煙氣排放遠程監控及故障診斷系統的設計

張印強，程明霄

（南京工業大學 自動化與電氣工程學院, 南京 210009 ）

0 引言

煙氣排放連續監測系統是監測煙氣污染物排放的現代化手段，該系統具有連續監測、遠程通訊等特點。由于設備運行過程中存在一定的失效性，對設備的運行狀態進行遠程監控和遠程故障診斷，對保證系統的可靠、連續運行具有重要的意義[1-3]。

根據煙氣連續排放監控的要求設計了基于PLC和GPRS無線通信的遠程監控及故障診斷系統。現場監控系統以PLC作為控制核心，基于自由口通信和GPRS無線網絡實現與遠程數據中心的連接；遠程數據中心對現場運行狀態進行監控，現場故障時可進行遠程故障診斷及處理，系統具有工作可靠、維護方便的特點。

1 系統的監控要求及結構組成

系統的監控要求如下：1）能實時監測現場設備的運行狀態及污染物的排放濃度、煙氣參數等信息；2）能對煙氣排放數據進行歸檔和數據查詢；3）現場設備故障時能進行故障報警和遠程故障診斷，從而保證短時間內排除故障。

整個系統結構如圖1所示。系統由現場層和遠程監控層兩部分組成?，F場層由泵、閥、濕度儀、氣體分析儀、PLC以及人機界面等組成，由PLC控制采樣泵、反吹閥等按工藝流程正常工作，同時不斷監測二氧化硫、氮氧化物、煙塵等被測信號，并將監測數據傳送給人機界面進行顯示。現場層還能夠響應遠程數據中心的控制命令完成參數設置、手動等功能。

系統選用的PLC是德國西門子公司的S7-200系列的CPU 226；氣體分析儀選用西門子的ULTRAMAT 23，可同時對二氧化硫、氮氧化物、氧氣進行濃度分析；濕度儀選用吉納波的HMS535C+。PLC的輸入、輸出點數統計如下： 數字量輸入(DI) 點數為10點；數字量輸出( DO) 點數為10點；模擬量輸入( AI)為7個通道；模擬量輸出( AO)為2個通道，PLC的I/O接線示意圖如圖2所示。遠程數據中心由數據庫服務器和web服務器構成，可以方便地完成數據監視、故障診斷、參數設定等功能。設備運行狀態和煙氣排放數據通過GPRS模塊傳入GPRS網絡，再由GPRS網絡連接至遠程數據中心，由遠程數據中心對煙氣排放的數據進行歸檔。故障時，遠程數據中心響應用戶請求對系統故障進行分析，通過調用相應的知識庫，利用推理機進行故障診斷并給出解決方案，用戶可根據診斷結果排除故障。

2 PLC軟件設計

PLC控制程序完成模擬量信號的采集，并控制相應的泵、閥等部件按工作流程運轉，實現反吹、手動、報警等功能。PLC控制程序包括初始化模塊、反吹模塊、蠕動泵模塊、故障報警模塊、通信模塊等部分。

2.1 通信程序

西門子S7－200系列PLC的自由端口模式是由用戶控制的通信方式，其通信協議由用戶定義，通過調用接收中斷、發送中斷、發送指令（XMT）、接受指令（RCV）來控制通信操作，利用自由口通信可通過GPRS無線通信模塊建立與遠程數據中心的連接，實時傳送監控數據并響應遠程數據中心的控制命令。

2.1.1 通信協議及通信流程

通信協議是指兩個或多個通信實體相互通信的全過程中所必須遵守的規約之集合?，F場數據采集及控制模塊需要每隔30秒將采集到的設備運行狀態和煙氣排放的相關實時數據發送給遠程數據中心。為保證數據傳輸的可靠性，系統采用自定義的不定長命令楨來約定所有的通信命令，通信命令格式如表1所示。

表1 通信命令格式

起始位以 十六進制數“00”表示，結束符以十六進制數“FF”表示，“00”開始，“FF”結束的數據構成一個完整的命令楨。發送實時數據、參數設定等指令編碼簡單的以十六進制數1、2、3等表示。數據塊之間以約定格式進行分隔，采用異或和校驗。通信程序流程如圖3所示。

通信過程中首先進行初始化，設定起始字符，結束字符，最大接受字符數等，然后根據發送過來的命令字進行命令解析，通過設置相應標志位來實現功能按鈕和閥門等的控制，若無控制命令每隔30秒將監控數據發回遠程數據中心。

2.1.2 GPRS通信

系統采用了西門子的無線數據通信模塊MC55完成GPRS通信[4]功能，該模塊內置了TPC/IP協議棧，支持GPRS無線接入。開機后首先對GPRS模塊進行初始化，然后通過AT命令控制MC55模塊接入GPRS網絡，聯網成功后與遠程數據中心進行網絡連接，成功后即可進行數據傳輸。用于操作MC55的相關AT命令如下：

2.1.3 自由口的初始化

自由端口模式控制字節SMB30用來設置端口0的奇偶校驗，字符的數據位數，波特率和通信協議,SMB87主要用來設置各種通信檢測條件,SMB88 設定信息字符的開始字符,SMB89 設定信息字符的結束字符, SMB94 設置接收的最大字符數(1-255),程序代碼如下：

2.2 遠程控制響應

當PLC接受到參數設定、手動控制等遠程控制命令后，M寄存器相應位進行置1操作，使用“或指令”將標志位并聯在控制程序分支，可響應遠端控制命令，實現遠程控制功能。

以抽氣泵控制為例，其控制程序如圖4所示。T37為開機正常啟動后10秒延時計數器，cg_alarm為除濕器報警，auto_manual為自動／手動按鈕，pump_manual為抽氣泵手動，cal_output為校對，ball_valve_close為球閥關閉。抽氣泵本地控制時的開啟條件包括自動狀態下運行正常、手動狀態按下泵手動按鈕、校對三種情況。為實現遠程操作，利用M0.2作為泵開啟的控制標志位，當PLC接收到來自遠程數據中心的“泵開啟”命令后將M0.2置1，此時便可直接控制抽氣泵開啟，實現遠程控制功能。

2.3 故障報警

報警程序的梯形圖如圖5所示。

當自動運行過程中出現氣體分析儀故障或除濕器故障時，5秒鐘計時器T44啟動，若5秒內一直有故障，則輸出故障信號。U23_error和cg_alarm分別代表分析儀和除濕器故障，error_sign為故障報警指示。

3 遠程監控與故障診斷

遠程數據中心可以監控分布在不同現場的采集終端的運行狀態和排放數據，進行實時數據顯示，并通過web服務器響應用戶請求進行遠程故障診斷與處理。

3.1 遠程監控

遠程數據中心能接收來自現場的數據，進行相關的處理后存檔，同時對外提供采集數據的Web 訪問服務。由于有多臺數據采集終端發送數據，遠程數據中心采用“線程池”技術和TCP/IP Socket接口進行數據接收。數據庫服務器啟動監聽線程響應采集終端的數據連接，當客戶端請求連接時根據線程池狀態啟動“數據接受線程”進行端口綁定和數據處理，客戶端斷開連接后關閉線程，利用多線程技術解決了數據的實時、高效傳輸的問題。系統采用SQL Server數據庫進行數據管理，方便對各種狀態數據和歷史數據的分析管理，維護方便。

3.2 遠程故障診斷

故障診斷是尋找故障原因的過程，包括狀態檢測、故障原因分析及劣化趨勢預測等功能，遠程故障診斷專家系統由知識庫、數據庫、推理機及人機接口組成[5-7]。

3.2.1 知識庫

知識庫是專家系統最重要的組成部分之一, 其主要功能是存儲和管理專家系統中的知識。知識庫的結構形式取決于所采用的知識表示方法，這里將故障樹分析法和產生式規則表達結合起來進行知識的表示。

故障樹模型是一個基于研究對象結構，功能特征的行為模型，以系統最不希望發生的故障狀態作為故障樹的頂事件，以可能導致頂事件發生的其它事件為底事件，并用特定的邏輯符號表示事件之間關聯的一種倒樹狀結構的邏輯圖[6]。通過對煙氣排放連續監測系統的故障特征進行分析和歸納建立了系統的故障樹模型，故障樹模型可以劃分為幾個層次： 系統級、部件級、器件級等，其中系統級包括數據采集系統、流程控制系統和數據傳輸系統三個部分。以抽氣泵停止為例，建立的故障樹模型如圖6所示。抽氣泵停止工作的原因分為抽氣泵本身故障和其他故障報警引發的停止兩類。故障報警中僅有除濕器故障和負壓報警故障會引起抽氣泵停止，結合報警故障的具體原因將故障樹層層細化。故障樹的子節點與父節點之間都存在確定性的因果關系, 使用IF（前提）THEN（結論）形式的產生式規則表示這種正向因果關系。

3.2.2 推理機

推理機是專家系統的另一個重要模塊，它根據用戶提供的故障征兆，利用知識庫中存貯的知識，按一定的推理策略逐步求解問題。本專家系統采用正向推理的方法進行故障搜索定位，根據故障樹的層次，從頂到底搜索，找出可能出現故障的原因。推理過程中首先選擇規則，再尋找對于規則的前提，最后根據匹配結果得出結論。

4 結束語

煙氣排放遠程監控與故障診斷系統采用了自動連接與傳輸，通過GPRS無線通信將現場數據采集端與遠程數據中心連接，實現了遠程監控和遠程故障診斷，大大提高了系統的可靠程度?；谏鲜龇桨冈O計的遠程監控和故障診斷系統已成功投入使用，實際使用效果良好。

[1] HJ/T 75-2007, 固定污染源煙氣排放連續監測技術規范[S]. 國家環境保護總局.

[2] 徐啟, 程明霄. PLC和虛擬儀器在煙氣濃度連續分析系統中的應用[J].工業控制計算機. 2009, (8): 68-71.

[3] 韓思亮,湯建新,馬皓. PLC 遠程監控與故障診斷系統設計與實現[J].工業儀表與自動化裝置, 2005, (1): 23 - 26.

[4] 劉堅, 陶正蘇, 陳德富等. 基于GPRS的環境監測系統的設計[J].自動化儀表, 2009, 30(2): 30-32.

[5] 湯偉,王孟效,姚鵬.遠程故障診斷及其在氣墊式流漿箱控制中的應用[J].化工自動化及儀表, 2006, 33 (2) : 53-56.

[6] 蘇成, 翁正新,于芹. 堆料機控制系統中故障診斷技術的實現[J]. 控制工程,2008,15(5):610-613.

[7] 金俊, 郭福亮, 孫浩.計算機遠程故障診斷系統的設計實現[J]. 計算機與數字工程,2008,36(12):70-73.