环境监测仪器仪表控制系统设计及控制对策分析

苏启源

摘  要：现代环境监测自动化程度越来越高，在这其中环境监测仪器表控制技术发挥了巨大的作用，最大程度地促进了现代工业技术的进步，而且新技术不断涌现，为现代工业更高层次的发展提供了技术支持。该文将从环境监测仪器表控制系统的组成和设计原理入手，对设计的安全性和可扩展原则进行阐述，并在此基础上对环境监测仪器仪表控制系统的控制对策进行分析。

关键词：环境监测;仪器仪表;控制系统

中图分类号：TP216              文献标志码：A

0 前言

现代环境监测自动化程度越来越高，这完全得益于数字技术、电路集成技术、微电子自动化技术的长足发展，在这当中，环境监测仪器表控制技术更是有了划时代的发展，最大程度地促进了现代工业技术的进步，而且在新技术不断涌现的当下，其强大的发展动力将为现代工业更高层次的发展提供技术支持。该文将从环境监测仪器表控制系统的组成和设计原理入手，对其设计和控制对策进行深入的阐述。

1 环境监测仪器仪表控制系统的组成

环境监测仪器仪表控制系统虽然其实现的功能和发挥的作用各有不同，但是其最基本的组成大致相同。

1.1 可编程控制模块（即PLC控制模块）

可编程控制模块是环境监测控制系统的基础，该模块是环境监测控制系统中信息采集传感器、指令执行动作机构和人机交互界面的下位机，是系统的基础物理层与中央运算控制层的中间层[1]，这个中间层如果出现故障会导致整个系统的瘫痪，只有保证该模块的正常运行，系统各部位的传感器才能将系统运行的实时数据有效汇集并传送至中央控制系统，中央控制系统发出动作信息，执行机构才能完成相应的动作，系统才能“理解”人的各项指令[2]。

1.2 通信模块

环境监测控制系统的运作离不开信号和数据的传输，通信模块担负着这方面的工作，其中通信模块包含各类传感器模数转换、通信电缆与光纤之间的光电转换、企业内部网络与互联网之间的内外网络的交换、数据通信协议的对接，在整个环境监测控制系统中属于中间链路层[3]。

1.3 中央数据处理计算控制模块

中央数据处理计算控制模块是环境监测控制系统的“大脑”，是系统运行的核心，中央数据处理计算模块主要由中央处理器和内部存储组成，中央数据处理计算模块通过人机操作系统，实现数据处理、动作指令发出、过程控制以及通信数据的冗余和纠错计算功能。直接管理控制系统中各下位机的 PLC 模块，实现操作人员对系统的调试、更新和拓展，同时系统也能自动执行操作人员的指令。

2 环境监测仪器仪表的控制系统设计原理

环境监测仪器仪表的应用领域主要是实现对环境监测仪表仪器的自动启动、停止的实时数据采集，数据分析和指令执行，特别是仪器仪表的开闭控制，数据的远程传输、采集数据的收集管理、计算控制、远程对仪器仪表和电动开关的远程控制等。

下面就以化工厂烟气污水的仪器仪表监测中PLC的应用为例，说明PLC控制系统的作用。化工厂烟气污水的仪器仪表监测的系统流程大致为：化工厂生产→烟气污染监测→烟气过滤系统启动→烟气监测仪器仪表监测数据→固体颗粒监测→污染物监测→监测不合格→生产停止。其中烟气污染监测是工厂烟气污水的仪器仪表监测的关键步骤，在监测过程会中产生新物质并伴随着大量的烟气释放。化工厂烟气污水的仪器仪表监测方式有烟气监测和污水监测2种，2种监测方式的原理基本一致，区别主要是传感器不同。烟气监测主要是监测氮、硫、固体颗粒污染物，污水监测主要是监测水中含氧量、无机物、有机物含量，污染物水平的高低及其变化决定了化工厂烟气污水的仪器仪表监测的动作。

2.1 开关量控制

在化工厂烟气污水的仪器仪表监测，也是PLC的主要使用方式，在整个监测系统中，首先氮化物、硫化物等传感器采集模拟电信号，通过PLC芯片中的模数转换接口电路，转化为PLC芯片可以识别的数字信号，这些转换后的数字信号数据会与预先设定的程序中的氮化物、硫化物等污染标准值进行比较，在PLC芯片的中央处理器中进行比较计算，计算后的结果通过逻辑电路进一步触发储存在内存中的执行程序，然后将这一决策动作信号系统总线传送到模数输入输出接口，转化为模拟信号，实现对烟气引风机电动机构的控制。其工作原理圖如图1所示。

2.2 运动控制

在化工厂烟气污水的仪器仪表监测过程中，主要是通过开关烟气过滤装置，并利用引风机控制电路之间数据传递的方式来控制污染物，在该过程中，经中央控制器计算后的决策指令被发送到PLC的输出信号接口，进一步控制引风机、过滤装置的控制电路，而控制电路控制开关和阀门开启的大小，同时控制电路中的限位开关再次与控制污染物含量变化的PLC控制系统内设定的触发初始参数进行比较。PLC控制系统中的各I/O接口都直接与各氮、硫、颗粒物传感器相连接，将各项数据与存储器内的初始参数进行比较，并做出相应的动作。

2.3 远程控制

在化工厂烟气污水的仪器仪表监测过程中PLC控制系统属于本地系统，如果烟气污水的仪器仪表监测是一个庞大的网络结构，系统将设置中央处理机构，通过光纤和电缆构成远程控制系统，在此过程中也由在PLC内部的计算转变为通过PLC芯片的通信模块远程控制。PLC远程控制模块是通过PLC中的EM241智能通信模块实现远程通信功能。这样在中央控制室内的主控设备借助局域网或以太网就可以对各处传感器的PLC控制系统进行连接，其数据显示在中央控制器的显示屏上，并通过统一控制系统中的视窗系统，将获得的各处传感器数据集中显示在控制屏上，同时显示由PLC系统传来的I/O接口中各控制电路的电动机构操作开关量和限位器运行状态。同时中央控制室内的主机通过OPC（OLE for Process Contrrol）基于嵌入式过程的控制软件，在中央控制系统存储器内，置入污染物含量控制的初始参数，和相应动作指令，或者直接通过主机对PLC输入控制命令。其具体的I/O分配表见表1。

3 环境监测仪器仪表控制系统控制策略的研究

3.1 进一步应用智能和信息控制技术

环境监测仪器仪表控制系统的出发点就是减少人为操作，特别是进入信息时代后，这种发展趋势更加明显，在即将到来的工业4.0时代，以物联网为基础的工业互联技术将被广泛应用于电气自动化仪器仪表控制系统中，使得每个电气设备都成为一个云电气的下线机，每台设备上的传感器采集到的数据，通过工业互联网得到大规模的收集，并通过云计算和云存储，把大量分散的电气设备，通过网络汇聚起来，把所有分散的电气设备资源，单个传感器的采集数据连起来形成资源池，供所有的电气设备使用，形成联网的一体化电气设备。随着人工智能技术的突飞猛进，在仪器仪表控制系统中接入人工智能系统，使电气设备成为一个自我感知、自我判断、自我控制的智能设备。

3.2 进一步加大数据互联实现监测数据云端共享

当前在仪器仪表控制技术中，最为基础的传感器正朝着更加小型化、数字化和智能化的方向发展，而连接电气设备的通信网络也由网线转变为了光纤，又由光纤发展为无线网络，并进一步向5G的方向发展，工业物联网正变得更快、更广泛[4]。现场数据采集模块、视频监控模块、控制模块等现场数据采集模块，将采集到的信号传输给控制模块，控制模块将信号处理后同步到互联网与云端数据平台，互联网与云端数据平台可以实时接收与存储各厂区的共享数据，互联网与云端数据平台连接综合管理信息平台，实现了环境监测仪器之间的数据与技术共享，监测数据会同步到云端存储平台不会丢失，实现监测数据的互通、互连、互认。

3.3 加强环境监测仪器仪表开发平台建设

众所周知微软视窗操作系统的出现，极大地促进了计算机技术的发展，其将众多硬件设备通过一个视窗操作平台整合在了一起，大大提高了各种硬件的兼容性，同时也促进了硬件综合能力的提高。而在目前的环境监测仪器仪表仪器仪表技术中，没有一套完整统一的开发平台，建立一个统一的开发平台，对环境监测仪器仪表控制系统的设计有着重要的意义。在这个采用开发平台上各种设备的传感器可以得到互认，各种执行机构都能够执行平台下达的指令，同时平台可以满足不同的工控要求，平台可以在系统中应用并对系统内设备进行联调联测，硬件设备可以有效兼容并协同工作。这个统一的开发平台采取统一的方式把控制程序下载到 PLC 控制器、嵌入式Windows等软件平台中或者是Android和ios操作平台[5]。

3.4 促进自动控制系软硬件设备的标准化

环境监测仪器仪表系统内的设备众多，众多的设备来自不同的厂家，标准不同设备性能也不尽相同，这样就造成设备兼容性差，在软件方面也是一样。各种设备需要进行信息交换和传递，不同的接口极大地限制了数据的传输，在系统中有标准化的通信接口，可以有效地节省通信信号的转换时间并控制成本，可以实现PLC控制器、嵌入式Windows等软件平台，或者是Android和ios操作平台的数据交互[6]，并与Android的应用软件实现4G/5G信息传输，保证不同系统间的有效数据连接，这也是将来环境监测的发展方向。

4 结语

当前，信息技术快速发展，环境监测仪器仪表控制技术应积极将信息技术应用其中，并緊紧跟随技术的发展，创新电气自动化仪器仪表控制技术，最终提高环境监测控制水平，在新时代跟随我国工业4.0的脚步，提高自动化仪器仪表控制技术的自主创新能力，促进我国环境保护的发展，有效地提高环境监测效率，减轻工作人员的劳动强度，为政府决策部门提供有效的环境监测数据的支撑，从而创造更多的社会和经济效益。

参考文献

[1]罗倩，刘云龙.浅析对电气自动化仪表管理与维护的探讨[J].电子元器件与信息技术，2018，2（5）：20-23.

[2]张业成.电气自动化仪表与自动化控制技术探析[J].浙江冶金，2017（2）：17-18.

[3]李萧宇.数字技术在工业电气自动化中的应用与创新[J].科技创新导报，2016，13（8）：11-12.

[4]谢大荣.工业电气自动化仪器仪表控制的分析[J].科技创新与应用，2015（12）：102.

[5]杨永超，高维新.工业电气自动化的发展现状与趋势[J].城市建设理论研究：电子版，2013（23）：24-25.

[6]包山先.工业电气自动化仪器仪表控制的分析[J].通讯世界，2016（1）：198-199.