火電廠煙氣排放連續監測系統設計

1 引言
按照國家可持續發展戰略的要求，實現人與自然和諧發展，國家環保總局《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2003)明確規定火電廠發電鍋爐必須安裝煙氣排放連續監測儀器(CEMS)[1]。CEMS經省級以上環保部門驗收合格時,其監測數據作為該電廠煙氣排放是否達標的依據。

2 系統需求分析
該電廠為2臺300MW火力發電機組，CEMS需要測量SO2、氮氧化物、煙塵、CO的含量與煙氣流量、壓力、溫度等參數。作為煙氣的檢測設備，CEMS還要向脫硫系統提供除上述信息外的煙氣含氧量、濕度。并在脫硫前后各配置1套煙氣測量裝置，2臺機組共需要4套煙氣測量裝置。
環境監測站要監測火電廠的煙氣排放情況，因此CEMS要與環境檢測站進行遠程通訊。CEMS還提供對煙氣測量裝置的監視、以及歷史數據存儲，報表打印等功能。

3 系統配置結構
2臺發電機組的煙道相距較遠，同一機組脫硫前后煙道相鄰，如圖1所示。在2臺發電機組的煙道附近各搭建1個現場分析小屋，每個小屋安裝2套分析儀器，以對該臺發電機組煙氣的脫硫前后的情況進行檢測。兩個分析小屋通過工業以太網與上位機進行通訊。

圖1 系統配置結構圖
上位機用于監視分析儀器的工作情況并對故障進行報警。更重要的是統計各個分析儀采集的煙道氣的參數，并作為服務器向環境檢測站和脫硫系統提供數據，還提供良好的人機界面，歷史數據查詢，報表打印等功能。

4 硬件設計
該CEMS采用濁度法測量煙道中的固體煙塵。采用直接抽取法采樣，將經過伴熱的濕煙氣經過過濾送氧化鋯分析儀，測出濕氧含量。再把煙氣經過壓縮式干燥器送入煙氣分析儀，分析CO，SO2及氮氧化合物，干氧的含量。煙氣中的濕度采用干濕潤氧法計算得出。
由于CEMS中需要控制的是按一定時間序列開閉的管路，這種量為開關量，此外還需要測量煙道中各個參數，這種量為模擬量。并綜合考慮設備穩定性的要求并降低開發難度，采用西門子200系列PLC對閥門進行控制。其中開關量除使用CPU224上的數字量輸入輸出模塊外，還使用了數字量輸入輸出擴展模塊EM223。模擬量采用EM231模塊，實現12位AD轉換的。最后PLC將各個數字量模擬量通過工業以太網模塊CP243-1與上位機實現數據通訊。

5 軟件設計
該系統自底向上由PLC控制、上位機程序、遠程通訊三部分組成。
5.1 PLC控制程序
該部分程序主要用于接收各種操作命令，控制各種閥泵，指示燈的開閉，并定時完成對采樣通道的吹掃、除濕器的排液及閥門的互鎖。并對采集到的各模擬量進行數字濾波。
為了防止采樣通道吹掃時，煙塵進入分析儀，采樣泵與吹掃閥門互鎖。吹掃閥打開時采樣泵停機。吹掃結束后也需要有個換氣時間，才能將吹掃氣排出。因而此時氣體分析儀的分析數據不是真實的煙道氣成分。為此，在上述情況下，通過停止采樣定時器計時的方法，來避免PLC將錯誤數據發送給上位機。
5.2 上位機程序
(1) 面向過程控制的連接與嵌入
主要用于顯示各個分析設備的工作情況，匯總煙道氣的歷史數據，進行打印歸檔，趨勢顯示。
PLC與上位機通過西門子SIMATIC NET組態，建立OPC連接。采用WinCC制作如圖2所示人機界面。在該界面下可以通過單擊“實時數據曲線”和“數據歸檔”查看實時和歷史數據的趨勢圖。

圖2 人機界面

(2) PowerBuilder專業數據庫功能設計
由于設備事故等原因，有可能會造成部分數據丟失。環保總局規定必須要用事故前后的實測值估算CEMS故障時的實際值[2]。因此不能對傳到上位機的數據進行簡單的歸檔。而WinCC難于實現條件歸檔，且歸檔數據空間有限，不易完成對歷史歸檔記錄的修改。
為了解決好這個問題，并兼顧向環境監測站遠程通訊，采用了PowerBuilder(數據庫程續情況，進行數據恢復。對于以上兩種情況同時發生時，則以故障日志中出現故障時，作為序開發工具)來讀取WinCC的歸檔數據庫。具體而言，數據丟失主要有煙氣分析儀故障與上位機關機兩種數據保護要求。
對于第一種情況，當出現分析儀故障時，報警信號由PLC送到上位機，使用WinCC生成包含故障出現和結束時間的日志文件。根據故障報警日志恢復丟失的數據。當需要調閱歷史數據時，WinCC通過調用Prog- armExecute()函數[3]來運行由PowerBuilder編寫的后臺程序，完成對丟失數據的恢復。對于第二種情況，PowerBuilder根據數據庫中記錄時間的斷數據丟失處理的起點時間，以上位機收到連續有效數據為數據丟失處理的終點時間，進行處理。
考慮到WinCC歸檔數據庫容量有限，其報表功能有限，不易進行復雜的條件查詢報表輸出。在此，也時采用PowerBuilder的專業數據庫功能，編寫查詢，報表程序。在圖2所示界面的相關按鈕中還是通過Progarm- Execute()來實現WinCC對PowerBuilder的調用。
5.3 遠程通訊
遠程通訊主要是指與環境監測站之間通過internet進行數據通訊。CEMS中的上位機作為服務器，環境監測站作為客戶機，采用C/S模式取得數據。具體來說就是環境檢測站發送查詢請求，CEMS上位機返回相應時間段內的煙氣排放數據。
此處采用PowerBuilder設計服務器和客戶機的相關程序。

6 網絡安全
由于CEMS的分析儀與上位機間通過工業以太網連接，上位機與環境監測站之間通過internet網連接。病毒與黑客有可能對CEMS造成損壞。另一方面，目前我國電力系統采用競價上網發電。各個電廠的設備運行數據是企業的商業機密。因此必須防范由于接入internet對設備運行的危害和對商業機密的窺探。
如圖3所示，在CEMS上位機中，PowerBuilder將煙氣歷史數據庫以熱備份的形式拷貝到另一個數據庫中。環境監測站發送的查詢請求，都只對備份的數據進行操作，不直接訪問監控系統。CEMS上位機與備份數據庫在物理上分屬不同計算機，備份數據庫只能接受CEMS上位機的控制，不能反過來對WINCC數據庫操作，從而實現數據主客體的分離。

圖3 網絡配置圖
此外備份數據庫通過專線與環境檢測站聯網。兩者間通過防火墻來保證只有環境監測站的IP才可以訪問備份數據庫。從而保證數據安全。

7 結束語
本CEMS由于采用工業以太網連接PLC與上位機，系統擴充便捷。通過將PLC梯形圖，WinCC，PowerBuilder相互結合，使系統維護方便，并可使用internet網向環境監測站報送數據，實現了環保總局對煙氣連續排放監測系統的全部要求，具有一定的推廣價值。