基于組態王的噴淋凈化塔監控系統設計

孟 冉

(遼寧機電職業技術學院，遼寧 丹東 118009)

0 引言

1987年9月5日，我國出臺了《中華人民共和國大氣污染防治法》，經過2000年和2015年兩次修訂，法案中明確規定了大氣污染防治標準和限期達標規劃。隨著我國科技的發展，人民生活水平不斷提高，人們對環境保護，尤其是大氣環境保護更加關注。校園是培養“祖國花朵”的場所，隨著國家辦學水平的提高，學生動手實踐的機會日益增多，學校興辦了很多實驗室，讓學生探索科學的奧妙，化學實驗室在大中專、本科院校是很普遍的[1]。化學實驗室多分布在高?；蛘叱鞘?，具有占地空間有限、周圍人員密集等特點，化學實驗室的廢氣處理、達標排放更加需要關注。

實驗室的酸堿廢氣處理必須采用易于操作管理的分類處理凈化工藝，整個處理過程是環保、安全、穩定、無劇烈的能量轉換，處理系統操作、管理及維護要簡便，投資、運行費用低[2-5]。對于實驗室廢氣處理，現有的廢氣處理技術主要有：氧化處理法、生化處理法、物理吸附法、燃燒法、低溫等離子法等。對于化學實驗室，有些廢氣治理工藝不可以使用，如生化處理法、低溫等離子法、燃燒法等，這些方法均需要一批專業的運行及維護人員，這類方法比較適用于污染物種類和濃度變化不大的有機類廢氣處理；氧化處理法和物理吸附法處理方式存在處理效率低、成本較高、工藝復雜、設備巨大、易形成二次污染等缺點，因此，在實驗室酸堿廢氣處理領域推廣過程中容易受到阻礙[6]。噴淋凈化塔具有處理廢氣和降塵的功能，在各大廠礦企業應用非常廣泛，多采用立式塔，具有凈化效率高、處理容量大的優點，但是在使用過程中，也暴露出占用空間大、噪聲大、易滲漏、自動化水平低且需要專業人員維護的問題，不易于城市或校園加裝使用。針對上述問題，提出了一種以組態王軟件和智能板卡硬件為核心的實驗室用濕法臥式噴淋凈化塔在線監控系統。

1 系統總體方案

臥式噴淋凈化塔系統包括噴淋凈化塔、通風櫥、室內通風口、室內管道、室外管道、尾氣管道和煙囪，如圖1所示。化學實驗安排在通風櫥內進行，實驗過程中生成或者藥液揮發的有害氣體或者粉塵均通過通風櫥通風口排出室外，有效降低了實驗室內有害廢氣濃度?；瘜W實驗室常見易揮發藥品，無論是在儲藏、轉運或者在實驗過程中，藥液揮發在所難免，因此，在室內儲藥柜附近和實驗室角落安裝室內通風口，加快室內空氣循環速度，避免長時間揮發導致室內有害氣體濃度上升而發生安全事故。在室內搜集的有害廢氣通過風機作用，吸收到噴淋凈化塔中，吸收液在塔底經水泵增壓后從塔頂噴淋而下，吸收液均勻噴灑在填料層中，廢氣與吸收液進行氣液兩相充分接觸吸收中和反應，廢氣經過凈化后，可防止出風口帶走過量吸收溶液造成環境污染。在出風口處設置旋流除霧器，凈化后的氣體經除霧板脫水除霧后，由風機和煙囪排入大氣。在安裝通風櫥或室內通風口時，不受位置和數量的限制，不會影響實驗室的原有布局，本系統可以應用于原有化學實驗室的改擴建工程，為了節省空間，將塔器至于房頂。為了防止滲漏，將塔體底部進行封閉，同時進行耐腐處理，確保不會對原有建筑造成二次傷害。

圖1 臥式噴淋凈化塔系統總體方案設計

為了提高實驗室用噴淋凈化塔自動化程度，經過調研，本文提出了以組態王和智能板卡為核心的在線監控系統，為了方便使用與維護，建立了設備監控系統。監控系統功能主要包括：排放氣體污染檢測、吸收液的pH酸堿度檢測、吸收液的液位檢測、儲液箱溫度檢測、吸收液噴淋流量檢測，將數據傳回計算機進行顯示，利用組態王軟件對數據進行實時顯示，設置pH酸堿度報警、儲液箱液位偏低報警，提醒維護人員更換吸收液或者補充吸收液。設置噴淋流量報警，提醒用戶檢測噴嘴是否結晶堵塞。冬天溫度較低，晝夜溫差較大，吸收液易出現結晶，一方面堵塞噴嘴，提高故障率；另一方面，因結晶致使吸收液濃度降低，影響凈化效率，因此，在儲液箱中設計伴熱控制系統，保證溫度處于正常。在維護人員更換吸收液或者補充吸收液時，不易觀察儲液箱內液位，需要設計儲液箱防溢流控制。根據化學實驗室工作規律，在線監控系統的控制模式分為兩種：一是實驗模式，設備連續運行；二是揮發模式，定時間歇通風，防止污染實驗室。

2 硬件設計

監控系統硬件主要包括各種傳感器及智能板卡、按鍵及旋鈕、指示燈、聲光報警器、報電動調節閥、加熱管、通信接口和工控機PC及其附件等。該系統硬件結構組成，如圖2所示。

圖2 系統硬件結構

監控系統以精準節能為原則，氣體污染物檢測傳感器安裝在廢氣排放口，檢測實驗室排放氣體污染物濃度，將廢氣數據通過鴻格I7017智能模塊傳回計算機，通過組態王程序控制鴻格I7024智能板卡控制噴淋系統主管道電動調節閥開度控制噴淋吸收液流量，確保實驗室廢氣達標排放。流量傳感器安裝在噴淋系統噴淋口處，用于測量每個噴淋口流量，目的一是檢測噴淋系統是否均勻噴灑吸收液，二是檢測噴淋口是否結晶堵塞，將檢測數據通過鴻格I7017智能模塊傳回計算機，經計算機計算處理，如出現噴灑不均或者結晶堵塞，系統自動報警處理。液位傳感器安裝在儲液箱中，檢測吸收液的液位變化，將采集數據通過鴻格I7017智能模塊傳回計算機，以此數據判定儲液箱中是否需要補充吸收液，同時可以根據吸收液的液位變化判定儲液箱是否出現漏液并自動報警。溫度傳感器用于測量儲液箱內吸收液溫度，將檢測數據通過鴻格I7017智能模塊傳回計算機，經計算機程序判定為低溫，則通過組態王程序控制鴻格I7024智能板卡控制可控硅電壓調制器啟動加熱管，并實時調節儲液箱內溫度保持吸收液溫度。通過pH計來測量吸收液實時pH酸堿度，將采集數據通過鴻格I7017智能模塊傳回計算機，經計算機計算處理，判定是否需要更換或者添加吸收液。鴻格I7055是采集操作信號并進行電源指示的模塊，功能簡單，目的明確。

3 軟件設計

3.1 下位機軟件設計

3.1.1 一鍵啟動

接通電源，按下噴淋凈化塔啟動按鈕，監控系統通過采集儲液箱液位傳感器信號判定儲液箱中吸收液液位是否滿足要求，若液位較低，自動報警儲液箱吸收液不足，補充吸收液。通過pH計采集吸收液的pH酸堿度，判定吸收液是否滿足工作最低限要求，若不滿足條件則提示更換吸收液；若均可正常工作，打開電動調節閥開度為50%，啟動噴淋泵；通過流量傳感器檢測各個噴淋口流量，比較各個噴淋口流量，保證均勻噴灑吸收液，若某些噴淋口流量偏小甚至為零，系統結晶報警；若能夠保證均勻噴灑吸收液，待儲液箱液位穩定即可啟動風機，完成噴淋凈化塔一鍵啟動，流程如圖3所示。

圖3 系統一鍵啟動流程

3.1.2 儲液箱伴熱控制

據調研，噴淋口在嚴寒地區容易出現噴淋口結晶等問題，主要原因在于環境低溫，致使吸收液溶解度降低，溶質結晶吸收，堆積在噴淋口導致噴淋口堵塞。因此，為了解決噴淋口低溫結晶的問題，設計了儲液箱伴熱控制程序。監控系統一鍵啟動后，儲液箱溫度傳感器檢測吸收液溫度，采集溫度數據與溫度設定值進行比較，判斷吸收液是否有結晶風險，若吸收液溫度低于設定值，監控系統調節可控硅電壓調制器輸出，調節防腐加熱棒加熱功率進行儲液箱伴熱控制。

3.2 上位機軟件設計

監控軟件選用北京亞控KingView6.55軟件，其具有開放性良好，功能模塊豐富，人機界面友好，編程簡單，安全可靠的特點，可以快速地構建數據采集與監控系統[7]。該軟件與智能板卡模塊通過串口通信，將采集的數據顯示在監控界面上，可通過程序設置報警權限、儲存數據和動態顯示，配合動畫仿真演示，顯示更加直觀。監控系統上位機界面如圖4所示。

圖4 上位機界面

4 結語

本文提出的噴淋凈化塔監控系統實現了化學實驗室廢氣排放的自動監測、噴淋凈化塔的一鍵啟動、儲液箱伴熱控制和在線監看功能。系統采用的鴻格智能板卡具有控制可靠、成本低廉、組網方便和擴展能力強的特點，上位機組態王軟件操作簡單，維護方便，人機交互性好，實現了噴淋凈化塔的自動監測、一鍵啟動、伴熱控制、故障自診斷和在線監看功能。該系統可以提高噴淋凈化塔處理酸堿廢氣的穩定性和自動監控水平，減少實驗室設備維護負擔，為設備日常維護與管理提供依據。