基于DCS實(shí)時(shí)監(jiān)控的CEMS系統(tǒng)

文/呂子含

基于DCS實(shí)時(shí)監(jiān)控的CEMS系統(tǒng)

文/呂子含

我國現(xiàn)階段只能依靠人員的定期巡檢發(fā)現(xiàn)CEMS系統(tǒng)設(shè)備中的故障，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理設(shè)備故障或出現(xiàn)的異常，可能造成重大事故或財(cái)產(chǎn)損失。基于以上現(xiàn)狀，現(xiàn)提出一種基于DCS實(shí)時(shí)監(jiān)控的CEMS系統(tǒng)，主要由CEMS系統(tǒng)PLC監(jiān)控和CEMS系統(tǒng)電腦監(jiān)控兩部分組成，能在不增加設(shè)備的情況下，通過24小時(shí)運(yùn)行值守的監(jiān)控室可以實(shí)時(shí)監(jiān)視CEMS系統(tǒng)狀況，保證系統(tǒng)、設(shè)備故障時(shí)第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并得到有效處理。

DCS集散系統(tǒng) CEMS煙氣分析系統(tǒng)

隨著第三次工業(yè)革命的推進(jìn)，西方國家的工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展迅速并取得一系列重大成就，科學(xué)技術(shù)在推動(dòng)生產(chǎn)力的發(fā)展方面起重越來越重的作用，科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為直接生產(chǎn)力的速度加快?？茖W(xué)和技術(shù)密切結(jié)合，相互促進(jìn)。隨之而來的是愈來愈嚴(yán)重的環(huán)境污染，為抑制環(huán)境的持續(xù)惡化，歐洲國家頒布了一系列立法防治大氣和水污染。隨著科技的不斷進(jìn)步和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工業(yè)化應(yīng)用發(fā)展，CEMS系統(tǒng)逐步得到廣泛應(yīng)用。自上世紀(jì)90年代始，CEMS系統(tǒng)被引入國內(nèi)并逐步發(fā)展改進(jìn)形成了適用于中國火電廠的CEMS系統(tǒng)，現(xiàn)已形成了認(rèn)識(shí)統(tǒng)一法規(guī)完善的階段，雖然該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)慢慢走向正軌，但應(yīng)用仍存在許多問題。

CEMS(煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng))在電廠中作為一個(gè)的獨(dú)立的監(jiān)控系統(tǒng)，國家環(huán)保部門要求CEMS控制室只能單獨(dú)設(shè)立，且不允許設(shè)立值班監(jiān)控人員。CEMS系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)只能通過定期巡檢才能發(fā)現(xiàn)，無法做到設(shè)備故障異常時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理。

本系統(tǒng)涉及電廠技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于DCS實(shí)時(shí)監(jiān)控的CEMS系統(tǒng)，具有可靠性高、靈敏度高、重復(fù)性好、精確度高等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 關(guān)于DCS實(shí)時(shí)監(jiān)控的CEMS系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

隨著科技的發(fā)展和人民環(huán)保意識(shí)的提高，現(xiàn)階段我國的CEMS系統(tǒng)研究也得到了長足發(fā)展和進(jìn)步。在張志強(qiáng)，潘建文，韓文棟的CEMS在火電廠的應(yīng)用及存在問題分析中提到，煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS)在我國現(xiàn)階段的火力發(fā)電機(jī)組起到重要作用，特別是脫硫工程中得到大量應(yīng)用，能夠依靠監(jiān)測(cè)得到的原煙氣、凈煙氣CEMS實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，得出實(shí)時(shí)脫硫效率，以使運(yùn)行和管理人員得到實(shí)時(shí)反饋，方便及時(shí)進(jìn)行運(yùn)行下一步調(diào)整和部署。在范典的煙氣連續(xù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)CEMS的設(shè)計(jì)與研究中提出了一種能夠既快又好且能精確測(cè)量煙氣成份的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以自動(dòng)采集紅外光譜圖且進(jìn)行煙氣組份的定量計(jì)算，得出的測(cè)量結(jié)果通過信號(hào)轉(zhuǎn)換由網(wǎng)絡(luò)送至環(huán)保局和電廠控制室，具有測(cè)量范圍寬廣和工作效率高等特點(diǎn)。在裴冰，萬方的CEMS比對(duì)監(jiān)測(cè)相關(guān)問題中提到一種新的概念“比對(duì)監(jiān)測(cè)”，比對(duì)監(jiān)測(cè)是一種與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)類似但又略有不同的伴隨著CEMS建設(shè)的新型監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)類型。對(duì)各環(huán)節(jié)注意事項(xiàng)進(jìn)行分析是保證比對(duì)監(jiān)測(cè)質(zhì)量的必要條件，也是督促運(yùn)營商提升 CEMS運(yùn)營水平的有力措施。隨著CEMS系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展及各項(xiàng)措施的完善，CEMS因子比對(duì)監(jiān)測(cè)合格率得到顯著提高。在科技革命飛速發(fā)展的今天，CEMS系統(tǒng)在發(fā)電廠中的應(yīng)用越來越多樣化并在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展與環(huán)保并重的大環(huán)境下起著舉足輕重的作用。但在實(shí)際應(yīng)用中CEMS系統(tǒng)仍存在著許多不容忽視的問題，如控制不夠靈活，仍需大量人力投入，實(shí)時(shí)反饋信號(hào)不能及時(shí)到達(dá)控制室影響下一步?jīng)Q策，監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度不夠高，可靠性不夠大等。為解決上述問題，現(xiàn)提出一種基于DCS實(shí)時(shí)監(jiān)控的CEMS系統(tǒng)。

2 DCS實(shí)時(shí)監(jiān)控的CEMS系統(tǒng)的組成

（1）DCS集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System），也稱分散控制系統(tǒng)，是一種以集中式控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行發(fā)展、演變形成的由過程監(jiān)控級(jí)和過程控制級(jí)組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為連接樞紐的新型多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有集中操作、分級(jí)管理、分散控制、配置靈活以及組態(tài)方便等特點(diǎn)。該系統(tǒng)是集合了計(jì)算機(jī)，顯示、通訊和控制等4C技術(shù)的綜合性控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，使用時(shí)首先采集輸入信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算和調(diào)制，完成參數(shù)采集，得到一傳遞信號(hào)，經(jīng)過中間處理器的操作處理，轉(zhuǎn)化為輸出信號(hào)去驅(qū)動(dòng)相應(yīng)設(shè)施進(jìn)行下一步操作。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比較DCS具有控制功能齊全、易于維護(hù)、靈活、開放、協(xié)調(diào) 、可靠、時(shí)效性強(qiáng)和擴(kuò)充性能好等特點(diǎn)，著重于閉環(huán)控制及數(shù)據(jù)處理。

（2）CEMS是煙氣自動(dòng) 監(jiān)控系統(tǒng)（Continuous Emission Monitoring System）的簡(jiǎn)稱，亦稱煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，常用的有抽取式現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、遙測(cè)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三種系統(tǒng)。能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)如包括垃圾焚燒電廠，火力發(fā)電廠，造紙廠等各種行業(yè)的工業(yè)廢氣排放源，使用范圍廣，在實(shí)際中得到大量應(yīng)用。該系統(tǒng)能夠在線測(cè)量 CO 濃度、顆粒物濃度、SO2濃度、含氧量、溫度、濕度、壓力等多項(xiàng)氣體參數(shù)，具體可通過紅外冷凝法、紫外法等實(shí)現(xiàn)。首先由污染物由顆粒物測(cè)量儀表單元測(cè)得顆粒污染物含量，經(jīng)過煙氣預(yù)處理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)得到氣體污染物數(shù)據(jù)，將實(shí)時(shí)監(jiān)控得到的信息經(jīng)過煙氣參數(shù)測(cè)量單元整理傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集與處理與傳輸單元進(jìn)行信號(hào)整合與分析輸送到控制室以便進(jìn)行下一步操作。CEMS主要技術(shù)有直接測(cè)量、抽取式測(cè)量和遙感測(cè)量三種組成。

（3）關(guān)聯(lián)系統(tǒng)建成后，將實(shí)現(xiàn)高控制精度的自動(dòng)化無人值班煙氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，控制水平將達(dá)到在無需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的情況下在綜合控制室或單元機(jī)組集中控制室內(nèi)就能完成對(duì)及其附屬系統(tǒng)的正常啟動(dòng)和停止操作，進(jìn)行工作模式下的實(shí)時(shí)監(jiān)視和數(shù)據(jù)傳輸處理、以及緊急事故處理和保護(hù)切除?？刂葡到y(tǒng)采用分散控制系統(tǒng)。

3 DCS實(shí)時(shí)監(jiān)控的CEMS系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)主要思想在于提供一種監(jiān)控思路，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)運(yùn)行無人值守的監(jiān)控系統(tǒng)，是一種能夠自動(dòng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)視和數(shù)據(jù)傳輸及危險(xiǎn)預(yù)警的實(shí)時(shí)監(jiān)視CEMS系統(tǒng)的方法。

DCS實(shí)時(shí)監(jiān)視CEMS系統(tǒng)主要利用CEMS系統(tǒng)PLC監(jiān)控和CEMS系統(tǒng)電腦監(jiān)控兩個(gè)監(jiān)控模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸。

CEMS系統(tǒng)PLC監(jiān)控步驟為：首先監(jiān)測(cè)工廠中氣體污染物（如SO2）入口實(shí)時(shí)濃度值，得到數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過實(shí)時(shí)處理，產(chǎn)生信號(hào)脈沖使DCS系統(tǒng)采樣延時(shí)輸出，然后根據(jù)DCS采樣延時(shí)輸出的延時(shí)值減去SO2濃度實(shí)時(shí)值得到數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入比較器，判斷其是否大于正負(fù)1，如是，則進(jìn)行延時(shí)操作，系統(tǒng)輸出PLC故障，得到高電平信號(hào)，使銜鐵開關(guān)閉合，警示

<<燈常亮，蜂鳴器工作。

CEMS系統(tǒng)電腦監(jiān)控步驟為：首先監(jiān)測(cè)工廠排氣管道污染物（如SO2）濃度實(shí)時(shí)值，得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字處理器轉(zhuǎn)換成觸發(fā)信號(hào)傳送至DCS系統(tǒng)，DCS接受信號(hào)后采樣延時(shí)輸出，得到一個(gè)延時(shí)信號(hào)，然后用DCS采樣延時(shí)輸出得到的延時(shí)值減去污染物實(shí)時(shí)濃度值，得到結(jié)果進(jìn)入比較器進(jìn)行比較，判斷其值是否大于正負(fù)1，如大于，則輸出高電平，延時(shí)開啟，最終輸出信號(hào)對(duì)輸出電腦、軟件故障進(jìn)一步處理。

DCS系統(tǒng)通過對(duì)CEMS系統(tǒng)的模擬量數(shù)字量進(jìn)行據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)視和比較，在系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的一個(gè)完整的運(yùn)行周期結(jié)束后，若得到的結(jié)果不符合預(yù)設(shè)條件，則判斷該系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的某個(gè)設(shè)備發(fā)生故障或運(yùn)行錯(cuò)誤，使DCS報(bào)警設(shè)備及時(shí)報(bào)警，控制室監(jiān)視人員及時(shí)通知維護(hù)人員故障處理和設(shè)備維護(hù)。

4 研究結(jié)論

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的全面增長，使得用電需求急劇升高，但由于當(dāng)下的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)決定了我國目前的發(fā)電系統(tǒng)還是以傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠為主，由此，火力發(fā)電造成的環(huán)境污染成為人類亟待解決的問題。CEMS系統(tǒng)的使用的城市化普及和常態(tài)化可以在一定程度上可以緩解環(huán)境壓力，有利于環(huán)境友好型國家建設(shè)。通過自動(dòng)監(jiān)測(cè)火電廠在發(fā)電過程中排放的污染物的濃度和總量并通過反饋系統(tǒng)得到的一系列信號(hào)可進(jìn)行無人操作，系統(tǒng)預(yù)警，故障分析和數(shù)據(jù)采集等，大大減少了人力資源的浪費(fèi)，促進(jìn)了環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)分析后采取相應(yīng)措施來降低污染物濃度，使其達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，從而保護(hù)城市環(huán)境和空氣狀況。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)在節(jié)省了人力物力的同時(shí)也保證監(jiān)控質(zhì)量，提高了監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

[1]張志強(qiáng),潘建文,韓文棟.CEMS在火電廠的應(yīng)用及存在問題分析[J].電力環(huán)境保護(hù),2008(06)：59.

[2]范典.煙氣連續(xù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)CEMS的設(shè)計(jì)與研究[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(bào),2014(04).

[3]裴冰,萬方.CEMS比對(duì)監(jiān)測(cè)相關(guān)問題探討[J].環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù),2010(04).

[4]張思銳.CEMS系統(tǒng)在火電廠應(yīng)用和工程設(shè)計(jì)探討[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2013(02).

[5]韓宏峰，張京松，劉寶輝.煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS)的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展分析[C].第六次全國環(huán)境監(jiān)測(cè)學(xué)術(shù)交流會(huì),2001.

呂子含（1996-），安徽省蚌埠市人。安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院在讀，電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)。

作者單位 安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 安徽省淮南市 232001