第22卷第3期 电力科学与技术学报 V01.22 No.3 2 0 0 7年9月 JOURNAL OF ELECTRIC POWER SCIENCE AND TECHNOLOGY Sep.2 0 0 7 火力发电厂烟气自动监测系统总体设计 周 婧 ,刘 桥 (1.长沙理工大学管理学院,湖南长沙410076;2.长沙理工大学电气与信息工程学院,湖南长沙410076) 摘要:介绍火力发电厂烟气自动监测系统的分层分布式硬件拓扑结构;分析系统的多种采样和维护工作模式; 探讨火电厂烟气自动监测系统软件中采样/控制、通信、数据处理、远程/本地控制和WEB等功能模块的设计;并通 过对系统功能的多样性、鲁棒性和兼容性的分析,说明此设计方案的先进性. 关 键词:火电厂;烟气;自动监测系统;嵌入式系统 中图分类号:TM 611;TK 39 文献标识码:A 文章编号:1673—9140(2007)03-0076-05 Holistie design for auto-supervision system of emission lfue-gas in fossil-fired power plant ZHOU Jing ,LIU Qiao (1.College of Management,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410076,China; 2.CoUege of Electrical and Information Engineering,Changsha Universiyt of Science and Technology,Changsha 410076,China) Abstract:The distributed hiberarchy topology construction of emission flu—-gas auto--monitoring system for fossil—ifred power plant is introduced in the paper.Some sampling nad maintaining patterns are analyzed. Each function module which constructed the auto—monitoring system software,such as smapling/control, communication,data process,long—distance/local control and WEB,is researched.By analyzing the va— riety,robustness and compatibility,the system advantages are also presented. Key words:fossil—-ifred power;emission flue—-gas;auto—-monitoring system;embedded system 目前,世界上很多国家都建立了以监测大气环 庞大监测项目,在全欧的101个地上监测点每日对 境综合指标及某些特定项目为基础的大气污染自动 当地的降雨中的化学物质进行收集、分析,并通过卫 监测系统.欧洲远距离大气污染监测评估计划是欧 星传送到3个国际EMEP中心进行数据的解析和评 洲经济委员会组织实施的,有欧洲25个国家参与的 价,最后,由在挪威的化学物质调查中心负责结果的 收稿日期:2007-03—19 作者简介:周婧(1965一),女,硕士,副教授.主要从事设备维修管理、会计理论与实务研究 维普资讯 http://www.cqvip.com 第22卷第3期 周婧,等:火力发电厂烟气自动监测系统总体设计 公布和发表.日本德岛县大气污染监测项目是德岛 县环境监测中心为了满足对大气污染状况、污染源 1监测系统拓扑结构 系统的拓扑关系见图1. 排除状况的监视要求,所建立的大型广域实时监测 系统,分为汽车排气监测、特定污染源监测、特定气 象局监测、移动测定车等各个子系统,各个监测点通 过ISDN电话线路和中心监测局相连接,实时或定 时将所监测数据传送到中心监测局,自动显示和打 印,并可对各种收集的数据进行统计和分析. 我国大气污染也已引起全国人大和各级政府密 切关注.1996年8月,国务院正式通过并发布了《国 务院关于环境保护若干问题的决定》,对实现“九 五”环保目标提出了“一控双达标”的环境保护目 标.2000年全国人大通过了再次修订的《大气污染 防治法》,于2000年9月1日起实行. 随着环境监测水平的提高,国家环保总局制定 了《烟气连续排放监测系统技术条件及检验方法》, 我国目前对大气污染自动监测系统的逐步建设和完 善有较大的市场需求¨J.在大气污染来源中,化工 厂、火电厂和其它大中型企业的烟尘和二氧化硫排 放属于主要监控对象,国家环保局于1996年3月7 日颁布了GB13223—1996(火电厂大气污染物排放 标准》,国家电力公司也制定了《火电厂烟气排放连 续监测技术规范》.目前,国内为数不多的针对火电 厂烟气自动监测系统的应用和研究文献主要集中在 2个方面:一是从仪器仪表和化学分析的角度,探讨 烟道监测仪(有的文献称为烟气连续排放自动监测 系统,CEMS:continuous emissions monitoring system) 的分析原理和集成应用 ;另一方面是从计算机 软件系统的角度,探讨监控数据的远程通信和实时 处理 .由于近年来国外CEMS制造厂商纷纷进 军中国CEM市场,美国的TE,ESC,ROSEMOUNT, FORNEY;德国的SIEMENS,ABB—H&B;英国的 LANDER以及日本的HORIBA等国外著名的CEMS 制造厂商在中国的电厂已先后安装了CEMS,特别 是近期引进的全抽取和稀释抽取式CEMS,仪器的 采样精度和长期工作的可靠性有较好的保证.因此, 本论文的内容侧重于监测系统的软件结构设计,特 别是设备的宽接人和系统的稳定性和鲁棒性等方 面,希望能够抛砖引玉,使更多研究者关注这一 问题. 图1监测系统硬件拓扑结构 1)每个流路最多可监测l4个项目(包括SO , CO,NO,NO ,O 、粉尘、氢化物、氟化物、汞化物以及 温度、烟气流量、压力、烟气含氧量、烟气含湿量 等),各流路的监测项目可自由设定(可以不同). 2)本文中的烟道监测仪,在某些文献中也被 称为火电厂烟气连续排放自动监测系统(CEMS), 用于在线自动监测燃煤电厂烟气排放的颗粒污染 物、气态污染物(SO ,NOx,CO)和排放总量.一个 烟道监测仪器可以监测多个流路,仪器可向监测点 计算机送出采样数据和相应报警消息.采样时间间 隔最小10 S,最大不大于5 min. 3)PLC前置机的主要功能. ①完成和监测点计算机的通信,接口可以是 RS232/RS422/RS485. ②完成对烟道监测仪器的采样工作,并可接受 烟道监测仪器和其它传感器的报警信号. ③可连接多个烟道监测仪器. 4)监测点计算机可连接多台PLC前置机,并 与其通信,可向其发出监控命令. 5)监测点节点包括多台监测点计算机,一个 监测点节点只具有一台监测点节点主机,只有该机 具有进入广域网络的通信设备.可具有多个监测点 节点从机,该机不具有进入广域网络的通信设备.但 这2种机器都具有与企业监控中心,以及下位的前 置PLC通信的功能. 维普资讯 http://www.cqvip.com
78 电 力 科 学 与 技 术 学 报 2007年9月 2监测系统工作模式 1)定时采样模式. 根据设定的时间间隔控制监测仪器采样. 2)临时采样模式. 接受上级系统或者本机操作的临时采样指令控 制监测仪器采样. 3)随机采样模式. 由于企业排放烟气有时具有随机性,以定时采 样为基础,以排放烟气的流量为控制条件设计这种 采样模式,保证只在企业排放烟气等污染物时才进 行采样. 4)预约采样模式. 主要用于根据用户预订的时间带与采样时间间 隔来修改监测点的采样频率.例如:有的企业在深夜 排放超标污染物,这时可以利用该功能预约深夜的 一个时间带,提高采样频率,对该企业的该时间带进 行重点采样. 5)定时错误状态问询模式. 在采用RS485外部总线的时候,该模式比较适 用.通过一定的时间间隔问询下级监测仪器是否有 错误状态,或者是否需要补充试料. 6)强制维护模式. 主要用于具有该功能的监测仪器.例如:每月一 次的基准线校验、催化剂再生等本来需要操作人员 在监测点现场进行的部分维护工作. 7)远程/本机参数设定模式. 接受参数设定的控制指令,对本监测点的运行 参数进行修改维护.例如:口令的维护、上报数据的 时间和控制权限等. 3监测系统功能模块组成 根据上述工作模式和广域污水自动监测系统的 技术要求,把监测系统划分为几个不同的功能模块, 主要有采样/控制、通信、数据处理、远程/本地控制 和WEB模块,每种功能以模块形式进行组织. 监测系统采用嵌人式LINUX系统L6 和JAVA 语言进行开发,模块之间以JAVA RMI或者TCP/IP 进行通信.采用数据库作为数据存储方式,以JDBC 方式对数据进行操作.对监测点的维护一般是通过 RJ45连接的局域网络形式,我们采用WEB模块来 满足要求.监测系统的软件构成如图2所示. RS485 1, . ,n^ I I I JDBClI : : J, DBC] 1 №●I ^ i 定义文件(:…… ( 辱 ( 报表文件 ./I/ , WEB系统模块 l PsTN通讯模块} WEB ̄IPSTN通信I 实线表示通信流 T 虚线表示数据流 图2监测系统软件结构 3.1采样/控制模块 主要实现与采样/控制相关的各项具体业务.采 用主/从通信方式,通过RS一485小型工业控制总 线与监测仪器通信.通过对工作模式中的集中采样/ 控制模式的支持,可实现对监测仪器的采样控制、故 障原因分析、维护报警等多种功能.既支持I/O采样 和输出(例如:用于排污企业的污染治理设施的运 行状态的监测,可以通过对其治污设备的运行状况 的分析,得到该企业是否有偷排污染物的情况),也 支持A/D变换的采样(通过定义文件的设定,可以 配置A/D采样的精度、电位飘移误差、量程、变换系 数等).通过I/O、A/D的组合使用,可以方便地控制 监测仪器的工作,实现设计上的主/从工作方式. 采样/控制模块是一个多层结构的软件包,并利 用了JAVA的JNI技术实现对本机API的访问.其 概念构成如图3所示. 1 竺 I 臣 亘二]臣固[ [亟 巨圈臣回 匝困臣亟 巫口 [ 口臣五至困 臣 回臣 圃[二玉 ] 嵌入式LINUX平台 图3采样/控制模块的概念构成 维普资讯 http://www.cqvip.com
第22卷第3期 周婧,等:火力发电厂烟气自动监测系统总体设计 79 由于JAVA语言难于操作具体的硬件,所以对 A/D,I/O的操作采用C++语言,并封装成符合 JNI调用接口的模块.对于多台监测仪器的各种检 测项目,采用独立的多线程技术和服务于多线程下 库内容,以及主机上的数据库内容,定时进行统计计 算,并将计算结果保存到主机的相应目录下,以便于 通信控制服务调用文件管理服务、远程通信服务和 本机通信服务进行数据传送.也就是说,在从机上不 安装统计计算程序,并且从机的远程通信服务中只 包含局域网内的通信,不包含广域网的通信程序包. 的命令队列的临界区的系统结构来实现对并发命令 的调度,以及远程/本地控制模块之间采用双通道的 TCP/IP通信手段,以提高系统的灵敏性. 3.2远程/本地控制模块 远程/本地控制模块用于接受PSTN通信模块 和本机控制/维护/监测用WEB模块来的控制指 令,并根据监测点所设定的各种运行参数来控制 PSTN通信模块以完成定时、紧急、指示采集这3种 系统工作模式.本模块也是一个多层体系.主要由负 责通信的通信层、负责控制和通信调度的业务层以 及负责过程显示的表示层等构成.其层次结构如图 4所示. 表示层 —1 区固区固 业务层匝囹区固巨圃 l 竺竺 竺竺兰 竺 I 图4远程/本地控制模块层次结构 远程/本地控制模块的业务层实现了所有对上 级系统远程通信的调度逻辑和对本地资源的控制操 作服务.其中的指示收集服务由于接受上级系统/本 地WEB控制界面的控制消息,实现I临时采样、参数 设定等本机以外的控制;定时上报服务负责监视系 统时钟,并参照定义文件的设定,完成定时上报数据 的业务;紧急上报服务接受采样/控制模块的通信内 容,并根据定义文件设定条件的判断,自动完成紧急 上报的业务.定义文件数据管理负责具体的定义文 件的修改/删除等工作.通信记录管理负责记录所有 的对外通信行为.其它控制服务完成诸如用户身份 校验,用户权限管理等工作.通信服务的调度管理用 于对下级各个通信功能的具体调用. 3.3统计计算模块 统计的功能是根据该监测系统所有从机的数据 统计计算功能主要用于数据的整合等后台工作. 3.4 PSTN通信模块 完成具体的PSTN的通信功能,采用多个独立 的线程,以分别处理受信时所需要的连续通信侦听 和自动上报时的拨号连接功能,并可直接利用数据 处理模块所整理的数据文件完成上报,省略数据库 访问和计算的时间. 通过对广域网络上所传送数据的分析,可得知 所传送的数据主要分为控制流的指令数据和作为采 样及管理数据被传送的业务数据的两部分.这两部 分的数据传输有不同的特点. ①指令数据的传输速度决定了系统对用户操 作的反映速度,当然任何用户都希望系统的响应速 度能尽可能的快,所以,采用分散网络平台来兼容下 层的不同的通信协议,并建立专有的、联结不同局域 网络的、跨接于广域网络之上的指令消息传输系统. ②业务数据的传输要求数据传输的高速性和 通信的可靠性.监测系统的工控机具有MODEM/ PSTN方式的通信接口,与上级系统利用公用电话线 进行通信.通信模块通过TAPI函数和设备支持的 AT命令从实时数据库和内存中提取数据打包,形成 通讯帧,进行数据上传. 3.5本机控制/维护/监测用WEB模块 本WEB模块主要由提供静态网页的数据查 询/统计部分、管理维护部分以及提供监控功能的动 态网页部分构成.由于普通的静态WEB页面只能 实现数据查询功能,不能动态地反映采样数据和工 作状态.所以采用J2SE+独立TCP/IP通信的方式, 并预置防火墙的通信端口.采用含有TCP/IP客户 端的JAVA Applet作为实时监控的界面,通过该界 面和监测系统中的TCP/IP服务端通信动态地获取 监测点的采样数据和工作状态. J2SE用于提供数据的查询和前端静态HTML 页面的生成.对于静态网页,采用JSP技术访问数据 库和文件;对于动态网页,采用包含TCP/IP通信客 维普资讯 http://www.cqvip.com
80 电 力 科 学 与 技 术 学 报 2007年9月 户端的Applet,由监测点计算机内的WEB通信服务 负责和远程/本地控制模块通信,以实现类似于远程 通信所能完成的功能,满足用户要求. 4系统功能 设计的烟气自动监测系统主要具有以下功能. 1)本地数据保存功能. 对监测仪器生成的监测数据进行收集,并保存 在本地数据库,以备向上级节点传送.可保存一年的 数据量,并可根据用户需求增大数据保存量. 2)系统时钟同步. 定时上报,以及响应上级呼叫时可同步系统时 间.并且也可同步接收时钟指令的监测仪器的系统 时间. 3)数据自动上报功能. 根据被分配的时问带,定时向上级系统传送所 收集的原始数据. 4)对企业级系统的同步数据传输功能. 监测点系统在收集数据的同时,完全实时地向 企业级系统同步传送数据,更新企业级数据库.并在 企业级系统的监控画面中表示. 5)口令修改功能. 可由市级远程更新,或由享有口令修改权限的 用户本地修改监测点系统的进入口令. 6)报警功能. 监测项目浓度超标,采样流量过小,制冷温度过 高,标气压力过小,烟气温度过低,在线监测仪器运 行异常等情况发生时,自动向上级系统报警,并维持 到上级系统的常时连接,实时传送数据.并可同时向 企业级系统传送报警信号和实时数据. 7)通信优先度可切换. 紧急报告优先度最高,紧急报告发生时,若有其 它通信,系统会以紧急报告通信优先,进行通信的自 动切换. 8)接收监测仪器的故障报警. 如果监测仪器具有自诊断功能,则监测点系统 能接收监测仪器的故障报警信号,并自动上报. 5结论 本监测系统的所有应用都建立在分散的网络平 台上,由于该平台提供了对各个操作系统和开发语 言的广泛兼容性,同时,对部分系统采用J2EE的标 准开发平台,以JAVA的平台无关性来保证系统最 高的兼容性.通过严格定义各子系统的功能,为每个 子系统的每个模块制定详细的数据传输和控制接 口,使得整个系统在系统内部实现完全的统一和兼 容.所有的数据文件和共通文件采用统一的接口和 格式,保证各系统模块之间的正确相连.并提供良好 的二次开发接口. 所有程序的数据库访问采用ODBC和JDBC的 标准数据库访问的工业接口,因此数据库系统与具 体的数据库管理系统无关.具体来说,本系统使用的 是Oracle数据库,可运行在其他任何支持ODBC的 数据库管理系统中. 所有为其它系统所提供的导出数据,采用XML 的工业标准,或者是用户可自定义数据结构的文件. 提供对其它系统在数据级别上的无缝连接. 对比国内现有的同类系统,本设计不但容量更 大,而且还突破了现有系统的通讯瓶颈,较好地解决 了目前国内以“黑匣子”方式为主的监测系统普遍 存在的运行不稳定问题,使整个系统运行的稳定性 和鲁棒性大大加强.本系统可以为火电厂的环保管 理和除尘、脱硫设备的安全运行提供科学依据,同时 也为国家环保管理部门提供判断污染源排放是否达 标的依据. 参考文献: [1]国家环境保护总局.2003—2005年全国污染防治工作计划 [EB/OL].http://w ̄-w.zhb.gov.cn/649086806737813504/ 20030516/1038262.shtml,2003.4.30. [2]朱卫东,刘伟,王军,等.火电厂烟气连续排放自动监测系统 [J].自动化仪表,2003,24(5):5-9. [3]刘胜荣.火电厂烟气排放连续监测系统设计[J].广西电力技 术,2002,(1):13—15. [4]张燕,应启戛.基于B/S模式的烟气烟尘连续监测系统监控软 件设计[J].岳阳师范学院学报(自科版),2003,16(1):64射. [5]祝翠玲,蒋志方,王强,等.基于Intemet的城市烟气实时监测系 统[J].计算机工程,2005,31(10):200-202. [6]Campelo J C,Yuste P,Ji1 P J,et a1.DICOS:a real—time distribu— ted industrial control system for embedded applications[J].Contorl Engineering Practice,2001,(9):439—447.
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