基于稱重法的煙塵濃度在線測量裝置實現(xiàn)研究

豈峰利+程永強

摘 要： 為了改善傳統(tǒng)基于濾膜稱重法煙塵濃度測量裝置操作繁瑣、測量周期長、噪聲大、不易進行實時在線監(jiān)測的不足，提出一種結合PLC控制模塊和改進機械結構的煙塵濾膜自動加載單元，選用高精度電子天平通過串口通信實現(xiàn)了煙塵重量自動測量，使用WinCC組態(tài)軟件完成了機柜觸摸屏的人機交互界面。該裝置通過在太原大唐第二熱電廠進行測試，并將測得的煙塵濃度進行了誤差分析，結果表明該裝置能夠滿足環(huán)保部關于煙塵濃度監(jiān)測標準的要求。

關鍵詞： 煙塵濃度； 在線監(jiān)測； 稱重法； PLC； 機械手； WinCC

中圖分類號： TN949.6+5?34； TP271 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）02?0048?05

Abstract： To resolve the problems of complicated procedure， long measurement period， loud noise and poor online real?time monitoring capability of the traditional smoke dust concentration measurement device based on membrane weighing method， an automatic smoke dust membrane loading unit combined with the PLC control module and the improved mechanical structure is proposed. The high?precision electronic balance is selected to achieve automatic smoke dust weight measurement by means of serial port communication. The WinCC configuration software is used to achieve the human?machine interaction interface on the touch screen of the cabinet. The device was tested in the Datang Taiyuan Second Thermal Power Plant and error analysis was performed for the tested smoke dust concentration. The results show that the device can meet the requirement of the smoke dust concentration monitoring standard issued by Ministry of Environmental Protection.

Keywords： smoke dust concentration； online monitoring； weighing method； PLC； robot hand； WinCC

0 引 言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，日常生活生產(chǎn)中產(chǎn)生的大量煙塵會排放到大氣中，特別是各大熱電廠、石油化工廠和金屬冶煉廠排放的煙塵、交通工具排放的廢氣等對大氣的污染更為嚴重，煙塵污染成為造成大氣污染的主要來源。因此，對排放煙塵的濃度進行準確測量并對高濃度煙塵采取有效的治理措施，對于解決我國現(xiàn)階段大氣污染問題至關重要[1?2]。

為了有效監(jiān)測煙塵排放濃度，防止大氣污染，煙塵連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）得到了廣泛的應用[3]，可同時對排放煙氣中的煙塵濃度、溫度、壓力和流速等進行在線監(jiān)測。煙塵濃度的測量技術主要有光衰減法、壓電晶體差頻法等[4?5]，但這些方法都存在一定的不足：光衰減法不適用于測量煙塵濃度過低的情況，壓電晶體差頻法需要在每次測量完之后對儀器進行清理。根據(jù)環(huán)保部門下發(fā)的《固體污染源廢氣低濃度顆粒物測定重量法》（GB/T16157—1996）和《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術要求及檢測方法》（HJ/T76—2007）標準要求[6?7]，我國現(xiàn)階段以重量法測定煙塵濃度為主。濾膜稱重法[8]作為重量法的一種，是將煙道中的氣體進行采樣，然后使用玻璃纖維濾膜，將煙塵被過濾到濾膜上，再將濾膜放在烘干臺上進行反復烘干直到恒重。通過采樣前后的濾膜重量之差得到所采集煙塵的重量，再運用煙塵的重量和煙道氣體體積計算得到煙塵的濃度。

傳統(tǒng)濾膜稱重法雖不受煙塵中顆粒物物理性質(zhì)的影響，可以得到較準確的測量值，但操作比較繁瑣，測量干擾嚴重，不易進行實時在線監(jiān)測[9]?；诖?，本文研發(fā)了一種新的基于稱重法的煙塵濃度在線測量裝置，并將其運用于熱電廠煙塵濃度監(jiān)測，首先設計實現(xiàn)了煙塵濾膜自動加載單元，通過機械裝置和PLC控制模塊簡化了測量過程，縮短了測量周期；然后選用高精度電子天平通過串口通信實現(xiàn)了煙塵重量自動測量，減少了噪聲干擾；最后使用WinCC組態(tài)軟件完成了機柜觸摸屏的人機交互界面，方便操作及數(shù)據(jù)查看和保存。本裝置已在太原大唐第二熱電廠進行測試應用，并將測得的煙塵濃度進行了誤差分析，結果表明該裝置能夠滿足環(huán)保部關于煙塵濃度監(jiān)測標準的要求。

1 基于稱重法的CEMS結構組成及工作原理

基于稱重法的煙塵連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)CEMS的結構組成如圖1所示，主要包括煙道內(nèi)采樣系統(tǒng)、在線煙塵監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸和處理顯示系統(tǒng)。

CEMS的工作原理及流程為：先將煙塵采樣槍置于煙道內(nèi)，采樣嘴正對氣流方向；在每次采樣之前，先利用反吹泵反吹一段時間，防止采樣嘴被煙道中的顆粒物堵塞；然后吸氣泵進行等速采樣，抽取一定帶有煙塵的煙氣，抽取煙氣中的固體顆粒物并過濾到濾膜上，根據(jù)濾膜過濾前后的重量差得到煙塵的重量；最后根據(jù)流量計測得采樣煙氣的體積進而得到所測煙塵的濃度。由于煙道中的煙氣含有水蒸氣等雜質(zhì)，會影響氣體流量的測定，所以需先通過汽、水分離裝置（圖1中間部分），將煙道中的氣體除去水蒸氣等雜質(zhì)，然后再對煙氣的流量進行測量。endprint

采樣裝置前端裝有溫度變送器和壓力變送器，其中溫度變送器可測得煙道中的實時溫度，壓力變送器中的皮托管用于測得煙道中煙氣的動壓和靜壓，用動壓與靜壓相減得到煙道中煙氣的差壓值ΔP。差壓值與煙氣的流速有關系，當ΔP越大時流速也越大，當流速為0時，ΔP也為0。根據(jù)式（1）和式（2）可以算出煙道中氣體的流速Vs（m/s），測得流速大小后可使用PLC的PID模塊對采樣的吸氣泵進行實時調(diào)節(jié)[10]，從而實現(xiàn)等速采樣。

式中：為皮托管系數(shù)；為煙氣的動壓；為煙氣的靜壓；為煙氣密度；為煙氣溫度；為大氣壓強。

然后再根據(jù)式（3）和式（4）計算出煙氣中煙塵的濃度C（mg/m3）：

式中：為空濾膜的重量；g2為帶有煙塵的濾膜重量；V為干氣體的體積；Qs為流量計所得的氣體流量；t為采樣槍在煙道中的采樣時間。

傳統(tǒng)稱重法測量煙塵濃度的裝置往往存在操作繁瑣，測量干擾大，不能進行在線監(jiān)測等不足，本文通過對煙塵濾膜自動加載單元的機械結構及電氣控制部分進行改進設計，將耗時繁瑣的稱重過程使用PLC進行自動控制，并使用WinCC組態(tài)軟件在機柜的觸摸屏上實現(xiàn)了人機交互界面，從而方便煙塵監(jiān)控人員操作。

2 煙塵濃度在線測量裝置改進設計

2.1 PLC控制稱重系統(tǒng)設計

2.1.1 硬件設計

稱重系統(tǒng)是整套裝置的核心之一，稱重系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接影響到煙塵濃度測量的準確度。稱重系統(tǒng)設計為七個位置，如圖2所示，通過一個簡易機械手吸取濾膜在七個位置之間進行循環(huán)執(zhí)行，其中1號位和2號位處于稱重系統(tǒng)的同一個位置。在2號位處，濾膜桶內(nèi)一共裝有一定量濾膜，放置方式是將濾膜和隔紙交替放置，且最上面放置濾膜。每當機械手前端的裝置將濾膜吸走時，桶內(nèi)的彈簧就向上彈起，在濾膜桶外面的4個角上各有4個擋片，由于濾膜紙是圓形的，而隔紙是方形的，這樣可以防止在吸取濾膜時將濾膜下面的隔紙一同吸走。

煙塵監(jiān)測系統(tǒng)啟動后，按下開始按鈕，需先讓機械手調(diào)整到起始位置。首先讓機械手逆時針旋轉(zhuǎn)尋找起始位置1號接近開關，若在逆時針旋轉(zhuǎn)過程中到達6號位置接近開關，說明機械手需要順時針旋轉(zhuǎn)尋找起始位置，以避免使機械手上面的接線纏繞。機械手到達起始位置后，要對各個位置上的殘留濾膜進行檢測，并把殘留濾膜吸到7號位置處扔掉，最后機械手再回到起始位置。

機械手到達起始位置時，PLC開始控制機械手前端的電磁鐵和小型吸氣泵開始工作，吸取2號濾膜桶中的濾膜順時針旋轉(zhuǎn)45°到3號烘干位置，烘干完成后機械手吸取濾膜繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)135°到5號電子天平處，對烘干后的濾膜進行稱重。稱重完成后機械手吸取濾膜逆時針旋轉(zhuǎn)90°到4號位置，到達4號位置時PLC控制小型吸氣泵停止工作，將濾膜放置在采樣桶上。放置后機械手逆時針旋轉(zhuǎn)90°回到2號位置。在2號位置處吸取濾膜的隔紙，然后逆時針旋轉(zhuǎn)60°到7號位置將隔紙扔掉。采樣桶采用上下開合的形式，采樣桶的上蓋固定在電動推桿上，PLC控制電動推桿的推拉，從而控制采樣桶的開合。為了避免機械手影響采樣桶的閉合，當機械手扔掉濾膜的隔紙后，就順時針旋轉(zhuǎn)到2號位置。等待采樣槍抽取煙道內(nèi)的煙氣的時間完成，電動推桿向上收縮，打開采樣桶，機械手順時針旋轉(zhuǎn)90°到4號位置處，然后吸取濾膜順時針旋轉(zhuǎn)90°到電子天平處，對有煙塵的濾膜進行稱重。為了提高對濾膜的利用率，可以對采樣后的濾膜重復使用。稱重完以后機械手繼續(xù)吸取濾膜旋轉(zhuǎn)逆時針旋轉(zhuǎn)90°到4號位置繼續(xù)使用。使用到一定次數(shù)時，機械手從5號位置吸取濾膜逆時針旋轉(zhuǎn)240°到7號位置，將廢棄的濾膜扔掉。然后順時針旋轉(zhuǎn)60°重新回到2號位置，重復上述過程。如果機械手在除了調(diào)整初始狀態(tài)之外的其他旋轉(zhuǎn)過程中旋轉(zhuǎn)到了6號位置處，說明機械手的旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)了故障，那么就需要重新調(diào)整初始狀態(tài)，讓機械手重新工作。

2.1.2 硬件選型

在煙塵稱重裝置中，機械手包括機械臂、電磁鐵、小型真空吸氣泵、步進電機、真空吸盤等部分，機械臂在各位置之間運行是通過可編程邏輯控制器PLC控制的。本文所使用的PLC是德國西門子公司S7?200 CPU224，其有24個I/O點，14個輸入點，10個輸出點，可以連接7個功能擴展模塊，并且具有6個高速脈沖計數(shù)器和2個獨立的高速脈沖輸出點，具有較強的控制能力，本系統(tǒng)中PLC的I/O分配如表1所示。

本系統(tǒng)中機械手旋轉(zhuǎn)控制選用行星減速步進電機，具體使用諾力電器有限公司的二相混合式的驅(qū)動器，型號為NL?BJH?01，其最高定位精度可達到3 200步/轉(zhuǎn)，運行時電流設為3.08 A，微步細分設定為1 600 步/s，可以精確地實現(xiàn)機械手的定位。在濾膜吸取過程中，采用直流24 V，行程為0～15 mm電磁鐵和直流24 V小型真空吸氣泵，并通過PLC進行控制。

電子天平是稱重裝置的關鍵元件，本裝置選用梅特勒?托利多TLE104E型電子天平，該天平精確到微克級別，可以準確地稱量出煙氣中煙塵的重量。該天平具有RS 232的通信接口，由于S7?200系列PLC的通信口是RS 485，所以通過RS 232轉(zhuǎn)RS 485線實現(xiàn)PLC與電子天平之間的數(shù)據(jù)通信。

濾膜的選擇對快速準確的煙塵采集至關重要，本系統(tǒng)的濾膜采用90 mm的圓形超細玻璃纖維濾膜，濾膜的進風面用較粗糙的纖維，出風面用較細的纖維，以便有效攔截煙塵顆粒，在篩選濾膜時標準重量應為0.3～0.35 g之間，并將不在這個范圍內(nèi)的濾膜剔除掉。重量太輕的濾膜過薄，強度會降低，易破裂；太重會使濾膜阻力過大，降低對煙塵的捕獲率[11]。

2.2 軟件設計

2.2.1 功能分析

為了滿足實際應用的功能需求，并符合國家環(huán)保部分相關標準，本文中CEMS的功能劃分如下：

1） PLC精確控制步進電機帶動機械臂旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機械臂在稱重系統(tǒng)中各個位置的精確定位；endprint

2） 電子天平的RS 232的通信接口與PLC的RS 485接口進行通信，實現(xiàn)PLC對電子天平的控制；

3） 利用PLC控制實現(xiàn)機械臂上電磁鐵和小型吸氣泵的控制，并使其配合完成了對濾膜的吸?。?/p>

4） 利用PLC控制加熱板、采樣桶等元件，完成對濾膜的烘干和煙塵的捕獲等功能；

5） 利用WinCC組態(tài)軟件繪制人機交互界面，并將煙道內(nèi)溫度，煙氣流速、煙塵重量以及煙塵濃度等重要數(shù)據(jù)在監(jiān)控終端界面上顯示。

2.2.2 運行流程

根據(jù)上述功能分析，本文中CEMS的執(zhí)行過程劃分為5個狀態(tài)：啟動狀態(tài)、初始狀態(tài)、運行狀態(tài)、故障狀態(tài)和停止狀態(tài)，其中，運行狀態(tài)又分為機械旋轉(zhuǎn)狀態(tài)、吸取濾膜狀態(tài)、烘干等待狀態(tài)、采樣等待狀態(tài)和稱重等待狀態(tài)。各狀態(tài)間轉(zhuǎn)換所需的條件變量保存在PLC的M存儲區(qū)中，如表2所示。

圖3為狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換流程圖，當按下啟動按鈕時，系統(tǒng)采樣部分進行采樣槍反吹、測量現(xiàn)場溫度、皮托管差壓和等速采樣等步驟。采樣完成后，系統(tǒng)的稱重部分開始工作，首先進入啟動狀態(tài)將稱重過程中所用的標志位和存儲區(qū)進行清零，然后對稱重系統(tǒng)初始狀態(tài)調(diào)整。這些初始工作完成后，稱重系統(tǒng)開始運行，執(zhí)行煙塵濃度測量過程。如果在運行過程中按下了停止按鈕，稱重過程立即停止；如果運行過程中出現(xiàn)了故障，如濾膜吸取失敗或者步進電機的控制失控等，也需要將稱重過程停止，并進行故障處理。

本文CEMS系統(tǒng)運行過程中，通過WinCC動態(tài)監(jiān)視現(xiàn)場設備的運行狀況及相應的運行參數(shù)，更改和設置系統(tǒng)運行時的數(shù)據(jù)。當一次煙塵采樣稱重完成后，運用PLC控制電子天平與控制終端進行通信，實現(xiàn)了對煙塵濃度監(jiān)測的組態(tài)，如圖4所示，分別顯示了煙道溫度、煙氣流速、差壓、采樣體積、煙塵重量及煙塵濃度等監(jiān)測數(shù)據(jù)，當煙塵濃度得到系統(tǒng)設置的閾值時，將發(fā)出報警信息。

3 現(xiàn)場測試及誤差分析

本文研發(fā)的在線煙塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)已在太原大唐第二熱電廠進行測試應用，其監(jiān)測的部分煙塵濃度數(shù)據(jù)對比如圖5所示。

由對比結果可以看出所測得濃度與現(xiàn)場實際濃度相比略有偏高，其原因分析如下：

1） 采樣時間偏長，濾膜上積塵較多，通過后續(xù)實驗對采樣時間進行標定，以確保測量的準確；

2） 濾膜吸濕特性的影響，玻璃纖維濾膜具有吸濕的特性，當將濾膜放在天平托盤上稱重時，濾膜的濕度較空氣的濕度小，所以產(chǎn)生了吸濕現(xiàn)象，呈增重趨勢；

3） 采樣槍上皮托管制作的尺寸不規(guī)范、采樣嘴使用時間太久后發(fā)生變形等造成皮托管系數(shù)偏差。

對于第一個和第三個原因?qū)е碌恼`差可以通過選擇適當?shù)牟蓸訒r間和定期更換規(guī)范的皮托管來解決。對于濾膜的吸濕問題來說，在室內(nèi)可以通過反復對濾膜進行烘干，然后在干燥器中冷卻至室溫后，進行稱重，但是這個過程需要較長時間，而且對于采樣現(xiàn)場具體的情況來講，不易控制，因此對于這個因素的影響還需繼續(xù)深入研究解決。

4 結 語

煙塵連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)對于熱電廠等廢氣排放企業(yè)的環(huán)保工作具有重要意義，針對當前基于稱重法煙塵測量系統(tǒng)的不足，本文設計實現(xiàn)了基于PLC控制的煙塵濾膜自動加載單元，簡化了測量過程，縮短了測量周期；并選用高精度電子天平通過串口通信實現(xiàn)了煙塵重量自動測量，提高了測量準確性；結合WinCC組態(tài)軟件完成了機柜觸摸屏的人機交互界面，方便操作及數(shù)據(jù)查看和保存。本裝置已在太原大唐第二熱電廠進行測試應用，并將測得的煙塵濃度進行了誤差分析，結果表明該裝置能夠滿足環(huán)保部關于煙塵濃度監(jiān)測標準的要求。

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