環境監測儀器儀表控制系統設計及控制對策分析

蘇啟源

摘? 要：現代環境監測自動化程度越來越高，在這其中環境監測儀器表控制技術發揮了巨大的作用，最大程度地促進了現代工業技術的進步，而且新技術不斷涌現，為現代工業更高層次的發展提供了技術支持。該文將從環境監測儀器表控制系統的組成和設計原理入手，對設計的安全性和可擴展原則進行闡述，并在此基礎上對環境監測儀器儀表控制系統的控制對策進行分析。

關鍵詞：環境監測;儀器儀表;控制系統

中圖分類號：TP216? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 前言

現代環境監測自動化程度越來越高，這完全得益于數字技術、電路集成技術、微電子自動化技術的長足發展，在這當中，環境監測儀器表控制技術更是有了劃時代的發展，最大程度地促進了現代工業技術的進步，而且在新技術不斷涌現的當下，其強大的發展動力將為現代工業更高層次的發展提供技術支持。該文將從環境監測儀器表控制系統的組成和設計原理入手，對其設計和控制對策進行深入的闡述。

1 環境監測儀器儀表控制系統的組成

環境監測儀器儀表控制系統雖然其實現的功能和發揮的作用各有不同，但是其最基本的組成大致相同。

1.1 可編程控制模塊（即PLC控制模塊）

可編程控制模塊是環境監測控制系統的基礎，該模塊是環境監測控制系統中信息采集傳感器、指令執行動作機構和人機交互界面的下位機，是系統的基礎物理層與中央運算控制層的中間層[1]，這個中間層如果出現故障會導致整個系統的癱瘓，只有保證該模塊的正常運行，系統各部位的傳感器才能將系統運行的實時數據有效匯集并傳送至中央控制系統，中央控制系統發出動作信息，執行機構才能完成相應的動作，系統才能“理解”人的各項指令[2]。

1.2 通信模塊

環境監測控制系統的運作離不開信號和數據的傳輸，通信模塊擔負著這方面的工作，其中通信模塊包含各類傳感器模數轉換、通信電纜與光纖之間的光電轉換、企業內部網絡與互聯網之間的內外網絡的交換、數據通信協議的對接，在整個環境監測控制系統中屬于中間鏈路層[3]。

1.3 中央數據處理計算控制模塊

中央數據處理計算控制模塊是環境監測控制系統的“大腦”，是系統運行的核心，中央數據處理計算模塊主要由中央處理器和內部存儲組成，中央數據處理計算模塊通過人機操作系統，實現數據處理、動作指令發出、過程控制以及通信數據的冗余和糾錯計算功能。直接管理控制系統中各下位機的 PLC 模塊，實現操作人員對系統的調試、更新和拓展，同時系統也能自動執行操作人員的指令。

2 環境監測儀器儀表的控制系統設計原理

環境監測儀器儀表的應用領域主要是實現對環境監測儀表儀器的自動啟動、停止的實時數據采集，數據分析和指令執行，特別是儀器儀表的開閉控制，數據的遠程傳輸、采集數據的收集管理、計算控制、遠程對儀器儀表和電動開關的遠程控制等。

下面就以化工廠煙氣污水的儀器儀表監測中PLC的應用為例，說明PLC控制系統的作用。化工廠煙氣污水的儀器儀表監測的系統流程大致為：化工廠生產→煙氣污染監測→煙氣過濾系統啟動→煙氣監測儀器儀表監測數據→固體顆粒監測→污染物監測→監測不合格→生產停止。其中煙氣污染監測是工廠煙氣污水的儀器儀表監測的關鍵步驟，在監測過程會中產生新物質并伴隨著大量的煙氣釋放。化工廠煙氣污水的儀器儀表監測方式有煙氣監測和污水監測2種，2種監測方式的原理基本一致，區別主要是傳感器不同。煙氣監測主要是監測氮、硫、固體顆粒污染物，污水監測主要是監測水中含氧量、無機物、有機物含量，污染物水平的高低及其變化決定了化工廠煙氣污水的儀器儀表監測的動作。

2.1 開關量控制

在化工廠煙氣污水的儀器儀表監測，也是PLC的主要使用方式，在整個監測系統中，首先氮化物、硫化物等傳感器采集模擬電信號，通過PLC芯片中的模數轉換接口電路，轉化為PLC芯片可以識別的數字信號，這些轉換后的數字信號數據會與預先設定的程序中的氮化物、硫化物等污染標準值進行比較，在PLC芯片的中央處理器中進行比較計算，計算后的結果通過邏輯電路進一步觸發儲存在內存中的執行程序，然后將這一決策動作信號系統總線傳送到模數輸入輸出接口，轉化為模擬信號，實現對煙氣引風機電動機構的控制。其工作原理圖如圖1所示。

2.2 運動控制

在化工廠煙氣污水的儀器儀表監測過程中，主要是通過開關煙氣過濾裝置，并利用引風機控制電路之間數據傳遞的方式來控制污染物，在該過程中，經中央控制器計算后的決策指令被發送到PLC的輸出信號接口，進一步控制引風機、過濾裝置的控制電路，而控制電路控制開關和閥門開啟的大小，同時控制電路中的限位開關再次與控制污染物含量變化的PLC控制系統內設定的觸發初始參數進行比較。PLC控制系統中的各I/O接口都直接與各氮、硫、顆粒物傳感器相連接，將各項數據與存儲器內的初始參數進行比較，并做出相應的動作。

2.3 遠程控制

在化工廠煙氣污水的儀器儀表監測過程中PLC控制系統屬于本地系統，如果煙氣污水的儀器儀表監測是一個龐大的網絡結構，系統將設置中央處理機構，通過光纖和電纜構成遠程控制系統，在此過程中也由在PLC內部的計算轉變為通過PLC芯片的通信模塊遠程控制。PLC遠程控制模塊是通過PLC中的EM241智能通信模塊實現遠程通信功能。這樣在中央控制室內的主控設備借助局域網或以太網就可以對各處傳感器的PLC控制系統進行連接，其數據顯示在中央控制器的顯示屏上，并通過統一控制系統中的視窗系統，將獲得的各處傳感器數據集中顯示在控制屏上，同時顯示由PLC系統傳來的I/O接口中各控制電路的電動機構操作開關量和限位器運行狀態。同時中央控制室內的主機通過OPC（OLE for Process Contrrol）基于嵌入式過程的控制軟件，在中央控制系統存儲器內，置入污染物含量控制的初始參數，和相應動作指令，或者直接通過主機對PLC輸入控制命令。其具體的I/O分配表見表1。

3 環境監測儀器儀表控制系統控制策略的研究

3.1 進一步應用智能和信息控制技術

環境監測儀器儀表控制系統的出發點就是減少人為操作，特別是進入信息時代后，這種發展趨勢更加明顯，在即將到來的工業4.0時代，以物聯網為基礎的工業互聯技術將被廣泛應用于電氣自動化儀器儀表控制系統中，使得每個電氣設備都成為一個云電氣的下線機，每臺設備上的傳感器采集到的數據，通過工業互聯網得到大規模的收集，并通過云計算和云存儲，把大量分散的電氣設備，通過網絡匯聚起來，把所有分散的電氣設備資源，單個傳感器的采集數據連起來形成資源池，供所有的電氣設備使用，形成聯網的一體化電氣設備。隨著人工智能技術的突飛猛進，在儀器儀表控制系統中接入人工智能系統，使電氣設備成為一個自我感知、自我判斷、自我控制的智能設備。

3.2 進一步加大數據互聯實現監測數據云端共享

當前在儀器儀表控制技術中，最為基礎的傳感器正朝著更加小型化、數字化和智能化的方向發展，而連接電氣設備的通信網絡也由網線轉變為了光纖，又由光纖發展為無線網絡，并進一步向5G的方向發展，工業物聯網正變得更快、更廣泛[4]。現場數據采集模塊、視頻監控模塊、控制模塊等現場數據采集模塊，將采集到的信號傳輸給控制模塊，控制模塊將信號處理后同步到互聯網與云端數據平臺，互聯網與云端數據平臺可以實時接收與存儲各廠區的共享數據，互聯網與云端數據平臺連接綜合管理信息平臺，實現了環境監測儀器之間的數據與技術共享，監測數據會同步到云端存儲平臺不會丟失，實現監測數據的互通、互連、互認。

3.3 加強環境監測儀器儀表開發平臺建設

眾所周知微軟視窗操作系統的出現，極大地促進了計算機技術的發展，其將眾多硬件設備通過一個視窗操作平臺整合在了一起，大大提高了各種硬件的兼容性，同時也促進了硬件綜合能力的提高。而在目前的環境監測儀器儀表儀器儀表技術中，沒有一套完整統一的開發平臺，建立一個統一的開發平臺，對環境監測儀器儀表控制系統的設計有著重要的意義。在這個采用開發平臺上各種設備的傳感器可以得到互認，各種執行機構都能夠執行平臺下達的指令，同時平臺可以滿足不同的工控要求，平臺可以在系統中應用并對系統內設備進行聯調聯測，硬件設備可以有效兼容并協同工作。這個統一的開發平臺采取統一的方式把控制程序下載到 PLC 控制器、嵌入式Windows等軟件平臺中或者是Android和ios操作平臺[5]。

3.4 促進自動控制系軟硬件設備的標準化

環境監測儀器儀表系統內的設備眾多，眾多的設備來自不同的廠家，標準不同設備性能也不盡相同，這樣就造成設備兼容性差，在軟件方面也是一樣。各種設備需要進行信息交換和傳遞，不同的接口極大地限制了數據的傳輸，在系統中有標準化的通信接口，可以有效地節省通信信號的轉換時間并控制成本，可以實現PLC控制器、嵌入式Windows等軟件平臺，或者是Android和ios操作平臺的數據交互[6]，并與Android的應用軟件實現4G/5G信息傳輸，保證不同系統間的有效數據連接，這也是將來環境監測的發展方向。

4 結語

當前，信息技術快速發展，環境監測儀器儀表控制技術應積極將信息技術應用其中，并緊緊跟隨技術的發展，創新電氣自動化儀器儀表控制技術，最終提高環境監測控制水平，在新時代跟隨我國工業4.0的腳步，提高自動化儀器儀表控制技術的自主創新能力，促進我國環境保護的發展，有效地提高環境監測效率，減輕工作人員的勞動強度，為政府決策部門提供有效的環境監測數據的支撐，從而創造更多的社會和經濟效益。

參考文獻

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[6]包山先.工業電氣自動化儀器儀表控制的分析[J].通訊世界，2016（1）：198-199.