烟气排放远程监控及故障诊断系统的设计

2011-05-10张印强程明霄

制造业自动化 2011年16期

张印强，程明霄

（南京工业大学自动化与电气工程学院, 南京 210009 ）

0 引言

烟气排放连续监测系统是监测烟气污染物排放的现代化手段，该系统具有连续监测、远程通讯等特点。由于设备运行过程中存在一定的失效性，对设备的运行状态进行远程监控和远程故障诊断，对保证系统的可靠、连续运行具有重要的意义[1-3]。

根据烟气连续排放监控的要求设计了基于PLC和GPRS无线通信的远程监控及故障诊断系统。现场监控系统以PLC作为控制核心，基于自由口通信和GPRS无线网络实现与远程数据中心的连接；远程数据中心对现场运行状态进行监控，现场故障时可进行远程故障诊断及处理，系统具有工作可靠、维护方便的特点。

1 系统的监控要求及结构组成

系统的监控要求如下：1）能实时监测现场设备的运行状态及污染物的排放浓度、烟气参数等信息；2）能对烟气排放数据进行归档和数据查询；3）现场设备故障时能进行故障报警和远程故障诊断，从而保证短时间内排除故障。

整个系统结构如图1所示。系统由现场层和远程监控层两部分组成。现场层由泵、阀、湿度仪、气体分析仪、PLC以及人机界面等组成，由PLC控制采样泵、反吹阀等按工艺流程正常工作，同时不断监测二氧化硫、氮氧化物、烟尘等被测信号，并将监测数据传送给人机界面进行显示。现场层还能够响应远程数据中心的控制命令完成参数设置、手动等功能。

系统选用的PLC是德国西门子公司的S7-200系列的CPU 226；气体分析仪选用西门子的ULTRAMAT 23，可同时对二氧化硫、氮氧化物、氧气进行浓度分析；湿度仪选用吉纳波的HMS535C+。PLC的输入、输出点数统计如下：数字量输入(DI) 点数为10点；数字量输出( DO) 点数为10点；模拟量输入( AI)为7个通道；模拟量输出( AO)为2个通道，PLC的I/O接线示意图如图2所示。远程数据中心由数据库服务器和web服务器构成，可以方便地完成数据监视、故障诊断、参数设定等功能。设备运行状态和烟气排放数据通过GPRS模块传入GPRS网络，再由GPRS网络连接至远程数据中心，由远程数据中心对烟气排放的数据进行归档。故障时，远程数据中心响应用户请求对系统故障进行分析，通过调用相应的知识库，利用推理机进行故障诊断并给出解决方案，用户可根据诊断结果排除故障。

2 PLC软件设计

PLC控制程序完成模拟量信号的采集，并控制相应的泵、阀等部件按工作流程运转，实现反吹、手动、报警等功能。PLC控制程序包括初始化模块、反吹模块、蠕动泵模块、故障报警模块、通信模块等部分。

2.1 通信程序

西门子S7－200系列PLC的自由端口模式是由用户控制的通信方式，其通信协议由用户定义，通过调用接收中断、发送中断、发送指令（XMT）、接受指令（RCV）来控制通信操作，利用自由口通信可通过GPRS无线通信模块建立与远程数据中心的连接，实时传送监控数据并响应远程数据中心的控制命令。

2.1.1 通信协议及通信流程

通信协议是指两个或多个通信实体相互通信的全过程中所必须遵守的规约之集合。现场数据采集及控制模块需要每隔30秒将采集到的设备运行状态和烟气排放的相关实时数据发送给远程数据中心。为保证数据传输的可靠性，系统采用自定义的不定长命令桢来约定所有的通信命令，通信命令格式如表1所示。

表1 通信命令格式

起始位以十六进制数“00”表示，结束符以十六进制数“FF”表示，“00”开始，“FF”结束的数据构成一个完整的命令桢。发送实时数据、参数设定等指令编码简单的以十六进制数1、2、3等表示。数据块之间以约定格式进行分隔，采用异或和校验。通信程序流程如图3所示。

通信过程中首先进行初始化，设定起始字符，结束字符，最大接受字符数等，然后根据发送过来的命令字进行命令解析，通过设置相应标志位来实现功能按钮和阀门等的控制，若无控制命令每隔30秒将监控数据发回远程数据中心。

2.1.2 GPRS通信

系统采用了西门子的无线数据通信模块MC55完成GPRS通信[4]功能，该模块内置了TPC/IP协议栈，支持GPRS无线接入。开机后首先对GPRS模块进行初始化，然后通过AT命令控制MC55模块接入GPRS网络，联网成功后与远程数据中心进行网络连接，成功后即可进行数据传输。用于操作MC55的相关AT命令如下：

2.1.3 自由口的初始化

自由端口模式控制字节SMB30用来设置端口0的奇偶校验，字符的数据位数，波特率和通信协议,SMB87主要用来设置各种通信检测条件,SMB88 设定信息字符的开始字符,SMB89 设定信息字符的结束字符, SMB94 设置接收的最大字符数(1-255),程序代码如下：

2.2 远程控制响应

当PLC接受到参数设定、手动控制等远程控制命令后，M寄存器相应位进行置1操作，使用“或指令”将标志位并联在控制程序分支，可响应远端控制命令，实现远程控制功能。

以抽气泵控制为例，其控制程序如图4所示。T37为开机正常启动后10秒延时计数器，cg_alarm为除湿器报警，auto_manual为自动／手动按钮，pump_manual为抽气泵手动，cal_output为校对，ball_valve_close为球阀关闭。抽气泵本地控制时的开启条件包括自动状态下运行正常、手动状态按下泵手动按钮、校对三种情况。为实现远程操作，利用M0.2作为泵开启的控制标志位，当PLC接收到来自远程数据中心的“泵开启”命令后将M0.2置1，此时便可直接控制抽气泵开启，实现远程控制功能。

2.3 故障报警

报警程序的梯形图如图5所示。

当自动运行过程中出现气体分析仪故障或除湿器故障时，5秒钟计时器T44启动，若5秒内一直有故障，则输出故障信号。U23_error和cg_alarm分别代表分析仪和除湿器故障，error_sign为故障报警指示。

3 远程监控与故障诊断

远程数据中心可以监控分布在不同现场的采集终端的运行状态和排放数据，进行实时数据显示，并通过web服务器响应用户请求进行远程故障诊断与处理。

3.1 远程监控

远程数据中心能接收来自现场的数据，进行相关的处理后存档，同时对外提供采集数据的Web 访问服务。由于有多台数据采集终端发送数据，远程数据中心采用“线程池”技术和TCP/IP Socket接口进行数据接收。数据库服务器启动监听线程响应采集终端的数据连接，当客户端请求连接时根据线程池状态启动“数据接受线程”进行端口绑定和数据处理，客户端断开连接后关闭线程，利用多线程技术解决了数据的实时、高效传输的问题。系统采用SQL Server数据库进行数据管理，方便对各种状态数据和历史数据的分析管理，维护方便。

3.2 远程故障诊断

故障诊断是寻找故障原因的过程，包括状态检测、故障原因分析及劣化趋势预测等功能，远程故障诊断专家系统由知识库、数据库、推理机及人机接口组成[5-7]。

3.2.1 知识库

知识库是专家系统最重要的组成部分之一, 其主要功能是存储和管理专家系统中的知识。知识库的结构形式取决于所采用的知识表示方法，这里将故障树分析法和产生式规则表达结合起来进行知识的表示。

故障树模型是一个基于研究对象结构，功能特征的行为模型，以系统最不希望发生的故障状态作为故障树的顶事件，以可能导致顶事件发生的其它事件为底事件，并用特定的逻辑符号表示事件之间关联的一种倒树状结构的逻辑图[6]。通过对烟气排放连续监测系统的故障特征进行分析和归纳建立了系统的故障树模型，故障树模型可以划分为几个层次：系统级、部件级、器件级等，其中系统级包括数据采集系统、流程控制系统和数据传输系统三个部分。以抽气泵停止为例，建立的故障树模型如图6所示。抽气泵停止工作的原因分为抽气泵本身故障和其他故障报警引发的停止两类。故障报警中仅有除湿器故障和负压报警故障会引起抽气泵停止，结合报警故障的具体原因将故障树层层细化。故障树的子节点与父节点之间都存在确定性的因果关系, 使用IF（前提）THEN（结论）形式的产生式规则表示这种正向因果关系。