基于滤膜称重法的在线式烟尘浓度监测系统设计

邓喆　 程永强

摘 要： 鉴于诸多现有大气烟尘监测方法无法实现在线连续监测，监测流程繁琐，监测效率低等缺点，根据我国基于称重法的烟尘固体颗粒物监测的相关标准，设计了一种基于滤膜称重法的在线式烟尘浓度监测系统。该系统使用PLC和WINCC上位机对系统各部分进行实时控制，实现滤膜自动加载要求，对监测数据进行实时分析处理。使用该系统对太原二电厂现场烟尘浓度进行实时监测，监测结果表明，该系统实现了滤膜自动加载以及在线式连续监测和无人值守，对各种需要实时烟尘监测的场所极具实用意义。

关键词： 烟尘浓度监测； 在线监测； 滤膜称重法； 可编程逻辑控制器； 机械手； WINCC

中图分类号： TN02?34； TP23 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）11?0144?05

Design of on?line smoke concentration monitoring system

based on filter membrane weighing method

DENG Zhe， CHENG Yongqiang

（College of Information Engineering， Taiyuan University of Technology， Yuci 030600， China）

Abstract： The available smoke concentration monitoring methods can′t realize the on?line continuous monitoring， and has the defects of tedious monitoring process and low monitoring efficiency. On the basis of the national standards related to smoke solid particle monitoring based on weighing method， an on?line smoke concentration monitoring system based on filter membrane weighing method is put forward. The PLC and WINCC upper computer are used in the system to control each component of the system in real time， implement the automatic loading of filter membrane， and analyze and process the monitoring data in real time. This system was used to monitor the site smoke concentration of Taiyuan Second Thermal Power Plant in real time. The monitoring results show that the system can realize the automatic loading of filter membrane， on?line continuous monitoring and unattended running， and has extremely practical significance for various sites needing real?time smoke monitoring.

Keywords： smoke concentration monitoring； on?line monitoring； filter membrane weighing method； programmable logic controller； manipulator； WINCC

0 引 言

众所周知，人类的生存离不开空气，人们的生活质量与大气环境质量息息相关。如何解决大气环境问题成为大家关注的焦点，其中对大气烟尘浓度的监测尤为重要。当前在线式烟尘监测方法中，滤膜称重法监测结果不受烟尘颗粒物属性限制，准确率高，在国家标准中经常被当作其他监测方法的对比方法，但缺点是该方法一般操作较繁琐，测量周期比较长，噪声大，不能进行实时监测[1]。根据滤膜称重法的不足和国家关于烟尘浓度监测的相关标准，本文设计并实现了基于滤膜称重法的在线式烟尘浓度监测系统，其中包括PLC控制滤膜自动加载系统和称重系统，大大改善了操作繁琐问题，使用WINCC组态软件绘制监测界面、烟尘浓度曲线和历史数据表格，便于监控人员实时监控操作，保存的各项重要数据为后续分析研究提供了便利。

1 系统结构

本监测系统采用滤膜称重法，系统结构图如图1所示，将采样枪伸入烟道中，采样嘴正对气流方向，采样前先打开反吹泵进行反吹；反吹结束后打开吸气泵进行等速采样，采集含有烟尘颗粒物的烟道气体；烟气流经称重系统，气体中的烟尘颗粒物被截留在采样筒内部的滤膜上，根据采样前后的滤膜重量差得到烟尘颗粒物的重量；将采样后的气体依次通过汽水分离器、双氧水、变色硅胶等装置，除去气体中的水蒸汽和杂质；根据流量计测得烟气流量；再根据烟气流量和烟尘颗粒物重量计算出烟尘浓度；最后将烟尘颗粒物重量、烟气流量、烟尘浓度等重要数据实时显示在上位机界面上，并对这些数据进行储存管理。

称重系统是整套设备的核心，系统结构图如图2所示，机械手在7个工位之间旋转。

1） 系统开始运行时，由于机械手所处位置未知，机械手顺时针旋转寻找起始位置，通过1号和6号位接近开关监测机械手，使机械手转回1号位起始位置；

2） 机械手到达起始位置后，通过光电开关检测各工位上是否有滤膜，若某工位上有滤膜，机械手转到该工位吸取滤膜，然后转到7号废膜筒处丢弃滤膜；

3） 机械手重新转回起始位置，吸取2号位滤膜筒内的初始滤膜，顺时针旋转到3号烘干位置，对初始滤膜进行烘干处理；

4） 机械手吸取干燥滤膜，顺时针旋转到5号位电子天平处，称取初始滤膜质量[m0]；

5） 机械手吸取称重后滤膜，逆时针旋转到4号位采样筒处，将滤膜放入采样筒内，闭合采样筒，开始抽气采样；

6） 采样完成后，打开采样筒，机械手吸取采样后滤膜，顺时针旋转到3号烘干位置，对采样后滤膜进行烘干处理；

7） 机械手吸取干燥滤膜，順时针旋转到5号位电子天平处，称取采样后滤膜质量[m1]；

8） 若[m1≥mmax]（滤膜承载上限质量），机械手吸取滤膜，顺时针转到7号位废膜筒位置将滤膜丢弃，若[m1

9） 丢弃滤膜后，机械手顺时针转回1号位起始位置，等待下一个称重命令。

2 系统控制方案

该系统采用全自动控制方式，自动控制即通过按下启动按钮操作完成系统的单机自动运行，无需人工干预；全自动控制指根据现场要求和参数设定实现系统的正常运行，并能够及时阻断各种非正常运行，同时进行声光报警[2]。

采样装置前端装有皮托管和温度变送器，温度变送器可以测得烟道中的实时温度，皮托管可以测得烟道中烟气的动压和静压[3]。动压与静压的差值为差压值[ΔP]，差压与烟气流速成正比关系，通过式（1）和式（2）可以计算得到烟气流速[Vs]（单位：m/s）。测得流速大小以后可以使用PLC的PID模块对采样的吸气泵进行实时调节[4]，从而实现等速采样。

[Vs=1.414×Kp×Pdρ] （1）

[ρ=1.34×273273+ts×Ba+Ps101.325] （2）

式中：[Kp]为皮托管系数；[Pd]为烟气动压；[Ps]为烟气静压；[ρ]为烟气浓度；[ts]为烟气温度；[Ba]为大气压强。

计算出烟气的实时流速[Vs]后，再根据式（3）和式（4）计算得到烟尘浓度[C]。

[V=Qs×t] （3）

[C=mn-mn-1V×106] （4）

式中：[n]为大于1的正整数；[m0]为初始滤膜质量；[m1]为第一次采样后滤膜质量；[mn]为第[n]次采样后滤膜质量；[V]为干气体的体积；[Qs]为流量计测得的气体流量；[t]为采样时间。

2.1 硬件选型

控制系统PLC选用德国西门子公司S7?200系列的CPU224型号，该型号PLC一共有24个I/O点，14个输入点，10个输出点。它可以连接7个功能扩展模块，并且具有6个高速脉冲计数器和2个独立的高速脉冲输出点，具有较强的控制能力[5]；同时具有2个RS 485通信口，RS 485通信口可连接计算机，通过PC Access软件完成与WINCC上位机的通信，从而可以实现对整个系统的在线监控。

1，6号位接近开关选用的是电感式PNP直流三线常开开关，型号为LJ18A3?8?Z/BY，工作电压为24 V，电流为300 mA，能迅速精准地检测到机械手位置。

3号烘干处选用的是额定电压24 V、额定功率50 W的加热板，通电时表面温度可达到220 ℃左右，可以快速将滤膜烘干。

5号位电子天平选用的是梅特勒?托利多TLE104E型号，精度可达到ug级别，可以准确称量烟尘颗粒物的质量。该天平具有RS 232的通信接口，可使用RS 232转RS 485的数据线与PLC的RS 485通信口连接，从而实现PLC与电子天平的数据交换。它还提供一系列完整的指令，可以使用PLC对天平进行完整的控制。

2.2 称重系统硬件设计

称重系统包括多个工位，为满足系统测量精度，需对多个装置进行特别定制，其中包括滤膜筒部分、采样筒部分、废弃筒部分、控制部分、机械手部分和上位机部分。

2.2.1 滤膜筒部分

滤膜筒结构图如图3所示，滤膜筒底部同心圆（半径为30 mm）上固定三根弹簧，弹簧上方放置一个方形托盘，将100张直径为90 mm的圆形滤膜和100张边长为90 mm的方形滤纸交替叠放在托盘上，弹簧处于压缩状态。机械手旋转到滤膜筒位置，吸取最上面的一张滤膜，弹簧向上弹起些许距离，此时最上面一张为滤纸，方形滤纸四角被滤膜筒四角上的四个挡片挡住。由于滤膜透气，采用滤膜滤纸交替放置和滤膜筒四角有挡片的设计，可以保证每次只吸取一张滤膜，无需对滤膜做任何特殊处理，将滤纸丢弃后可循环取膜，为后续称重环节做好准备。

滤膜选用的是直径为90 mm的超细玻璃纤维滤膜，对大气烟尘颗粒物的捕获率达到99%以上。

2.2.2 采样筒部分

采样筒结构图如图4所示，采样筒由上下两部分组成。采样筒上部顶端装有电动推杆装置，电动推杆选用的是最大行程为210 mm、最大载重为15 kg的220 V交流电动推杆，由24 V直流电机驱动。在电动推杆作用下可实现采样筒上下开合。采样筒下部中放置滤膜托盘，托盘上放置PTFE平垫，机械手吸取滤膜旋转到采样筒位置后，滤膜掉落到垫片上。滤膜托盘为不锈钢材质，托盘上布满直径为5 mm的小孔，采样时烟气可从小孔通过，同时可避免滤膜受气流冲击发生形变。采样筒上下部分端口处设计成斜口状，为采样筒精准闭合提供一定的自由度，端口处的凹槽内装有PTFE密封圈，确保抽气采样时采样筒的气密性良好。

2.2.3 废弃筒部分

废弃筒尺寸与滤膜筒相同，内部为空，上端四角无挡片，当机械手吸取的是滤纸或过载滤膜时，机械手旋转到废弃筒位置，将其丢弃到废弃筒内。

2.2.4 控制部分

该部分包括PLC控制单元，PLC对各监测数据进行统计、分析，最终控制采气流量[6]。该部分流量计选用北京七星CS230系列质量流量计，输入烟气系数后，该流量计可直接输出管路中标况下流量；采气泵选用隔膜式真空泵，流量范围为0～100 L/min，通过变频器可实时调节管路中流量的变化。

2.2.5 机械手部分

机械手结构图如图5所示，机械手前端上部装有电磁铁，电磁铁选用直流24 V、最大行程为15 mm的微型电磁铁；电磁铁前端装有用于接近开关检测的铁片，电磁铁下端装有吸嘴座，吸嘴座底端装有真空吸嘴，吸嘴座侧面通过橡胶管连接吸气泵，吸气泵选用直流24 V的小型真空吸气泵；电磁铁控制真空吸嘴上下移动，吸气泵控制吸嘴吸取滤膜；机械手尾端与步进电机轴固定，步进电机驱使机械手旋转。步进电机选用诺力28GP?28H250E10型号的行星减速步进电机，配套使用NL?BJH?01型号的二相混合式驱动器，精度最高为3 200步/转，可以实现机械手精准定位。

2.2.6 上位机部分

上位机采用西门子WINCC软件绘制，实时显示现场工作情况，形成历史存档。

2.3 系统通信

综合控制系统PLC通过接收各变送器的4～20 mA信号，控制系统各部分运行，优化PID算法，实现整个称重过程。WINCC与PLC之间的通信依靠通信驱动程序来实现，通过PC Access软件与PLC、上位机分别通信，上位机可获取在线烟尘称重系统的运行情况[7]。系统网络结构图如图6所示。

3 软件系统设计

本系统的软件设计包括PLC程序设计和上位机程序设计两部分。PLC程序设计是系统设计的核心，其中包括控制监测系统中各部分精准运行和实时采集在线数据；上位机程序设计对系统中各部分的运行情况进行实时监控并生成数据存档，同时可以通过更改或设置上位机参数来协同PLC控制。

3.1 PLC程序设计

本设计采用结构化编程思想，将整个程序分为若干个子程序模块，通过在OB1主程序中对各子程序模块进行组合、调用[8]。在本系统中，子程序模块包括系统初始化模块、机械手寻找起始位置程序、吸取滤膜程序、滤膜烘干程序、滤膜称重程序、烟尘采样程序，滤膜重复使用模块，丢弃滤膜程序等。程序流程图如图7所示。

3.2 上位机程序设计

上位机采用西门子WINCC 7.0软件，该软件具有强大的数据库功能，可以实时保存重要的检测数据和故障信息，进行事件记录，为報表处理及事故调查提供支持[9]。本系统运行状况用指示灯显示，在界面将各数据予以表示，同时用报表的形式储存历史数据和报警信息，供环保部门等职能管理部门及时掌握在线式烟尘浓度监测系统实时运行状况[10]。上位机程序结构图如图8所示。

上位机监控界面分为三部分：监控主画面、烟尘浓度趋势图画面、烟尘浓度表格画面。监控主画面如图9所示，从主界面中可以直观地看到各种重要参数的实时数值，如烟气流速、天平读数、烟尘质量、流量读数、烟尘浓度值等，同时状态指示区实时显示系统运行情况；烟尘浓度趋势图画面显示烟尘浓度曲线；烟尘浓度表格画面显示各种重要的历史数据。

选取2016年3月6日为实例，将本监测系统所测结果与现场仪表所测结果进行比较，测量数据如表1所示，结果显示本监测系统监测效果良好，监测数据准确。

4 结 论

基于滤膜称重法的在线式烟尘浓度监测系统通过PLC控制步进电机和机械手上的吸气泵和电磁铁实现自动加载和丢弃滤膜；通过PID调节实现烟道气体的等速采样；同时通过控制接近开关、加热板、电子天平等实现监测机械手位置、滤膜烘干、滤膜称重等步骤的全自动化；通过WINCC组态软件绘制监测组态界面，实现系统的全自动化控制和烟尘浓度监测重要数据的实时显示，大大提高了监测效率，增强了在线式烟尘浓度监测系统的自动化水平。

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