清远市清新区环境监测站 广东清远 511510
摘要：本文介绍了一种基于GPRS的烟气连续排放监测系统（Continuous Emission Monitoring System），该系统采用在线监测技术，可以将污染企业的烟气排放情况进行实时监测。采用GPRS技术，可以将企业监测现场、企业监控平台和环保主管部门三线连接，实现信息共享。
关键词：CEMS；GPRS；在线监测；环保
1、引言
随着城市经济的快速发展，生产型企业规模不断扩大，城市排放的工业废气也越来越多，人们的生活环境日益恶化，严重阻碍了城市经济的可持续发展。长期以来，环保主管部门对于工业污染源的监督控制，缺乏一个长效的管理方法，随处可见企业超排和偷排现象。如今科技日新月异，自动控制技术、数据通讯技术、数据库技术飞速发展，环保主管部门也应与时俱进，充分利用此类先进技术，建立起先进完善的数字化环境监控体系，既可减轻监管部门的工作压力，又可提高工作效率和管理水平。目前，行政主管部门开始实施试点，在烟气污染物排放大的企业安装了在线自动监控系统。该系统能够不间断采集数据、实时分析与处理数据，并能自动传输数据至环保主管部门，实现自动化、数字化办公，满足环境监察工作的需要。
2、烟气连续排放监测系统组成
烟气连续排放监测系统，通过采样方式，测定烟气中污染物浓度，同时测量烟气温度、烟气压力、流速、烟气含湿量、含氧量，计算出烟气污染物排放量，可显示和打印各种参数、图表，并通过网络传送至环保主管部门监控平台。国家要实现环境保护，对环境污染的控制，实现节能减排，就是通过对排污企业收取排污费来控制，而CEMS就是国家对排污企业控制和收费的依据。
烟气连续监测系统（CEMS）由颗粒物监测子系统、气态污染物监测子系统、烟气参数监测子系统和数据采集与处理子系统四部分组成。如图1所示。
图1、CEMS系统构成图
2.1 气态污染物监测子系统
气态污染物监测子系统包括三个单元：采样单元、预处理单元及分析单元气态污染物分析仪表分析的样气是通过安装在烟道的烟气采样器进行抽取至样品与处理单元的。烟气采样器由采样探管、加热型过滤器、采样器加热控制器、反吹控制装置等部分组成。
为保证样气进入分析单元时具有原样气的组分代表性，最大限度的减少组分的损失等，需要对样气进行预处理。因样气温度很高，部分气态组分会随着温度的降低被结露的水珠吸收，造成损耗，所以需保证其温度在水汽到露点以上，并去除烟尘和水分，避免其对分析仪的影响。预处理单元主要由过滤单元、伴热管线、冷凝器、烟气采样泵、流量监测调节装置等组成。预处理单元的功能可由外部的分析仪表自动控制。
2.2 颗粒物监测子系统
颗粒物是指燃料和其他物质燃烧、合成、分解以及各种物料在处理中所产生的悬浮于液体和烟气中的固体和液体颗粒状物质。
颗粒物的测量一般采用激光后向散射测试原理。激光器发出的650nm束以一个微小的角度射入烟道，照射到烟尘粒子后形成反射激光信号，反射的信号强度与烟尘浓度呈正比变化，背向散射光通过接收系统进入传感器转变成电信号进行处理。
2.3 烟气参数子系统
2.3.1 温度、压力、流速测量
流量计内置温度计及绝对压力计可直接测量烟气压力、温度，而采用皮托差压法测量烟气流速。在管道中流动的气体同时受到静压和动压作用，静压是单位体积气体所具有的势能，它表现为气体在各个方向上作用于管壁的压力；动压是单位体积气体所具有的动能，是使气体流动的压力。由于动压仅作用于气体流动的方向，所以动压值为正值，而气体流速与气体动压的平方成正比，故根据测得的动压可计算气体的流速。
2.3.2 湿度的测量
选用阻容法测量湿度，用电容式传感器探头直接插入烟道中，探头周围采用特制的过滤器进行保护。采用薄膜电容和PT100电阻组合专门设计的湿度传感器，利用水分的变化和电容值变化之间的关系直接测量水汽分压，利用PT100测量温度，可以准确测量高温气体的水分含量。
2.3.3 含氧量测量
采用电化学法测量含氧量。原电池氧传感器含氧量自动分析仪有两个金属电极、电解质、扩散透气膜和外壳组成。两个金属电极中Ag为工作电极，Pb为对电极。传感器工作时氧气通过扩散透气膜进入传感器，在工作电极上产生电化学反应，电池产生的电流正比于样品中的氧含量，通过这个原理测试烟气中的含氧量。
2.4 数据采集与处理子系统
数据采集和处理系统的配置主要包括现场机、上位机、CEMS监控软件、数据采集输出模块。
数据采集与处理子系统具有如下功能：
1）数据存贮。数据采集控制器可保存一年的原始数据，当数据量达到存储器容量的90%时，系统将自动发出告警信息。
2）文档管理。能对数据文档进行分类保存和备份，自动生成运行参数报告、数据报告、告警记录报告和操作记录报告。
3）数据查询和检索。显示现场工作状态，可设置条件查询历史数据，实时显示污染物排放数据和相关烟气参数。
4）污染物浓度和排放率计算。
5）异常情况自动恢复功能。受外界强干扰或偶然掉电后又上电等情况发生时，造成程序中断，系统可以实现自启动，自动恢复运行状态并记录出现故障时的时间和恢复运行时的时间。
6）丢失数据修复。
7）设备报警与超标报警。系统运行不正常时会发出告警信息，当1小时监测数据滑动平均值超过排放标准时会发出超标报警信息。
8）安全管理。操作人员需登录密码后，才能进入控制界面，系统对所有的控制操作均自动记录并保存入库。
9）数据通讯。周期地采集各个现场数据采集器发来的各种信息，进行处理、存储，显示告警信息和相应数据。提供网络接入功能，向环保主管部门定时传送数据和图表，并随时接受数据查询。定时发送时钟命令并校准时钟。
3、基于GPRS的CEMS设计
3.1工作原理
CEMS通过采样和分析方式，测定烟气中颗粒物浓度、气态污染物浓度，同时测量烟气温度、烟气压力、烟气流速、烟气含湿量等参数，送至数据采集和处理单元，计算出烟气中污染物浓度和排放量，并将模拟信号转换为数字信号，通过GPRS通讯方式传送到环保行政主管部门，完成数据的动态显示、打印报表和报警等功能。
3.2 硬件设计
本系统中采用一体化模块结构设计，将CEMS中的数据采集模块和无线GPRS通信Modem合成为数据采集通信终端装置，集GPRS无线收发信机、检测数据采集处理板、电源模块等功能模块于一体，封装在一金属密封式机箱中。
数据采集子系统由自制的数据采集卡通过专用采集传感器实时检测CEMS运行情况，进行处理后通过总线发送给检测终端主板，然后通过GPRS无线通信模块将数据发送到环保行政主管部门监控平台上。同时也通过GPRS无线通信模块接受环保主管部门发送的指令执行处理数据。
3.3 软件设计
软件组织结构如图2所示
图2.软件组织结构图
3.4.1 监控软件
设置整个系统的运行的基础数据。从数据库读入预处理的现场监测信息并加工处理，把处理结果显示给监控人员，监控人员在此可以发出主动控制指令。
3.4.2 数据处理
读入现场监测信息并经预处理后存入数据库，从数据库读监控人员发出的主动控制指令并通过GPRS无线网络传送至现场监测点。
3.4.3 数据采集
采集监测现场设备运行信息，控制GPRS模块发送信息、接收指令。
4、基于GPRS的CEMS关键技术概论
4.1 CEMS采样位置的选取
CEMS采样位置的选取往往是影响采集数据真实性的关键，因此采样点及安装位置应遵循以下要求。
4.2 终端数据抗干扰采集技术
监测点现场采集设备会遇到较强的噪声干扰、电磁干扰、电源干扰等，因此需从硬件和软件两方面采取措施抑制和消除这些干扰。
在电路上增加干扰噪声退藕电路，将整个数据采集通信终端密封式装置于金属箱内，能大大减少外界对终端设备采集数据的影响；设备电源加滤波电路和稳压器，可减少电源噪声对采集数据的干扰。
在软件上采用“采三取二”法剔除偏差数据。该算法为从某点的三次连续采样数据中取出二个相同数值中的一个作为该点的实际采样数据，如果三个采样值互不相同，则设置出错标志，表示对该点应该重新采样。
4.3 GPRS通信加密技术
为防止Internet上非法数据或人为删改数据进入系统，发送、接收数据程序采用自定义的校验算法，以增加系统数据的安全。具体采取的措施为：
1）通信的数据帧必须含有数据库中存在的Modem，且Modem在线；
2）数据帧有自定义的起始符和终止符；
3）数据帧有自定义的校验算法计算的校验和字段；
4）数据帧的长度也是固定的，非这个长度的即为非法数据。
4.4 参数防窜改技术
在操作上设置访问权限系统，以防止系统参数未经授权而改变。访问权限系统分为三层，分别提供给环境主管部门工作人员、企业操作人员和系统维修人员进行相应操作，不同人员根据自身访问权限进行访问，实现进出人员的权限设置管理，记录保存人员的出入信息。
5、结语
基于GPRS的烟气连续排放监测系统是集分析仪器、烟气样品采集及数据采集、传输与处理于一体，和GPRS相结合发展起来的一种现代远程监控技术。由于其具有实用、实时、高效等特点，为现有环保监控系统提供了一种便捷的无线数据传输方式，有效地提高环境保护监管的力度和范围，尤其是有效监管了中小型企业环保设备，对提高我国环境保护、污染防治能力有积极的作用。
参考文献：
[1] 王庆博.浅谈CEMS烟气在线连续监测系统的维护[J].科技创新与应用，2013（7）.
[2] 张佐民.烟气在线连续监测系统（CEMS）应用中存在问题[J].贵州电力技术，2010年7月
[3] 徐腊梅、陈明.基于GPRS的烟气在线监测系统设计[J].软件导刊，2010年2月.
论文作者:朱颖茹
论文发表刊物:《基层建设》2016年8期
论文发表时间:2016/7/18
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