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摘 要

现阶段我国硫氧化物、氮氧化物等空气污染物的排放量位居世界前列。我国供电行业绝大多数采用燃煤发电的方法供电，燃煤电厂排放的烟气中含有的粉尘、碳氧化物、氮氧化物及硫化物对大气质量有着直接的恶性影响。要做好燃煤电厂烟气排放的控制，首要工作就是做好污染源的环境监测工作，对于环境保护有重大意义。

本课题基于西门子S7-200 SMART PLC和ABB AO2020分析仪设计烟气排放监测系统。首先基于烟气监测的工艺要求，使用CAD进行系统流路图的设计，绘制PLC输入输出端子、分析仪、电源及各器件接线图。通过软件STEP 7-MicroWIN SMART进行PLC控制程序的设计，实现采样检测、系统标定、系统反吹、故障报警、数据传输等功能。对程序进行优化，使得系统能够长时间连续可靠的运行，数据传输部分支持Modbus通信模式和自由口通信模式。调试结果表明，监测系统成功实现设计功能。

关键词：烟气排放连续监测 PLC Modbus通信 自由口通信

Design of Continuous Emission Monitoring System

Abstract

At present, China's emissions of air pollutants such as sulfur oxides and nitrogen oxides are among the highest in the world. Most of China's power supply industry uses coal-fired power generation to supply electricity. The dust, carbon oxides, nitrogen oxides and sulfides contained in the flue gas emitted by coal-fired power plants have a direct and malignant effect on air quality. To do a good job in controlling the emission of flue gas from coal-fired power plants, the primary task is to do a good job in environmental monitoring of pollution sources, which is of great significance for environmental protection.

This project is based on Siemens S7-200 SMART PLC and ABB AO2020 analyzer design smoke emission monitoring system. Firstly, based on the process requirements of flue gas monitoring, CAD is used to design the system flow diagram, and the PLC input and output terminals, analyzer, power supply and wiring diagram of each device are drawn. The PLC control program is designed by software STEP 7-MicroWIN SMART to realize functions such as sampling detection, system calibration, system backflushing, fault alarm and data transmission. The program is optimized to enable the system to run continuously and reliably for a long time, and the data transmission part supports the Modbus communication mode and the free port communication mode. The debugging results show that the monitoring system successfully implements the design function.

Key words:Continuous Emission Monitoring System；PLC；Modbus communication；Free port communication

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 CEMS的研究概述 1

1.2 CEMS国内外发展现状 1

1.3 课题研究内容及目标 3

1.4 论文结构安排 4

第二章 系统硬件设计 5

2.1 系统流路图 5

2.2 PLC接线图 6

2.3 AO2020分析仪及其他接线图 8

2.4 器件选型 10

第三章 系统程序设计 12

3.1 系统功能及控制流程 12

3.2 主程序 14

3.3 反吹程序 19

3.4 Modbus通信程序 20

3.5 自由口通信程序 21

第四章 系统测试 24

4.1 系统性能测试 24

4.1.1 程序功能调试 24

4.1.2 Modbus通信调试 26

4.2 调试时出现问题及解决 28

结语 29

参考文献 30

致谢 32

附录一 PLC接线图 33

附录二 分析仪接线图 34

附录三 端子排接线图 35

附录四 其他器件接线图 41

第一章 绪论

1.1 CEMS的研究概述

烟气连续监测系统（CEMS，Continuous Emission Monitoring System）是由烟尘监测子系统、气体组分含量监测子系统、数据采集子系统及系统控制组成的。通过采样分析方法，检测气体排放物中烟尘浓度、氮氧化物、硫氧化物的浓度，同时能够获得气体的温度、湿度、压力、流速等一系列参数，记录保存各种参数，并可以通过数据传输系统发送至环保管理部门^[1-2]。

烟气连续监测系统除需要对气体污染物能够进行准确检测、还需要具备在相对恶劣的环境下能够长时间连续、可靠、稳定工作的能力^[3]。基于PLC的系统控制设计，为烟气排放连续监测系统的长时间可靠运行提供了可行方案，对烟气污染物的监测和排放管理有着巨大意义。

1.2 CEMS国内外发展现状

国外在上世纪五、六十年代就开始了重点污染源的气体污染物连续监测的工作。国外生产烟气连续监测系统的主要技术被美国、德国等国家率先掌握^[4]。荧光检测等技术和不透明度光学系统的出现，给烟气连续监测系统提供了技术支持^[5]。美国随着“酸雨计划”、“氮氧化物排污交易计划”和“清洁空气洲际法”等项目的推行，烟气排放连续监测系统得到了飞速的发展，在监测技术和实际应用上都积累了大量的经验。

1986年，我国广东沙角B发电厂从日本引进了首台火电厂烟气连续监测系统。这是我国首次从国外引进烟气排放监测系统^[6]。上世纪八、九十年代开始，我国开始进行对烟气排放连续监测系统的研发。1996年修订颁布的《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223-196）要求Ⅲ时段及部分特定地区的火电厂安装烟气在线连续监测系统；2003年修订颁布的《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223-2003）规定所有火力发电锅炉都必须按照《火电厂烟气排放连续监测技术规范》（HJ/T 75-2001）的要求^[7]，安装烟气排放连续监测仪器。在此背景下，出现了南京分析仪器厂、重庆川仪自动化股份有限公司、杭州聚光科技股份有限公司、武汉天虹环保产业股份有限公司、江苏迈斯科技有限公司等一批具备研发和生产烟气排放连续监测系能力的机构和企业^[8]。这些企业的烟气排放连续监测系统一经问世便迅速占领了大额的国内市场^[9]，推进了国产烟气排放连续监测系统的发展与应用。

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