火电厂烟气排放连续监测系统设计

1 引言
按照国家可持续发展战略的要求，实现人与自然和谐发展，国家环保总局《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2003)明确规定火电厂发电锅炉必须安装烟气排放连续监测仪器(CEMS)[1]。CEMS经省级以上环保部门验收合格时,其监测数据作为该电厂烟气排放是否达标的依据。

2 系统需求分析
该电厂为2台300MW火力发电机组，CEMS需要测量SO2、氮氧化物、烟尘、CO的含量与烟气流量、压力、温度等参数。作为烟气的检测设备，CEMS还要向脱硫系统提供除上述信息外的烟气含氧量、湿度。并在脱硫前后各配置1套烟气测量装置，2台机组共需要4套烟气测量装置。
环境监测站要监测火电厂的烟气排放情况，因此CEMS要与环境检测站进行远程通讯。CEMS还提供对烟气测量装置的监视、以及历史数据存储，报表打印等功能。

3 系统配置结构
2台发电机组的烟道相距较远，同一机组脱硫前后烟道相邻，如图1所示。在2台发电机组的烟道附近各搭建1个现场分析小屋，每个小屋安装2套分析仪器，以对该台发电机组烟气的脱硫前后的情况进行检测。两个分析小屋通过工业以太网与上位机进行通讯。

图1 系统配置结构图
上位机用于监视分析仪器的工作情况并对故障进行报警。更重要的是统计各个分析仪采集的烟道气的参数，并作为服务器向环境检测站和脱硫系统提供数据，还提供良好的人机界面，历史数据查询，报表打印等功能。

4 硬件设计
该CEMS采用浊度法测量烟道中的固体烟尘。采用直接抽取法采样，将经过伴热的湿烟气经过过滤送氧化锆分析仪，测出湿氧含量。再把烟气经过压缩式干燥器送入烟气分析仪，分析CO，SO2及氮氧化合物，干氧的含量。烟气中的湿度采用干湿润氧法计算得出。
由于CEMS中需要控制的是按一定时间序列开闭的管路，这种量为开关量，此外还需要测量烟道中各个参数，这种量为模拟量。并综合考虑设备稳定性的要求并降低开发难度，采用西门子200系列PLC对阀门进行控制。其中开关量除使用CPU224上的数字量输入输出模块外，还使用了数字量输入输出扩展模块EM223。模拟量采用EM231模块，实现12位AD转换的。最后PLC将各个数字量模拟量通过工业以太网模块CP243-1与上位机实现数据通讯。

5 软件设计
该系统自底向上由PLC控制、上位机程序、远程通讯三部分组成。
5.1 PLC控制程序
该部分程序主要用于接收各种操作命令，控制各种阀泵，指示灯的开闭，并定时完成对采样通道的吹扫、除湿器的排液及阀门的互锁。并对采集到的各模拟量进行数字滤波。
为了防止采样通道吹扫时，烟尘进入分析仪，采样泵与吹扫阀门互锁。吹扫阀打开时采样泵停机。吹扫结束后也需要有个换气时间，才能将吹扫气排出。因而此时气体分析仪的分析数据不是真实的烟道气成分。为此，在上述情况下，通过停止采样定时器计时的方法，来避免PLC将错误数据发送给上位机。
5.2 上位机程序
(1) 面向过程控制的连接与嵌入
主要用于显示各个分析设备的工作情况，汇总烟道气的历史数据，进行打印归档，趋势显示。
PLC与上位机通过西门子SIMATIC NET组态，建立OPC连接。采用WinCC制作如图2所示人机界面。在该界面下可以通过单击“实时数据曲线”和“数据归档”查看实时和历史数据的趋势图。

图2 人机界面

(2) PowerBuilder专业数据库功能设计
由于设备事故等原因，有可能会造成部分数据丢失。环保总局规定必须要用事故前后的实测值估算CEMS故障时的实际值[2]。因此不能对传到上位机的数据进行简单的归档。而WinCC难于实现条件归档，且归档数据空间有限，不易完成对历史归档记录的修改。
为了解决好这个问题，并兼顾向环境监测站远程通讯，采用了PowerBuilder(数据库程续情况，进行数据恢复。对于以上两种情况同时发生时，则以故障日志中出现故障时，作为序开发工具)来读取WinCC的归档数据库。具体而言，数据丢失主要有烟气分析仪故障与上位机关机两种数据保护要求。
对于第一种情况，当出现分析仪故障时，报警信号由PLC送到上位机，使用WinCC生成包含故障出现和结束时间的日志文件。根据故障报警日志恢复丢失的数据。当需要调阅历史数据时，WinCC通过调用Prog- armExecute()函数[3]来运行由PowerBuilder编写的后台程序，完成对丢失数据的恢复。对于第二种情况，PowerBuilder根据数据库中记录时间的断数据丢失处理的起点时间，以上位机收到连续有效数据为数据丢失处理的终点时间，进行处理。
考虑到WinCC归档数据库容量有限，其报表功能有限，不易进行复杂的条件查询报表输出。在此，也时采用PowerBuilder的专业数据库功能，编写查询，报表程序。在图2所示界面的相关按钮中还是通过Progarm- Execute()来实现WinCC对PowerBuilder的调用。
5.3 远程通讯
远程通讯主要是指与环境监测站之间通过internet进行数据通讯。CEMS中的上位机作为服务器，环境监测站作为客户机，采用C/S模式取得数据。具体来说就是环境检测站发送查询请求，CEMS上位机返回相应时间段内的烟气排放数据。
此处采用PowerBuilder设计服务器和客户机的相关程序。

6 网络安全
由于CEMS的分析仪与上位机间通过工业以太网连接，上位机与环境监测站之间通过internet网连接。病毒与黑客有可能对CEMS造成损坏。另一方面，目前我国电力系统采用竞价上网发电。各个电厂的设备运行数据是企业的商业机密。因此必须防范由于接入internet对设备运行的危害和对商业机密的窥探。
如图3所示，在CEMS上位机中，PowerBuilder将烟气历史数据库以热备份的形式拷贝到另一个数据库中。环境监测站发送的查询请求，都只对备份的数据进行操作，不直接访问监控系统。CEMS上位机与备份数据库在物理上分属不同计算机，备份数据库只能接受CEMS上位机的控制，不能反过来对WINCC数据库操作，从而实现数据主客体的分离。

图3 网络配置图
此外备份数据库通过专线与环境检测站联网。两者间通过防火墙来保证只有环境监测站的IP才可以访问备份数据库。从而保证数据安全。

7 结束语
本CEMS由于采用工业以太网连接PLC与上位机，系统扩充便捷。通过将PLC梯形图，WinCC，PowerBuilder相互结合，使系统维护方便，并可使用internet网向环境监测站报送数据，实现了环保总局对烟气连续排放监测系统的全部要求，具有一定的推广价值。