變頻器在CEMS中的應用

0 引言

隨全球經(jīng)濟一體化，解決環(huán)境保護問(wèn)題及企業(yè)經(jīng)過(guò)ISO14001認證已成為企業(yè)進(jìn)入國際市場(chǎng)的“門(mén)票”，國家已經(jīng)開(kāi)始對各企業(yè)的環(huán)境問(wèn)題加大了監督力度。

而且由于市場(chǎng)的競爭，更要求企業(yè)實(shí)現過(guò)程自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率。2007年的兩會(huì )就強調能源節約和環(huán)境保護問(wèn)題，要求企業(yè)實(shí)現又好又快的發(fā)展戰略[1]。

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

它不只是能作為環(huán)境指標檢測儀器，更重要的是能為實(shí)現最優(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)檢測系統就必須保持檢測的同步性，本文介紹了在回轉窯生產(chǎn)中利用變頻器實(shí)現的CEMS檢測的實(shí)時(shí)性，并將變頻器成功集成到我們的產(chǎn)品中。

1 CEMS原理與運行

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

下面將針對回轉窯生產(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(jìn)行檢測。各檢測都是一個(gè)基本獨立的子系統，對各自的數據進(jìn)行采樣后，以4～20 mA的工業(yè)標準信號共同傳輸到主控室，再進(jìn)行顯示和數據處理。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(jìn)行預處理，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(guò)預處理得到幾乎無(wú)水無(wú)塵的樣氣后才能用相對應的傳感器進(jìn)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(jìn)行檢測，根據郎伯-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(guò)實(shí)際設計比煙氣組分的光學(xué)法檢測較簡(jiǎn)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(méi)有煙氣組分檢測要求的那么高。我們設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(jiǎn)單，一般是利用熱電耦對溫度進(jìn)行檢測，根據溫度的變化而引起熱電耦電阻的相應變化來(lái)檢測溫度的大小。而煙氣壓力的檢測現在常用的方法是利用皮托管來(lái)檢測或者直接利用壓力傳感器進(jìn)行檢測。

1.2 CEMS的運行

CEMS系統中濁度儀和溫度壓力檢測子系統運行和操作比較簡(jiǎn)單，下面主要介紹煙氣組分檢測的運行過(guò)程。CEMS的系統結構圖如圖1所示。

圖1中，煙氣通過(guò)4號元件(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號元件(分析柜)，在分析柜中要經(jīng)過(guò)二次預處理過(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)標準信號與濁度、溫度、壓力信號一起傳送到主控室電腦上。

煙氣取樣的動(dòng)力來(lái)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(shí)時(shí)性，通過(guò)變頻器的調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)機通過(guò)變頻器的開(kāi)關(guān)作用可以很好地控制風(fēng)機的啟停，同時(shí)還可以監察風(fēng)機的基本運行狀態(tài)。如果風(fēng)機出現故障或堵塞，則變頻器的電壓輸出會(huì )出現過(guò)載報警，為系統維護提供很好的監護作用。

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

3 變頻器應用設計

根據市場(chǎng)調查，選用了康沃CVF-S1-2S0007B型變頻器。要利用變頻器對風(fēng)機進(jìn)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系統是為回轉窯設計的，回轉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控制，通過(guò)讀取尾風(fēng)風(fēng)門(mén)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的信號。利用A/D變換得到流速信號，再在單片機內部進(jìn)行一定的軟件算法補償，接著(zhù)通過(guò)RS485通信控制變頻器調頻輸出，這就達到風(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(hù)可通過(guò)PC/PLC實(shí)現集中監控(設定變頻器的工作參數和讀取變頻器的工作狀態(tài))，以適應特定的使用要求。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)設備(主機)能夠建立協(xié)議(稱(chēng)為“查詢(xún)/命令”)。其它設備(從機)只能通過(guò)提供數據響應主機的查詢(xún)/命令，或根據主機的命令/查詢(xún)做出相應的動(dòng)作。主機在此處指個(gè)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(gè)從機單獨訪(fǎng)問(wèn)，又能對所有的從機發(fā)布廣播信息。對于單獨訪(fǎng)問(wèn)的主機查詢(xún)/命令，從機都要返回一個(gè)信息(稱(chēng)為響應);對于主機發(fā)出的廣播信息，從機無(wú)須反饋?lái)憫o主機[3]。和RS485通訊有關(guān)的參數有b-1、b-2、H-65~H-70，對其都要進(jìn)行相應的設置。

變頻器的通訊方式包括：

1)采用主機“輪詢(xún)”，從機“應答”點(diǎn)對點(diǎn)通訊;

2)利用變頻器鍵盤(pán)設置變頻器串行接口通訊參數，包括本機地址、波特率、數據格式，通過(guò)主機設置與變頻器相同的波特率及數據格式;

3)數據通訊的報文共11個(gè)字節，包括幀頭、用戶(hù)數據、幀尾三部分;

(1)幀頭包括起始字節、從機地址;

(2)幀尾包括校驗數據(即校驗和);

(3)用戶(hù)數據包括參數數據和過(guò)程數據。其中參數數據包括編碼操作命令/響應、編碼地址、編碼設定/實(shí)際值。過(guò)程數據包括主機控制命令/從機響應、主機運行設定/從機運行實(shí)際值。

主機(MCU)發(fā)給從機的報文的結構如表1所列。

而從機(變頻器)對主機的響應報文的結構如表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通訊電平為準的信號。對此單片機與變頻器之間的接口方式利用了專(zhuān)用的RS485芯片MAX485作為電平轉換，MAX485芯片的連接電路圖如圖2所示。

根據上面的各種設置方法和硬件電路結合，有下面幾種在程序中的主從機報文。

1)將1號變頻器的數字頻率設定為27.00 Hz。

主機發(fā)送幀：

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

從機響應幀：

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

從機響應表明任務(wù)正確實(shí)現

2)控制1號變頻器按10.30 Hz的頻率正轉。

主機發(fā)送幀：

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

從機響應幀：

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

從機響應表明任務(wù)正確實(shí)現

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

從機響應表明加速運行中發(fā)生過(guò)流通過(guò)硬件和相應的軟件程序就可以實(shí)現對變頻的控制，從而控制風(fēng)機的取樣速率，實(shí)現CEMS 的實(shí)時(shí)性。

4 結語(yǔ)

本文介紹了變頻器在CEMS系統的風(fēng)機控制和系統實(shí)時(shí)性控制中的作用，利用變頻器和相應的控制電路結合可以有效地控制檢測儀器檢測過(guò)程。變頻器的應用不僅僅是在回轉窯的CEMS檢測中，在各種環(huán)境檢測中其都有很好的應用。