基于组态王的喷淋净化塔监控系统设计

孟 冉

(辽宁机电职业技术学院，辽宁 丹东 118009)

0 引言

1987年9月5日，我国出台了《中华人民共和国大气污染防治法》，经过2000年和2015年两次修订，法案中明确规定了大气污染防治标准和限期达标规划。随着我国科技的发展，人民生活水平不断提高，人们对环境保护，尤其是大气环境保护更加关注。校园是培养“祖国花朵”的场所，随着国家办学水平的提高，学生动手实践的机会日益增多，学校兴办了很多实验室，让学生探索科学的奥妙，化学实验室在大中专、本科院校是很普遍的[1]。化学实验室多分布在高校或者城市，具有占地空间有限、周围人员密集等特点，化学实验室的废气处理、达标排放更加需要关注。

实验室的酸碱废气处理必须采用易于操作管理的分类处理净化工艺，整个处理过程是环保、安全、稳定、无剧烈的能量转换，处理系统操作、管理及维护要简便，投资、运行费用低[2-5]。对于实验室废气处理，现有的废气处理技术主要有：氧化处理法、生化处理法、物理吸附法、燃烧法、低温等离子法等。对于化学实验室，有些废气治理工艺不可以使用，如生化处理法、低温等离子法、燃烧法等，这些方法均需要一批专业的运行及维护人员，这类方法比较适用于污染物种类和浓度变化不大的有机类废气处理；氧化处理法和物理吸附法处理方式存在处理效率低、成本较高、工艺复杂、设备巨大、易形成二次污染等缺点，因此，在实验室酸碱废气处理领域推广过程中容易受到阻碍[6]。喷淋净化塔具有处理废气和降尘的功能，在各大厂矿企业应用非常广泛，多采用立式塔，具有净化效率高、处理容量大的优点，但是在使用过程中，也暴露出占用空间大、噪声大、易渗漏、自动化水平低且需要专业人员维护的问题，不易于城市或校园加装使用。针对上述问题，提出了一种以组态王软件和智能板卡硬件为核心的实验室用湿法卧式喷淋净化塔在线监控系统。

1 系统总体方案

卧式喷淋净化塔系统包括喷淋净化塔、通风橱、室内通风口、室内管道、室外管道、尾气管道和烟囱，如图1所示。化学实验安排在通风橱内进行，实验过程中生成或者药液挥发的有害气体或者粉尘均通过通风橱通风口排出室外，有效降低了实验室内有害废气浓度。化学实验室常见易挥发药品，无论是在储藏、转运或者在实验过程中，药液挥发在所难免，因此，在室内储药柜附近和实验室角落安装室内通风口，加快室内空气循环速度，避免长时间挥发导致室内有害气体浓度上升而发生安全事故。在室内搜集的有害废气通过风机作用，吸收到喷淋净化塔中，吸收液在塔底经水泵增压后从塔顶喷淋而下，吸收液均匀喷洒在填料层中，废气与吸收液进行气液两相充分接触吸收中和反应，废气经过净化后，可防止出风口带走过量吸收溶液造成环境污染。在出风口处设置旋流除雾器，净化后的气体经除雾板脱水除雾后，由风机和烟囱排入大气。在安装通风橱或室内通风口时，不受位置和数量的限制，不会影响实验室的原有布局，本系统可以应用于原有化学实验室的改扩建工程，为了节省空间，将塔器至于房顶。为了防止渗漏，将塔体底部进行封闭，同时进行耐腐处理，确保不会对原有建筑造成二次伤害。

图1 卧式喷淋净化塔系统总体方案设计

为了提高实验室用喷淋净化塔自动化程度，经过调研，本文提出了以组态王和智能板卡为核心的在线监控系统，为了方便使用与维护，建立了设备监控系统。监控系统功能主要包括：排放气体污染检测、吸收液的pH酸碱度检测、吸收液的液位检测、储液箱温度检测、吸收液喷淋流量检测，将数据传回计算机进行显示，利用组态王软件对数据进行实时显示，设置pH酸碱度报警、储液箱液位偏低报警，提醒维护人员更换吸收液或者补充吸收液。设置喷淋流量报警，提醒用户检测喷嘴是否结晶堵塞。冬天温度较低，昼夜温差较大，吸收液易出现结晶，一方面堵塞喷嘴，提高故障率；另一方面，因结晶致使吸收液浓度降低，影响净化效率，因此，在储液箱中设计伴热控制系统，保证温度处于正常。在维护人员更换吸收液或者补充吸收液时，不易观察储液箱内液位，需要设计储液箱防溢流控制。根据化学实验室工作规律，在线监控系统的控制模式分为两种：一是实验模式，设备连续运行；二是挥发模式，定时间歇通风，防止污染实验室。

2 硬件设计

监控系统硬件主要包括各种传感器及智能板卡、按键及旋钮、指示灯、声光报警器、报电动调节阀、加热管、通信接口和工控机PC及其附件等。该系统硬件结构组成，如图2所示。

图2 系统硬件结构

监控系统以精准节能为原则，气体污染物检测传感器安装在废气排放口，检测实验室排放气体污染物浓度，将废气数据通过鸿格I7017智能模块传回计算机，通过组态王程序控制鸿格I7024智能板卡控制喷淋系统主管道电动调节阀开度控制喷淋吸收液流量，确保实验室废气达标排放。流量传感器安装在喷淋系统喷淋口处，用于测量每个喷淋口流量，目的一是检测喷淋系统是否均匀喷洒吸收液，二是检测喷淋口是否结晶堵塞，将检测数据通过鸿格I7017智能模块传回计算机，经计算机计算处理，如出现喷洒不均或者结晶堵塞，系统自动报警处理。液位传感器安装在储液箱中，检测吸收液的液位变化，将采集数据通过鸿格I7017智能模块传回计算机，以此数据判定储液箱中是否需要补充吸收液，同时可以根据吸收液的液位变化判定储液箱是否出现漏液并自动报警。温度传感器用于测量储液箱内吸收液温度，将检测数据通过鸿格I7017智能模块传回计算机，经计算机程序判定为低温，则通过组态王程序控制鸿格I7024智能板卡控制可控硅电压调制器启动加热管，并实时调节储液箱内温度保持吸收液温度。通过pH计来测量吸收液实时pH酸碱度，将采集数据通过鸿格I7017智能模块传回计算机，经计算机计算处理，判定是否需要更换或者添加吸收液。鸿格I7055是采集操作信号并进行电源指示的模块，功能简单，目的明确。

3 软件设计

3.1 下位机软件设计

3.1.1 一键启动

接通电源，按下喷淋净化塔启动按钮，监控系统通过采集储液箱液位传感器信号判定储液箱中吸收液液位是否满足要求，若液位较低，自动报警储液箱吸收液不足，补充吸收液。通过pH计采集吸收液的pH酸碱度，判定吸收液是否满足工作最低限要求，若不满足条件则提示更换吸收液；若均可正常工作，打开电动调节阀开度为50%，启动喷淋泵；通过流量传感器检测各个喷淋口流量，比较各个喷淋口流量，保证均匀喷洒吸收液，若某些喷淋口流量偏小甚至为零，系统结晶报警；若能够保证均匀喷洒吸收液，待储液箱液位稳定即可启动风机，完成喷淋净化塔一键启动，流程如图3所示。

图3 系统一键启动流程

3.1.2 储液箱伴热控制

据调研，喷淋口在严寒地区容易出现喷淋口结晶等问题，主要原因在于环境低温，致使吸收液溶解度降低，溶质结晶吸收，堆积在喷淋口导致喷淋口堵塞。因此，为了解决喷淋口低温结晶的问题，设计了储液箱伴热控制程序。监控系统一键启动后，储液箱温度传感器检测吸收液温度，采集温度数据与温度设定值进行比较，判断吸收液是否有结晶风险，若吸收液温度低于设定值，监控系统调节可控硅电压调制器输出，调节防腐加热棒加热功率进行储液箱伴热控制。

3.2 上位机软件设计

监控软件选用北京亚控KingView6.55软件，其具有开放性良好，功能模块丰富，人机界面友好，编程简单，安全可靠的特点，可以快速地构建数据采集与监控系统[7]。该软件与智能板卡模块通过串口通信，将采集的数据显示在监控界面上，可通过程序设置报警权限、储存数据和动态显示，配合动画仿真演示，显示更加直观。监控系统上位机界面如图4所示。

图4 上位机界面

4 结语

本文提出的喷淋净化塔监控系统实现了化学实验室废气排放的自动监测、喷淋净化塔的一键启动、储液箱伴热控制和在线监看功能。系统采用的鸿格智能板卡具有控制可靠、成本低廉、组网方便和扩展能力强的特点，上位机组态王软件操作简单，维护方便，人机交互性好，实现了喷淋净化塔的自动监测、一键启动、伴热控制、故障自诊断和在线监看功能。该系统可以提高喷淋净化塔处理酸碱废气的稳定性和自动监控水平，减少实验室设备维护负担，为设备日常维护与管理提供依据。