变频器在CEMS中的应用

0 引言

随全球经济一体化，解决环境保护问题及企业经过ISO14001认证已成为企业进入国际市场的“门票”，国家已经开始对各企业的环境问题加大了监督力度。

而且由于市场的竞争，更要求企业实现过程自动化，提高生产效率。2007年的两会就强调能源节约和环境保护问题，要求企业实现又好又快的发展战略[1]。

CEMS(Continuous Emissions Monitoring System，烟气排放连续检测系统)是国际上比较知名和成熟的环境检测系统，在工业生产中起着非常重要的作用。

它不只是能作为环境指标检测仪器，更重要的是能为实现最优化生产、提高生产效率提供有效的帮助。

CEMS作为实时检测系统就必须保持检测的同步性，本文介绍了在回转窑生产中利用变频器实现的CEMS检测的实时性，并将变频器成功集成到我们的产品中。

1 CEMS原理与运行

CEMS 系统主要对回转窑的烟气成分和浊度进行检测，当然有些还包括了烟气流速、压力与温度等。

下面将针对回转窑生产介绍CEMS原理与运行。

1.1 CEMS的原理

CEMS 一般要对烟气的组分、浊度、温度和压力进行检测。各检测都是一个基本独立的子系统，对各自的数据进行采样后，以4～20 mA的工业标准信号共同传输到主控室，再进行显示和数据处理。检测的基本原理如下。

1)烟气组分检测要对烟气的组分，如CO、CO2、O2等气体含量检测，首先必须取样，由于烟气取样环境相对比较恶劣，常需要有针对性的取样探头。得到初样后，还要对样气进行预处理，除去样气中的水分和粉尘，这两者对后面的传感器检测都有很大的影响。经过预处理得到几乎无水无尘的样气后才能用相对应的传感器进行检测。对CO、CO2(CO的红外吸收峰在4.5μm附近，而CO2在4.3μm附近)常利用光学法进行检测，根据郎伯-比耳定理[2]

2)烟气的浊度检测原理一般也是采用光学法，不过实际设计比烟气组分的光学法检测较简单，上面的光学法检测主要是检测光被吸收的量，而浊度仪的光学检测主要是检测光的散射，对光源就没有烟气组分检测要求的那么高。我们设计的是双光程的浊度仪。

3)烟气的温度压力检测这种检测比较成熟，也比较简单，一般是利用热电耦对温度进行检测，根据温度的变化而引起热电耦电阻的相应变化来检测温度的大小。而烟气压力的检测现在常用的方法是利用皮托管来检测或者直接利用压力传感器进行检测。

1.2 CEMS的运行

CEMS系统中浊度仪和温度压力检测子系统运行和操作比较简单，下面主要介绍烟气组分检测的运行过程。CEMS的系统结构图如图1所示。

图1中，烟气通过4号元件(烟气采样头)进行粗过滤，主要目的是除去烟气中的大量灰尘，避免堵塞取样管道，然后再进入5号元件(分析柜)，在分析柜中要经过二次预处理过程，为传感器检查除去灰尘和水分。最后由传感器模块得到各气体组分溶度，并以4～20 mA的工业标准信号与浊度、温度、压力信号一起传送到主控室电脑上。

烟气取样的动力来源是分析柜前的风机，风机除了具有抽烟气的作用，更重要的作用是保证CEMS的实时性，通过变频器的调速作用使取样速率和烟气的流速基本保持同步。

2 变频器在其中的作用

变频器在该CEMS中的作用可以分成两点。

1)控制风机通过变频器的开关作用可以很好地控制风机的启停，同时还可以监察风机的基本运行状态。如果风机出现故障或堵塞，则变频器的电压输出会出现过载报警，为系统维护提供很好的监护作用。

2)实现CEMS的同步实时性根据烟道的烟气流速来控制变频器的输出，从而控制风机的转速，保证采样的同步性。

3 变频器应用设计

根据市场调查，选用了康沃CVF-S1-2S0007B型变频器。要利用变频器对风机进行控制，首先要明确，风机的控制源是烟气的流速，我们安装的CEMS系统是为回转窑设计的，回转窑烟气的流速是通过尾风风门控制的，而尾风风门的大小是由控制电机控制，通过读取尾风风门控制电机的0～10 V或4～20 mA的控制信号就可以得到与烟气流速一一对应的信号。利用A/D变换得到流速信号，再在单片机内部进行一定的软件算法补偿，接着通过RS485通信控制变频器调频输出，这就达到风机的取样与烟气流速的同步性。

下面介绍如何利用RS485通信控制变频器。

在CVF-S1系列变频器中提供了RS485 通讯接口，用户可通过PC/PLC实现集中监控(设定变频器的工作参数和读取变频器的工作状态)，以适应特定的使用要求。该变频器通讯协议是一种串行的主从通讯协议，网络中只有一个设备(主机)能够建立协议(称为“查询/命令”)。其它设备(从机)只能通过提供数据响应主机的查询/命令，或根据主机的命令/查询做出相应的动作。主机在此处指个人计算机(PC)、工控机或可编程控制器(PLC)等，从机指变频器。主机既能对某个从机单独访问，又能对所有的从机发布广播信息。对于单独访问的主机查询/命令，从机都要返回一个信息(称为响应);对于主机发出的广播信息，从机无须反馈响应给主机[3]。和RS485通讯有关的参数有b-1、b-2、H-65~H-70，对其都要进行相应的设置。

变频器的通讯方式包括：

1)采用主机“轮询”，从机“应答”点对点通讯;

2)利用变频器键盘设置变频器串行接口通讯参数，包括本机地址、波特率、数据格式，通过主机设置与变频器相同的波特率及数据格式;

3)数据通讯的报文共11个字节，包括帧头、用户数据、帧尾三部分;

(1)帧头包括起始字节、从机地址;

(2)帧尾包括校验数据(即校验和);

(3)用户数据包括参数数据和过程数据。其中参数数据包括编码操作命令/响应、编码地址、编码设定/实际值。过程数据包括主机控制命令/从机响应、主机运行设定/从机运行实际值。

主机(MCU)发给从机的报文的结构如表1所列。

而从机(变频器)对主机的响应报文的结构如表2所列。

变频器的RS485通讯是由MCU控制输出的，所以MCU要给出以RS485通讯电平为准的信号。对此单片机与变频器之间的接口方式利用了专用的RS485芯片MAX485作为电平转换，MAX485芯片的连接电路图如图2所示。

根据上面的各种设置方法和硬件电路结合，有下面几种在程序中的主从机报文。

1)将1号变频器的数字频率设定为27.00 Hz。

主机发送帧：

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

从机响应帧：

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

从机响应表明任务正确实现

2)控制1号变频器按10.30 Hz的频率正转。

主机发送帧：

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

从机响应帧：

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

从机响应表明任务正确实现

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

从机响应表明加速运行中发生过流通过硬件和相应的软件程序就可以实现对变频的控制，从而控制风机的取样速率，实现CEMS 的实时性。

4 结语

本文介绍了变频器在CEMS系统的风机控制和系统实时性控制中的作用，利用变频器和相应的控制电路结合可以有效地控制检测仪器检测过程。变频器的应用不仅仅是在回转窑的CEMS检测中，在各种环境检测中其都有很好的应用。