（控制科学与工程专业论文）基于gprs的烟气在线监测系统的设计.pdf

分类号 u d c 密级 学校代码! q 垒9 2 武多萎理歹大署 学位论文 题目塞主鱼呈垦曼丝塑氢垄垡些型至丝丝遮盐 英文d e s i g n o fc o n t i n u o u se m i s s i o nm o n i t o r i n gs y s t e m 题 目一 研究生姓名 b a s e do ng p r s 赵瑁 姓名盆壁鲞职称型塾撞学位谴 指导教师 。 单位名称鱼型垡堂堕邮编垒! q q ! ! 申请学位级别 硕士 论文提交日期至q ! ! 生垒旦论文答辩日期 2q ! ! 生i 旦 学位授予单位 答辩委员会主 2 0 11 年5 月 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：塑日期：型 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 跫究等竺童譬詈曙，婴签名) ：镎髓呜日期刈卜j ( 注：此页内容装订在论文扉页) i 题引起了世界各国的高 监测系统，可以连续、 气态污染物的浓度和排 放总量，从而限制企业的烟气排放，实现保护环境的目的。本文将g p r s ( g e n i a l p a c k e tr a d i os e r v i c e ) 通用分组无线业务与在线监测相结合，提出了适用于针 对火电厂烟气排放的无线远程监测系统方案 本文首先在对c e m s 国内外发展状况与g p r s 的工作原理的研究的基础上， 对监测系统进行了总体分析，给出了监测系统总体设计原则。根据国家制定的 环境监测管理办法等法律法规，明确了系统具体测量的各项参数，分别是： 二氧化硫含量、粉尘浓度、烟气温度、压力和流速。给出了监测系统的硬件和 软件构架，指出了本监测系统应达到的性能指标把系统按照功能分为数据采 集，传输，显示三个模块。 然后对各种污染排放量的监测原理进行了分析，结合火电厂的实际情况对 各种测量仪进行了选型。采用研华p c l l 7 1 0 数据采集卡，对烟气参数进行采集 与处理，现场数据通过m c 3 5 通讯模块发送给监测中心 监测系统的软件界面分为工控机界面和监测中心界面。本文先对数据库进 行了分析，给出了各个主题库的变量列表然后编写软件界面，采用c 撑编程， 利用a d o n e t 技术实现与s q l 数据库连接，实现被测参数在s q l 数据库上存 储。利用c 绘图功能与水晶报表技术实现了测量数据以曲线，报表等形式的显 示。 本系统采用了模块化结构，增强了监测系统的通用性和可移植性，具有良 好的应用前景。 关键词：在线监测，c e m s ，g p r s ，c 撑 a bs t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n g i c a ld e s t r u c t i o np r o b l e m sa r o u s e dt h ea t t e n t i o no f t h ew o r l d c o n t i n u o u s m o n i t o r i r gs y s t e m ( c e m s ) ，c a nm o n i t o rt h et o t a le m i s s i o n so fp a r t i c l e s a n dg a s e o u sp o l l u t a n t si np o l l u t i o na n de m i s s i o nc o n t i n u o u s l y , r e a l - t i m e a n do n 1 i n e ，s o i tc a nl i m i tt h ef l u eg a se m i s s i o n s ，r e a l i z e t h ep u r p o s eo f e n v i r d n m a l t a lp r o t e c t i o n t h i sp a p e rc o m b i n e st h eg p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ) a n do n 1 i n em o n i t o r i n g , p u tf o r w a r da w i r e l e s sr e m o t em o n i t o r i n gs y s t 锄 w h i c hi ss u i t a b l ef o rm o n i t o r i n gt h ee m i s s i o n so fc o a l - f i r e dp l a n t s a tf i r s t ，t h i sp a p e rg i v e st h ed e v e l o p i n gs i t u a t i o no fg p r s a n dc e m si nc h i n a 锄da b r o a d ，a n a l y z e st h em o n i t o r i n gs y s t e m , g i v e sg e n e r a l r u l e so fd e s i g n i n g a c c o r d i n gt ot h e “e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gm a n a g e m e n tm e t h o d ”a n do t h e rl a w s a n dr e g u l a t i o n s t h ep a p e rm a d e sc l e a rt h ec o n c r e t ev a r i o u sp a r a m e t e r so f t h es y s t 锄， t h e s ep a r a m e t e r sa r e ：s u l f u rd i o x i d e ，c o n c e n t r a t i o no fd u s t , t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e 锄d v e l o c i t yo ft h ef l u eg a s ，g i v e st h ea r c h i t e c t u r ea b o u t h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h e m o n i t o r i n gs y s t e m , p o i n t s o u tm ep e r f o r m a n c ei n d e xw h i c hm o n i t o r i n gs y s t 锄 s l 灿l da c h i e v e a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o no ft h es y s t e m ，t h es y s t e mc a r lb ed i v i d e d i n t ot h r e em o d u l e s ：d a t aa c q u i s i t i o n ，t r a n s m i s s i o na n ds h o w s t h e nt h i sp a p e ra n a l y s e st h ep r i n c i p l eo fv a r i o u sm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t , c o m b i n 髓t 1 1 ea c t u a ls i t u a t i o no ft h ec o a l 一6 f e dp l a n t s ，s e l e c t sa p p r o p r i a t em e a s u r m g i 1 1 s 协n n a l t u s i n gy a nh u a d a t aa c q u i s i t i o nc a r dt oc o l l e c ta n dp r o c e s st h ep a r a m e t e r s a n du s i n gm c 3 5c o m m u n i c a t i o nm o d u l et os e n dt h e s ep a r a m e t e r st om o n i t o r i n g o e n t 既 h lt a m so ft h es o f t w a r eo fm o n i t o r i n gs y s t e m ，i ti n c l u d e si n t e r f a c eo fi n d u s t r i a l p ca i l di n t a r f a c eo fm o n i t o r i n gc e n t e r a tf i r s t ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ed a t a b a s e ，9 1 v e s al i s to fv 撕a b l e so fe a c hl i b r a r y t h e nm a k i n gi n t e r f a c e ，p r o g r a m m i n gb yc 镌u s i n g a d o n e tt e c h n o l o g yt or e a l i z et h ec o n e c t i o no fs q l d a t a b a s e ，5 0t h ep a r a m e t e r sc 觚 b es t o r a di ns q ld a t a b a s e ，u s i n gd r a w i n gf u n c t i o n o fc 撑a n dc r y s t a lr e p o r t s t e c h n o l o g yt oa c h i e v et h ed a t ab es h o w e db yc l l r v ea n dc r y s t a lr e p o r t s t h i ss y s t e mu s e s am o d u l a rs t r u c t u r e , s t r e n g t h e n e dt h ec o m m o n a l i t ya n d p o r t a b i l i t yo f t h em o n i t o r i n gs y s t e m ，a n dt h es y s t e mh a sag o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t - k e yw o r d s ：o n l i n em o n i t o r i n g ，c e m s ，g p r s ，c 撑 i l i i i 1 1 1 课题的研究背景及意义：1 1 2 烟气在线监测系统的国内外发展状况2 1 2 1c e m s 的研究现状：2 1 2 2g p r s 的研究现状4 1 3 论文的主要内容6 第2 章系统总体方案设计8 2 1c e m s 的需求分析一8 2 2 系统主体分析9 2 3 系统总体解决方案9 第3 章系统的硬件设计1 1 3 1 传感器的选型。l l 3 1 1 选型的主要依据和参考标准1 1 3 1 2 二氧化硫分析仪1 2 3 1 3 粉尘测试仪15 3 1 4 流速测量仪l8 3 1 5 温度、压力测量仪1 9 3 2 数据采集卡2 0 3 2 1 数据采集卡的选型及介绍2 0 3 2 2 研华数据采集卡的安装2 3 3 3 远程通讯2 4 3 3 1 系统的数据无线传输方案2 4 3 3 2g p r s 远程通信技术2 4 3 3 3g p r s 的主要接口与相关协议一2 6 3 3 4m c 3 5 通讯模块2 7 i l l 4 3 1s q ls e r v e r2 0 0 5 3 4 4 3 2 数据库的设计3 4 4 3 3 数据库的安全性设计3 7 4 4 工控机端软件设计3 7 4 5 监测中心软件设计3 8 第5 章全文总结4 7 致谢4 8 参考文献4 9 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文5 1 i v l 1 l 1 2 4 3 3 3 3 3 3 了 脚步，然而人类赖以生存的自然环境却越来越恶劣，人们对自然环境造成了各 式各样的影响。诸如土质污染、水污染、空气污染、温室气体等，使人们的生 存环境受到越来越多的影响【l 】。如何才能解决这些环境污染问题，已经迫在眉睫， 成为全世界都高度关注的世界问题。 大气污染对我们的生活环境之影响非常大，属于环境污染之中较典型较严 重的一种。而我们国家当前最为严重的大气污染就是空气中带有的颗粒物以及 酸性降雨。经历了这些灾害后- 人们意识到烟气，烟尘排放是导致这些污染的 罪魁祸首。许多企业为了追求更高的利益，获取更大的利润，不顾自然环境， 大量排放有害烟气，对大气造成了严重的污染。所以监测烟气烟尘的排放，科 学而合理的控制烟气排放物的含量也就成了缓解或解决大气污染的首要问题， 也是各界人们都广泛关注的话题。 烟气连续监测系统( 即c e m s ，c o n t i n u o u se m i s s i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ) ， 可以连续的对烟气，粉尘等污染物进行实时监测。技术人员只要将监测仪器安 装在污染源上( 通常是把测量仪器放到烟气管道中) ，监测系统就可以把监测 到的各项烟气排放数据发送到环保局或者监测中心之类的部门，并按照一定的 标准显示出来。国家部门的相关监测机关则可以对烟气排放进行监测，对环境 污染进行控制，从而达到环境保护的效果。 测定烟气排放，主要在于监测颗粒物，粉尘和二氧化硫等污染物。传统方 法是人工在烟气管道内安装采样头，采样头在烟道抽取烟气样品，人们再将样品 送到实验室进行分析。这种人工操作的方法缺点较多，它消耗时间长，数据监测 不连续、系统提供的测量数据是离散的，所以远程监测的方法势必会取代传统 的人工采样。远程监测系统是指监测中心与被监测对象的距离遥远，系统却要 求能够及时，准确的监测到被测对象及设备的工作状况以及烟气排放数据。在 监测中心发出指令对监测点的情况进行控制。远程监测系统这一概念的诞生， 使得监测人员不用跑到工业现场，也不用去手工采集和分析，而技术人员只要 武汉理t 大学硕士学位论文 在监测中心就能够看到整个系统的运行状况。清楚的监测到数据排放状况，及 时的，清晰的监测到现场的详细情况，大幅提高了工作效率，节省了人力物力， 同时也能对监测点的情况快速及时的做出反应。所以远程监测将是各行各业监 测系统的必然发展趋势【2 】。这种监测方式其主要的优势在于系统与无线网络相 连。从而具备了覆盖面广，监测点不受限制或少受限制的优点。系统适用于偏 远及分散的监测点，数据传输可靠性高，相同情况下数据传输速率远高于其它 的数据无线传输方式，系统的抗干扰能力强，即使监测环境恶劣，系统仍然能 胜任；监测系统造价较低，易于维护与升级【3 1 。 另外，现代科学技术飞速发展，通信技术以及信息处理技术也发展得十分 迅速，将远程通信技术运用于烟气在线监测也成为了监测领域的一个焦点问题。 1 2 烟气在线监测系统的国内外发展状况 1 2 1c e m s 的研究现状 环保这个理念很早以前就已经提出，c e m s 是环保中的十分重要的一个方 面。美国国家环保局( e p a ) 于1 9 7 1 年颁布了连续排放监测( c e m ) 的要求， 1 9 7 5 年正式建立了c e m s 的性能说明，c e m s 开始应用于污染源的监测。e p a 于 1 9 9 0 年制定的清洁空气修正法案提出酸雨治理计划，该项目在1 0 年内削减 一半s 0 2 排放量级大幅度削减烟气的排放c e m s 经过环境机构的系统认证达标 后，c e m s 的监测数据具有法律效力，被政府用于强制污染源达标排放和向公众 提供保证的证据【4 1 相对于西方发达国家，中国的c e m s 则发展较为缓慢中国在c e m s 方面的 发展主要经历了以下三个阶段： ( 1 ) 萌芽阶段 我国第一次从国外带来烟气连续监测系统大约是1 9 8 0 年左右，中国的c e m s 方面进入了引进阶段【5 】。随后的十余年人们对c e m s 进行不断研究和探寻，c e m s 在缓慢发展。而c e m s 监测的对象也只是初级的，仅仅能测出火电厂是否冒烟， 工厂的二氧化硫以及其它有毒气体是否在排放等。在c e m s 引入之前，监测这些 数据采用的方法是人工取样，人们通过手工采取烟道内的污染物，烟气，再送 到实验室检测，这么做不但工作量非常大而且数据是间断的，连续性很差。当 时科技发展还比较落后，人们对环境保护的意识也很差，引入c e m s 虽然是环保 2 武汉理工大学硕士学位论文 发展中的一个里程碑，但是人们还没有充分理解到c e m s 的巨大价值和重要性。 国家和环保局对烟气监测相关仪器也还没有出台明确的法规和要求，当时能使 用这些设备的专业的人员也很少，维修设备更无从谈起，导致从国外引进的这 些高价的c e m s 设备遭遇闲置，没有发挥作用。 ( 2 ) 正式启用 在萌芽阶段由于人们不重视环境保护，所以也一直没有指定相关的法定法 规。一直至1 j 1 9 9 7 年， 火电厂大气污染物排放标准这一标准由中国环保部门 颁布，这个文件指出火电厂需要装设烟气监测设备与仪器，环保部门要对其烟 气进行监测，从此国家才正式规定用烟气连续监测系统来进行污染排放的监测 【嗣。我国1 9 9 8 年又颁布了酸雨两控区和二氧化硫污染控制区划分方案，规定 火电厂等污染源必须安装相关设备监测二氧化硫的排放量，规定这种监测需要 是长期和连续的。这个阶段国家制定了相应的法规与要求，用以规定烟气在线 监测的安装及其应用，这个时期，火电厂，大中型工业企业，锅炉等污染源已 经开始正式启用烟气在线监测系统，系统真正对它们的烟气排放进行监测与控 制。这个阶段，从烟气在线监测的技术和手段上来说，我国大部分拷贝了国外 的技术，设备也都是从外国引进，烟气在线监测系统的设计没有考虑到中国的 实际情况。而且由于国家没有对烟气在线监测提出准确的技术规范，所以在此 阶段出现的烟气在线监测的设备也都有优有劣，达不到同一的标准 7 1 ( 3 ) 明确要求 所谓的明确要求阶段是指从2 0 0 1 年到当今。这是第三个阶段，在这一阶段， 我国颁布了两个重要技术规范，固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求 及检测方法，火电厂烟气排放连续监测技术规范出台疆j 这两条规范对烟 气在线监测做了细致的技术要求，其中包括系统的安装，调试等。中国烟气在 线监测从此开始大幅迈进，同时与世界接轨另外，r r 行业的飞速发展，自动检 测与自动控制技术的飞速发展也大大推动了烟气在线监测的进步。c e m s 仪器设 备越来越先进，其自动化程度得到大幅的优化，许多方面都由从手动转型为自 动。通信技术也迅速进步，它为烟气在线监测的数据通信搭建了优秀的平台， 通用分组无线业务等技术也逐渐进入c e m s 领域，使烟气在线监测系统的数据传 输这方面有了很大进展【9 】。 发展至今，烟气在线监测系统已经演化成了一套完整的体系。国家做了准 确的规定来规范其要求，包括采样点的选择，烟气在线监测系统的安装与调试， 粉尘、硫氧化物、氮氧化物之类的污染物的监测，排放烟气的压力、流速、温 3 武汉理工人学硕士学位论文 度之类的参数的连续监测【1 0 1 。国家还制定了相关标准，烟气在线监测要经过环 保部门的标定与检测，按一定的标准给出数据报表等形式的监测数据，并需要 按相关标准将烟气排放数据发送到环保局，使得烟气在线监测系统起到作用， 而不是像萌芽阶段那样，要做到系统能连续监测火电厂的烟气排放情况。 1 2 2g p r s 的研究现状 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的简称，属于数 据分组业务，它是在g s mp h a s e 2 1 ( 被称为2 g ) 上发展出来的一种新的业务【】。 它是2 g 向3 g 过渡的过渡型技术，因此g p r s 又被称为2 5 g ，对于数量少而且频率 高的数据传输时，人们通常会用到它，有的时候它也可以用于大规模的数据传 输。与传统的2 g 技术相比，g p r s 具有的新的特点和优点如下： ( 1 ) 兼容i p 与x 2 5 协议 数据通信协议比较多，g p r s 基本上对标准的协议都有较好的支持。它可以 联通x 2 5 网、p 网。g s m 网络的覆盖范围很大，使得g p r s 能以无线的方式连接 至l j i n t c r n e t 网络与其它分组网络，而且这种连接是全球性的。 ( 2 ) 传输速率快 通常情况下g p r s 的传输速率大约在几十k b p s ，而g p r s 传输速率最快可以达 到理论值1 7 0 k b p s ，g s m 却只有9 5 k b p s 左右的数据传输率，g p r s 技术在传输速 率上优势相对g s m 而言极其明显。 ( 3 ) 所需的连接时间短 g p r s 传输数据能实现间断性的数据的传输，同时也可以实现爆发式的数据 的传输，而且可以进行大规模的数据传输。断开重新接入的时间仅仅在半秒到 一秒之内【1 2 】。 ( 4 ) 网络安全性高 隧道技术是g p r s 无线通信的核心技术之一所谓的隧道技术是指，其它协 议的数据被隧道协议重新封装后通过隧道传输到指定的地址【1 3 】，这样做安全性 很高，私有网络地址也可以被屏蔽。 一般情况下，有线通信数据传输快而且传输稳定，如果被测点很集中，它 们相互之间距离比较近，则使用有线通信技术比较合适。然而，有线通信也是 优缺点的，通常要安装电线，距离远的话装电线的工作量就很大，消耗的成本 也很多，市区的房屋等建筑都会对其产生很大的阻碍。另外，如果监测设备被 4 武汉理t 大学硕士学位论文 安装的地方难于布线，监测环境不利于安装线路，使用有线通信则不合适。与 有线通信相比，无线通信的数据传输速率虽然低于有线通信方式，然而它却具 有灵活方便的优点，无线信号覆盖面积很广，只要在此之内，无线网络都可以 视为连接上的，没有必要安装线路，不受环境的干扰【1 4 1 。将移动通信系统g s m 或者g p r s 用于烟气在线监测，线路的搭建成本也可以节约下来。 g p r s 技术以g s m 技术为基础。而g s m 是我国当前应用最为普遍的通信技 术，除了极个别非常偏僻的区域，全国几乎都可以使用，基本上任何地方都能 收到信号【1 5 1 。g p r s 也承袭了这一特点，使用过程中几乎没有地域限制，g p r s 的有效区域几乎可以视为全国范围，亦即全国性质的无线互联。 g p r s 理论上最高达1 7 0 k b p s ，大大超过g s m 的传输速率【1 6 1 。g p r s 虽然与微 波等先进的传输技术相比在速率上颇有不及，但对于烟气在线监测系统来说， g p r s 技术已经能够胜任了。 当今全球盛行，最大的通信网络毫无疑问是i n t e r a c t ，它具备先进的技术与 极多的网络资源【i7 1 。烟气在线监测系统中用g p r s 技术，那么采集点的数据监测 模块通过g p r s 网络接入i n t e r a c t ，采集的数据经过特定的网络协议转换，以数据 包形式发送与接收。而监测中心的连接方式，以及它所处的具体地点没有限制， 只需要将监测中心的设备和i n t c r n e t 连接上，监测中心就能够接收到数据 监测中心软件的接口编写较为容易，使用标准的s o c k e t 接口，这种接口是通 用的，现有的可重用编程资源很多，利用它们可以使开发者只需要花费很少的 时间就能编写出接口软件【1 8 】。总体来说，g p r s 技术使得在线监测系统与i n t c r n c t 相连接，系统的设计人员不必关, c , , i n t c r n c t 的情况，使得监测系统软件的开发难 度得到了降低毫不夸张的说，当今远程监测系统最为理想的通信技术就是 g p r s 。同时，g p r s 技术应用于烟气在线监测系统，去除了区域范围限制，提 高了传输速率，数据传输效果良好，能满足国家标准，大部分工业企业的烟气 排放监测都能用到它。总而言之，g p r s 是一种先进的无线通信技术，将它用于 烟气在线监测十分合适。 对于烟气排放，由于污染源排放烟气，粉尘的量变化较大，影响它的有工 业现场的状况和所用燃料的组成，所以要真正准确的监测烟气排放数据，使用 的烟气排放监测系统应是实时的，能够连续工作的系统。而g p r s 烟气在线监测 系统满足这一要求，能对监测点进行实时监测，对排放烟气的含量实时采样， 存储，之后数据被g p r s 无线网络进行发送和接收，从而实现烟气排放，粉尘排 放含量的实时监测。 5 武汉理工人学硕士学位论文 一 g p r s 烟气在线监测系统发展至今，它已经越来越优秀，越来越完善。相 较早期的烟气在线监测系统，当然也具备更多的优点： ( 1 ) 系统的搭建资金所需较少。该系统以g p r s 为网络传输方式，中国移 动g p r s g s m 网络技术强大。为c e m s 提供了很好的平台。c e m s 不必单独建设 电线，中国移动在g p r s g s m 方面有相关的包月服务，系统建设和维护成本大幅 降低【1 9 1 。 ( 2 ) 监测范围广该系统的有效监测范围实际上几乎是全国，亦即中国移 动网络g s m 的覆盖面积。 ( 3 ) 多层的建设结构。由于兼容t c p i p 协议，监测软件面向对象的设计 思路。烟气在线监测系统对多级的积木化结构有较好的支持，即使环保部门的 权限不一样，监测系统仍然适用【2 0 1 。 ( 4 ) 监测系统具有较好的开放性和可移植性，并且拥有很好的兼容性。 ( 5 ) 系统具有高端的技术。由于数据传输用的是g p r s 通信，所以系统支 持基于j 2 m e 的移动监控端，该项技术在工业控制中属于高端技术【2 1 1 。 ( 6 ) 数据并行接收监测系统具有优秀的i p 技术，即使有多个监测点，监 测系统也能同时接收并处理各种数据。 1 3 论文的主要内容 本课题研究的主要内容是基于g p r s 的烟气在线监测系统的设计。该设计实 现对大型火电厂的烟气排放物进行监测，主要从烟气的二氧化硫含量，粉尘浓 度，温度，压力，流速这五个方面进行监测，再经过处理后在工控机端实时显 示，同时通过g p r s 网络传输给监测中心，把现场的烟气数据以实时和历史数据 的形式显示出来( 显示方式包括实时数据显示，实时曲线，历史曲线，历史报 表) ，使得技术人员在监测中心就能清楚的了解到现场烟气排放的状况，达到远 程监测的目的。论文工作及章节安排如下： ( 1 ) 系统总体方案的确立 从工业现场状况，国家制定的相关法规，监测系统的性能，数据采集的准 确率，设备成本等多方面分析并确定系统设计的总体方案。 ( 2 ) 系统的硬件设计 系统的硬件设计包括各类设备的选型。从功能上分可以分为以下几个方面： 传感器的选型 6 武汉理工大学硕士学位论文 对火电厂排放烟气的监测内容包括二氧化硫含量，粉尘浓度，温度， 体流速。本文将分别以这几个方面对应的传感器进行选型 据采集卡的选型 现场状况比较恶劣的工业现场，通常会用到数据采集卡，它负责把传 到的信号送到工控机，本文对数据采集卡进行选型。 讯模块的选型 是远程监测，数据要经过网络传输，所以要对负责传输数据的通讯模 块进行选择。 ( 3 ) 系统的软件设计 软件部分分为工控机端软件与监测中心软件 7 现场的工控机通过g p r s 模块将采集到的数据传输到监测中心，实时显示。 2 1c e m s 的需求分析 火电厂对烟气排放进行监测，主要依靠的方法是在现场采集烟气数据，测 量采样气体中的二氧化硫以及颗粒物等污染物的含量。以往的采样方式是的人 手工采集，这种方式是人工在烟气管道内安装采样头，通过采样头从烟道抽取 烟气样品，再送到实验室去分析。这种方式缺点较多，它的采集时间长，环境 恶劣，数据不连续，而且烟气排放数据的准确率较低瞄】。所以，需要设计一种 烟气监测系统，能对火电厂的烟气排放进行实时监测，即是基于g p r s 的烟气在 线监测系统。 该系统具有许多优点，总结如下： ( 1 ) 烟气在线监测系统是自动的，可以连续的，实时的，系统的提供烟气 排放中各类污染物的含量数据。 ( 2 ) 采集的各项烟气数据远比人工采集更精确，能够符合国家颁布的烟气 排放相关技术标准。 ( 3 ) 显示方式采用软件界面显示，监测数据实时显示出来，而且提供数据 曲线( 包括实时曲线和历史曲线) ，监测数据清晰明了，技术人员可以清楚的 看到各项数据变化趋势，而且可查看历史数据曲线。 ( 4 ) 系统运行过程中，监测过程不需要专门的人员去操作，系统自动的实 现烟气监测。 ( 5 ) 对于历史数据，系统提供数据报表，技术人员可以通过查看数据报表 看到烟气监测的数据。 ( 6 ) 监测方式有多种，监测者可以在现场工控机上监测数据，也可以在监 测中心的软件界面上查看到数据。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 系统主体分析 本文研究将g p r s 技术运用于烟尘在线监测系统的方法，对烟气排放物的相 关数据进行采集和监测，其中包括二氧化硫含量，粉尘浓度，流速，温度，压 力。为了实现对这些数据进行采集和监测，应从以下几个方面展开论述： ( 1 ) 烟气在线监测系统的硬件设计 烟气在线监测系统硬件设计包括烟尘、硫氧化物、粉尘的流速、压力、温 度等数据的采集，传感器等元器件选型，数据采集卡的选型，通讯模块的选择 与设计。 ( 2 ) g p r s 网络技术的研究 卣于本文采用g p r s 作为数据传输方式，故应通过分析g p r s 网络技术，研 究在工业无线监测系统中采用g p r s 作为通信方式的可行性及相较其它通信方 式的优势。 ( 3 ) 监测系统的软件设计 监测系统软件设计应包括监测现场工控机端软件和监测中心端软件两个部 分。工控机端软件主要用于采集各类烟气烟尘排放物的数据，实时显示并把数 据存储到数据库中，通过g p r s 模块把数据包发送出去，完成数据的通讯工作。 监测中心软件则主要用于把工控机端传送来的数据实时显示，同时绘制成动态 曲线以便技术人员查看，同时应把历史数据也以曲线，报表等方式显示出来， 具有超标报警，打印报表等功能 1 2 3 系统总体解决方案 由于c e m s 烟气在线监测系统按功能划分主要完成以下几项工作：数据取 样，数据存储，数据传送，数据显示等。所以根据这些不同的功能可以采取模 块化设计。对现场烟囱里的工业排放气体进行采样，通过各类分析仪与测量仪， 分别对气体中二氧化硫的浓度，烟气的温度、粉尘浓度、压力、流速等参数进 行测定与分析，完成数据转换后在工控机端实时显示。采样数据再按照网络协 议转换，用数据包的形式经送到网络，通过g p r s 网络模块发送，监测中心收到 从工控机端传来的数据后把监测数据显示到监测中心界面上，这样技术人员只 用在监测中心就能监测到工业现场的状况。系统总体结构图如图2 1 所示。 9 图2 1c e m s 总体结构 ( 1 ) 数据采集模块 该模块实现对二氧化硫的含量，粉尘的含量，压力，流速，温度进行监测 与采集。监测设备( 传感器) 安装在烟气管道内部，连接到数据采集卡，数据 采集卡对采集的数据进行处理，然后送到工控机，再发送给g p r s 通信模块。 c e m s 系统的数据采集部分如图2 2 所示 图2 2c e m s 监测点的组成 ( 2 ) 数据传输模块 数据传输亦即通讯模块，包括数据的发送与接收它实现c e m s 系统的数据 传输，把采集到的烟气数据通过g p r s 无线网络从工业现场发送给监测中心。 ( 3 ) 数据显示模块 实现监测数据的实时显示，把二氧化硫的含量，粉尘的含量，压力，流速， 温度等参数实时显示到界面上，并提供实时曲线。对历史数据采用报表，历史 曲线的方式进行显示，供技术人员查看 1 0 虑到系统的造 装到烟气排放 的管道内部，并且都直接连接到工控机上。每个传感器都与现场控制室内的工 控机通过电缆相连，工控机对烟进行实时的采集，存储与发送。系统的硬件构 成如图3 1 所示 图3 1 系统的硬件构成 由图中可以看出，系统的硬件主要包含传感器，数据采集卡，g p r s 通讯模 块。本章分别对这三个方面进行设计。 3 1 传感器的选型 3 1 1 选型的主要依据和参考标准 环境监测管理办法这一管理办法由中国环保部f - j 毛e 2 0 0 7 年颁布它规 武汉理工大学硕士学位论文 定了全国各地环保局都需要对火电厂等工业企业的烟气排放物中的二氧化硫等 污染物的含量以及相关数据进行监测。此外，国家还制定了相关标准，具体对 烟气排放监测系统的设计与实施等方面提供了要求。本文选取的c e m s 设备应以 满足国家技术指标的标准为前提，同时应尽量选取性能可靠的，技术成熟的， 市场价格较低的，便于维修的测量仪与分析仪 依照国家标准，系统主要对排放烟气中的二氧化硫含量，粉尘浓度，气体 流速，温度和压力进行监测，因此本文将分别按照这几个方面来分析并选取相 应的设备。本文选取测量设备的参考标准如下： ( 1 ) g b t 1 6 1 5 7 1 9 9 6 固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样 方法 ( 2 ) h j t 4 7 1 9 9 9 烟气采样器技术条件。 ( 3 ) h j t 4 8 1 9 9 9 烟尘采样器技术条件 ( 4 ) g b 3 1 0 1 - - 8 6 有关量、单位和符号的一般原则 ( 5 ) s d j 9 - - 8 7 测量仪表装置设计技术规程 ( 6 ) n e m a - - i c s 4 工业控制设备及系统的端子板 ( 7 ) n e m a - - i c s 6 工业控制装置及系统的外壳 ( 8 ) h j t 7 6 2 0 0 1 固定污染源排放烟气连续监测系统技术条件及检测方法 3 1 2 二氧化硫分析仪 对于二氧化硫的测量，当今工业上有三种常用方法：直接抽取，现场安装 和稀释取样法，这三种方法都满足国家标准【2 3 】这三种采样方法中，现场安装 仪器法的维修等服务存在困难。对于二氧化硫的测量，本文选取的是德国 s i c k m a i h a k ( 西克麦哈克) 公司制造的测量仪 该公司制造的测量仪所采用的取样方法包含直接抽取法，现场安装法这两 种类型。对于直接抽取法，其分析系统对于样气的处理采取了热法测量和制冷 除湿气体处理这两种处理分析方法，它们都具有高温取样和高温输气这两个环 节。样气如果含有多种成份，则应使用热法测量，它可以测量出h c l ，水，n h 3 这类易于附着的物质，缺点是市场价格昂贵，垃圾焚烧或脱氮装置中通常用热 法测量。而本文所提出的c e m s 系统最适合的二氧化硫采样方法是直接抽取法， 低温除湿。本文所选择的s i c k m a i h a 公司生产的s m c 9 0 2 1 气态污染物分析仪就 是属于采用直接抽取法的测量仪。它的优点主要是便于维修，测量精准，校准 1 2 图3 2 二氧化硫浓度分析仪的原理 是高温 部分， 9 0 2 1 气 工业现场烟囱的烟道壁多采用硷材质，如果取样管温度过低，那么在取样 管中可能产生冷凝，导致管道的损耗及二氧化硫的流失，所以管道必须被加热 当温度较高时，管壁上不容易结水，因此系统反吹以后，在不需要日常维护的 情况下，设备依然可以连续工作长达3 个月以上的时间。 分析仪从管道内抽取的样气首先经过加热输气管线的加热，然后被送到气 体分析系统。其中输气管线是自热式的，它利用加热材料进行温度控制，如果 温度低于其恒定温度，输气管线是导体，能够通过电流加热；如果温度超过其 恒定温度，输气管道会转变为绝缘体，不加热，这个恒定温度被称为居里点【2 5 1 烟气管道这一设计能够实现温度的控制。它选择的加热温度是1 4 0 。加热管线 的外皮材料具有抵抗紫外线照射的特性，同时能耐受高温和低温的影响。该分 析仪具有一个压缩机制冷器，泵，校准、取样、反吹电磁阀组，吸过滤器，蠕 动泵，流量控制器等，系统的预处理与它们相关。s m c 9 0 2 1 分析仪利用压缩机 制冷器来制冷，两级制冷的方法( 制冷过程小于5 秒，第一级首先将温度从1 4 0 降到室温，然后经过泵输送到第二级制冷器再次降温到4 0 1 ) 。冷凝水从 蠕动泵输送到储液管中储存起来，在低温情况下，二氧化硫几乎没有损失。 1 3 武汉理t 大学硕七学位论文 当温度，压力或者湿度超过某个限定数值时，系统会自动报警。对系统的 几个关键环节( 高温取样，冷凝) 以及可能出现的故障( 如堵塞) 进行监控， 保证系统能正常运行，并且精确稳定。 二氧化硫s m c 9 0 2 1 分析仪主要指标如表3 1 。 表3 1s m c 9 0 2 1 主要性能指标 性能指标指标值 取样过滤器温度1 8 0 输气管路加热温度 1 4 0 压缩机制冷：两级，控制温度4 士0 1 ，制冷时间 5 s 蠕动泵自动排水量 10 m l m i n s m c 9 0 2 1 澳t j 量仪的测量相关功能指标如表3 2 。 表3 2s m c 9 0 2 1 主要性能指标 测量相关指标与功能 指标值功能描述 重复性士0 5 满量程 零点飘移士l 满量程 跨度飘移士l 满量程 线性 4 - 1 满量程 响应时间 t 9 0 ?! i l 蕾已j 数据库文件 ( ，j 塞矬豫器i ：，j 辫0 更多数据淫 ；。一二移键；瞪盈蚕匝b j 匿二】 疆歪 t 图4 1 0 创建新连接 文件箱辑辘田域目屯 生成q 1 )i l l l 试教据工 q )测试墨 l i l r lq ) 帮助鸽 越二x 磊；渤碰二麓黛妒，缓。黝爨。幺乙貔二勰：魏 五。 图4 1 2 填写相关信息选择数据库 与数据库连接上以后把数据库添加到“可用数据源”列表框中，然后在报 表设计器中设计系统报表。报表设计器的设计界面如图4 1 3 文件a 9