變頻器在CEMS中的應(yīng)用

0 引言

隨全球經(jīng)濟(jì)一體化，解決環(huán)境保護(hù)問(wèn)題及企業(yè)經(jīng)過(guò)ISO14001認(rèn)證已成為企業(yè)進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)的“門(mén)票”，國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始對(duì)各企業(yè)的環(huán)境問(wèn)題加大了監(jiān)督力度。

而且由于市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，更要求企業(yè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率。2007年的兩會(huì)就強(qiáng)調(diào)能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)問(wèn)題，要求企業(yè)實(shí)現(xiàn)又好又快的發(fā)展戰(zhàn)略[1]。

CEMS(Continuous Emissions Monitoring System，煙氣排放連續(xù)檢測(cè)系統(tǒng))是國(guó)際上比較知名和成熟的環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，在工業(yè)生產(chǎn)中起著非常重要的作用。

它不只是能作為環(huán)境指標(biāo)檢測(cè)儀器，更重要的是能為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率提供有效的幫助。

CEMS作為實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)就必須保持檢測(cè)的同步性，本文介紹了在回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)中利用變頻器實(shí)現(xiàn)的CEMS檢測(cè)的實(shí)時(shí)性，并將變頻器成功集成到我們的產(chǎn)品中。

1 CEMS原理與運(yùn)行

CEMS 系統(tǒng)主要對(duì)回轉(zhuǎn)窯的煙氣成分和濁度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)然有些還包括了煙氣流速、壓力與溫度等。

下面將針對(duì)回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)介紹CEMS原理與運(yùn)行。

1.1 CEMS的原理

CEMS 一般要對(duì)煙氣的組分、濁度、溫度和壓力進(jìn)行檢測(cè)。各檢測(cè)都是一個(gè)基本獨(dú)立的子系統(tǒng)，對(duì)各自的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣后，以4～20 mA的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)共同傳輸?shù)街骺厥遥龠M(jìn)行顯示和數(shù)據(jù)處理。檢測(cè)的基本原理如下。

1)煙氣組分檢測(cè)要對(duì)煙氣的組分，如CO、CO2、O2等氣體含量檢測(cè)，首先必須取樣，由于煙氣取樣環(huán)境相對(duì)比較惡劣，常需要有針對(duì)性的取樣探頭。得到初樣后，還要對(duì)樣氣進(jìn)行預(yù)處理，除去樣氣中的水分和粉塵，這兩者對(duì)后面的傳感器檢測(cè)都有很大的影響。經(jīng)過(guò)預(yù)處理得到幾乎無(wú)水無(wú)塵的樣氣后才能用相對(duì)應(yīng)的傳感器進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)CO、CO2(CO的紅外吸收峰在4.5μm附近，而CO2在4.3μm附近)常利用光學(xué)法進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)郎伯-比耳定理[2]

2)煙氣的濁度檢測(cè)原理一般也是采用光學(xué)法，不過(guò)實(shí)際設(shè)計(jì)比煙氣組分的光學(xué)法檢測(cè)較簡(jiǎn)單，上面的光學(xué)法檢測(cè)主要是檢測(cè)光被吸收的量，而濁度儀的光學(xué)檢測(cè)主要是檢測(cè)光的散射，對(duì)光源就沒(méi)有煙氣組分檢測(cè)要求的那么高。我們?cè)O(shè)計(jì)的是雙光程的濁度儀。

3)煙氣的溫度壓力檢測(cè)這種檢測(cè)比較成熟，也比較簡(jiǎn)單，一般是利用熱電耦對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)溫度的變化而引起熱電耦電阻的相應(yīng)變化來(lái)檢測(cè)溫度的大小。而煙氣壓力的檢測(cè)現(xiàn)在常用的方法是利用皮托管來(lái)檢測(cè)或者直接利用壓力傳感器進(jìn)行檢測(cè)。

1.2 CEMS的運(yùn)行

CEMS系統(tǒng)中濁度儀和溫度壓力檢測(cè)子系統(tǒng)運(yùn)行和操作比較簡(jiǎn)單，下面主要介紹煙氣組分檢測(cè)的運(yùn)行過(guò)程。CEMS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1中，煙氣通過(guò)4號(hào)元件(煙氣采樣頭)進(jìn)行粗過(guò)濾，主要目的是除去煙氣中的大量灰塵，避免堵塞取樣管道，然后再進(jìn)入5號(hào)元件(分析柜)，在分析柜中要經(jīng)過(guò)二次預(yù)處理過(guò)程，為傳感器檢查除去灰塵和水分。最后由傳感器模塊得到各氣體組分溶度，并以4～20 mA的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與濁度、溫度、壓力信號(hào)一起傳送到主控室電腦上。

煙氣取樣的動(dòng)力來(lái)源是分析柜前的風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)除了具有抽煙氣的作用，更重要的作用是保證CEMS的實(shí)時(shí)性，通過(guò)變頻器的調(diào)速作用使取樣速率和煙氣的流速基本保持同步。

2 變頻器在其中的作用

變頻器在該CEMS中的作用可以分成兩點(diǎn)。

1)控制風(fēng)機(jī)通過(guò)變頻器的開(kāi)關(guān)作用可以很好地控制風(fēng)機(jī)的啟停，同時(shí)還可以監(jiān)察風(fēng)機(jī)的基本運(yùn)行狀態(tài)。如果風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障或堵塞，則變頻器的電壓輸出會(huì)出現(xiàn)過(guò)載報(bào)警，為系統(tǒng)維護(hù)提供很好的監(jiān)護(hù)作用。

2)實(shí)現(xiàn)CEMS的同步實(shí)時(shí)性根據(jù)煙道的煙氣流速來(lái)控制變頻器的輸出，從而控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證采樣的同步性。

3 變頻器應(yīng)用設(shè)計(jì)

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，選用了康沃CVF-S1-2S0007B型變頻器。要利用變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，首先要明確，風(fēng)機(jī)的控制源是煙氣的流速，我們安裝的CEMS系統(tǒng)是為回轉(zhuǎn)窯設(shè)計(jì)的，回轉(zhuǎn)窯煙氣的流速是通過(guò)尾風(fēng)風(fēng)門(mén)控制的，而尾風(fēng)風(fēng)門(mén)的大小是由控制電機(jī)控制，通過(guò)讀取尾風(fēng)風(fēng)門(mén)控制電機(jī)的0～10 V或4～20 mA的控制信號(hào)就可以得到與煙氣流速一一對(duì)應(yīng)的信號(hào)。利用A/D變換得到流速信號(hào)，再在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行一定的軟件算法補(bǔ)償，接著通過(guò)RS485通信控制變頻器調(diào)頻輸出，這就達(dá)到風(fēng)機(jī)的取樣與煙氣流速的同步性。

下面介紹如何利用RS485通信控制變頻器。

在CVF-S1系列變頻器中提供了RS485 通訊接口，用戶可通過(guò)PC/PLC實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控(設(shè)定變頻器的工作參數(shù)和讀取變頻器的工作狀態(tài))，以適應(yīng)特定的使用要求。該變頻器通訊協(xié)議是一種串行的主從通訊協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)設(shè)備(主機(jī))能夠建立協(xié)議(稱為“查詢/命令”)。其它設(shè)備(從機(jī))只能通過(guò)提供數(shù)據(jù)響應(yīng)主機(jī)的查詢/命令，或根據(jù)主機(jī)的命令/查詢做出相應(yīng)的動(dòng)作。主機(jī)在此處指?jìng)€(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)、工控機(jī)或可編程控制器(PLC)等，從機(jī)指變頻器。主機(jī)既能對(duì)某個(gè)從機(jī)單獨(dú)訪問(wèn)，又能對(duì)所有的從機(jī)發(fā)布廣播信息。對(duì)于單獨(dú)訪問(wèn)的主機(jī)查詢/命令，從機(jī)都要返回一個(gè)信息(稱為響應(yīng));對(duì)于主機(jī)發(fā)出的廣播信息，從機(jī)無(wú)須反饋?lái)憫?yīng)給主機(jī)[3]。和RS485通訊有關(guān)的參數(shù)有b-1、b-2、H-65~H-70，對(duì)其都要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。

變頻器的通訊方式包括：

1)采用主機(jī)“輪詢”，從機(jī)“應(yīng)答”點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊;

2)利用變頻器鍵盤(pán)設(shè)置變頻器串行接口通訊參數(shù)，包括本機(jī)地址、波特率、數(shù)據(jù)格式，通過(guò)主機(jī)設(shè)置與變頻器相同的波特率及數(shù)據(jù)格式;

3)數(shù)據(jù)通訊的報(bào)文共11個(gè)字節(jié)，包括幀頭、用戶數(shù)據(jù)、幀尾三部分;

(1)幀頭包括起始字節(jié)、從機(jī)地址;

(2)幀尾包括校驗(yàn)數(shù)據(jù)(即校驗(yàn)和);

(3)用戶數(shù)據(jù)包括參數(shù)數(shù)據(jù)和過(guò)程數(shù)據(jù)。其中參數(shù)數(shù)據(jù)包括編碼操作命令/響應(yīng)、編碼地址、編碼設(shè)定/實(shí)際值。過(guò)程數(shù)據(jù)包括主機(jī)控制命令/從機(jī)響應(yīng)、主機(jī)運(yùn)行設(shè)定/從機(jī)運(yùn)行實(shí)際值。

主機(jī)(MCU)發(fā)給從機(jī)的報(bào)文的結(jié)構(gòu)如表1所列。

而從機(jī)(變頻器)對(duì)主機(jī)的響應(yīng)報(bào)文的結(jié)構(gòu)如表2所列。

變頻器的RS485通訊是由MCU控制輸出的，所以MCU要給出以RS485通訊電平為準(zhǔn)的信號(hào)。對(duì)此單片機(jī)與變頻器之間的接口方式利用了專用的RS485芯片MAX485作為電平轉(zhuǎn)換，MAX485芯片的連接電路圖如圖2所示。

根據(jù)上面的各種設(shè)置方法和硬件電路結(jié)合，有下面幾種在程序中的主從機(jī)報(bào)文。

1)將1號(hào)變頻器的數(shù)字頻率設(shè)定為27.00 Hz。

主機(jī)發(fā)送幀：

5A 01 03 03(8C0A)(00 00)(00 00)F7

從機(jī)響應(yīng)幀：

5A 01 01 03(8C0A)(01 00)(00 00)F6

從機(jī)響應(yīng)表明任務(wù)正確實(shí)現(xiàn)

2)控制1號(hào)變頻器按10.30 Hz的頻率正轉(zhuǎn)。

主機(jī)發(fā)送幀：

5A 01 00 00 00 00(12 00)(06 04)77

從機(jī)響應(yīng)幀：

5A 01 00 00 00 00(11 00)(06 04)76

從機(jī)響應(yīng)表明任務(wù)正確實(shí)現(xiàn)

5A 01 00 00 00 00(09 00)(01 00)65

從機(jī)響應(yīng)表明加速運(yùn)行中發(fā)生過(guò)流通過(guò)硬件和相應(yīng)的軟件程序就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻的控制，從而控制風(fēng)機(jī)的取樣速率，實(shí)現(xiàn)CEMS 的實(shí)時(shí)性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了變頻器在CEMS系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)控制和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性控制中的作用，利用變頻器和相應(yīng)的控制電路結(jié)合可以有效地控制檢測(cè)儀器檢測(cè)過(guò)程。變頻器的應(yīng)用不僅僅是在回轉(zhuǎn)窯的CEMS檢測(cè)中，在各種環(huán)境檢測(cè)中其都有很好的應(yīng)用。