環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制對(duì)策分析

蘇啟源

摘? 要：現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測(cè)自動(dòng)化程度越來(lái)越高，在這其中環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器表控制技術(shù)發(fā)揮了巨大的作用，最大程度地促進(jìn)了現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，而且新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，為現(xiàn)代工業(yè)更高層次的發(fā)展提供了技術(shù)支持。該文將從環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器表控制系統(tǒng)的組成和設(shè)計(jì)原理入手，對(duì)設(shè)計(jì)的安全性和可擴(kuò)展原則進(jìn)行闡述，并在此基礎(chǔ)上對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器儀表控制系統(tǒng)的控制對(duì)策進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測(cè);儀器儀表;控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP216? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測(cè)自動(dòng)化程度越來(lái)越高，這完全得益于數(shù)字技術(shù)、電路集成技術(shù)、微電子自動(dòng)化技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，在這當(dāng)中，環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器表控制技術(shù)更是有了劃時(shí)代的發(fā)展，最大程度地促進(jìn)了現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，而且在新技術(shù)不斷涌現(xiàn)的當(dāng)下，其強(qiáng)大的發(fā)展動(dòng)力將為現(xiàn)代工業(yè)更高層次的發(fā)展提供技術(shù)支持。該文將從環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器表控制系統(tǒng)的組成和設(shè)計(jì)原理入手，對(duì)其設(shè)計(jì)和控制對(duì)策進(jìn)行深入的闡述。

1 環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器儀表控制系統(tǒng)的組成

環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器儀表控制系統(tǒng)雖然其實(shí)現(xiàn)的功能和發(fā)揮的作用各有不同，但是其最基本的組成大致相同。

1.1 可編程控制模塊（即PLC控制模塊）

可編程控制模塊是環(huán)境監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，該模塊是環(huán)境監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)中信息采集傳感器、指令執(zhí)行動(dòng)作機(jī)構(gòu)和人機(jī)交互界面的下位機(jī)，是系統(tǒng)的基礎(chǔ)物理層與中央運(yùn)算控制層的中間層[1]，這個(gè)中間層如果出現(xiàn)故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓，只有保證該模塊的正常運(yùn)行，系統(tǒng)各部位的傳感器才能將系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)有效匯集并傳送至中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)發(fā)出動(dòng)作信息，執(zhí)行機(jī)構(gòu)才能完成相應(yīng)的動(dòng)作，系統(tǒng)才能“理解”人的各項(xiàng)指令[2]。

1.2 通信模塊

環(huán)境監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的運(yùn)作離不開信號(hào)和數(shù)據(jù)的傳輸，通信模塊擔(dān)負(fù)著這方面的工作，其中通信模塊包含各類傳感器模數(shù)轉(zhuǎn)換、通信電纜與光纖之間的光電轉(zhuǎn)換、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)之間的內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)的交換、數(shù)據(jù)通信協(xié)議的對(duì)接，在整個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)中屬于中間鏈路層[3]。

1.3 中央數(shù)據(jù)處理計(jì)算控制模塊

中央數(shù)據(jù)處理計(jì)算控制模塊是環(huán)境監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的“大腦”，是系統(tǒng)運(yùn)行的核心，中央數(shù)據(jù)處理計(jì)算模塊主要由中央處理器和內(nèi)部存儲(chǔ)組成，中央數(shù)據(jù)處理計(jì)算模塊通過(guò)人機(jī)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、動(dòng)作指令發(fā)出、過(guò)程控制以及通信數(shù)據(jù)的冗余和糾錯(cuò)計(jì)算功能。直接管理控制系統(tǒng)中各下位機(jī)的 PLC 模塊，實(shí)現(xiàn)操作人員對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試、更新和拓展，同時(shí)系統(tǒng)也能自動(dòng)執(zhí)行操作人員的指令。

2 環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器儀表的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器儀表的應(yīng)用領(lǐng)域主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀表儀器的自動(dòng)啟動(dòng)、停止的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析和指令執(zhí)行，特別是儀器儀表的開閉控制，數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸、采集數(shù)據(jù)的收集管理、計(jì)算控制、遠(yuǎn)程對(duì)儀器儀表和電動(dòng)開關(guān)的遠(yuǎn)程控制等。

下面就以化工廠煙氣污水的儀器儀表監(jiān)測(cè)中PLC的應(yīng)用為例，說(shuō)明PLC控制系統(tǒng)的作用?；S煙氣污水的儀器儀表監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)流程大致為：化工廠生產(chǎn)→煙氣污染監(jiān)測(cè)→煙氣過(guò)濾系統(tǒng)啟動(dòng)→煙氣監(jiān)測(cè)儀器儀表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)→固體顆粒監(jiān)測(cè)→污染物監(jiān)測(cè)→監(jiān)測(cè)不合格→生產(chǎn)停止。其中煙氣污染監(jiān)測(cè)是工廠煙氣污水的儀器儀表監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵步驟，在監(jiān)測(cè)過(guò)程會(huì)中產(chǎn)生新物質(zhì)并伴隨著大量的煙氣釋放?；S煙氣污水的儀器儀表監(jiān)測(cè)方式有煙氣監(jiān)測(cè)和污水監(jiān)測(cè)2種，2種監(jiān)測(cè)方式的原理基本一致，區(qū)別主要是傳感器不同。煙氣監(jiān)測(cè)主要是監(jiān)測(cè)氮、硫、固體顆粒污染物，污水監(jiān)測(cè)主要是監(jiān)測(cè)水中含氧量、無(wú)機(jī)物、有機(jī)物含量，污染物水平的高低及其變化決定了化工廠煙氣污水的儀器儀表監(jiān)測(cè)的動(dòng)作。

2.1 開關(guān)量控制

在化工廠煙氣污水的儀器儀表監(jiān)測(cè)，也是PLC的主要使用方式，在整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，首先氮化物、硫化物等傳感器采集模擬電信號(hào)，通過(guò)PLC芯片中的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路，轉(zhuǎn)化為PLC芯片可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，這些轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)會(huì)與預(yù)先設(shè)定的程序中的氮化物、硫化物等污染標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，在PLC芯片的中央處理器中進(jìn)行比較計(jì)算，計(jì)算后的結(jié)果通過(guò)邏輯電路進(jìn)一步觸發(fā)儲(chǔ)存在內(nèi)存中的執(zhí)行程序，然后將這一決策動(dòng)作信號(hào)系統(tǒng)總線傳送到模數(shù)輸入輸出接口，轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣引風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制。其工作原理圖如圖1所示。

2.2 運(yùn)動(dòng)控制

在化工廠煙氣污水的儀器儀表監(jiān)測(cè)過(guò)程中，主要是通過(guò)開關(guān)煙氣過(guò)濾裝置，并利用引風(fēng)機(jī)控制電路之間數(shù)據(jù)傳遞的方式來(lái)控制污染物，在該過(guò)程中，經(jīng)中央控制器計(jì)算后的決策指令被發(fā)送到PLC的輸出信號(hào)接口，進(jìn)一步控制引風(fēng)機(jī)、過(guò)濾裝置的控制電路，而控制電路控制開關(guān)和閥門開啟的大小，同時(shí)控制電路中的限位開關(guān)再次與控制污染物含量變化的PLC控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定的觸發(fā)初始參數(shù)進(jìn)行比較。PLC控制系統(tǒng)中的各I/O接口都直接與各氮、硫、顆粒物傳感器相連接，將各項(xiàng)數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)器內(nèi)的初始參數(shù)進(jìn)行比較，并做出相應(yīng)的動(dòng)作。

2.3 遠(yuǎn)程控制

在化工廠煙氣污水的儀器儀表監(jiān)測(cè)過(guò)程中PLC控制系統(tǒng)屬于本地系統(tǒng)，如果煙氣污水的儀器儀表監(jiān)測(cè)是一個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)將設(shè)置中央處理機(jī)構(gòu)，通過(guò)光纖和電纜構(gòu)成遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，在此過(guò)程中也由在PLC內(nèi)部的計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^(guò)PLC芯片的通信模塊遠(yuǎn)程控制。PLC遠(yuǎn)程控制模塊是通過(guò)PLC中的EM241智能通信模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信功能。這樣在中央控制室內(nèi)的主控設(shè)備借助局域網(wǎng)或以太網(wǎng)就可以對(duì)各處傳感器的PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行連接，其數(shù)據(jù)顯示在中央控制器的顯示屏上，并通過(guò)統(tǒng)一控制系統(tǒng)中的視窗系統(tǒng)，將獲得的各處傳感器數(shù)據(jù)集中顯示在控制屏上，同時(shí)顯示由PLC系統(tǒng)傳來(lái)的I/O接口中各控制電路的電動(dòng)機(jī)構(gòu)操作開關(guān)量和限位器運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)中央控制室內(nèi)的主機(jī)通過(guò)OPC（OLE for Process Contrrol）基于嵌入式過(guò)程的控制軟件，在中央控制系統(tǒng)存儲(chǔ)器內(nèi)，置入污染物含量控制的初始參數(shù)，和相應(yīng)動(dòng)作指令，或者直接通過(guò)主機(jī)對(duì)PLC輸入控制命令。其具體的I/O分配表見表1。

3 環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器儀表控制系統(tǒng)控制策略的研究

3.1 進(jìn)一步應(yīng)用智能和信息控制技術(shù)

環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器儀表控制系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)就是減少人為操作，特別是進(jìn)入信息時(shí)代后，這種發(fā)展趨勢(shì)更加明顯，在即將到來(lái)的工業(yè)4.0時(shí)代，以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的工業(yè)互聯(lián)技術(shù)將被廣泛應(yīng)用于電氣自動(dòng)化儀器儀表控制系統(tǒng)中，使得每個(gè)電氣設(shè)備都成為一個(gè)云電氣的下線機(jī)，每臺(tái)設(shè)備上的傳感器采集到的數(shù)據(jù)，通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)得到大規(guī)模的收集，并通過(guò)云計(jì)算和云存儲(chǔ)，把大量分散的電氣設(shè)備，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)匯聚起來(lái)，把所有分散的電氣設(shè)備資源，單個(gè)傳感器的采集數(shù)據(jù)連起來(lái)形成資源池，供所有的電氣設(shè)備使用，形成聯(lián)網(wǎng)的一體化電氣設(shè)備。隨著人工智能技術(shù)的突飛猛進(jìn)，在儀器儀表控制系統(tǒng)中接入人工智能系統(tǒng)，使電氣設(shè)備成為一個(gè)自我感知、自我判斷、自我控制的智能設(shè)備。

3.2 進(jìn)一步加大數(shù)據(jù)互聯(lián)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)云端共享

當(dāng)前在儀器儀表控制技術(shù)中，最為基礎(chǔ)的傳感器正朝著更加小型化、數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展，而連接電氣設(shè)備的通信網(wǎng)絡(luò)也由網(wǎng)線轉(zhuǎn)變?yōu)榱斯饫w，又由光纖發(fā)展為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)一步向5G的方向發(fā)展，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)正變得更快、更廣泛[4]?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊、視頻監(jiān)控模塊、控制模塊等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊，將采集到的信號(hào)傳輸給控制模塊，控制模塊將信號(hào)處理后同步到互聯(lián)網(wǎng)與云端數(shù)據(jù)平臺(tái)，互聯(lián)網(wǎng)與云端數(shù)據(jù)平臺(tái)可以實(shí)時(shí)接收與存儲(chǔ)各廠區(qū)的共享數(shù)據(jù)，互聯(lián)網(wǎng)與云端數(shù)據(jù)平臺(tái)連接綜合管理信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器之間的數(shù)據(jù)與技術(shù)共享，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)同步到云端存儲(chǔ)平臺(tái)不會(huì)丟失，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的互通、互連、互認(rèn)。

3.3 加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器儀表開發(fā)平臺(tái)建設(shè)

眾所周知微軟視窗操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，極大地促進(jìn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其將眾多硬件設(shè)備通過(guò)一個(gè)視窗操作平臺(tái)整合在了一起，大大提高了各種硬件的兼容性，同時(shí)也促進(jìn)了硬件綜合能力的提高。而在目前的環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器儀表儀器儀表技術(shù)中，沒有一套完整統(tǒng)一的開發(fā)平臺(tái)，建立一個(gè)統(tǒng)一的開發(fā)平臺(tái)，對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器儀表控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有著重要的意義。在這個(gè)采用開發(fā)平臺(tái)上各種設(shè)備的傳感器可以得到互認(rèn)，各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)都能夠執(zhí)行平臺(tái)下達(dá)的指令，同時(shí)平臺(tái)可以滿足不同的工控要求，平臺(tái)可以在系統(tǒng)中應(yīng)用并對(duì)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)調(diào)聯(lián)測(cè)，硬件設(shè)備可以有效兼容并協(xié)同工作。這個(gè)統(tǒng)一的開發(fā)平臺(tái)采取統(tǒng)一的方式把控制程序下載到 PLC 控制器、嵌入式Windows等軟件平臺(tái)中或者是Android和ios操作平臺(tái)[5]。

3.4 促進(jìn)自動(dòng)控制系軟硬件設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化

環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器儀表系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備眾多，眾多的設(shè)備來(lái)自不同的廠家，標(biāo)準(zhǔn)不同設(shè)備性能也不盡相同，這樣就造成設(shè)備兼容性差，在軟件方面也是一樣。各種設(shè)備需要進(jìn)行信息交換和傳遞，不同的接口極大地限制了數(shù)據(jù)的傳輸，在系統(tǒng)中有標(biāo)準(zhǔn)化的通信接口，可以有效地節(jié)省通信信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間并控制成本，可以實(shí)現(xiàn)PLC控制器、嵌入式Windows等軟件平臺(tái)，或者是Android和ios操作平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互[6]，并與Android的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)4G/5G信息傳輸，保證不同系統(tǒng)間的有效數(shù)據(jù)連接，這也是將來(lái)環(huán)境監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，信息技術(shù)快速發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器儀表控制技術(shù)應(yīng)積極將信息技術(shù)應(yīng)用其中，并緊緊跟隨技術(shù)的發(fā)展，創(chuàng)新電氣自動(dòng)化儀器儀表控制技術(shù)，最終提高環(huán)境監(jiān)測(cè)控制水平，在新時(shí)代跟隨我國(guó)工業(yè)4.0的腳步，提高自動(dòng)化儀器儀表控制技術(shù)的自主創(chuàng)新能力，促進(jìn)我國(guó)環(huán)境保護(hù)的發(fā)展，有效地提高環(huán)境監(jiān)測(cè)效率，減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，為政府決策部門提供有效的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的支撐，從而創(chuàng)造更多的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

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