烟气排放连续监测系统（CEMS）设计

烟气排放连续监测系统（Continuous Emission Monitoring System， 以下简称CEMS）是指能够对固定污染源排放的污染物进行实时的、连续的在线测量，并且能够将信息实时传送到相关主管部门的一套装置。
　　1 CEMS系统设计思路
　　CEMS系统主要包括颗粒物测量、烟气参数测量子系统、气态污染物测量、数据采集与处理系统。
　　1.1颗粒物测量
　　颗粒物是指燃料和其他物质燃烧、合成、分解以及各种物料在处理中所产生的悬浮于液体和烟气中的固体和液体颗粒状物质。[1]在实际应用中，颗粒物的测量一般采用光学测量原理。常见的有光学动态浊度法和光学背散射法。
　　动态浊度法一般为双侧安装，包含发射单元、接收单元、控制单元三个部分。通过监测从发射端到接收端的光强变化的变化率，这个变化率是由颗粒物的分布对光强的削弱引起的。控制单元通过对光强的变化率进行测量和计算，从而得到工况下的颗粒物浓度。
　　光学背散射法为单侧安装，其集发射、接收、控制单元于一体。其通过发射高稳定的激光信号，照射颗粒物粒子，被照射的颗粒物粒子将反射信号，反射的信号强度与颗粒物浓度的变化成正比，从而根据算法计算出工况下颗粒物物的浓度。
　　在实际应用中，可根据现场实际工况、安装条件等选择合适的技术完成颗粒物的测量。
　　1.2烟气参数测量子系统
　　烟气参数测量子系统测量包括烟气温度、烟气压力、烟气流速（流量）、烟气湿度等烟气参数。
　　1.2.1烟气温度的测量
　　烟气温度的测量一般采用热电阻或热电偶法。以热电阻为例，其利用金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一原理来测量。在CEMS系统设计中，可采用法兰式安装，配置相应温度变送器，即可完成温度信号的测量。
　　1.2.2 烟气压力的测量
　　烟气压力的测量原理是指将作用于扩散硅、压阻、电容、陶瓷等感压元件的压力值转换成电信号，再进行信号处理，zui终输出标准模拟信号或数字信号。在CEMS系统设计中，一般选择扩散硅式或电容式压力变送器进行压力测量。
　　1.2.3 烟气流速（流量）的测量
　　烟气流速（流量）的测量一般基于差压式（S型皮托管）和热式测量原理。差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。热式测量原理是测量探头通过与流体介质的温度相比较进行加热，当流体经过探头的时候，会带走加圈的一部分热量。通过测量这两个热敏电阻之间的阻值差变化来反应流体流速的变化。
　　在CEMS应用中，测定颗粒物的参比方法是以S型皮托管测定烟气流速实现等速采样的，当流速在5m/s以下，用S型皮托管测流速比较困难，测定结果准确度差。因此，参比方法采样点应尽可能选烟气流速大于 5m/s的位置。[1]
　　1.2.4 烟气湿度的测量
　　烟气湿度的测量一般选用将电容性聚合材料制成的湿度传感器，再通过高速A/D以及信号转换电路，实现对湿度的高速响应。在目前的CEMS技术规范中，湿度的连续自动监测并非是强制要求的，可以采用手工测量并在系统中输入。
　　1.3气态污染物测量
　　气态污染物是指以气体状态分散在烟气中的各种污染物。[1]
　　在CEMS系统应用中，气体一般要求测量二氧化硫（SO2）、氮氧化物（以NO2计）、氧气（O2）。而在测量原理上有激光光学、紫外光学、红外光学、电化学原理，目前市场上采用红外光学测量原理测量二氧化硫与氮氧化物，采用电化学原理测量氧气比较成熟。
　　红外光学测量方法是以比尔-朗伯定律为基础的，比尔-朗伯定律的基本数学表达式为：
　　A=lg（1/T）=Kbc
　　A--------吸光度，
　　T--------透射比，是透射光强度比上入射光强度
　　c--------吸光物质的浓度
　　b--------吸收层厚度
　　K--------摩尔消光系数，是一常数
　　其物理意义是当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度b成正比。在仪器中，气仓长度是一定的，即吸收层厚度b已知，则只要通过检测部件将入射光强与透射光强检出，那么我们就可以根据以上公式确定气体的浓度。
　　电化学测量氧气传感器基于燃料电池原理来工作的。氧气在阴极与电解液的分界面被转换成电流，并且所产生的电流与氧气的浓度成正比。经过信号调理从而可以计算出氧气数值。
　　1.4数据采集与处理系统
　　数据采集与处理系统主要完成烟气采样、预处理的控制；各信号数据的采集、处理、显示；计算烟气污染物的折算数据、排放量；显示和打印各种参数，图表；并通过有线网络或无线网络传输至相应管理部门。
　　2 CEMS系统工艺设计
　　图1 CEMS系统烟气采样及处理过程设计图
　　如图1所示，气体处理分为三部分：
　　1.气体采样
　　烟囱或烟道内样气经过加热采样管→加热采样管线→烟气入口箭头→气体除湿器→采样泵→气体除湿器→过滤器→分析仪流量控制→精密过滤器→分析仪→废气排出，从而完成采样分析过程。加热采样管和加热采样管线为了保证样气不会因为温差而冷凝成水或结晶，从而堵塞气路；气体除湿器采用半导体式或压缩机式原理将样气中水分除去，蠕动泵将冷凝水的水排出；采样泵为整个气路的动力装置，完成样气从烟囱或烟道到分析仪的采样过程；过滤器和精密过滤器为了保证进入分析仪的样气无尘，从而保护分析仪表；流量控制阀为了保证进入分析仪的气流稳定。整个采样过程保证了进入分析仪的样气无尘、无水且流量稳定。

2.系统反吹
　　系统反吹主要通过0.4-0.6MPa的洁净压缩空气或氮气对加热采样管进行定时反吹，保证加热采样管不会因样气含尘量太大或取样时间太长而堵塞加热采样管。
　　3.气体标定
　　随着分析仪使用时间的推进，分析仪不可避免的会因为温度和时间的变化出现零点漂移和量程漂移现象，此时，需要通过标定选择阀切换通入纯氮气标定分析仪零点；通入对应量程的标定气体来标定分析仪的量程。
　　3 数据采集与处理系统设计
　　图2 数据采集与处理系统
　　如图2所示，西门子PLC S7-200作为下位机负责信号的采集和系统控制及指示功能；上位机采用监控工控机搭载组态王6.53，负责采集数据的显示、历史数据的储存、以及各类报表、曲线的生成；数采仪负责将采集的数据及状态等通过GPRS或网络等传输至环保局或其他主管单位。下位机和上位机之间通过西门子PPI协议通信；上位机和数采仪之间通过RS232串口通信。
　　3.1 下位机设计
　　S7-200系列小型PLC可以应用于各种自动化系统。结构紧凑，低成本以及功能强大的指令集，使得S7-200控制器是各种小型控制任务理想的解决方案。[2]
　　在下位机的编程中，主要涉及数字量的采集控制以及模拟量的采集处理。
　　示例1：数字量控制
　　LD SM0.0
　　LPS
　　AW>= C0， 10
　　AW< C0， 100
　　= 烟道反吹电磁阀：Q0.0
　　LRD
　　AW>= C0， 0
　　AW<= C0， 110
　　= 烟道采样电磁阀：Q0.2
　　LPP
　　AW>= C0， 120
　　AW<= C0， 系统采样周期：VW0
　　= 取样泵：Q0.4
　　如示例1，系统采样周期为VW0，实时时间计数器为C0，程序通过取C0值来控制不同时期烟道反吹电磁阀、烟道采样电磁阀、以及取样泵的输出状态。
　　示例2：模拟量处理
　　LD SM0.0
　　CALL Scale_I_to_R：SBR3， 流速模拟量：AIW10， 32000， 6400， 流速量程zui大：VD428， 流速量程zui小：VD528， 流速：VD328
　　CALL Scale_I_to_R：SBR3， 温度模拟量：AIW12， 32000， 6400， 温度量程zui大：VD432， 温度量程zui小：VD532， 温度：VD332
　　如示例2，通过添加模拟量比例换算指令库“Scale_I_to_R”，可以直接用来完成模拟量输入到S7-200内部数据的转换。在S7-200 CPU内部，4-20mA对应于数值范围6400-32000，则可看出示例2中流速输入AIW10，流速zui大量程为VD428，流速zui小量程为VD528，则zui终转换结果保存于VD328。
　　3.2上位机设计
　　组态王软件系统与zui终工程人员使用的具体的PLC或现场部件无关。对于不同的硬件设施，只需为组态王配置相应的通信驱动程序即可。组态王驱动程序采用zui新软件技术，使通讯程序和组态王构成一个完整的系统。[3] 在CEMS系统的上位机软件设计中，只需对应PLC实际连接的COM口，选择西门子S7-200 PLC即可。
　　3.2.1数据显示
　　在正确定义完与组态王连接的设备后，在数据词典中定义与PLC连接的I/O地址，通过在画面中访问对应的地址即可访问PLC中对应的变量，从而实现PLC数字量、模拟量在组态王画面上的显示或控制。通过添加组态王图库，可以任意组态画面，添加传感器、泵、按钮、指示灯等各类器件至组态王显示画面。在CEMS系统设计中，数据主要显示颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、氧气、温度、压力、流速（流量）、湿度以及各泵与阀的状态。
　　3.2.2数据保存、访问
　　组态王的历史数据保存不仅能够将CEMS系统监控中的各数据保存到组态王历史库中，也可以保存到MS Access、SQL Server、Oracle、dBase等数据库中。组态王SQL访问通过在系统ODBC数据源中定义相应数据库，通过SQLInsert（）函数将数据保存到数据库中；通过SQLSelect（）或SQLUpdate（）函数访问数据库中的数据。
　　3.2.3图表、报警显示
　　组态王对图表显示提供了强有力的支持和简单的控制方法。趋势曲线有实时趋势曲线、历史趋势曲线显示。[3] 在趋势曲线控件中，可以通过简单的数据库配置，实现历史数据查询，可以通过一些简单的按钮操作，完成翻页、设定时间、打印曲线、打印图表等功能。
　　报警是指当系统中某些量的值超过了所规定的界限时，系统自动产生相应警告信息，表明该量的值已经超限，提醒操作人员。[3] 组态王通过定义变量的报警属性，调用报警窗口进行简单的配置即可查询实时报警与历史报警。
　　3.2.4报表
　　组态王通过系统配置的ODBC访问方式可以与各类后台数据库建立连接；通过配置插入“Microsoft Date and Time Picker Control”控件实现时间的选择；通过“AddAllFields（，）”函数显示所有符合条件的数据；通过“AverageValueInField（）”计算指定数据的分钟、小时、日平均值等；通过“ReportSetCellValue（ReportName， Row， Col，Value）”函数给指定单元格设置指定值；通过“ReportSaveAs（ReportName， filename）”保存报表；通过“ReportPrint2（ReportName）”打印指定报表。通过以上各函数及其他函数的有序结合，我们可以实现指定历史数据的提取，时报表、日报表、月报表、年报表的统计，输出为EXCEL格式文件或直接打印。
　　3.2.5通信
　　组态王可以通过串口，以ModbusRTU协议，作为从站通信；也可以通过动态数据交换（DDE）和Visual Basic、Visual C、Visual C++等其他语言编写的程序方便的进行数据交换。从而实现和环保局数据采集设备的通信。
　　4 结束语
　　本文系统的分析了烟气排放连续监测系统（CEMS）设计中所使用的相关技术，基于此技术生产的烟气排放连续监测系统以在国内多家厂家投入使用，运行良好。
　　随着科学技术的进步，近年来各种新型传感器涌入市场，我们将持续关注CEMS系统设计。