CN202562522U - 一种环境监测现场监控cems系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及环境监测技术领域监测系统，尤其是一种环境监测现场监控CEMS系统，包括:现场监测层，数据传输层，远程监控层，现场监控黑匣子系统，包括单片机、存储模块、电源模块；其特征在于：还包括无线传输模块、GPRS通信模块，无线传输模块连接第一天线，GPRS通信模块连接第二天线，无线传输模块与环境监测现场网络连接，GPRS通信模块与远程监控中心通讯。本实用新型采用的低功耗、低成本、保密化的无线网络技术方案，实时、可靠地传输环境监测数据。

Description

一种环境监测现场监控CEMS系统

技术领域

本实用新型涉及环境监测技术领域监测系统，尤其是一种在线监测CEMS系统。

背景技术

CEMS（Continuous Emission Monitoring System），即固定连续排放污染烟气连续监测系统，它是对大气固定污染源排放的烟尘、气态污染物进行排放浓度连续监测，同时还连续测量烟气温度、烟气压力、烟气流速、烟气含氧量等参数，用于浓度折算和排放总量计算。

目前环保部门已经在CEMS方面开展了大量工作，在主要的污染源已经投入大量设备进行连续监测，但是，在CEMS系统运行阶段也发现很多问题。例如：根据中华人民共和国环境保护行业标准HJ/T 75-2001《火电厂烟气排放连续监测技术规范》其中针对污染源的连续监测时间有明确的规定，精确到每个监测传感器每小时监测时间、连续监测时间占污染源运行时间比例以及CEMS系统响应时间、数据有效率、丢失数据等等，而目前的CEMS系统缺乏监测设备健康状态在线识别判定，污染源企业只能被动维护监测设备，一旦出现设备故障，还有可能因意外的数据中断导致巨额污染罚款；由于缺乏有效的在线数据有效性审核手段，行政监管机构对在线监测数据真实性的考核只能依赖于定期离线手工比对，更有监管需求很大的地区，尤其其他人为原因等造成监测结果偏离，而逐一排查问题消耗环保部分大量时间精力，因此目前CEMS系统运行的可靠性还有提高的余地，系统潜力尚未完全发掘。

目前，污染源烟气在线监测系统或CEMS系统健康状态和监测数据有效性判别问题，是困扰污染源企业和行政监管机构的两大难题。由于缺乏监测设备健康状态在线识别判定，污染源企业只能被动维护监测设备，一旦出现设备故障，还有可能因意外的数据中断导致巨额污染罚款；由于缺乏有效的在线数据有效性审核手段，行政监管机构对在线监测数据真实性的考核只能依赖于定期离线手工比对。具体突出表现在：

（1）监测仪器分析周期较长，监控数据的实时性和采集密度较差。目前所使用的各种在线监测仪器大多需要经过比较复杂的化学反应，从开始采样到得出分析结果需要一定的时间周期，有些仪器需要几个小时才能完成分析过程，无法在第一时间内快速获取最新的环境数据，数据之间的时间间隔较长，不能完整反映环境的变化状况。

（2）监测布点成本较高，布点密度较低，难以反映区域的整体环境状况。高温烟气通常处于几十米甚至更高的烟囱处，其工作环境恶劣，人工检测工作量大、繁琐而不安全。此外，现有的监测仪器大多体积庞大，对安装环境的要求也较高，需要配备专用的监测站房及相应的空调、电力等设施，仪器大多由国外进口，价格昂贵，部署和运营维护成本高，较难进行大规模、高密度的布设，同时也限制了监测点位的自由布设。在实际应用中，一般采用对典型点位进行监控的方法来代表某个区域的环境状况，无法反映区域内部环境的不同。

（3）监测点位之间缺乏必要的沟通，未形成一套整体联动协调机制。不同点位、不同监测要素之间的环境状况有着非常复杂的相互影响关系，但在目前这种环境监控系统中，每个点位均只与监控中心进行单独交互，无法获取其它点位的监控数据并据此作出反应。

发明内容

本实用新型所要解决的是：提供一种专门适应环境CEMS使用要求的环境监测现场监控黑匣子系统；尤其是要加强有关主管部门或行政监管机构最关心的环境监测数据的可靠性和有效性。

本实用新型的技术方案：一种环境监测现场监控CEMS系统，包括:

现场监测层：包括环境监测传感器，环境监测传感器设置无线传感器节点模块，还包括环境监测现场监控黑匣子系统，采用无线传感器网络连接，

数据传输层：包括数据传输模块，将现场监测层的数据传输至远程监控层；

远程监控层：包括通讯单元，数据存储单元，数据监控处理单元；现场监测层的数据经通讯单元接受至数据监控处理单元，根据预设条件进行数据存储及数据分析计算。

所述的环境监测现场监控黑匣子系统，包括单片机、存储模块、电源模块；其特征在于：还包括无线传输模块、GPRS通信模块，无线传输模块连接第一天线，GPRS通信模块连接第二天线，无线传输模块与环境监测现场网络连接，GPRS通信模块与远程监控中心通讯。

所述的环境监测现场监控黑匣子系统，还包括RS232接口、RS485接口、数模转换接口、开关量接口中的一种或多种。存储模块设置USB连接口。

现场监测层的无线传感网络布局均采用星型拓扑连接架构，相邻节点间距离为5~50米。

采用本实用新型的技术方案，有益效果如下：

1）本实用新型不仅具有现有的或传统意义中的“黑匣子”具有的记录各设备仪器异常操作或状态的功能，同时还具有与远程监控中心进行双向无线通信或数据传输的功能，并且实时记录各设备仪器上监测传感器的参数，该参数不仅包括污染源的主要污染物指标数据，还包括污染物相关环境参数，例如污染源温度、在线监测的管道静压、动压、流速、烟气温度、湿度、污染源工作负荷等相关参数，为CEMS系统现场监测数据研判提供第一手、最准确的资料。

2）现有的或传统意义中的“黑匣子”只有在设备仪器实效或不正常条件下起一个备份角色；本实用新型的“黑匣子”不仅具有这种备份角色，还具有一个连接远程监控中心与在线设备仪器之间双向交流的桥梁和现场监控中心的作用；在远程监控中心发现数据异常时或数据不合格时，能够及时调去黑匣子系统储存的数据，为后续处理保留下原始资料。

3）本实用新型采用的低功耗、低成本、保密化的无线网络技术方案，将离散式的各种环境信息通过本实用新型的“黑匣子”实现无缝连接，可以解决目前传统的环境监测系统部署和维护成本高,难以自适应采集各种类型环境状态数据信息和实时、可靠地传输环境监测数据的难题。

附图说明

图1为黑匣子系统的结构和原理示意图。

图2为CEMS系统原理示意图。

具体实施方式

实施例1：

本实用新型的环境监测现场监控CEMS系统，包括：

现场监测层：包括环境监测传感器，环境监测传感器设置无线传感器节点模块，还包括环境监测现场监控黑匣子系统，采用无线传感器网络连接，现场监测仪器参数等根据污染物及其对应国家标准设定，例如氮氧化物测定，参照标准《HJ/T 42 固定污染源排期中氮氧化物的测定 紫外分光光度法》，本实用新型不再赘述。随监测主要污染物指标时，同时设定环境参数仪器，例如测量现场温湿度、测量烟道烟气动压、静压、流速、烟温、湿度等参数仪器，系统均加装无线传感器节点模块，与环境监测现场监控黑匣子系统自组成无线传感器网络，数据采用加密无线传输。数据进入环境监测现场监控黑匣子系统储存封装。

数据传输层：包括数据传输模块，将现场监测层的数据传输至远程监控层；将在环境监测现场监控黑匣子系统中储存封装的数据传输至远程监控层，选用GPRS通讯传输。

远程监控层：包括通讯单元，数据存储单元，数据监控处理单元；现场监测层的数据经通讯单元接受至数据监控处理单元，根据预设条件进行数据存储及数据分析计算。

在远程监控层，各单元根据需求设立服务器，必要的话，增加设立数据备份服务器。数据监控处理单元通过预设软件实现监控处理。

其中所述的环境监测现场监控黑匣子系统，包括单片机、无线传输模块、GPRS通信模块、存储模块、电源模块；无线传输模块连接第一天线，GPRS通信模块连接第二天线，无线传输模块与环境监测现场网络连接，GPRS通信模块与远程监控中心通讯；

系统工作步骤为：

无线传输模块接受环境监测现场网络传输的污染源数据及其他环境监测现场数据，传输给单片机；

单片机传输污染源数据及环境监测现场数据至存储模块储存；

污染源数据经GPRS通讯模块传输至远程监控中心；

远程监控中心发送数据查询请求经GPRS通信模块至单片机，单片机调去存储模块中的污染源数据及其他环境监测现场数据发送回远程监控中心。

本实用新型通过环境监测现场监控黑匣子系统，将所有CEMS系统运行状态、如误操作、不按规范操作造成的结果等，在现场监控层的黑匣子系统中保存记录下来、并可直接下载或无线发送到远程监控中心进行随时监控或技术处理，实现了环境信息的实时、远程无线监控。

黑匣子系统包括单片机、无线传输模块、GPRS通信模块、存储模块、电源模块。根据需要，“黑匣子”可安装在CEMS系统预处理机柜中，主要负责记录监测传感器参数、CEMS系统中各设备操作或运行状态，并储存。每个采样传感器都有序列号，这些序列号被写在芯片中，方便产品的跟踪。本实施例中，选用了ARM系列中STM32F103单片机为处理器，作为黑匣子系统的主控机，管理协调监控中心节点的所有功能，完成与监测仪器或仪表等监控终端节点传感器和GPRS模块的数据通讯，同时控制GPRS通信模块发送和接收数据。GPRS模块需要通过串口与单片机通信。黑匣子通过无线/有线传输模块和无线网络或无线HART网络，实现与各监测传感器双向通讯。同时，通过GPRS通信模块，实现远程监控中心和现场黑匣子系统之间的通信或数据传输。

本实用新型的“黑匣子”采用了两个接收/发射天线，让它们各负其责、以避免混淆，让各种类型信号在处理器中容易辨别或识辨：无线传输模块连接第一天线负责与各监测传感器双向通讯；GPRS通信模块连接第二天线负责与远程监控中心之间的通信或数据传输；同时对STM32F103单片机进行了开发，增加了对各在线设备仪器上智能监测传感器模块和无线传输模块传输过来的信息进行实时处理的功能，予留了485总线接口和RS232接口，可以对多台设备仪器进行直接联络。利用各传感器模块，可通过无线传输数据，便可在公司或用户端实时的了解现场状况，分析问题的原因。还采用了先进的强弱电隔离模块，增加接地、屏蔽、抗雷击和浪涌保护功能，提高在线监测系统的远程传感器网络的可靠性，解决高温烟气现场强电磁噪声干扰问题。

无线传输模块：是由C芯片经过开发做成的模块；已经过了数据融合算法和路由设计，以及对通信中的同步问题的特别处理。

GPRS通信模块：本实用新型选用GPRS DTU—H7710作为GPRS通信模块，可以解决现场现场监控中心“黑匣子”与远程监控中心双向数据传输的问题；

数模转换AD模块：予留有16路模拟信号ADC_IN16入口通道。

开关量入口I/O：本实用新型还予留数字开关量16路输入口，可以为数字信号直接接入提供方便，增加了本实用新型的多种功能；

存储模块：是数据存储卡，采用一种大容量SD卡；可以将各监测传感器参数、CEMS系统中各设备操作或运行状态记录或储存下来，以便需要时可以随时调出或下载；

STM32F103处理器（单片机）：是基于Cortex-M3内核和ARMv7-M体系结构的32位标准RISC（精简指令集）处理器；可提供很高的代码效率；该微处理器工作频率可达72MHz，内置512K字节的Flash存储器和64K字节的SRAM，具有丰富的通用I/O端口。处理器内部自带一个温度传感器，它感知到MPU周围的温度变化，将其转化为电压的变化。该传感器的温度适应范围很宽，可以测量-40℃--+125℃之间变化的温度值，转换精度为±1.5℃,能够较好的满足温度测量的任务。供电电压2.0V至3.6V，具有一系列的省电模式，以保证低功耗应用的要求。

如图2所示，为CEMS系统原理图，在线设备，包括各种监测仪表，例如水分仪、流速仪、其他仪表、黑匣子等，属于现场监测层；而数据传输层，通过通信服务模块（网卡）提供在线设备的通信服务，提供实时在线交互和网络化功能；远端的远程监控层，包括数据接口服务模块：主要提供所有各个模块的数据库接口，统一的数据接口可以大大提高系统安全性和整体的扩展性；智能诊断服务模块（分析模块）：对智能产品提供数据分析处理，建立一套专家智能系统，为在线CEMS进行评估，并且提交评估报告，按照目前智能化产品系列，得出目前系统的评估结果；设备管理、用户管理模块：对用户提供更为人性化的权限管理，可以解决客户维护人员的结构分配，提供系统使用的安全性，也符合客户分级要求；离线服务模块：可以提供一些产品在现场无法实时在线的需要，可以对这些产品提供接入访问要求，为产品提供离线客服业务。另外，可以扩展到移动测量运维车使用；运营服务模块：可基于人性化的UI界面，提供人机交互界面，为客户和自身提供完整的软件使用体验，并且在扩展方面，可以对iphone,等智能设备提供支持；这个系统用户UI，作为人机交互的主要通道，将提供基于SMART WEB 方式的浏览技术，可以大大的提供系统使用效率，为不同用户提供集成化服务，并且可以为未来的业务需要提供扩展空间。DB是设在远程监控中心处的存储服务器，通过数据接口服务模块，把所有运营管理数据、设备实时数据、短信信息等记录下来，随时调出使用。

Claims (4)

1.一种环境监测现场监控CEMS系统，包括:

现场监测层：包括环境监测传感器，环境监测传感器设置无线传感器节点模块，还包括环境监测现场监控黑匣子系统，采用无线传感器网络连接，

数据传输层：包括数据传输模块，将现场监测层的数据传输至远程监控层；

远程监控层：包括通讯单元，数据存储单元，数据监控处理单元；现场监测层的数据经通讯单元接受至数据监控处理单元，根据预设条件进行数据存储及数据分析计算；

其特征在于：

所述的环境监测现场监控黑匣子系统，包括单片机、存储模块、电源模块；还包括无线传输模块、GPRS通信模块，无线传输模块连接第一天线，GPRS通信模块连接第二天线，无线传输模块与环境监测现场网络连接，GPRS通信模块与远程监控中心通讯。

2.根据权利要求1所述的环境监测现场监控CEMS系统，其特征在于：所述的环境监测现场监控黑匣子系统，还包括RS232接口、RS485接口、数模转换接口、开关量接口中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的环境监测现场监控CEMS系统，其特征在于：存储模块设置USB连接口。

4.根据权利要求1所述的环境监测现场监控CEMS系统，其特征在于：现场监测层的无线传感网络布局均采用星型拓扑连接架构，相邻节点间距离为5~50米。

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