(zhǔn)備再換新的氣體采樣袋。
2.3.4 通道并行設(shè)計(jì)與單通道相比的優(yōu)勢(shì)
相對(duì)于一個(gè)通道的采樣裝置,要做到間隔時(shí)間比較短的采樣工作,是沒有辦法實(shí)現(xiàn)的,取下已經(jīng)采集好的氣體采樣袋,然后再換上新的氣體采樣袋,每次都要打開負(fù)壓箱及拔插氣體采樣袋的需要時(shí)間。多通道設(shè)計(jì)從原理上說(shuō)通道與通道的時(shí)間間隔是由程序控制,時(shí)間間隔可以做到非小,比如秒級(jí)的時(shí)間間隔。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 通信模塊設(shè)計(jì)
調(diào)用GPRS無(wú)線數(shù)傳通信模塊開發(fā)板自帶的SDK開發(fā)包或者廠家提供的腳本語(yǔ)言,編寫下位機(jī)程序。服務(wù)器端可以用Vc++開發(fā)環(huán)境,用C語(yǔ)言調(diào)用windows自帶的SDK包winsock編寫服務(wù)器軟件,數(shù)據(jù)可以存到access 數(shù)據(jù)庫(kù)或者用數(shù)據(jù)文件直接存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。客戶端可以直接用C、Perl語(yǔ)言編寫CGI程序直接讀取服務(wù)器里面的數(shù)據(jù)文件,web界面作為登錄界面[3-5]??蛻舳艘部梢允俏⑿判〕绦蜃鳛榭头伺c服務(wù)器端通過(guò)HTTP協(xié)議建立通信??梢岳梦⑿诺腁PI函數(shù)建立WebSocket連接,wx.connectSocket(),wx.onSocketOpen(),wx.sendSocketMessage(),wx.closeSocket()通過(guò)這四個(gè)函數(shù),可以與服務(wù)器先建立連接、打開連接、向服務(wù)器發(fā)送消息、然后關(guān)閉連接。下面的代碼是在luat開發(fā)模式的lua腳本編寫的通信模塊下位機(jī)客戶端部分程序,繼電器P1與繼電器P2分別由pio.P0_4與pio.P0_5來(lái)控制,首先通過(guò)pio.pin.setdir()pio.pin.setval()設(shè)置pio.P0_4與pio.P0_5的輸出方向及電平,通過(guò)socket通信,Socket.isReady()來(lái)判斷SOCKET是否有可用,如果socket有用則創(chuàng)建一個(gè)socketclient=socket.tcp(),然后通過(guò)Socketclient:connect(ipaddress,port)建立連接,連接成功后一直循環(huán)接收服務(wù)器的數(shù)據(jù),然后把數(shù)據(jù)又發(fā)送給服務(wù)器,直到接收數(shù)據(jù)不成功,跳出循環(huán),Socketclient:close()斷開socket連接。程序里面接收到data數(shù)據(jù)為open1就設(shè)置pio.P0_4為高電平,繼電器P1閉合;接收到data是close1設(shè)置pio.P0_4為低電平,繼電器P1斷開,下面是lua腳本代碼關(guān)于socket的通信代碼:
pio.pin.setdir(pio,OUTPUT,pio.P0_4)
pio.pin.setdir(pio,OUTPUT,pio.P0_5)
pio.pin.setval(0,pio.P0_4)
pio.pin.setval(0,pio.P0_5)
Local result, data
If Socket.isReady() then
Local socketclient=socket.tcp();
If Socketclient:connect(ipaddress,port) then
While true do
result,data=socketclient.recv(1000)
If result then
If data==open1 then
pio.pin,setval(1,pio.p0_4)
result=socketclient.send(data)
elseif data==close1
pio.pin,setval(0,pio.p0_4)
result=socketclient.send(data)
elseif data==open2
pio.pin,setval(1,pio.p0_5)
result=socketclient.send(data)
elseif data==close2
pio.pin,setval(0,pio.p0_5)
result=socketclient.send(data)
end
else
log.info("接收數(shù)據(jù)不成功",data)
break
end
end
else
log.info("socketconnect不成功",“連接不成功"
end
Socketclient:close()
end
3.2 PLC軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)控制器是PLC觸摸屏一體,PLC的輸入X0作為啟動(dòng)控制程序的開關(guān),GPRS無(wú)線數(shù)傳通信模塊開發(fā)板控制繼電器P2用來(lái)控制這個(gè)X0開與關(guān)。在程序啟動(dòng)前,設(shè)置好時(shí)間參數(shù),通道一工作時(shí)間,通道一與通道二間隔時(shí)間,通道二工作時(shí)間。如果泵是流量可調(diào)泵,設(shè)置好泵的流量。這些參數(shù)是根據(jù)袋子大小,負(fù)壓箱的大小,采樣時(shí)間點(diǎn)來(lái)控制。若選用的泵是帶脈沖調(diào)速控制接口,通過(guò)改變占空比來(lái)改變泵電機(jī)轉(zhuǎn)速,從而調(diào)節(jié)流量;如果選擇泵不帶脈沖調(diào)速控制接口的直流泵,直接接通正負(fù)極電源,泵即可工作。本系統(tǒng)對(duì)流量要求不高,就直接可以選用不帶脈沖調(diào)速接口的泵,通過(guò)PLC的輸出Y4來(lái)控制泵的開與關(guān)。Y5輸出控制電磁閥門第一個(gè)通道,Y6輸出控制電磁閥第二個(gè)通道。X0閉合,輸出Y4,輸出Y5,通道一工作,工作時(shí)長(zhǎng)T1,T1時(shí)間到,關(guān)閉輸出Y4,Y5;T1時(shí)間到,T2開始計(jì)時(shí),T2作為通道一與通道二時(shí)間間隔,T2時(shí)間未到時(shí),通道二工作前的等待;T2時(shí)間到,T3開始計(jì)時(shí),輸出Y4,Y6,通道二開始工作,時(shí)長(zhǎng)T3,T3時(shí)間到,關(guān)閉Y4,Y6,整個(gè)采樣結(jié)束。程序流程圖如圖3:
4 系統(tǒng)調(diào)試
準(zhǔn)備2個(gè)10升容量的負(fù)壓箱(箱子尺寸內(nèi)尺寸長(zhǎng)寬高:260×200×180mm),1L氣體采樣袋2個(gè)(膜材質(zhì):PVDF薄膜,E-Switch的聚丙烯閥門 ,尺寸長(zhǎng)寬:240×160mm,上海申源科學(xué)儀器有限公司)按照要求連接到控制設(shè)備上,手機(jī)打開微信搜索申源物聯(lián),找到申源物聯(lián)小程序,登錄小程序,找到需要控制的設(shè)備,然后點(diǎn)擊開設(shè)備,PLC通電并啟動(dòng),設(shè)備的泵的流量是10L/min,根據(jù)袋子大小及箱子大小,設(shè)置通道1與通道2的時(shí)間30秒左右,設(shè)置通道1與通道2的時(shí)間間隔5分鐘。手機(jī)客戶端點(diǎn)擊采樣工作按鈕,泵開始工作,通道1打開,氣源的氣體慢慢進(jìn)入負(fù)壓箱內(nèi)的采樣袋,30秒到,泵停止工作,通道1關(guān)閉,中間等待5分鐘后,泵開啟,通道2打開,第二個(gè)負(fù)壓箱內(nèi)的氣體采樣袋進(jìn)行采樣,30秒到,泵停止工作,通道2關(guān)閉,結(jié)束采樣。裝置按照預(yù)設(shè)的時(shí)間正常工作。
通道1與通道2的工作時(shí)間,開始設(shè)置時(shí)間不要過(guò)長(zhǎng),可以嘗試幾次知道多大的負(fù)壓箱對(duì)應(yīng)于多大的袋子,時(shí)間多長(zhǎng),把這些經(jīng)驗(yàn)值記錄到系統(tǒng)的常用容量表中。
若系統(tǒng)通道數(shù)擴(kuò)張到4通道,使用直接采樣法采集瞬時(shí)樣品,1小時(shí)內(nèi)時(shí)間間隔采集3-4個(gè)樣品。該設(shè)備符合《HJ 194-2017 環(huán)境空氣質(zhì)量手工監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》《GB37822-2019 揮發(fā)性有機(jī)物無(wú)組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)》。實(shí)物圖如圖4:
5 結(jié)論與建議
綜上所述,本裝置利用GPRS無(wú)線通信技術(shù)模塊開發(fā)板及PLC控制器、泵、繼電器、電磁閥、負(fù)壓箱、氣體采樣袋等,客戶端、服務(wù)器、下位機(jī)三者結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程多通道分時(shí)氣體樣品采樣。上位機(jī)微信小程序連接服務(wù)器,發(fā)送指令給通信模塊,作為遠(yuǎn)程觸發(fā)通道工作的開關(guān)。通道間并列設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)每個(gè)通道單獨(dú)控制,利用PLC時(shí)間序列實(shí)現(xiàn)分時(shí)。試驗(yàn)表明:本文只是介紹了2個(gè)通道,當(dāng)然可以按照本文的原理可以擴(kuò)張更多的通道,該系統(tǒng)可以很好解決遠(yuǎn)程規(guī)定時(shí)間內(nèi)等時(shí)間間隔多個(gè)氣體樣品采樣,方便針對(duì)同一點(diǎn)氣源,在不同時(shí)間點(diǎn)氣體樣品收集,或者在一些有毒氣體場(chǎng)合,不方便工作人員現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間停留等待取樣的場(chǎng)景,這個(gè)裝置取樣安全、簡(jiǎn)單、使用方便。對(duì)環(huán)境空氣手工監(jiān)測(cè)以及無(wú)組織排放氣體樣品采樣使用與推廣具有重要意義。
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【通聯(lián)編輯:光文玲】