涉气污染企业在线监测系统的设计*

北京科技大学天津学院 周洋 张伟 张鸿博 冯浩

本文针对涉及大气污染的企业环保监控问题,提出一种间接监控策略。即分别用设备端监测生产装置与环保装置的用电情况,来反映企业是否违规生产排污的难题。同时,设计设备端与平台端的软硬件架构,并试制出设备端两台样机,与平台端一起搭建测试环境。结论表明,系统能够实现本文的设计理念,并及时正确地判断出违规生产的情况,对工程实践有一定的参考意义。

1 系统的设计需求及背景

北方秋冬的雾霾天气至今仍严重影响居民的生产生活。一方面,进入供暖季节后,供热电厂、供热站的排污问题已通过煤改气、煤改电等措施得到缓解[1]。比如,北京市在2016年前后,区域内所有的热能发电厂的燃料已经由传统的煤改为天然气[2];石家庄市的市区及郊区2018年冬季已完全禁止烧煤取暖。但是另一方面,虽然政策规定企业生产排污前须经过废气处理环节,企业实际中是否真正开启环保治污设备情况基本上都靠企业的自觉性去执行;据环保执法部门公开的统计资料,企业自主执行效果普遍不佳。此类涉气企业的偷排污现象加剧了不良扩散气象条件下雾霾的严重程度[3]。

鉴于以上情况,河北省政府在2019年8月分别下发《关于强力推进大气污染综合治理的意见》及《河北省工业污染源全面达标排放专项实施方案》两份文件,并选择保定、邯郸与衡水作为示范城市,分批强制执行企业安装监控设备,数据上送到地级市的环保局监控平台以作进一步处理。

本文中的设计是基于工程项目中环保局提出的需求,分别设计了在线监测平台系统及现场监测设备,并根据现场运行情况进行算法的优化和改进。同时,考虑到本科教学的实际需求和实验室的软硬件条件,对系统的平台端和设备端进行了简化处理,以在实验室的模拟环境中实现系统的完整功能,并对参与其中的学生进行贴近工程实际技的能训练。

2 系统的总体设计

对污染气体的监测存在直接和间接两种方式。直接方式为在企业的排污口安装气体探测设备,在某一种或几种有毒气体的含量超标之后立即报警[4-6]。这种方式的优点是反映迅速、测量准确;缺点是设备安装成本高,设备单台成本在万元左右,且半年需要更换一次气体探头,后续的维护成本高。根据环保局的相关统计数据,95%以上的企业没有安装此类设备的意愿。故不采用这种监测方式。

在涉气企业的实际生产过程中,往往不需要精确知晓企业废气中某种气体的含量,只需掌握企业的尾气是否经过环保设备处理后排放,此为间接监测方式。企业是否违规操作,只关联到废气处理的两个生产流程,即生产装置开机前后的环保装置提前预热和延后关闭。废气处理分为两种处理方式[7]:物理处理和化学处理。物理处理装置包括活性炭吸附装置和滤网装置;化学处理装置有生物催化器和光氧化催化器,化学处理装置发挥效能需要提前一段时间开机,以使反映媒介达到临界状态。当生产装置开机后,废气即刻产生;生产装置关机后,残存在生产管道中的尾气仍需处理一段时间。故考虑上述情况后,判定企业正常生产的条件,至少应定为环保装置开机时间不晚于生产装置开机时间,关机时间不早于生产装置关机时间。装置的启停状态可以通过读取装置供电线路上的电流电压来判断,如此则整体监测流程的复杂度大大下降。

基于上述考虑,在线监测系统整体设计为三层架构,即平台处理层、通信传输层和现场设备层。如图1所示。

图1 在线监测系统架构图Fig.1 Architecture diagram of online monitoring system

3 设备端的设计

现场设备,是指分别安装在生产线上的生产装置和环保装置同一供电线路上游段的装置。由于要监测是否排污,故在生产装置和与之对应的环保装置上分别安装一台,并记录其对应关系,二者合称为设备对。本文目前只考虑生产装置和环保装置一一对应的应用场景。设备的工作原理与常见的居民工业用电计量表类似,不同的是其功能做了特定增删。其主要功能包括监测电压电流、记录通断电时间、报警和远程通信。

3.1 设备端硬件设计

根据上述功能叙述,设备的硬件设计主要包括五个模块:电源模块、AD转换模块、CPU、通讯模块和报警模块。

其中,报警模块主要是为防止企业私自改动设备接线而设计的,一旦企业私自打开设备的外壳,设备马上切断线路供电并发出远程报警信息和鸣笛声。模块之间的关系见图2。由于有数据精度及通讯时效性的要求,CPU采用ARM11系列处理器,AD转换模块采用32位芯片,通讯模块采用物联网传输模块。充电电池模块有大容量电解电容为主体进行设计,设备接通电源后自动充电,其作用是在设备突然断电后,把设备断电的通讯报文发送到平台端。

图2 设备硬件架构图Fig.2 Device hardware architecture diagram

3.2 设备端软件设计

设备端实现五个主要的功能:电流电压值监测、定时上送数据、平台端命令接收和执行、异常断电和停上电状态上送。电流和电压的数据需要实时监测,并由算法判断机器是否只通电不开机;数据上送流程根据通信协议的选择而不同,按规定每小时的0、15、30、45时刻主动上送(HJ212-2017协议)[8],或平台端主动下发查询数据的报文(GD376.8-2013及DL/T634.5104-2002协议)[9-10],此部分数据以遥测值的浮点数形式上送;平台端命令响应主要涉及对时命令和强制断电命令(只涉及GD376.8及DL/T634.5104-2002协议);异常断电功能主要是针对现场企业私自打开设备机壳设置的,一旦机壳被打开,立刻上送平台端的报警信息并断电;停电状态上送功能主要是以遥信值的形式,将经算法判定的环保或者生产设备的通电状态、异常断电状态、通断电开关信号上送。

经对通讯数据性质进行分类后,对经由通讯传输的数据分为如下三类:遥信量,即由设备端上送平台端的开关量,包括生产环保装置的异常断电信号和启停信号;遥测量,即由设备端向平台端发送的生产装置、环保装置的电流电压电度等电量值,以及测量值对应的时间戳;命令量,即由平台端下发到设备端的对时命令和断电命令。

对数据类型和基本功能进行综合考虑后,本文对软件架构采用层次化设计,主要分为四个功能层次:通讯报文层、数据处理层、共享内存层和硬件执行层。四个软件功能层及其与对应硬件层的逻辑关系如图3所示。

图3 设备端软件层次逻辑关系Fig.3 The logical relationship of the device software level

4 系统平台端的设计

系统平台端的作用是接收设备端上传的数据,并解析出电量、设备开关时刻等信息。针对成对的环保设备与生产设备,在生产设备开机阶段,对二者的开机时间进行先后判断,给出是否违规开机的判断;在生产过程中,平台每15分钟统一下发查询数据的命令,并根据回传的设备运行数据,判断企业是否在生产期间违规关停环保设备;在生产结束后,判断环保设备是否晚于生产设备关停。以上的判断结果显示到软件界面作为报警提示信息。

4.1 平台端硬件架构

系统平台端的硬件架构相对简单,当设备上传数据通过无线传输网络接入服务器,平台端的所有程序均部署在一台服务器上。当平台通过设备上传数据计算得出环保设备违规启停的事件后,由显示器和扬声器发出报警提示信息。平台端的硬件架构示意图如图4所示。

图4 平台端硬件架构示意Fig.4 Schematic of the hardware architecture of the platform

4.2 平台端软件架构的设计

平台端的软件采用模块化设计,具体模块间的逻辑关系如图5所示,由于计算量和业务处理逻辑远远比单台设备复杂,故根据分层处理的原则每个模块编写单独的程序来实现。一方面,减少系统间的耦合程度,方便调试代码及测试程序;另一方面,留出后续系统升级改进的空间。

图5 平台端各功能模块间的逻辑关系Fig.5 The logical relationship between the functional modules on the platform

当设备数据报文传输到平台端后,先经过通讯报文模块处理提取出每台设备的电流电压等遥测信息,以及开关量的遥信数据,此类数据称作一级数据。随后,数据处理模块根据设备对之间的对应关系,根据5章中提到的场景进行业务逻辑判断,判断结果作为二级数据,合并一级数据后,传送到共享内存模块。共享内存模块的作用有二:(1)一二级数据显示到大屏的展示界面模块上,同时将违规信息以语音播报出来;(2)将一二级数据定时存入数据库模块。数据库模块保留30天内的历史数据,并具备数据导出界面功能,可以根据不同的查询方式生成数据文件,以.CSV格式导出。

4.3 系统通讯机制的设计

经过前期调研,环保行业和自动化行业常见的通讯协议有:工控领域的MODBUS协议,环保行业的HJ212-2017协议,电力行业的GD376.8-2013及IEC60870-5-104:2000协议。经过比较以上四种协议的实现逻辑和本文所应用的软硬件条件后,最终选择MODBUS协议。

为保证设备端的运行数据及时上传到平台端,并考虑最大成本地节省通讯成本,设计系统平台与设备端的通讯机制分为两种。第一种是由平台端在每小时的0/15/30/45时刻向各设备主动下发查询命令,设备端逐一回复。设备端回复的报文中包含设备编号、设备类型、所配对的另一台设备、电压、电流、通电状态、报警状态、日期时间的信息。平台端解析出的信息存入数据结构DevData1中。其具体格式如下:{DevNO:int,DevType:int,PairDevNO:int,Voltage:float,Current:float,PowerStatus:bool,Alarm:bool,DateTime:string}。其中,int代表整形的数据类型,float代表浮点数数据类型,bool代表布尔类型,string代表字符串行,本文中应用精确到秒的14位字符串,格式定为年(4位)月(2位)日(2位)时(2位)分(2位)秒(2位),如20210915144152。

第二种数据是在突发数据,主要指设备断电、上电和发生报警的情况下,设备将信息实时发送到平台端。此部分数据结构DevData2较DevData1简单,只涉及设备编号、设备类型、所配对的另一台设备、通电状态、报警状态、日期时间的信息。其具体格式如下:{DevNO:int,DevType:int,PairDevNO:int,PowerStatus:bool,Alarm:bool,DateTime:string}。数据类型代表的信息同DevData1。

5 系统测试

平台对设备端是否发出报警的判断决定于环保/生产装置的开启与关闭时间、是否有突发的设备报警与断电。针对不同的业务判断逻辑,总结出八种测试场景,如表1所示。

表1 不同的业务测试场景Tab.1 Different business test scenarios

限于实验室的条件,最终的系统测使用2台设备端的样机来分别模拟一组设备对中的生产与环保装置,系统平台端部署在服务器上,所采用的物联网传输模块的运营商选择为中国移动。人为控制环保设备与生产设备的开启和关闭,为避免人为操作的误差,每个场景模拟100次左右,除去操作过程中的硬件故障和人为失误外,有效的测试结果如表2所示。表中,平均用时是指每次人工操作完设备,平台端给出是否正常,所用的平均时间。

表2 不同场景的正确率Tab.2 The correct rate of different scenarios

表2中,正确率均达到95%以上,证明本文的设计达到预期目的,且有相当的实用性。平均用时较长的原因是,数据从设备端发送到平台端需要经过移动公司的通信网络。实测数据显示,从设备端发出通讯报文,到平台端接收到报文,用时15～23秒不等,这方面的耗时属于非可控因素,与测试时刻的移动网络的信号强度、气象因素、用户数量、信道上下行速率等因素有关,不在本文的研究范围内。

6 结论

针对涉及大气排污企业的环保监控问题,本文创造性地提出一种间接监控策略,并设计出设备端和平台端的软硬件架构。在测试阶段,通过搭建2台设备样机与一套平台端的系统,验证了设计理念的正确性,对工程实践有一定的参考价值。

引用

[1] 杨楠,隆舰艇,黄悦华,等.考虑增量用电负荷分配的煤改电/煤改气联合分阶段规划[J].电力系统保护与控制,2020(17):55-67.

[2] 晨曦,张玉明.北京的蓝天与“煤改气”[J].中国设备工程,2018(01):16.

[3] 赵树慈.河北省重点行业VOCs产排污及污染治理现状[J].环境与发展,2018,30(02):75-76.

[4] 郑宗园,韩燕,夏丽娟.大气环境监测的数字化测量核心要点分析[J].中国标准化,2019(10):246-247.

[5] 王一男,王珊,杨冬雪,等.大气污染物自动监测留样设备:中国,CN213022500U[P].2021-04-02.

[6] 韩文.大气环境监测质量控制的有效方法分析[J].生态环境与保护,2021,4(2):72-73.

[7] 任子云.污染空气的处理方法及设备:中国,CN1258833[A].2000-07-05.

[8] HJ212-2017,污染物在线监控(监测)系统数据传输标准[S].北京:中华人民共和国环境保护部,2017.

[9] Q/GDW376.8-2013,电力用户用电信息采集系统通信协议[S].北京:国家电网公司,2013.

[10] DL/T634.5104-2002,远动设备及系统[S].北京:中华人民共和国国家经济贸易委员会,2002.