基于触摸屏与PLC技术的烟气排放连续监测系统设计

基于触摸屏与PLC技术的烟气排放连续监测系统设计
孙栓柱;秦喜安
【摘要】介绍基于触摸屏与PLC技术的烟气排放连续监测系统的工艺流程、软硬件配置及应用情况,采用该技术可实现系统的就地显示与控制,保证系统的稳定运行.【期刊名称】《河北电力技术》
【年(卷),期】2008(027)002
【总页数】3页(P13-14,37)
【关键词】烟气连续排放;自动监测系统;可编程控制器;触摸屏
【作者】孙栓柱;秦喜安
【作者单位】江苏省电力试验研究院有限公司,南京,210036;国网新源控股有限公司马头发电厂,河北,邯郸,056044
【正文语种】中文
【中图分类】X773
1 概述
CEMS(Continuous Emission Monitoring System)即烟气排放连续监测系统，用以对固定污染源排放的污染物进行连续、实时地跟踪测定。

对于一般的湿法脱硫系统，通常会在每台炉的烟气脱硫原烟气侧和净烟气侧各设置一套CEMS，来自动控制脱硫系统的脱硫效率或吸收塔SO2脱除率。

烟气脱硫系统原烟气侧和净烟气侧的CEMS放置在就地的分析小间内，通过硬接
线与脱硫DCS联接，实时监测脱硫系统的脱硫效率和净烟气中SO2的体积含量，CEMS的报警信号均在脱硫DCS上显示。

对于没有自带显示装置的CEMS，其仪表无法就地显示测量数据、信号状态并进
行就地仪表标定。

如果通过DCS与仪表进行远程通信来实现仪表标定，由于涉及
到对标准气体流量、压力的控制，且系统设计过于复杂，成本太高，不方便操作。

针对这种情况，以下介绍以触摸屏与PLC技术为基础的CEMS的工艺流程和系统设计，解决CEMS就地显示、操作与仪表标定的问题。

2 系统工艺流程
CEMS从采样原理上可分为3种：直接测量法、抽取法、稀释法。

其中抽取法由
于具备多成分分析、易于扩展测量组件、不受烟气温度限制、测量精度不受水分干扰、可以多点取样等优点，在我国得到了广泛应用，以下讨论的CEMS原理以抽
取法为例。

烟气由采样探头取样，通过伴热线保温(恒温150 ℃)，由采样泵抽取至预处理单元。

经过冷凝除湿进行二次过滤，送入分析仪表进行成分分析。

2.1 参数测量
烟气脱硫系统原烟气侧和净烟气侧的CEMS测量参数包括SO2体积含量和O2体积含量，CEMS仪表提供标定和量程设置等指令接口、SO2和O2体积含量的模
拟量输出接口。

2.2 设备控制
就地的设备控制主要包括标定/测量电磁阀、SO2标定电磁阀、O2标定电磁阀、
零气标定电磁阀及流量低、湿度报警停采样泵等联锁保护动作装置。

2.3 系统反吹
CEMS部件(如采样头)安装后与烟气接触时，备有反吹空气系统以防止烟气污染分析仪器部件。

当反吹空气装置失效时，自动启动隔离快门以保护监测部件，并通过
CEMS显示警报信号。

2.4 仪表标定
用于仪表标定的测量/标定电磁阀为三通阀。

三通阀一般为“测量”状态，如果切换到“标定”状态，则辅加SO2标定电磁阀、O2标定电磁阀、零气标定电磁阀等来控制仪表传感器的通气。

仪表提供对应传感器的标零、标满指令，通过RS232通信口与外部进行交互。

3 系统设计
触摸屏人机界面采用“人机对话”的控制方式，以触摸屏作为现场维护人员与系统设备之间进行交互的设备，用户可以自由地组合文字、图形、按钮、曲线等数据、指令展现方式来监控和管理设备。

使用人机界面能够明确地提示设备操作、维护人员该设备目前的状况，从而使操作简单易行。

3.1 硬件配置
Siemens公司生产的触摸面板无需物理按钮，触摸-感应显示能使操作者直观地通过图形控制监视系统，而且其基于Windows CE 操作系统，具有较强的程序处理能力。

其触摸面板的TP170A具有多达32个用户的权限访问保护、1 000个文本元素、250个过程画面的容量，能够充分展现所要表达的业务数据。

Siemens公司的S7-200 PLC系列适用于点数较少的控制系统，紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使其成为各种控制应用的理想解决方案。

由于CEMS测量的模拟量测点只有2个，同时需要与触摸屏和仪表进行通信，即需要2个通信接口，因此选择CPU224XP单个CPU作为处理单元。

CPU224XP 自身集成14个数字量输入、10个数字量输出、2个模拟量输入、1个模拟量输出和2个通信接口，能够充分满足该系统的设计需要。

3.2 系统结构
图1为基于TP170A与CPU224XP系统设计的CEMS结构。

图1 基于PLC与触摸屏的CEMS控制系统结构
如图1所示，TP170A触摸屏与CPU224XP PLC的端口0通过MPI电缆连接，CPU224XP的端口1与分析仪表连接。

由于分析仪表的通信接口为RS232端口，而CPU224XP的通信端口为485结构，因此需要加装RS485/232转换端子以实
现端口通信。

其他I/O测点信号直接与CPU224XP连接，可以供TP170A直接访问与操作。

3.3 触摸屏系统设计
触摸屏的软件设计采用Siemens公司配套的ProTool V6.0 SP2软件，主要包括
权限管理、反吹、标定、报警、量程设置等功能。

3.3.1 权限管理
为防止操作人员误操作，默认登录画面除显示登录窗口外，同时显示SO2、 O2
体积含量。

一般巡检人员只具备浏览权限，如果操作，需要进行身份认证。

为了避免具备操作权限的人员在操作过程结束之后忘记注销，设置5 min内无人
操作系统自动注销身份功能。

3.3.2 反吹
反吹默认设置为24 h自动反吹1次。

如果遇到特殊情况，需要进行紧急反吹处理，可以首先停止自动反吹，人工强制反吹1次。

然后系统自动从人工强制反吹的时
刻开始计时，继续每24 h自动反吹1次。

3.3.3 标定
仪表标定指利用标准装置通入烟气和接近烟气中污染物浓度的标准气体校准仪器的零点和工作点。

按照国家环保总局颁发的HJ/T 75-2007《固定污染源烟气排放连续监测技术规范》，仪表应该每30 d至少标定1次。

具体的仪表标定周期由系统维护人员根据CEMS仪表的性能确定。

由于标定工艺复杂，为防止操作人员误动作，因此系统将标定步骤详细地罗列于触摸屏标定界面中，操作人员只需按照画面提示操作步骤操作即可。

标定主要包括SO2标零、SO2标满、O2标零、O2标满。

其中零点的标定使用氮气作为标准气体。

触摸屏的标定信号通过中间继电器的触发，再通过中间继电器控制仪表进行标定。

3.3.4 报警
系统报警信号主要存在于标定过程中。

一般的报警信号主要包括流量低报警、湿度报警。

流量低报警主要指采样气体流量过小，无法满足系统仪表采样分析要求的低限。

湿度报警表示采样气体含水分过大。

分析仪表如果长期处于湿度偏高状态，烟气中所含SO2 会形成酸性环境，仪表传感器不可避免地受到污染、腐蚀，从而导致测量
数据的失真。

3.3.5 量程设置
为方便操作者，系统提供量程修改画面。

具有操作权限的操作者，可以根据现场的实际情况来修改对应测量信号的量程上、下限。

3.4 PLC系统设计
该系统的PLC程序主要是配合触摸屏的功能设计，主要包括反吹、SO2标零、SO2标满、O2标零、O2标满、量程设置等。

a. 程序初始化。

程序初始化主要设置通信端口号、通信方式、通信波特率、开始位、停止位、校验位等初始化信息。

CPU224XP支持自由口通信方式，在自由口模式下，端口的通信协议完全由使用者编写。

由此，系统采用PLC对分析仪表进行控制，实现了由PLC控制分析仪表标定的功能。

初始化程序模块按照分析仪表的指令系统，对于指令系统中指令的公用部分字符进行了提取，并在初始化程序模块进行了默认设置。

以后调用指令时，只要变动相应参数即可，而不必每次调用都
进行赋值操作。

b. 反吹。

反吹程序模块由触摸屏定义的中间继电器进行触发。

c. 标定。

标定程序模块由触摸屏对应操作变量触发。

系统首先进行条件选择，转向对应的标定子程序。

同时，附加流量低、湿度报警等信号条件进行判断；如果出现此类信号，则跳出标定子程序，系统恢复初始状态，并发出“标定失败”警告。

如果没有流量低、湿度报警等信号条件，则PLC对仪表进行标定；并由PLC接收的反馈指令符进行标定是否成功的判断，如果成功，则发出“标定成功”的提示。

d. 量程转换。

量程的上、下限设置需要将其数值保存到EPROM中，系统初始化的时候再从EPROM中读取到相应的V存贮区中。

否则系统每次失电后，以前所做的修改都将会丢失，增大了系统的维护量。

4 结束语
使用触摸屏与PLC相结合的技术来实现烟气脱硫系统进、出口的CEMS设计，解决了CEMS就地显示与控制的问题。

系统设计稳定、可靠，成本不高，目前已经在实际生产中得到了广泛应用，具备进一步推广的价值。

【相关文献】
[1] HJ/T 75-2007，固定污染源烟气排放连续监测技术规范[S].。