煙氣排放連續監測系統（CEMS）設計

煙氣排放連續監測系統（Continuous Emission Monitoring System， 以下簡稱CEMS）是指能夠對固定污染源排放的污染物進行實時的、連續的在線測量，并且能夠將信息實時傳送到相關主管部門的一套裝置。
　　1 CEMS系統設計思路
　　CEMS系統主要包括顆粒物測量、煙氣參數測量子系統、氣態污染物測量、數據采集與處理系統。
　　1.1顆粒物測量
　　顆粒物是指燃料和其他物質燃燒、合成、分解以及各種物料在處理中所產生的懸浮于液體和煙氣中的固體和液體顆粒狀物質。[1]在實際應用中，顆粒物的測量一般采用光學測量原理。常見的有光學動態濁度法和光學背散射法。
　　動態濁度法一般為雙側安裝，包含發射單元、接收單元、控制單元三個部分。通過監測從發射端到接收端的光強變化的變化率，這個變化率是由顆粒物的分布對光強的削弱引起的。控制單元通過對光強的變化率進行測量和計算，從而得到工況下的顆粒物濃度。
　　光學背散射法為單側安裝，其集發射、接收、控制單元于一體。其通過發射高穩定的激光信號，照射顆粒物粒子，被照射的顆粒物粒子將反射信號，反射的信號強度與顆粒物濃度的變化成正比，從而根據算法計算出工況下顆粒物物的濃度。
　　在實際應用中，可根據現場實際工況、安裝條件等選擇合適的技術完成顆粒物的測量。
　　1.2煙氣參數測量子系統
　　煙氣參數測量子系統測量包括煙氣溫度、煙氣壓力、煙氣流速（流量）、煙氣濕度等煙氣參數。
　　1.2.1煙氣溫度的測量
　　煙氣溫度的測量一般采用熱電阻或熱電偶法。以熱電阻為例，其利用金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一原理來測量。在CEMS系統設計中，可采用法蘭式安裝，配置相應溫度變送器，即可完成溫度信號的測量。
　　1.2.2 煙氣壓力的測量
　　煙氣壓力的測量原理是指將作用于擴散硅、壓阻、電容、陶瓷等感壓元件的壓力值轉換成電信號，再進行信號處理，終輸出標準模擬信號或數字信號。在CEMS系統設計中，一般選擇擴散硅式或電容式壓力變送器進行壓力測量。
　　1.2.3 煙氣流速（流量）的測量
　　煙氣流速（流量）的測量一般基于差壓式（S型皮托管）和熱式測量原理。差壓式流量計是根據安裝于管道中流量檢測件產生的差壓、已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來測量流量的儀表。熱式測量原理是測量探頭通過與流體介質的溫度相比較進行加熱，當流體經過探頭的時候，會帶走加圈的一部分熱量。通過測量這兩個熱敏電阻之間的阻值差變化來反應流體流速的變化。
　　在CEMS應用中，測定顆粒物的參比方法是以S型皮托管測定煙氣流速實現等速采樣的，當流速在5m/s以下，用S型皮托管測流速比較困難，測定結果度差。因此，參比方法采樣點應盡可能選煙氣流速大于 5m/s的位置。[1]
　　1.2.4 煙氣濕度的測量
　　煙氣濕度的測量一般選用將電容性聚合材料制成的濕度傳感器，再通過高速A/D以及信號轉換電路，實現對濕度的高速響應。在目前的CEMS技術規范中，濕度的連續自動監測并非是強制要求的，可以采用手工測量并在系統中輸入。
　　1.3氣態污染物測量
　　氣態污染物是指以氣體狀態分散在煙氣中的各種污染物。[1]
　　在CEMS系統應用中，氣體一般要求測量二氧化硫（SO2）、氮氧化物（以NO2計）、氧氣（O2）。而在測量原理上有激光光學、紫外光學、紅外光學、電化學原理，目前市場上采用紅外光學測量原理測量二氧化硫與氮氧化物，采用電化學原理測量氧氣比較成熟。
　　紅外光學測量方法是以比爾-朗伯定律為基礎的，比爾-朗伯定律的基本數學表達式為：
　　A=lg（1/T）=Kbc
　　A--------吸光度，
　　T--------透射比，是透射光強度比上入射光強度
　　c--------吸光物質的濃度
　　b--------吸收層厚度
　　K--------摩爾消光系數，是一常數
　　其物理意義是當一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質時，其吸光度A與吸光物質的濃度c及吸收層厚度b成正比。在儀器中，氣倉長度是一定的，即吸收層厚度b已知，則只要通過檢測部件將入射光強與透射光強檢出，那么我們就可以根據以上公式確定氣體的濃度。
　　電化學測量氧氣傳感器基于燃料電池原理來工作的。氧氣在陰極與電解液的分界面被轉換成電流，并且所產生的電流與氧氣的濃度成正比。經過信號調理從而可以計算出氧氣數值。
　　1.4數據采集與處理系統
　　數據采集與處理系統主要完成煙氣采樣、預處理的控制；各信號數據的采集、處理、顯示；計算煙氣污染物的折算數據、排放量；顯示和打印各種參數，圖表；并通過有線網絡或無線網絡傳輸至相應管理部門。
　　2 CEMS系統工藝設計
　　圖1 CEMS系統煙氣采樣及處理過程設計圖
　　如圖1所示，氣體處理分為三部分：
　　1.氣體采樣
　　煙囪或煙道內樣氣經過加熱采樣管→加熱采樣管線→煙氣入口箭頭→氣體除濕器→采樣泵→氣體除濕器→過濾器→分析儀流量控制→精密過濾器→分析儀→廢氣排出，從而完成采樣分析過程。加熱采樣管和加熱采樣管線為了樣氣不會因為溫差而冷凝成水或結晶，從而堵塞氣路；氣體除濕器采用半導體式或壓縮機式原理將樣氣中水分除去，蠕動泵將冷凝水的水排出；采樣泵為整個氣路的動力裝置，完成樣氣從煙囪或煙道到分析儀的采樣過程；過濾器和精密過濾器為了進入分析儀的樣氣無塵，從而保護分析儀表；流量控制閥為了進入分析儀的氣流穩定。整個采樣過程了進入分析儀的樣氣無塵、無水且流量穩定。

2.系統反吹
　　系統反吹主要通過0.4-0.6MPa的潔凈壓縮空氣或氮氣對加熱采樣管進行定時反吹，加熱采樣管不會因樣氣含塵量太大或取樣時間太長而堵塞加熱采樣管。
　　3.氣體標定
　　隨著分析儀使用時間的推進，分析儀不可避免的會因為溫度和時間的變化出現零點漂移和量程漂移現象，此時，需要通過標定選擇閥切換通入純氮氣標定分析儀零點；通入對應量程的標定氣體來標定分析儀的量程。
　　3 數據采集與處理系統設計
　　圖2 數據采集與處理系統
　　如圖2所示，西門子PLC S7-200作為下位機負責信號的采集和系統控制及指示功能；上位機采用監控工控機搭載組態王6.53，負責采集數據的顯示、歷史數據的儲存、以及各類報表、曲線的生成；數采儀負責將采集的數據及狀態等通過GPRS或網絡等傳輸至環保局或其他主管單位。下位機和上位機之間通過西門子PPI協議通信；上位機和數采儀之間通過RS232串口通信。
　　3.1 下位機設計
　　S7-200系列小型PLC可以應用于各種自動化系統。結構緊湊，低成本以及功能強大的指令集，使得S7-200控制器是各種小型控制任務的解決方案。[2]
　　在下位機的編程中，主要涉及數字量的采集控制以及模擬量的采集處理。
　　示例1：數字量控制
　　LD SM0.0
　　LPS
　　AW>= C0， 10
　　AW< C0， 100
　　= 煙道反吹電磁閥：Q0.0
　　LRD
　　AW>= C0， 0
　　AW<= C0， 110
　　= 煙道采樣電磁閥：Q0.2
　　LPP
　　AW>= C0， 120
　　AW<= C0， 系統采樣周期：VW0
　　= 取樣泵：Q0.4
　　如示例1，系統采樣周期為VW0，實時時間計數器為C0，程序通過取C0值來控制不同時期煙道反吹電磁閥、煙道采樣電磁閥、以及取樣泵的輸出狀態。
　　示例2：模擬量處理
　　LD SM0.0
　　CALL Scale_I_to_R：SBR3， 流速模擬量：AIW10， 32000， 6400， 流速量程大：VD428， 流速量程小：VD528， 流速：VD328
　　CALL Scale_I_to_R：SBR3， 溫度模擬量：AIW12， 32000， 6400， 溫度量程大：VD432， 溫度量程小：VD532， 溫度：VD332
　　如示例2，通過添加模擬量比例換算指令庫“Scale_I_to_R”，可以直接用來完成模擬量輸入到S7-200內部數據的轉換。在S7-200 CPU內部，4-20mA對應于數值范圍6400-32000，則可看出示例2中流速輸入AIW10，流速程為VD428，流速小量程為VD528，則終轉換結果保存于VD328。
　　3.2上位機設計
　　組態王軟件系統與終工程人員使用的具體的PLC或現場部件無關。對于不同的硬件設施，只需為組態王配置相應的通信驅動程序即可。組態王驅動程序采用軟件技術，使通訊程序和組態王構成一個完整的系統。[3] 在CEMS系統的上位機軟件設計中，只需對應PLC實際連接的COM口，選擇西門子S7-200 PLC即可。
　　3.2.1數據顯示
　　在正確定義完與組態王連接的設備后，在數據詞典中定義與PLC連接的I/O地址，通過在畫面中訪問對應的地址即可訪問PLC中對應的變量，從而實現PLC數字量、模擬量在組態王畫面上的顯示或控制。通過添加組態王圖庫，可以任意組態畫面，添加傳感器、泵、按鈕、指示燈等各類器件至組態王顯示畫面。在CEMS系統設計中，數據主要顯示顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、氧氣、溫度、壓力、流速（流量）、濕度以及各泵與閥的狀態。
　　3.2.2數據保存、訪問
　　組態王的歷史數據保存不僅能夠將CEMS系統監控中的各數據保存到組態王歷史庫中，也可以保存到MS Access、SQL Server、Oracle、dBase等數據庫中。組態王SQL訪問通過在系統ODBC數據源中定義相應數據庫，通過SQLInsert（）函數將數據保存到數據庫中；通過SQLSelect（）或SQLUpdate（）函數訪問數據庫中的數據。
　　3.2.3圖表、報警顯示
　　組態王對圖表顯示提供了強有力的支持和簡單的控制方法。趨勢曲線有實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線顯示。[3] 在趨勢曲線控件中，可以通過簡單的數據庫配置，實現歷史數據查詢，可以通過一些簡單的按鈕操作，完成翻頁、設定時間、打印曲線、打印圖表等功能。
　　報警是指當系統中某些量的值過了所規定的界*，系統自動產生相應警告信息，表明該量的值已經限，提醒操作人員。[3] 組態王通過定義變量的報警屬性，調用報警窗口進行簡單的配置即可查詢實時報警與歷史報警。
　　3.2.4報表
　　組態王通過系統配置的ODBC訪問方式可以與各類后臺數據庫建立連接；通過配置插入“Microsoft Date and Time Picker Control”控件實現時間的選擇；通過“AddAllFields（，）”函數顯示所有符合條件的數據；通過“AverageValueInField（）”計算數據的分鐘、小時、日平均值等；通過“ReportSetCellValue（ReportName， Row， Col，Value）”函數給單元格設置值；通過“ReportSaveAs（ReportName， filename）”保存報表；通過“ReportPrint2（ReportName）”打印報表。通過以上各函數及其他函數的有序結合，我們可以實現歷史數據的提取，時報表、日報表、月報表、年報表的統計，輸出為EXCEL格式文件或直接打印。
　　3.2.5通信
　　組態王可以通過串口，以ModbusRTU協議，作為從站通信；也可以通過動態數據交換（DDE）和Visual Basic、Visual C、Visual C++等其他語言編寫的程序方便的進行數據交換。從而實現和環保局數據采集設備的通信。
　　4 結束語
　　本文系統的分析了煙氣排放連續監測系統（CEMS）設計中所使用的相關技術，基于此技術生產的煙氣排放連續監測系統以在國內多家廠家投入使用，運行良好。
　　隨著科學技術的，近年來各種新型傳感器涌入市場，我們將持續關注CEMS系統設計。