1  引言
按照國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展，國(guó)家環(huán)?？偩帧痘痣姀S大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(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(cè)儀器(CEMS)[1]。CEMS經(jīng)省級(jí)以上環(huán)保部門(mén)驗(yàn)收合格時(shí),其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為該電廠煙氣排放是否達(dá)標(biāo)的依據(jù)。

2  系統(tǒng)需求分析
該電廠為2臺(tái)300MW火力發(fā)電機(jī)組，CEMS需要測(cè)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(cè)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(cè)量裝置，2臺(tái)機(jī)組共需要4套煙氣測(cè)量裝置。
環(huán)境監(jiān)測(cè)站要監(jiān)測(cè)火電廠的煙氣排放情況，因此CEMS要與環(huán)境檢測(cè)站進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊。CEMS還提供對(duì)煙氣測(cè)量裝置的監(jiān)視、以及歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，報(bào)表打印等功能。

3  系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)
2臺(tái)發(fā)電機(jī)組的煙道相距較遠(yuǎn)，同一機(jī)組脫硫前后煙道相鄰，如圖1所示。在2臺(tái)發(fā)電機(jī)組的煙道附近各搭建1個(gè)現(xiàn)場(chǎng)分析小屋，每個(gè)小屋安裝2套分析儀器，以對(duì)該臺(tái)發(fā)電機(jī)組煙氣的脫硫前后的情況進(jìn)行檢測(cè)。兩個(gè)分析小屋通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行通訊。

圖1     系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)圖
上位機(jī)用于監(jiān)視分析儀器的工作情況并對(duì)故障進(jìn)行報(bào)警。更重要的是統(tǒng)計(jì)各個(gè)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(cè)站和脫硫系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，還提供良好的人機(jī)界面，歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)，報(bào)表打印等功能。

4  硬件設(shè)計(jì)
該CEMS采用濁度法測(cè)量煙道中的固體煙塵。采用直接抽取法采樣，將經(jīng)過(guò)伴熱的濕煙氣經(jīng)過(guò)過(guò)濾送氧化鋯分析儀，測(cè)出濕氧含量。再把煙氣經(jīng)過(guò)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(rùn)氧法計(jì)算得出。
由于CEMS中需要控制的是按一定時(shí)間序列開(kāi)閉的管路，這種量為開(kāi)關(guān)量，此外還需要測(cè)量煙道中各個(gè)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(kāi)發(fā)難度，采用西門(mén)子200系列PLC對(duì)閥門(mén)進(jìn)行控制。其中開(kāi)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(kuò)展模塊EM223。模擬量采用EM231模塊，實(shí)現(xiàn)12位AD轉(zhuǎn)換的。最后PLC將各個(gè)數(shù)字量模擬量通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)模塊CP243-1與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。

5  軟件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)自底向上由PLC控制、上位機(jī)程序、遠(yuǎn)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(kāi)閉，并定時(shí)完成對(duì)采樣通道的吹掃、除濕器的排液及閥門(mén)的互鎖。并對(duì)采集到的各模擬量進(jìn)行數(shù)字濾波。
為了防止采樣通道吹掃時(shí)，煙塵進(jìn)入分析儀，采樣泵與吹掃閥門(mén)互鎖。吹掃閥打開(kāi)時(shí)采樣泵停機(jī)。吹掃結(jié)束后也需要有個(gè)換氣時(shí)間，才能將吹掃氣排出。因而此時(shí)氣體分析儀的分析數(shù)據(jù)不是真實(shí)的煙道氣成分。為此，在上述情況下，通過(guò)停止采樣定時(shí)器計(jì)時(shí)的方法，來(lái)避免PLC將錯(cuò)誤數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。
5.2  上位機(jī)程序
(1) 面向過(guò)程控制的連接與嵌入
主要用于顯示各個(gè)分析設(shè)備的工作情況，匯總煙道氣的歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行打印歸檔，趨勢(shì)顯示。
PLC與上位機(jī)通過(guò)西門(mén)子SIMATIC NET組態(tài)，建立OPC連接。采用WinCC制作如圖2所示人機(jī)界面。在該界面下可以通過(guò)單擊“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)”和“數(shù)據(jù)歸檔”查看實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)的趨勢(shì)圖。

圖2     人機(jī)界面

(2) PowerBuilder專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)功能設(shè)計(jì)
由于設(shè)備事故等原因，有可能會(huì)造成部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失。環(huán)保總局規(guī)定必須要用事故前后的實(shí)測(cè)值估算CEMS故障時(shí)的實(shí)際值[2]。因此不能對(duì)傳到上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的歸檔。而WinCC難于實(shí)現(xiàn)條件歸檔，且歸檔數(shù)據(jù)空間有限，不易完成對(duì)歷史歸檔記錄的修改。
為了解決好這個(gè)問(wèn)題，并兼顧向環(huán)境監(jiān)測(cè)站遠(yuǎn)程通訊，采用了PowerBuilder(數(shù)據(jù)庫(kù)程續(xù)情況，進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)。對(duì)于以上兩種情況同時(shí)發(fā)生時(shí)，則以故障日志中出現(xiàn)故障時(shí)，作為序開(kāi)發(fā)工具)來(lái)讀取WinCC的歸檔數(shù)據(jù)庫(kù)。具體而言，數(shù)據(jù)丟失主要有煙氣分析儀故障與上位機(jī)關(guān)機(jī)兩種數(shù)據(jù)保護(hù)要求。
對(duì)于第一種情況，當(dāng)出現(xiàn)分析儀故障時(shí)，報(bào)警信號(hào)由PLC送到上位機(jī)，使用WinCC生成包含故障出現(xiàn)和結(jié)束時(shí)間的日志文件。根據(jù)故障報(bào)警日志恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)。當(dāng)需要調(diào)閱歷史數(shù)據(jù)時(shí)，WinCC通過(guò)調(diào)用Prog- armExecute()函數(shù)[3]來(lái)運(yùn)行由PowerBuilder編寫(xiě)的后臺(tái)程序，完成對(duì)丟失數(shù)據(jù)的恢復(fù)。對(duì)于第二種情況，PowerBuilder根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄時(shí)間的斷數(shù)據(jù)丟失處理的起點(diǎn)時(shí)間，以上位機(jī)收到連續(xù)有效數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)丟失處理的終點(diǎn)時(shí)間，進(jìn)行處理。
考慮到WinCC歸檔數(shù)據(jù)庫(kù)容量有限，其報(bào)表功能有限，不易進(jìn)行復(fù)雜的條件查詢(xún)報(bào)表輸出。在此，也時(shí)采用PowerBuilder的專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)功能，編寫(xiě)查詢(xún)，報(bào)表程序。在圖2所示界面的相關(guān)按鈕中還是通過(guò)Progarm- Execute()來(lái)實(shí)現(xiàn)WinCC對(duì)PowerBuilder的調(diào)用。
5.3  遠(yuǎn)程通訊
遠(yuǎn)程通訊主要是指與環(huán)境監(jiān)測(cè)站之間通過(guò)internet進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。CEMS中的上位機(jī)作為服務(wù)器，環(huán)境監(jiān)測(cè)站作為客戶(hù)機(jī)，采用C/S模式取得數(shù)據(jù)。具體來(lái)說(shuō)就是環(huán)境檢測(cè)站發(fā)送查詢(xún)請(qǐng)求，CEMS上位機(jī)返回相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的煙氣排放數(shù)據(jù)。
此處采用PowerBuilder設(shè)計(jì)服務(wù)器和客戶(hù)機(jī)的相關(guān)程序。

6  網(wǎng)絡(luò)安全
由于CEMS的分析儀與上位機(jī)間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接，上位機(jī)與環(huán)境監(jiān)測(cè)站之間通過(guò)internet網(wǎng)連接。病毒與黑客有可能對(duì)CEMS造成損壞。另一方面，目前我國(guó)電力系統(tǒng)采用競(jìng)價(jià)上網(wǎng)發(fā)電。各個(gè)電廠的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)是企業(yè)的商業(yè)機(jī)密。因此必須防范由于接入internet對(duì)設(shè)備運(yùn)行的危害和對(duì)商業(yè)機(jī)密的窺探。
如圖3所示，在CEMS上位機(jī)中，PowerBuilder將煙氣歷史數(shù)據(jù)庫(kù)以熱備份的形式拷貝到另一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中。環(huán)境監(jiān)測(cè)站發(fā)送的查詢(xún)請(qǐng)求，都只對(duì)備份的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，不直接訪問(wèn)監(jiān)控系統(tǒng)。CEMS上位機(jī)與備份數(shù)據(jù)庫(kù)在物理上分屬不同計(jì)算機(jī)，備份數(shù)據(jù)庫(kù)只能接受CEMS上位機(jī)的控制，不能反過(guò)來(lái)對(duì)WINCC數(shù)據(jù)庫(kù)操作，從而實(shí)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(kù)通過(guò)專(zhuān)線(xiàn)與環(huán)境檢測(cè)站聯(lián)網(wǎng)。兩者間通過(guò)防火墻來(lái)保證只有環(huán)境監(jiān)測(cè)站的IP才可以訪問(wèn)備份數(shù)據(jù)庫(kù)。從而保證數(shù)據(jù)安全。

7  結(jié)束語(yǔ)
本CEMS由于采用工業(yè)以太網(wǎng)連接PLC與上位機(jī)，系統(tǒng)擴(kuò)充便捷。通過(guò)將PLC梯形圖，WinCC，PowerBuilder相互結(jié)合，使系統(tǒng)維護(hù)方便，并可使用internet網(wǎng)向環(huán)境監(jiān)測(cè)站報(bào)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)?？偩謱?duì)煙氣連續(xù)排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的全部要求，具有一定的推廣價(jià)值。