紫外差分CEMS系统中的PLC控制设计.pdf

4 2 2 0 1 0年 6月 中国制造业信息化第 3 9卷第 1 1 期 紫外差分 C E MS系统 中的 P L C控制设计 刘新波 ， 王仲 ， 刘俊 平 1 ． 天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室， 天津3 0 0 0 7 2 2 ． 天津蓝宇科工贸有限公司， 天津3 0 0 3 8 4 摘要 差分吸收光谱法 D0 A S 应用于固定污染源烟气排放在线监测时， 由于外界测量环境恶劣， 控制方式对测量气体浓度具有很大的影响。采用 P L C模块设计的方法， 将 紫外差分 C E MS系统 控制划分为 8个功能子程序， 并对其控制流程进行研 究； 提 出优化 的顺序控制设计法， 将 流程转 化为 P L C程序， 方便功能扩展 ； 在准确分析外界强干扰磁场的基础上 ， 硬件上加入屏蔽保护 ， 软件 上设计快速加权平均法对模拟量数据进行实时采集， 并计算 出方差对数据进行取舍 ， 同时 C R C 检验和指令重传机制也提 高了数据的稳定性。对 s o2实际测量结果表 明 P L C设计法使 紫外差 分 C E MS的抗 干扰 性 能提 高 了 1倍 以上 。 关键词 紫外差分； P L C顺序控制设计法； C R C校验； 单片机 中图分类号 T P 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 1 6 1 6 2 0 1 0 1 1 0 0 4 2 0 4 差分吸收光谱法 D A S 利用被测气体 的差 分吸收特性- 1 ] ， 获得光谱 中反演得到气体浓度值 ， 具有响应速度快 、 在线监测等优点， 已经广泛应用 于气态污染物监测 如 C O， s o 2 ， N Ox 。将 D O AS 技术用于火电厂、 工业锅炉等固体污染源的排放检 测 C o n t i n u o u s E mi s s i o n Mo n i t o r i n g S y s t e ms ， 简称 C E MS 时， 所排放的烟气通常是高温、 高压、 高尘 和高辐射。传统以单片机等微处理器开发的数据 采集和控制系统不但开发周期长、 维护复杂， 同时 烟气检测中的恶劣工作环境也使其难 以满足稳定 性和可靠性要求 。 依据 H I ／ T7 6 ～2 o 0 1 固定污染源排放烟气连续 监测系统技术要求及监测方法 ， 系统的主要技术指 标如下 s o 2 测量范围为 0 ～2 5 0 01 0 _ 。 。 ， N Ox 测量 范围为 0～1 2 0 01 0 _ 。 。 ， 响应 时间≤6 0 s ， 精度 ≤ 5 ％， 温度范围为 1 2 0 。 ～2 4 0 。 ， 使用场合多样。进而 对控制提出的要求为 1 实现对各个功能模块的控 制； 2 强抗干扰能力； 3 程序扩展方便。本文首先 分析紫外差分 C E MS的测量原理和系统环境 ， 利用 P L c 提出一套有效解决上述问题的方法， 以提高现 有基于单片机的紫外差分 C E MS的性能。 l 紫外差分 C E MS原理和组成 紫外 D O A S是基于气体分子的窄带吸收特 征E 2 ] ， 吸收的光强遵守 L a mb e r t B e e r 吸收定律。 用公式表示为 I 2 I o e x p [ 一L ∑ O “i i ， T， P， V C ] 1 式 中 J 和 J 0 分别为透射光强度和人射光 强度； 为摩尔吸光截面； L为光程长； C 表示第 i 个气体的未知摩尔浓度 ； i 表示气体种类数。 实际上 ， 待测气体往往是多种气体 的混合物 ， 还会受到水蒸气 、 固体颗 粒物 Mi e散射和气体本 身引起 的 R a y l e i g h散 射等 的影 响， 由 L a mber t B e e r 吸收定律的加和性可将式 1 修改为 I a J 0 e x p [ 一L ∑ ， T， P， V C e R e M ] 2 式中 ￡ R 和 e M a 分别代表瑞利散热和米散热 的消光系数。由式 2 定义光学厚度 D I n L o i ， 丁， P， V c ￡ R E M ] 3 为了消除瑞利散热和米散热等的影响， 数学上 采用滤波技术。由于两种散热对光学厚度的变化 随波长的变化不大 低频部分 ， 而 由分子吸收的光 谱变化随波长快速变化 高频部分 ， 因此计算过程 中， 利用高通滤波器将包含在大气吸收光谱 中由气 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 一l 1 作者简介 刘新波 1 9 8 5～ ， 男 ， 湖南邵 阳人 ， 天津大学工学硕士 ， 主要从事 自动控制技术 、 精密机械技术及仪器智能化研究工作 。 智能控制技术 刘新波王仲刘俊平紫外差分 C E MS系统 中的 P L C控制设计 4 3 体吸收的光谱分离出来 ， 这就是 D O A S的基本思想。 图 l 是基于 P L C控制设计紫外差分 C E MS系 统， 光源发出的光被安装在测量探头末端的反射镜 反射后 ， 被监测系统 的光谱仪所 接收， 接收信号经 计算机软件处理后得到被测烟气 中各组分的浓度。 图 1 CE MS 系统 结 构 图 由式 2 知， 需先测得烟气温度、 压力、 流速 、 流 量、 含氧量等参数并送至计算机才能计算 出烟气污 染物排放率、 排放量 。结合 S 7 2 0 0模拟量输入输 出扩 展 模 块 E M2 3 1 分 辨 率 高 达 1 ／ 4 0 9 6 和 E M _ 2 3 2带来 的优点是无需制作专门的采集模块就 能满足其采集要求 ， 且 整个控制采集 系统结构紧 凑。 2 系统控制软件设计 为保证测定 的准确度 ， C E MS应定 时切 断样 气 ， 分别 自动给零气和已知浓度的标气进行仪器的 校零和校标 。只有在校零校标无误 、 仪器正常时， 才能进行监测。因此 ， 整个控制划分为正常工作模 式 、 预热模式 、 系统反吹模式、 流速反吹模式、 校零 模式、 校标模式和异常模式 。正 常工作流程 如下 开机进人 预热模 式， 达到 系统紫外差分所需温度 后 ， 定时采集数据 ， 并上传至工控机。其他工作模 式也都 由定时器控 制 ， 企业可 自主控制定时 时间。 同时， 为 了提高数据 的正确率 ， 应该 先校零 ， 再校 标。图 2是烟气被控检测系统图， 概括了基本的输 入输 出端 口。 图 2烟 气被 控 检 测 系统 在 C E MS程序设计 中， 提 出了一种优化的顺 上 M 1 ． o 序控制法 以解 决控制扩展方便 的问题[ 3 ] 进 人子 一 ． [ M I． ．7 S - - [ T 3 7 l 一 程 序 时 初 始 化 ， 预 先 置 位 所 需 标 志 位 ， 在 子 程 序 结邕 蒜 匝 束时 重 新复 位。 此系 统每个子模 块程序均采用这L 十 T 3 8 种设计方法 ， 诸如反吹程序， 工控机设置 的系统反厂 二 卜 _ 吹定时时间到， 发送指令使 P L C执行系统反吹模T 4 0 式。系统关 闭 D C F 6 ， 打开 D C F 1 ， 开始定 时 1 2 0 s ， 打开 D C F 2 ， 等待 3 s 后 ， 关 闭 D C F 2， 再等待 9 s 后重 图3 系统反吹顺序功能图 新 打 开 I X 2 F 2 ， 往 复 进 行 1 0次 ， 关 闭 D C F 1和 MO VB 1 6 8 1 ． MB 1 I X； F 2 ， 打开 I X 2 F 6 ， 通知上位机系统反吹完成 。编 Ne t w o r k 2 ／ ／ 网络注释上 电定时 写成控制流程图如图 3 所示。L D M1 ． 0 流程图转化为梯形图的方法在参考文献 [ 3 ] 上 A M1 ． 7 有较详细的介绍。图 3 转换为语句表 ， 如下所示 T ON] r 3 7 ． 1 2 0 0 N e t wo r k 1 ／ ／ 网络注释标志位初始化 Ne t w o r k 3 ／ ／ 网络注释定时完成 L D M 1 ． 0 L D M 1 ． 0 U A， 】 7 2 0 1 0年 6月 中国制造业信息化第 3 9卷第 1 1 期 EU R 7． 1 R M 1． 7． 1 S M 1． 4， 1 Ne t wo r k 4 ／ ／ 网络注释第一步 起始步 UD M 1． 7 O M 1 ． 1 A M 1 ． 0 AN M 1． 2 M 1 ． 1 S O0． 0， 2 T0N T 3 8． 3 0 Ne t wo r k 5 ／ ／ 网络注释第 二步 循环定时 定时／ ／ 9 s LD 8 A M 1 ． 1 LD 9 A M 1． 3 AN 7 OL D O M 1 ． 2 AN M 1． 5 M 1． 2 R O0． 1 ， 1 TON 9 ． 9 0 Ne t w o r k 6 ／ ／ 网络注释第三步 ， 循环定时 3 0 s LD M 1． 2 A 9 o M 1． 3 AN T4 0 M 1 ． 3 S O0 ， 1 ， 1 TON T4 0， 3 0 Ne t w o r k 7 ／ ／ 网络注释第三步的状态标志 LD M 1 ． 0 A 9 M 1． 5 注意 M1 ． 2至 M1 ． 3 ， 在实现 1 0次循环时， 两 者互 为 先 后 步 ， 不 能 实现 相 互 控 制 ， 需 要 另 加 M1 ． 5作为第三步状态标志将其隔开。同时， 定时 器的合理使用是此方法的一大难点 ， 本段程序采用 3 个定时器实现两段 时间循环的方法， 首先让 T 3 8 定时 3 s ， M1 ． 2得电后 8定 时停止 ， 即便 M1 ． 2 失电后 2 3 8会再次计 时， 但 由于 M1 ． 1的隔离作 用 ， 之后的循环定时只由 T 4 0控制 。 3 P L C控制系统采取的抗干扰措施 3 ． 1 干扰 分析 P L C内部的光 电耦合器、 输 出模块 中的小型 继电器和光电可控硅等器件能实现对外部开关量 信号的有效隔离， P L C模拟量 I ／ 0模块一般也采 取 了光电耦合的隔离措施 ， 抗干扰能力较强 ， 通常 不必在外面加入抗干扰措施。 ． 但由于紫外差分 C E MS常用于火力发电厂等环 境的辅助系统空间 J ， 除了受到被测环境和 自身电 路带来的干扰外， 高电压、 大电流的电气设备在启动 接通和停运断开时产生的强电干扰可能会在 P L C 信号输人线上产生很强的感应电压和感应电流， 其 足以使 P L C采集输入端的模拟量发生变化。 3 ． 2硬件 措 施 紫外差分 系统 P L C控制系统中， 使用 2 4 V的直流电源 蓄电池 给 P L C供电L 5 J ， 这样可以 显著地减少来自 交流电源的干扰。 PLC ． -． 一 -- -- -- --I 模拟 量采 集系 统 I t 4 硬件干扰隔 离 系统中采用的硬件抗 电磁干扰措施如图 4所0 ． 6 8 t z F 。热电势由不 同金属在不同温度接触时产 示， 带屏蔽的双绞线使得空间产生磁场的总和等于 生， 建议使用和传感器输出电缆一致的导线。 零。工况的不稳定会使电磁辐射的强度发生变化， 3 ． 3 软件措施 产生交变电流， 由 RC组成的滤波网络可以消除磁 为了进一步减小采集的模拟量数据的误差 ， 采 场 变 化 带 来 的 干 扰 ，其 中 R 为 3 3 2 1 2 ，C 取 用快速多次模拟量采集 ， 然后加权求平均 ， 并设计 智能控制技术 刘新波王仲刘俊平紫外差分 C E MS系统 中的 P L C控制设计 4 5 出计算标准方差子程序 ， 通过标准差和理论范围比 较， 若超出范围， 则舍去继续采集 ， 将最后计算采集 数据的 C R C码并上传至工控机。本程序在 6次扫 描周期中采样 ， 将其存入至一段连续的存储块 中。 偶数次采集带来的好处是减小差模干扰。 在通信设计中 ， 如果 C R C校验错误 ， P L C需要 重传上一次的数据 。采用在每一个传送后加入不 同的传送标志 ， 利用错误返 回的重传标志的方法 ， 实现了指令的重传 ， 消除通讯失败带来 的干扰。以 下例程实现了 VB 2 2 2 0开始的数据块的重传 ， 其 中 M2 0 ． 0是校验错误发送的重传标志位。 t 序 重传 发送 完成 中断 LD M 2 O O AD VD5 0 6． 40 3 C L D EU S M O O R T41 1 A M 2l 3 R SM 8 7 7 ．1 M oVD R M 2 O O，l ’4 0 3 C’ ， 5 O6 RCV VBl 50 O ． O R M 2】3 j XM T VB2 22 0 0 S M 21 3 ．1 4 对 比测量结果和讨论 为验证基于 P L C的紫外差分 C E MS系统的性 能 ， 对 比试验装 置采用天津蓝宇科 工贸有 限公 司 F B 4 0 0 0烟气气 体分析仪 ， 其 控制方式为单 片机。 在室温状态下 温度为 2 8 8 K， 压力为 1 个标准大气 压 ， 利用从 国家标准物质中心购买 的 s o z ， 检验结 果见表 l 。 由表 1可知 ， 在标准浓度相 同时， 两种控制方 式下所得均值变化不大 ， 这是因为两种系统基本的 光学系统、 分析仪和上位机算法相 同。方差反映的 是数 据的稳定 程度 ， 在 浓度大 于 2 7 0 ． 5时， 基 于 P L C紫 外差 分 C E MS的数 据 大 约是 F B 4 0 0 0的 0 ． 5 倍 ， 其抗干扰性能强的特征得到了验证 。 5 结束语 本文根据 目前 紫外差 分 光谱 吸收 的原理 和 C E MS所处的恶劣环境 ， 改进现有控制系统 。利用 P L C实现 了系统分作业流程的 自动控 制， 提出一 种方便扩展的程序设计方法 ， 并从软、 硬件两方面 提高抗干扰能力 。从实验结果来看 ， 这套方法使得 表 1 P L C和单片机控制 S 0 2气体浓度数据 烟气测量结果的稳定性提高了一倍 ， 同时外 围器件 比较 简单 ， 与单 片机控制方式相 比， 利 用 P L C对 C E MS系统进行控制能节约生产成本 ， 具有很好的 推广价值 。 参考文献 『 1 ] P l a i t U， P e me r D， P a t z d e t a l HW． S imu l t a n e o r s u n n e n t o f a t mo s p h e r ic C H 2 0， 0 3 a n d 5 10 2 b y d i f f e r e n ti a l o p ti c a l a l o r p fi o a [ J ] ． J ． G mp h y s i c r e rmh 。 1 9 7 9 ， 8 4 1 0 6 3 2 96 3 3 5 ． [ 2 ] 李红 民， 周涛 ， 孙 长库 ．二氧化硫的紫外光谱测量数据修正 方法 [ J ] ． 传感器学报 ， 2 0 0 9， 2 2 7 9 2 89 3 3 ． [ 3 ] 廖常初．P L C编程及应用 [ M] ．北京 机械工业出版社， 2 o o 5 6 9 7 9 ． [ 4 ] 李正志 ， 马光华 ． 火 电厂辅 助控制系 统中 P L C的可靠性措施 [ C] ． 昆明 2 0 0 7云南 电力 系统论文集 ， 2 0 0 7 4 1 84 1 9 ． PLC Co n t r o l De s i g n f o r t he Ul t r a Vi o l e t Di f f e r e n t i a CEM S S y s t e m LI U Xi nb o ， WANG Z h o n g ， LI U J u np i n g 2 1 ． Ti a n j i n Un i v e r s i t y ， Ti a n j i n ， 3 0 0 0 7 2 ， C h i n a 2 ． T i a n j i n L a n y u Te c h n o l o g y C o ．L t d ． ， T i a n j i n ， 3 0 0 3 8 4 ， C h i n a 下转第 5 0页 ， ， 1 2 1 一 川 一 一 一 一 R R R R o s 2 0 1 0年 6月 中国制造业信息化第 3 9 卷第 l 1 期 A Co mpa r i s o n a n d Ap pl i c a t i o n o n Pe r f o r ma n c e s o f M u l t i p l e Ge n e t i c Al g o r i t h ms Ad o pt i n g I mp r o v e d S e l e c t i o n Op e r a t o r s J I ANG Ya n ，LI Xi a n gf e n g，Z UO Du nwe n，J t A O Gu a n grui n g ，XUE S h a nl i a n g Na n j i n g Un i v e r s i t y o f Ae r o n a u t i c s As t r o n a u t i c s ， J i a n g s u N a n j i n g ， 2 1 0 0 1 6 ， C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e p r e ma t u r e c o n v e r g e n c e a n d we a k l o c a l o p t i mi z a t i o n p r o b l e ms o f g e n e t i c a l g o r i t h m G A ， ma n y r e s e a r c h e s p r o p o s e i mp r o v e d s e l e c t i o n o p e r a t o r s ．I n o r d e r t o c o mp a r e t h e p e rf o r ma n c e s o f t h e s e i mp r o v e d s e l e c t i o n o p e r a t o r s ，i t r e s e a r c h e s f o u r k i n d s o f i mp r o v e d s e l e c t i o n o p e r a t o r s ，wh i c h are r o u l e t t e wh e e l s e l e c t i o n o pe r a t o r b a s e d o n r a n k i n g，d e t e r mi n i s t i c s a mp l i n g b a sed o n u p per l i mi t ，b i g g est v a l u e sel e c t i o n wi t h o u t r e p l a c e me n t a n d s e l e c t i o n o p e r a t o r b a s e d o n n i c h e t e c h n o l o g y ．I t t est s t h e s e t h r e e k i n d s o f a u t h o r i t a t i v e t est f u n c t i o n s f r o m t h r e e a s p e c t s o f c o n v e r g e n c e r a t e ，c o n v e r g e n c e r e l i a b i l i t y a n d c o mp u t a t i o n a l c o s t ， a n a l y z e s t h e t e s t r esu l t s i n d e t a i l ．F i n a l l y i t a p p l i e s t h i s me t h o d i n a e a s e o f C Oo p t i mi z a t i o n f o r mi x e d mo d e l a s s e mb l y l i n e t o mi n i mi z e t h e ma k esp a n a n d o b t a i n s t h e b e t t e r r e s u l t ． Ke y wo r d s I mp r o v e d S e l e c t i o n Op e r a t o r s ；C o n v e r g e n c e Re l i a b i l i t y ；Co n v e r g e n c e Ra t e ；Co mp u t a t i o n a l C o s t ； M i x e dmod e l As s e mb l y Li n e 上接第 4 1页 M o d e l i n g o f S t e a m Tu r b i n e Bl a d e Ba s ed o n De v e l o p me n t o f UG W ANG Fe ngf e n g，CHEN Gu a n grui n g N a n j i n g A g r i c u l t u r a l Un i v e r s i t y ， J i ang s u Na n j i n g ， 2 1 0 0 3 1 ， C h i n a Abst r a c t B a s e d o n a n a l y s i s o f t h e p r o f i l e f e a t u r e o f t h e s t e am t u r b i n e b l a d e a n d r e q u i r e me n t o f r a p i d mod e l i n g o f t u r b i n e b l a d e ，i t c o mb i n e s t h e mod e l i n g f u n c t i o n a n d d e v e l o p me n t o f UG wi t h VC ，r e a l i z e s t h e a u t o ma ri e mod e l i n g o f t u r b i n e b l a d e ．Th e a p p l i c a t i o n s h o ws t h a t t h e me t h od c a n g r eat l y i mp r o v e t h e e f f i c i e n c y o f mod e l i n g． Ke y wo r d s Tu r b i n e Bl a d e ；Se con d a r y De v e l o p me n t ；UG；Mo d e l i n g 上接第 4 5页 Abst r a c t B e c a u s e o f t h e p o o r o u t e r s p a c e e n v i r o n me n t ，t h e c o n t r o l l i n g p a t t e m h a s h u g e i n fl u e n c e t o t h e con c e n t r a t i o n s o f mo n i t o r e d g a s i n a p p l i c a t i o n o f D i f f e r e n t i al Op t i c a l Ab s o r p t i o n S p e c t r o s c o p y D O A S t o Con t i n U O U S E mi s s i o n Mo n i t o r i n g S y s t e ms C E MS ．I t a d o p t s t h e P L C m o d al d esi g n t e c h n i q u e t o o p t i mi z e t h e d e s i g n p r oce s s wh i c h t r a n s l a t i n g t h e s e q u e n t i a l c o n t r o l i n t o P L C p r oce d u r e s ．B a s e d o n ana l y s i s o f t h e e l e c t roma g n e t i c r a d i a t i o n i n t h e o u t e r s p a c e ，i t d e s i g n s a s h i e l d t o p r o t e c t t h e s y s t e m f r o m t h e o u t s i d e i n t e rfe r e n c e ， wh i c h u s e s t h e r a p i d we i g h t e d a v e r a g e me t h o d o f a n alo g d a t a ，v a r i a n c e c h o o s i n g，1 6一b i t C RC c h e c k s u m a n d o o m ma n d r e t r a n s mi s s i o n t o i mp r o v e t h e s t a b i l i t y ．Th e r esu l t s o f me a s u r i n g s o2 p r o v es t h a t t h e P L C d esi g n me t h od i mp r o v es C EMS ant i j a mmi n g c a p a b i l i t y d o u b l y ． Key wo r d s Ul t r a Vi o l e t Di f f e r e n t i a ；Se q u e n t i a 1 Co n t r o l i n t o PL C P r oce d u r e s ；C RC；S CM