火電廠煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1 引言
按照國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，實現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展，國家環(huán)保總局《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2003)明確規(guī)定火電廠發(fā)電鍋爐必須安裝煙氣排放連續(xù)監(jiān)測儀器(CEMS)[1]。CEMS經(jīng)省級以上環(huán)保部門驗收合格時,其監(jiān)測數(shù)據(jù)作為該電廠煙氣排放是否達標的依據(jù)。

2 系統(tǒng)需求分析
該電廠為2臺300MW火力發(fā)電機組，CEMS需要測量SO2、氮氧化物、煙塵、CO的含量與煙氣流量、壓力、溫度等參數(shù)。作為煙氣的檢測設(shè)備，CEMS還要向脫硫系統(tǒng)提供除上述信息外的煙氣含氧量、濕度。并在脫硫前后各配置1套煙氣測量裝置，2臺機組共需要4套煙氣測量裝置。
環(huán)境監(jiān)測站要監(jiān)測火電廠的煙氣排放情況，因此CEMS要與環(huán)境檢測站進行遠程通訊。CEMS還提供對煙氣測量裝置的監(jiān)視、以及歷史數(shù)據(jù)存儲，報表打印等功能。

3 系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)
2臺發(fā)電機組的煙道相距較遠，同一機組脫硫前后煙道相鄰，如圖1所示。在2臺發(fā)電機組的煙道附近各搭建1個現(xiàn)場分析小屋，每個小屋安裝2套分析儀器，以對該臺發(fā)電機組煙氣的脫硫前后的情況進行檢測。兩個分析小屋通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位機進行通訊。

圖1 系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)圖
上位機用于監(jiān)視分析儀器的工作情況并對故障進行報警。更重要的是統(tǒng)計各個分析儀采集的煙道氣的參數(shù)，并作為服務(wù)器向環(huán)境檢測站和脫硫系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，還提供良好的人機界面，歷史數(shù)據(jù)查詢，報表打印等功能。

4 硬件設(shè)計
該CEMS采用濁度法測量煙道中的固體煙塵。采用直接抽取法采樣，將經(jīng)過伴熱的濕煙氣經(jīng)過過濾送氧化鋯分析儀，測出濕氧含量。再把煙氣經(jīng)過壓縮式干燥器送入煙氣分析儀，分析CO，SO2及氮氧化合物，干氧的含量。煙氣中的濕度采用干濕潤氧法計算得出。
由于CEMS中需要控制的是按一定時間序列開閉的管路，這種量為開關(guān)量，此外還需要測量煙道中各個參數(shù)，這種量為模擬量。并綜合考慮設(shè)備穩(wěn)定性的要求并降低開發(fā)難度，采用西門子200系列PLC對閥門進行控制。其中開關(guān)量除使用CPU224上的數(shù)字量輸入輸出模塊外，還使用了數(shù)字量輸入輸出擴展模塊EM223。模擬量采用EM231模塊，實現(xiàn)12位AD轉(zhuǎn)換的。最后PLC將各個數(shù)字量模擬量通過工業(yè)以太網(wǎng)模塊CP243-1與上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。

5 軟件設(shè)計
該系統(tǒng)自底向上由PLC控制、上位機程序、遠程通訊三部分組成。
5.1 PLC控制程序
該部分程序主要用于接收各種操作命令，控制各種閥泵，指示燈的開閉，并定時完成對采樣通道的吹掃、除濕器的排液及閥門的互鎖。并對采集到的各模擬量進行數(shù)字濾波。
為了防止采樣通道吹掃時，煙塵進入分析儀，采樣泵與吹掃閥門互鎖。吹掃閥打開時采樣泵停機。吹掃結(jié)束后也需要有個換氣時間，才能將吹掃氣排出。因而此時氣體分析儀的分析數(shù)據(jù)不是真實的煙道氣成分。為此，在上述情況下，通過停止采樣定時器計時的方法，來避免PLC將錯誤數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。
5.2 上位機程序
(1) 面向過程控制的連接與嵌入
主要用于顯示各個分析設(shè)備的工作情況，匯總煙道氣的歷史數(shù)據(jù)，進行打印歸檔，趨勢顯示。
PLC與上位機通過西門子SIMATIC NET組態(tài)，建立OPC連接。采用WinCC制作如圖2所示人機界面。在該界面下可以通過單擊“實時數(shù)據(jù)曲線”和“數(shù)據(jù)歸檔”查看實時和歷史數(shù)據(jù)的趨勢圖。

圖2 人機界面

(2) PowerBuilder專業(yè)數(shù)據(jù)庫功能設(shè)計
由于設(shè)備事故等原因，有可能會造成部分數(shù)據(jù)丟失。環(huán)?？偩忠?guī)定必須要用事故前后的實測值估算CEMS故障時的實際值[2]。因此不能對傳到上位機的數(shù)據(jù)進行簡單的歸檔。而WinCC難于實現(xiàn)條件歸檔，且歸檔數(shù)據(jù)空間有限，不易完成對歷史歸檔記錄的修改。
為了解決好這個問題，并兼顧向環(huán)境監(jiān)測站遠程通訊，采用了PowerBuilder(數(shù)據(jù)庫程續(xù)情況，進行數(shù)據(jù)恢復(fù)。對于以上兩種情況同時發(fā)生時，則以故障日志中出現(xiàn)故障時，作為序開發(fā)工具)來讀取WinCC的歸檔數(shù)據(jù)庫。具體而言，數(shù)據(jù)丟失主要有煙氣分析儀故障與上位機關(guān)機兩種數(shù)據(jù)保護要求。
對于第一種情況，當出現(xiàn)分析儀故障時，報警信號由PLC送到上位機，使用WinCC生成包含故障出現(xiàn)和結(jié)束時間的日志文件。根據(jù)故障報警日志恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)。當需要調(diào)閱歷史數(shù)據(jù)時，WinCC通過調(diào)用Prog- armExecute()函數(shù)[3]來運行由PowerBuilder編寫的后臺程序，完成對丟失數(shù)據(jù)的恢復(fù)。對于第二種情況，PowerBuilder根據(jù)數(shù)據(jù)庫中記錄時間的斷數(shù)據(jù)丟失處理的起點時間，以上位機收到連續(xù)有效數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)丟失處理的終點時間，進行處理。
考慮到WinCC歸檔數(shù)據(jù)庫容量有限，其報表功能有限，不易進行復(fù)雜的條件查詢報表輸出。在此，也時采用PowerBuilder的專業(yè)數(shù)據(jù)庫功能，編寫查詢，報表程序。在圖2所示界面的相關(guān)按鈕中還是通過Progarm- Execute()來實現(xiàn)WinCC對PowerBuilder的調(diào)用。
5.3 遠程通訊
遠程通訊主要是指與環(huán)境監(jiān)測站之間通過internet進行數(shù)據(jù)通訊。CEMS中的上位機作為服務(wù)器，環(huán)境監(jiān)測站作為客戶機，采用C/S模式取得數(shù)據(jù)。具體來說就是環(huán)境檢測站發(fā)送查詢請求，CEMS上位機返回相應(yīng)時間段內(nèi)的煙氣排放數(shù)據(jù)。
此處采用PowerBuilder設(shè)計服務(wù)器和客戶機的相關(guān)程序。

6 網(wǎng)絡(luò)安全
由于CEMS的分析儀與上位機間通過工業(yè)以太網(wǎng)連接，上位機與環(huán)境監(jiān)測站之間通過internet網(wǎng)連接。病毒與黑客有可能對CEMS造成損壞。另一方面，目前我國電力系統(tǒng)采用競價上網(wǎng)發(fā)電。各個電廠的設(shè)備運行數(shù)據(jù)是企業(yè)的商業(yè)機密。因此必須防范由于接入internet對設(shè)備運行的危害和對商業(yè)機密的窺探。
如圖3所示，在CEMS上位機中，PowerBuilder將煙氣歷史數(shù)據(jù)庫以熱備份的形式拷貝到另一個數(shù)據(jù)庫中。環(huán)境監(jiān)測站發(fā)送的查詢請求，都只對備份的數(shù)據(jù)進行操作，不直接訪問監(jiān)控系統(tǒng)。CEMS上位機與備份數(shù)據(jù)庫在物理上分屬不同計算機，備份數(shù)據(jù)庫只能接受CEMS上位機的控制，不能反過來對WINCC數(shù)據(jù)庫操作，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)主客體的分離。

圖3 網(wǎng)絡(luò)配置圖
此外備份數(shù)據(jù)庫通過專線與環(huán)境檢測站聯(lián)網(wǎng)。兩者間通過防火墻來保證只有環(huán)境監(jiān)測站的IP才可以訪問備份數(shù)據(jù)庫。從而保證數(shù)據(jù)安全。

7 結(jié)束語
本CEMS由于采用工業(yè)以太網(wǎng)連接PLC與上位機，系統(tǒng)擴充便捷。通過將PLC梯形圖，WinCC，PowerBuilder相互結(jié)合，使系統(tǒng)維護方便，并可使用internet網(wǎng)向環(huán)境監(jiān)測站報送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了環(huán)保總局對煙氣連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)的全部要求，具有一定的推廣價值。