變頻器在CEMS中的應(yīng)用

0 引言

隨全球經(jīng)濟一體化，解決環(huán)境保護問題及企業(yè)經(jīng)過ISO14001認(rèn)證已成為企業(yè)進入國際市場的“門票”，國家已經(jīng)開始對各企業(yè)的環(huán)境問題加大了監(jiān)督力度。

而且由于市場的競爭，更要求企業(yè)實現(xiàn)過程自動化，提高生產(chǎn)效率。2007年的兩會就強調(diào)能源節(jié)約和環(huán)境保護問題，要求企業(yè)實現(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)檢測系統(tǒng))是國際上比較知名和成熟的環(huán)境檢測系統(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)檢測儀器，更重要的是能為實現(xiàn)最優(yōu)化生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率提供有效的幫助。

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

1 CEMS原理與運行

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

下面將針對回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)介紹CEMS原理與運行。

1.1 CEMS的原理

CEMS 一般要對煙氣的組分、濁度、溫度和壓力進行檢測。各檢測都是一個基本獨立的子系統(tǒng)，對各自的數(shù)據(jù)進行采樣后，以4～20 mA的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號共同傳輸?shù)街骺厥?，再進行顯示和數(shù)據(jù)處理。檢測的基本原理如下。

1)煙氣組分檢測要對煙氣的組分，如CO、CO2、O2等氣體含量檢測，首先必須取樣，由于煙氣取樣環(huán)境相對比較惡劣，常需要有針對性的取樣探頭。得到初樣后，還要對樣氣進行預(yù)處理，除去樣氣中的水分和粉塵，這兩者對后面的傳感器檢測都有很大的影響。經(jīng)過預(yù)處理得到幾乎無水無塵的樣氣后才能用相對應(yīng)的傳感器進行檢測。對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)法進行檢測，根據(jù)郎伯-比耳定理[2]

2)煙氣的濁度檢測原理一般也是采用光學(xué)法，不過實際設(shè)計比煙氣組分的光學(xué)法檢測較簡單，上面的光學(xué)法檢測主要是檢測光被吸收的量，而濁度儀的光學(xué)檢測主要是檢測光的散射，對光源就沒有煙氣組分檢測要求的那么高。我們設(shè)計的是雙光程的濁度儀。

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

1.2 CEMS的運行

CEMS系統(tǒng)中濁度儀和溫度壓力檢測子系統(tǒng)運行和操作比較簡單，下面主要介紹煙氣組分檢測的運行過程。CEMS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1中，煙氣通過4號元件(煙氣采樣頭)進行粗過濾，主要目的是除去煙氣中的大量灰塵，避免堵塞取樣管道，然后再進入5號元件(分析柜)，在分析柜中要經(jīng)過二次預(yù)處理過程，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)信號與濁度、溫度、壓力信號一起傳送到主控室電腦上。

煙氣取樣的動力來源是分析柜前的風(fēng)機，風(fēng)機除了具有抽煙氣的作用，更重要的作用是保證CEMS的實時性，通過變頻器的調(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。

1)控制風(fēng)機通過變頻器的開關(guān)作用可以很好地控制風(fēng)機的啟停，同時還可以監(jiān)察風(fēng)機的基本運行狀態(tài)。如果風(fēng)機出現(xiàn)故障或堵塞，則變頻器的電壓輸出會出現(xiàn)過載報警，為系統(tǒng)維護提供很好的監(jiān)護作用。

2)實現(xiàn)CEMS的同步實時性根據(jù)煙道的煙氣流速來控制變頻器的輸出，從而控制風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，保證采樣的同步性。

3 變頻器應(yīng)用設(shè)計

根據(jù)市場調(diào)查，選用了康沃CVF-S1-2S0007B型變頻器。要利用變頻器對風(fēng)機進行控制，首先要明確，風(fēng)機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)計的，回轉(zhuǎn)窯煙氣的流速是通過尾風(fēng)風(fēng)門控制的，而尾風(fēng)風(fēng)門的大小是由控制電機控制，通過讀取尾風(fēng)風(fēng)門控制電機的0～10 V或4～20 mA的控制信號就可以得到與煙氣流速一一對應(yīng)的信號。利用A/D變換得到流速信號，再在單片機內(nèi)部進行一定的軟件算法補償，接著通過RS485通信控制變頻器調(diào)頻輸出，這就達(dá)到風(fēng)機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PC/PLC實現(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)中只有一個設(shè)備(主機)能夠建立協(xié)議(稱為“查詢/命令”)。其它設(shè)備(從機)只能通過提供數(shù)據(jù)響應(yīng)主機的查詢/命令，或根據(jù)主機的命令/查詢做出相應(yīng)的動作。主機在此處指個人計算機(PC)、工控機或可編程控制器(PLC)等，從機指變頻器。主機既能對某個從機單獨訪問，又能對所有的從機發(fā)布廣播信息。對于單獨訪問的主機查詢/命令，從機都要返回一個信息(稱為響應(yīng));對于主機發(fā)出的廣播信息，從機無須反饋響應(yīng)給主機[3]。和RS485通訊有關(guān)的參數(shù)有b-1、b-2、H-65~H-70，對其都要進行相應(yīng)的設(shè)置。

變頻器的通訊方式包括：

1)采用主機“輪詢”，從機“應(yīng)答”點對點通訊;

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

3)數(shù)據(jù)通訊的報文共11個字節(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)、從機地址;

(2)幀尾包括校驗數(shù)據(jù)(即校驗和);

(3)用戶數(shù)據(jù)包括參數(shù)數(shù)據(jù)和過程數(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/實際值。過程數(shù)據(jù)包括主機控制命令/從機響應(yīng)、主機運行設(shè)定/從機運行實際值。

主機(MCU)發(fā)給從機的報文的結(jié)構(gòu)如表1所列。

而從機(變頻器)對主機的響應(yīng)報文的結(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。對此單片機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報文。

1)將1號變頻器的數(shù)字頻率設(shè)定為27.00 Hz。

主機發(fā)送幀：

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

從機響應(yīng)幀：

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

從機響應(yīng)表明任務(wù)正確實現(xiàn)

2)控制1號變頻器按10.30 Hz的頻率正轉(zhuǎn)。

主機發(fā)送幀：

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

從機響應(yīng)幀：

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

從機響應(yīng)表明任務(wù)正確實現(xiàn)

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

從機響應(yīng)表明加速運行中發(fā)生過流通過硬件和相應(yīng)的軟件程序就可以實現(xiàn)對變頻的控制，從而控制風(fēng)機的取樣速率，實現(xiàn)CEMS 的實時性。

4 結(jié)語

本文介紹了變頻器在CEMS系統(tǒng)的風(fēng)機控制和系統(tǒng)實時性控制中的作用，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儀器檢測過程。變頻器的應(yīng)用不僅僅是在回轉(zhuǎn)窯的CEMS檢測中，在各種環(huán)境檢測中其都有很好的應(yīng)用。