CN103513622A - 一种焚烧烟气中二恶英类自动连续采样设备的主控柜端控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焚烧烟气中二恶英类自动连续采样设备，具体地说是一种焚烧烟气中二恶英类自动连续采样设备的主控柜端的控制系统，主控柜端控制系统主要负责自动连续采样设备的主控柜端作业过程数据采集、主控柜端温控装置调控、主控柜端作业流程控制、主控柜端能源管理、主控柜端系统状态监测及系统保护等。本发明系统稳定可靠、抗干扰能力强、具有自保护能力、高效率能源管理、通信速率高。

Description

一种焚烧烟气中二恶英类自动连续采样设备的主控柜端控制系统

技术领域

焚烧烟气中二恶英类自动连续采样设备是一种新型的监测焚烧源的二恶英类排放的采样平台。焚烧烟气中二恶英类自动连续采样设备主要由采样端与主控柜端两部分组成；主控柜端控制系统主要负责自动连续采样设备的主控柜端作业过程数据采集、主控柜端温控装置调控、主控柜端作业流程控制、主控柜端能源管理、主控柜端系统状态监测及系统保护等，是控制自动连续采样作业关键装置。 

背景技术

焚烧烟气中二恶英类自动连续采样设备既是加强环境监测能力的技术需要，又是提高我国环境监测技术水平和二恶英类监测覆盖水平的需要。可以为焚烧源的二恶英类排放提供有效的监测技术手段，同时能够提高我国环境监测仪器的研制和生产水平，形成拥有自主知识产权的产品。焚烧烟气中二恶英类自动连续采样设备可以为有效控制剧毒二恶英类的排放提供新的环境监测设备，使环境监测部门具备长期监测垃圾焚烧企业二恶英类排放的能力，对于控制我国垃圾焚烧烟道气二恶英类污染物排放，实现烟道气排放的定期连续监测，提升公众对垃圾焚烧处置方式的信心都是非常必要的。自动连续采样设备的主控柜端控制系统是焚烧烟气中二恶英类自动连续采样设备的关键装置。 

发明内容

本发明目的是提供一套有效、可靠、适用于焚烧烟气中二恶英类自动连续采样设备的主控柜端控制系统。其功能与特点是：实现主控柜端作业过程数据采集、主控柜端温控装置调控、主控柜端作业流程控制、主控柜端作业状态监控、主控柜端能源管理、主控柜端系统自保护等功能。 

为了实现上述目的，本发明的技术方案包括： 

本发明原理如图1所示：主控柜端控制器系统、温控系统、数据采集系统、能源管理系统及流程控制系统。主控柜端控制器系统是自动连续采样设备主控柜端控制系统核心，运行PLC控制程序；数据采集系统负责传感器数据采集、处理等；温控系统对采样端温控装置的温度进行准确调控；能源管理系统负责管理主控柜端设备供电，高效率的利用能源，减少能耗；流程控制系统是根据自动连续采样设备核心计算机作业命令对主控柜端作业的流程进行控制。 

一种焚烧烟气中二恶英类自动连续采样设备的主控柜端的控制系统，采用工业控制系统中PLC处理器为控制核心组成的主控柜端控制器系统， 控制管理温控系统、数据采集系统、能源管理系统及流程控制系统等实现主控柜端的控制系统功能。 

主控柜端控制器核心模块采用可靠性高、抗干扰能力强、性能高而应用于工业控制系统中PLC处理器，在其上运行控制程序实现系统功能，与RS232模块、继电器输出模块、24V输出模块、热电偶传感器模块、模拟转换模块及RS485模块相连接来实现扩展多路不同类型接口以满足系统连接设备需求。 

通过气体成分分析对所采集到的烟气中的CO2与O2的浓度进行测定，通过气体流量计单元则是对采集烟气过程中烟气的流速、烟气流量总体积、烟气压力等参数进行检测以及通过热电偶传感器及热电偶检测模块测量主控柜端控制器所需温度。 

PLC处理器运行PID温控算法，通过热电偶采集温度与加热套单元、水冷单元，对温控装置的温度进行实时控制。 

由开关电源实现高效率电源变换，PLC处理器控制继电器输出模块来实现对设备供电的开断。 

PLC处理器通过继电器输出模块对主控柜端内阀门与电机进行控制，实现作业流程的控制。 

本发明涉及的焚烧烟气中二恶英类自动连续采样设备的主控柜端控制系统，具有以下优点： 

1.采用高可靠性、抗干扰能力强的工业级PLC控制器为控制核心； 

2.通过TCP/IP网络接口通信； 

3.高效率的电源管理； 

4.温控装置的温度调控准确； 

5.系统运行全过程安全状态监控； 

6.精确作业数据采集； 

7.丰富的扩展接口，方便设备连接。 

附图说明

图1自动连续采样设备的主控柜端控制系统组成框图； 

图2主控柜端控制器结构示意图； 

图3冷凝水体积计量单元工作功能框图； 

图4排水泵控制单元工作功能框图； 

图5能源管理示意图； 

图6系统控制单元软件流程图。 

具体实施方式

下面结合图1介绍一下自动连续采样设备的主控柜端控制系统在自动连续采样设备中功能： 

采样端控制系统用于焚烧烟气中二恶英类自动连续采样设备上； 

采样设备包括采样枪、S型皮托管、飞灰过滤器、3个水冷凝器、树脂 吸附管(内填充XAD树脂填料)，干燥器、质量流量计、真空泵、煤气表； 

采样枪枪口端置于待检测烟气的烟囱内，采样枪枪管后连接飞灰过滤器，飞灰过滤器通过管路与树脂吸附管的一端连接，树脂吸附管的另一端依次连接干燥器、质量流量计、真空泵、煤气表，形成一密闭气路； 

于树脂吸附管二端的进气管路和出气管路上分别设有水冷凝器；采样枪枪管的加热套的外套设有水冷凝器(外套设有即冷凝水套)；水冷凝器为一冷凝水套；飞灰过滤器包括滤纸筒保护套管，滤纸筒保护套管的二端通过管路与采样枪枪管和树脂吸附管相连；滤纸筒保护套管内轴向设有一端开口、一端封闭的滤纸筒，滤纸筒开口端面向采样枪枪管侧，滤纸筒保护套管外侧设有加热棒、热电偶，一带有保温材料层的壳体包裹于滤纸筒保护套管、加热棒、热电偶的外侧； 

采样枪枪管与飞灰过滤器的连接管路上设有三通电磁阀，三通电磁阀的二个接口分别与采样枪枪管与飞灰过滤器相连，第三个接口接反吹气气源； 

树脂吸附管与质量流量计的连接管路上设有三通电磁阀，三通电磁阀的二个接口分别与树脂吸附管与干燥器相连，第三个接口接废液回收瓶； 

干燥器两端分别设有三通电磁阀，干燥器下端的三通电磁阀的二个接口分别与树脂吸附管与干燥器相连，第三个接口接反吹气气源；干燥器上端的三通电磁阀的二个接口分别与干燥器与质量流量计相连，第三个接口接空气； 

S型皮托管置于采样枪枪管外侧，一端与采样枪枪口平行，另一端接压差传感器； 

真空泵与煤气表的连接管路上设有开关电磁阀、皮托管和压差传感器之间设有开关电磁阀，水冷凝器的冷水进口处均设有开关电磁阀； 

自动连续采样设备的主控柜端控制系统主要由主控柜端控制器系统1、数据采集系统2、温控系统3、能源管理系统4及流程控制系统5等组成，如图1所示。 

主控柜端控制器系统1是自动连续采样设备的主控柜端控制系统的核心，其结构组成如图2所示。主控柜端控制器核心模块17是整个系统的核心处理器，相当于大脑功能，在其上运行PLC控制程序实现系统功能。主控柜端控制器核心模块17采用接口丰富、可靠性高、抗干扰能力强、性能高、功能完善、适用性强而广泛应用于工业控制系统中PLC处理器(S7-1200)，通过PLC处理器总线接口与RS232模块18(CM 1241 RS232)、继电器输出模块19(SM 1222)、24V输出模块20(SM 1221)、网络接口模块21、I/O输入模块22、热电偶传感器模块23(SM 1231 AI 4x 16位TC)、模拟转换模块24(SM 1231)及RS485模块25(CB 1241 RS485)相连接，来实现扩展多路不同类型接口以满足系统连接设备的需求。 

温控系统2主要负责对干燥器、水冷凝器进行温度控制，把装置的温度调节到设置的数值并保持温度，分别由干燥器温控单元6、水冷凝器温控单 元7来实现。 

干燥器温控单元6包括干燥器，干燥器为一密闭的箱体，箱体二端分别与树脂吸附管和质量流量计连接，箱体内设有加热装置、热电偶，热电偶与热电偶传感器模块线路连接，加热装置与继电器模块电连接；水冷凝器温控单元7包括冷凝水套、冷凝水套的进水口设有开关电磁阀，冷凝水套上设有热电偶，热电偶与热电偶传感器模块线路连接，继电器模块与开关电磁阀电连接； 

干燥器温控单元6通过数据采集系统3中温度检测单元11由热电偶传感器模块23对干燥器装置进行采集温度数值，以此温度为反馈数值通过温度控制算法依据所需要设定的温度来对继电器输出模块19开关进行控制，实现开启加热与关闭加热，进而实现干燥器的温度控制。水冷凝器温控单元7则根据实时水冷凝器温度与设定温度数值，对水冷凝器的进水阀门进行开关控制以实现水冷凝器温度控制。 

数据采集系统3由气体成分分析单元8(便携式气体检测仪)、气体流量计单元9(V10FC-LC质量流量控制器)、冷凝水体积计量单元10及温度检测单元11组成，主要完成作业过程多个数据参数采集。 

气体成分分析单元8即便携式红外气体检测仪置于气路中煤气表后； 

气体成分分析单元8通过继电器输出模块19控制阀门开启与关闭，实现气体进入到气体成分分析单元8的检测气路中，实现对所采集到的烟气中的CO2与O2的浓度进行测定，并把采集到的数据通过RS232模块18传送到主控柜端控制器核心模块17。 

气体流量计单元9通过RS485总线与RS485模块25信号连接； 

气体流量计单元9则是对采集烟气过程中烟气的流速、烟气流量总体积、烟气压力等参数进行检测，并把采集到的数据通过RS485模块25传送到主控柜端控制器核心模块17。 

冷凝水体积计量单元10置于树脂吸附管与干燥器之间的水冷凝器内，包括模拟转换模块24、采集液位传感器28，其工作示意图如图3所示； 

冷凝水体积计量单元10负责测量采集烟气过程中烟气的含水量，即把过滤器温控单元7冷凝烟气中水的体积进行测定，冷凝水体积计量单元10通过模拟转换模块24采集液位传感器28所测量到的模拟量进行数字化后得到冷凝水体积数值。 

温度检测单元11通过热电偶传感器模块23对作业过程中的温度参数进行测量，包括干燥器温控单元6所需要的干燥器内的温度、水冷凝器温控单元7所需要的水冷凝器的温度值、气路中所采集到的烟气的温度及进入气体流量计的气体温度等。数据采集系统3是自动连续采样设备的主控柜端控制系统的辅助单元，为主控柜端控制系统其它功能单元进行数据采集处理等。热电偶传感器模块23与热电偶信号连接，PLC控制器通过总线接口与热电偶传感器模块23信号连接； 

能源管理系统4完成高效电压转换和设备电源管理，如图5所示，为了降低系统整体功耗，能源管理系统4包括电源变换模块29、继电器输出模块19，电源变换模块29与继电器输出模块19电连接；继电器输出模块19与设备30电信号连接； 

能源管理系统4主要是通过由开关电源组成的电源变换模块29来实现高效率的电压转换处理；电压变换后能源管理系统4通过继电器输出模块19来实现对设备供电的开断，在满足设备正常工作之外让设备30断电，来节省能量的消耗，达到降低系统整体功耗的目的。例如能源管理系统5可以管理的设备30包括气体质量流量计与气体成分分析仪。 

流程控制系统5是自动连续采样设备作业时，对主控柜端内三通电磁阀、开关电磁阀、真空泵进行控制，实现作业流程的控制，作业流程包括采集烟气、排冷凝水、干燥器工作、待机等状态。流程控制系统5由三通电磁阀控制单元11与开关电磁阀控制单元12真空泵控制单元14通过继电器输出模块13对自动连续采样设备的主控柜端中三通电磁阀、开关电磁阀与真空泵进行开关控制，控制自动连续采样设备采集烟气气路的开关切换以及真空抽气泵开启与关闭，实现自动连续采样设备作业流程控制。排水泵控制单元15是实现排空冷凝器所冷凝烟气中的水，排水泵控制单元15通过继电器输出模块19控制排水阀门27与排水泵26开启关闭实现冷凝水排出，如图4所示。气体流速控制单元16是通过数据采集系统3中气体流量计单元9由气体质量流量计对当前采集气体流速测定，以此流速为反馈数值通过流速控制算法依据所需要设定的流速对设备针型阀的气路孔径大小进行控制，实现采集气体流速控制。 

三通电磁阀控制单元12与开关电磁阀控制单元13包括继电器输出模块19、三通电磁阀和开关电磁阀；继电器输出模块19与三通电磁阀和开关电磁阀电连接；真空泵控制单元14与排水泵控制单元15包括继电器输出模块19、真空泵和排水泵；继电器输出模块19与真空泵和排水泵电连接。 

焚烧烟气中二恶英类自动连续采样设备的主控柜端控制系统软件程序流程图如图5所示。下面描述自动连续采样设备的主控柜端控制作业系统流程。 

自动连续采样设备的主控柜端控制系统上电后初始化主控柜端装置，然后通过TCP/IP网络协议由网络接口模块21监听自动连续采样设备核心控制计算机的指令并解析命令，根据解析命令做相应调整。 

主控柜端控制系统上电后初始化包括由流程控制系统5通过三通电磁阀控制单元12与开关电磁阀控制单元13对主控柜端内的阀门进行开关控制，保证气路处于关闭状态；真空泵控制单元14与排水泵控制单元15控制真空泵与排水泵关闭。能源管理系统4通过继电器输出模块19来实现对设备30，即气体质量流量计与气体成分分析仪等供电的关闭。温控系统2控制干燥器温控单元6、过滤器温控单元7通过继电器输出模块19关闭加 热装置与水冷装置，使温控系统都处于关闭状态。 

自动连续采样设备的主控柜端控制系统监听TCP/IP网络接口，当接收到并解析网络命令为烟气采集时，主控柜端控制系统会执行相应的操作。流程控制系统5通过三通电磁阀控制单元12与开关电磁阀控制单元13控制相应的阀门来使自动连续采样设备的采样端的气路处于采集烟气通路状态。然后温控系统2控制过滤器温控单元7通过继电器输出模块19控制水冷装置，使水冷装置处于开启状态，并使温度调控到设置的数据。能源管理系统4由继电器输出模块19来给气体质量流量计与气体成分分析仪供电，保证其正常工作。流程控制系统5中的气体流速控制单元16设定采集气体流速，然后通过真空泵控制单元15打开真空泵开始抽气。这时已经开始烟气采集作业流程，气体流速控制单元16在作业过程中采集当前气体流速值并动态调节气体流速为所设定的气体流速。主控柜端控制系统会保持作业状态，直至主控柜端控制系统接收到作业终止结束命令。当主控柜端控制系统接收到作业终止命令后会通过流程控制系统5把阀门状态处于待机状态以及把真空泵关闭；通过温控系统2停止水冷操作；能源管理系统4关闭气体质量流量计与气体成分分析仪的电源。至此程序流程回到主程序循环等待网络命令。 

主控柜端控制系统当接收到并解析网络命令为排冷凝水命令时，流程控制系统5通过三通电磁阀控制单元12与开关电磁阀控制单元13控制相应的阀门来使自动连续采样设备的主控柜端的气路处于排冷凝水状态。排水泵控制单元15是实现排空冷凝器所冷凝烟气中的水，其工作示意图如图3所示。排水泵控制单元15会通过继电器输出模块19开启排水阀门27与排水泵26把冷凝水排出，冷凝水体积计量单元10通过模拟转换模块24采集液位传感器28所测量到的模拟量进行数字化后得到冷凝水体积数值，主控柜端控制系统实时监测冷凝水体积；当冷凝水排空后排水泵控制单元15通过继电器输出模块19关闭排水阀门27与排水泵26，排冷凝水作业结束。 

主控柜端控制系统当接收到并解析网络命令为加热干燥器命令时，流程控制系统5通过三通电磁阀控制单元12与开关电磁阀控制单元13控制相应的阀门来使自动连续采样设备的主控柜端的气路处于加热干燥器状态。干燥器温控单元6通过数据采集系统3中温度检测单元11由热电偶传感器模块23对干燥器装置进行采集温度数值，以此温度为反馈数值通过温度控制算法依据所需要设定的温度来对继电器输出模块19开关进行控制，实现开启加热与关闭加热，进而实现干燥器的温度控制。主控柜端控制系统会保持加热干燥器作业状态，直至主控柜端控制系统接收到作业终止结束命令。 

自动连续采样设备的主控柜端控制系统当接收到并解析网络命令为回传数据命令时，数据采集系统3中的气体成分分析单元8通过继电器输出模块19控制阀门开启与关闭，实现气体进入到气体成分分析单元8的检测 气路中，实现对所采集到的烟气中的CO₂与O₂的浓度进行测定，并通过RS232模块18读取采集到的数据并对数据进行打包。气体流量计单元9则是对采集烟气过程中烟气的流速、烟气流量总体积、烟气压力等参数进行检测，通过RS485模块25读取气体流量计单元9采集到的数据并打包。冷凝水体积计量单元10通过模拟转换模块24采集液位传感器28所测量到的模拟量进行数字化后得到冷凝水体积数值即采集烟气过程中烟气的含水量数据并打包。数据采集系统3中的温度检测单元11通过热电偶传感器模块23对干燥器温度、水冷凝器温度及气体等温度进行采集，并把所采集到的数据打包。温控系统2把干燥器温控单元6及水冷凝器温控单元7的工作状态等信息进行数据打包。能源管理系统4对设备的供电情况进行数据打包。流程控制系统5对三通电磁阀控制单元12与开关电磁阀控制单元13中的阀门及真空泵控制单元14与排水泵控制单元15中的电机开启关闭状态进行数据打包。把所有需要采集的数据汇总打包后，通过TCP/IP网络接口回传给主控柜端核心计算机。 

自动连续采样设备的主控柜端控制系统在设备运行的过程中，一直对整个采样端设备运行情况进行监控，包括采集气路内气体温度、气路内气体流速、气路内压力、干燥器的温度、水冷凝器的温度及气路密闭性等信息。一旦发现异常则自动连续采样设备的主控柜端控制系统针对出现异常的情况进行相应的出错处理，例如气体流速异常，则主控柜端控制系统会向主控柜端核心计算机发送报警信息并停止作业；如果在加热的过程中干燥器的温度过高，则会停止加热以及停止主控柜端作业流程并回传报警信息到主控柜端核心计算机，保障自动连续采样设备正常安全可靠的工作。 

Claims (6)

1.一种焚烧烟气中二恶英类自动连续采样设备的主控柜端的控制系统，其特征在于：采用工业控制系统中PLC处理器为控制核心组成的主控柜端控制器系统，控制管理温控系统、数据采集系统、能源管理系统及流程控制系统等实现主控柜端的控制系统功能。

2.按照权利要求1所述主控柜端的控制系统的主控柜端控制器系统，其特征在于：主控柜端控制器核心模块采用可靠性高、抗干扰能力强、性能高而应用于工业控制系统中PLC处理器，在其上运行控制程序实现系统功能，与RS232模块、继电器输出模块、24V输出模块、热电偶传感器模块、模拟转换模块及RS485模块相连接来实现扩展多路不同类型接口以满足系统连接设备需求。

3.按照权利要求1所述主控柜端的控制系统的数据采集系统，其特征在于：通过气体成分分析对所采集到的烟气中的CO₂与O₂的浓度进行测定，通过气体流量计单元则是对采集烟气过程中烟气的流速、烟气流量总体积、烟气压力等参数进行检测以及通过热电偶传感器及热电偶检测模块测量主控柜端控制器所需温度。

4.按照权利要求1所述主控柜端的控制系统的温控系统，其特征在于：PLC处理器运行PID温控算法，通过热电偶采集温度与加热套单元、水冷单元，对温控装置的温度进行实时控制。

5.按照权利要求1所述主控柜端的控制系统的能源管理系统，其特征在于：由开关电源实现高效率电源变换，PLC处理器控制继电器输出模块来实现对设备供电的开断。

6.按照权利要求1所述主控柜端的控制系统的流程控制系统，其特征在于：PLC处理器通过继电器输出模块对主控柜端内阀门与电机进行控制，实现作业流程的控制。 

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