基于PLC技術(shù)的自動(dòng)化環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備功能優(yōu)化設(shè)計(jì)

李鵬光 周 洪 呂志偉

（重慶中建機(jī)械制造有限公司，重慶 401329）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的快速增長(zhǎng)，環(huán)保工作面臨著巨大的挑戰(zhàn)。各級(jí)環(huán)保部門在開展環(huán)境保護(hù)工作的過(guò)程中，都在積極進(jìn)行新的環(huán)保設(shè)備研發(fā)和技術(shù)更新，以通過(guò)實(shí)時(shí)、科學(xué)的環(huán)保監(jiān)測(cè)來(lái)保障環(huán)境保護(hù)策略的有效性。信息時(shí)代到來(lái)以后，很多環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備中都融入了可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術(shù)。通過(guò)將這一技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合，使環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備兼具了多種自動(dòng)化功能。

1 環(huán)保監(jiān)測(cè)概述

環(huán)保監(jiān)測(cè)是監(jiān)控、分析環(huán)境基本狀況及其變化趨勢(shì)的一個(gè)過(guò)程，主要在于為環(huán)境保護(hù)提供基本的數(shù)據(jù)支持。這一過(guò)程一般由政府部門主導(dǎo)，通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取與分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境質(zhì)量的科學(xué)評(píng)估，同時(shí)對(duì)環(huán)境質(zhì)量的變化情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，以避免環(huán)境的進(jìn)一步惡化，達(dá)到改善環(huán)境的目的。環(huán)保監(jiān)測(cè)的核心在于獲取第一手的環(huán)境數(shù)據(jù)，為環(huán)境質(zhì)量變化的趨勢(shì)提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，從而在環(huán)境治理及保護(hù)的過(guò)程中基于這些數(shù)據(jù)制定科學(xué)合理的方案，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)環(huán)保的目標(biāo)。環(huán)保監(jiān)測(cè)的對(duì)象包括地理、空氣及水文等。監(jiān)測(cè)的方法可以分為物理方法、生物方法及化學(xué)方法等。環(huán)保監(jiān)測(cè)表現(xiàn)出較強(qiáng)的連續(xù)性，需要持續(xù)對(duì)某一對(duì)象施行監(jiān)測(cè)，以確保所獲取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤，并且可追溯。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，環(huán)保監(jiān)測(cè)的方式也在不斷改變。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備的應(yīng)用，使環(huán)保監(jiān)測(cè)變得更為高效和準(zhǔn)確，獲取數(shù)據(jù)的方式更加便捷，極大地提高了監(jiān)測(cè)的效率和效果。

2 自動(dòng)化環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備所具備的優(yōu)勢(shì)分析

2.1 更高的監(jiān)測(cè)效率

在傳統(tǒng)的環(huán)保監(jiān)測(cè)中，每次監(jiān)測(cè)都需要應(yīng)用到多種儀器，還涉及到樣品采集、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析等一系列工作，整個(gè)過(guò)程非常復(fù)雜。自動(dòng)化環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備集成了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠針對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析和處理在監(jiān)測(cè)過(guò)程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，生成全面的污染統(tǒng)計(jì)圖表，使環(huán)境污染狀況一目了然。這不僅減少了監(jiān)測(cè)人員的工作量，也能夠使監(jiān)測(cè)過(guò)程更為高效。在面臨重大環(huán)境污染的情況下，這樣可以更快地做出反應(yīng)，從而迅速掌握污染的實(shí)際情況，采取對(duì)應(yīng)的保護(hù)措施，提高環(huán)保工作的效率。

2.2 更好的監(jiān)測(cè)效果

在以往人工監(jiān)測(cè)的方式中，監(jiān)測(cè)流程極為復(fù)雜，監(jiān)測(cè)結(jié)果也容易受到人為因素的影響而出現(xiàn)偏差或者錯(cuò)誤，無(wú)法保證監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。自動(dòng)化環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了整個(gè)監(jiān)測(cè)流程的自動(dòng)化，很大程度上避免了人為因素對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的干擾，提高了監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。另外，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備不受人為等因素的限制，能夠根據(jù)需要開展長(zhǎng)期的全天候監(jiān)測(cè)，很大程度上彌補(bǔ)了以往環(huán)保監(jiān)測(cè)難以持久的弊端，使監(jiān)測(cè)人員能夠及時(shí)掌握環(huán)境質(zhì)量的變化情況，從而為環(huán)境保護(hù)工作提供支持作用。

2.3 更低的監(jiān)測(cè)成本

自動(dòng)化環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備系統(tǒng)雖然總體造價(jià)不菲，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來(lái)看，其監(jiān)測(cè)成本依然低于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備投入使用僅需要前期的設(shè)備購(gòu)買、安裝、調(diào)試以及后期的維護(hù)等費(fèi)用，就可以長(zhǎng)期服務(wù)于環(huán)保監(jiān)測(cè)工作。與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式相比，這種監(jiān)測(cè)模式極大地節(jié)約了人力成本。另外，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式由于數(shù)據(jù)偏差、失真而造成的資源、資金浪費(fèi)情況非常嚴(yán)重，自動(dòng)化環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備系統(tǒng)則沒(méi)有這一困擾。通過(guò)自動(dòng)監(jiān)測(cè)所獲取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性極高，即便是數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤，也可通過(guò)調(diào)整來(lái)進(jìn)行修正，從而極大地節(jié)約了環(huán)保成本。

3 自動(dòng)化環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)具備的功能

3.1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)

任何的環(huán)保監(jiān)測(cè)工作都是一項(xiàng)長(zhǎng)期性的工作，只有在長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)工作下，才能夠密切掌握各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的變化規(guī)律，從而方便環(huán)保部門直接利用環(huán)保監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。自動(dòng)化環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備在各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)中，可自動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取和傳輸。環(huán)保部門的專業(yè)人員可隨時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)站點(diǎn)中相應(yīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的調(diào)取和利用。環(huán)保監(jiān)測(cè)人員在監(jiān)測(cè)中心控制室內(nèi)可實(shí)時(shí)監(jiān)控監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境問(wèn)題。

3.2 自動(dòng)預(yù)警

傳統(tǒng)的環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備不具有自動(dòng)預(yù)警功能，即使在監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了污染超標(biāo)的情況，也無(wú)法第一時(shí)間向環(huán)保部門反饋。因此，自動(dòng)化環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)兼具自動(dòng)預(yù)警的功能。任何環(huán)保監(jiān)測(cè)參數(shù)都有著一定的安全限值，當(dāng)其中的某一監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出這一限值以后，系統(tǒng)要立即發(fā)送相應(yīng)的預(yù)警信息，以提醒環(huán)保部門根據(jù)所掌握的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和信息開展相應(yīng)的環(huán)保工作。自動(dòng)化環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備中的自動(dòng)預(yù)警，能夠使環(huán)保預(yù)警更具主動(dòng)性，可在污染出現(xiàn)的第一時(shí)間進(jìn)行污染防控[1]。

3.3 信息共享

自動(dòng)化環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備中還應(yīng)具備信息共享的功能。只有通過(guò)各部門之間的信息共享，自動(dòng)化環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備才能夠保持環(huán)保數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和傳輸?shù)募皶r(shí)性，使參與環(huán)保工作的所有部門都能在自動(dòng)化環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備的支持下，直接調(diào)用設(shè)備所得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為環(huán)保部門的監(jiān)測(cè)信息自動(dòng)分析和在線查詢提供便捷，使不同部門之間可以保持高度配合。

4 PLC技術(shù)下的自動(dòng)化環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備功能優(yōu)化

4.1 數(shù)據(jù)采集與整理

目前，在市場(chǎng)化的自動(dòng)化環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備中，PLC是控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。在利用PLC進(jìn)行全新控制系統(tǒng)的構(gòu)建時(shí)，除了要考慮設(shè)備、系統(tǒng)之間的兼容性外，更需要考慮設(shè)備的堅(jiān)固程度、耐磨性、耐久性等因素。另外，為使自動(dòng)化環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備的功能可以符合環(huán)保工作的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)確保PLC的精確性和可靠性[2]。在自動(dòng)化環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行中，PLC是環(huán)保監(jiān)測(cè)的運(yùn)算核心。為發(fā)揮其功能作用，應(yīng)將其與環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備可靠連接，并選用抗干擾性強(qiáng)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換迅速的PLC設(shè)備。

以某地區(qū)的環(huán)保監(jiān)測(cè)工作作為研究對(duì)象，經(jīng)由綜合性因素的考慮，最終所選取的是FX-3U系列的PLC設(shè)備。

此PLC中的配置為CPU 224XP，具有模擬量采集的特殊功能。在用其進(jìn)行模擬量的采樣工作時(shí)，所選擇的時(shí)間點(diǎn)應(yīng)為程序讀取點(diǎn)時(shí)刻。在這一過(guò)程中，可同步進(jìn)行端口模擬量的轉(zhuǎn)換，以此得出最終的轉(zhuǎn)換結(jié)果。這一轉(zhuǎn)換過(guò)程的時(shí)間消耗可保持在149 μs以內(nèi)。因?yàn)檫@一環(huán)節(jié)所得到的轉(zhuǎn)換數(shù)值僅能反映采樣時(shí)的端口模擬量數(shù)值，且并未經(jīng)過(guò)統(tǒng)一的線性化處理和濾波處理，所以為達(dá)到數(shù)據(jù)采集和處理的良好效果，可直接利用PLC中的高速跟蹤能力來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

以PLC的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為區(qū)別，在開展相應(yīng)的設(shè)計(jì)工作時(shí)，自動(dòng)化環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備的功能優(yōu)化應(yīng)包含OS整體運(yùn)行模塊、OB主體模塊、SBR單元模塊和INT預(yù)警模塊。在這4個(gè)模塊中，OS是作為整體運(yùn)行模塊而存在的。為達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，它應(yīng)以中央處理器為RUN模式，驅(qū)使OS和OB進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)設(shè)置OB模塊的自動(dòng)循環(huán)周期[3]。當(dāng)環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，所監(jiān)測(cè)的環(huán)境數(shù)據(jù)到達(dá)SBR單元模塊所確定的條件下時(shí)，應(yīng)立即停止主體模塊的運(yùn)行，隨后用單元模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)特征的全面分析。在得到了相應(yīng)的結(jié)果以后，可以依據(jù)特定的規(guī)范提取特征，并將所提取的數(shù)據(jù)返回到主體模塊OS內(nèi)，然后執(zhí)行下一步的程序。OS在接收到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)特征以后，可根據(jù)這些特征數(shù)據(jù)的分析結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)律總結(jié)。若規(guī)律值存在異常波動(dòng)，應(yīng)立即將該數(shù)據(jù)傳輸?shù)絀NT模塊，由INT中的對(duì)應(yīng)模塊結(jié)合數(shù)值波動(dòng)的強(qiáng)烈程度來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分區(qū)，并將最終所得結(jié)果輸出。

4.2 監(jiān)測(cè)終端顯示

在PLC的運(yùn)行過(guò)程中，由前期所采集到的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，可在原有設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行監(jiān)測(cè)終端顯示功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在環(huán)保監(jiān)測(cè)的同時(shí)，監(jiān)測(cè)設(shè)備終端可將最終的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以圖像的形式實(shí)時(shí)顯示。作為數(shù)據(jù)顯示終端，單一的顯示功能往往難以滿足要求。由于環(huán)保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出實(shí)時(shí)變化的特點(diǎn)，而且監(jiān)測(cè)環(huán)境中也存在著一定的變動(dòng)性因素，為符合當(dāng)下環(huán)保監(jiān)測(cè)的工作要求，在利用PLC技術(shù)開展自動(dòng)化環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備的功能優(yōu)化時(shí)，可將常規(guī)的顯示終端改成觸摸屏形式的顯示面板[4]。

現(xiàn)階段的市場(chǎng)中，觸摸屏面板型號(hào)有多種，最為常用的為TP277、TP177A、TP177B等。在整理前期PLC所采集到的信息數(shù)據(jù)時(shí)，可根據(jù)觸摸屏上的顯示按鈕進(jìn)行對(duì)應(yīng)的選擇，使相關(guān)人員在進(jìn)行環(huán)保監(jiān)測(cè)工作時(shí)，能夠在觸摸屏顯示面板上顯示對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，從而快速找到環(huán)保監(jiān)測(cè)中數(shù)據(jù)變動(dòng)最大的部位。另外，在觸摸屏面板的選擇方面，同樣要考慮存儲(chǔ)容量、接口、內(nèi)置接口、插槽等部件的選擇，使自動(dòng)化環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備獲取環(huán)境數(shù)據(jù)的過(guò)程中，能夠保障數(shù)據(jù)組態(tài)對(duì)比、儲(chǔ)存?zhèn)浞莸撵`活性[5]。

觸摸屏顯示器的就地控制功能使相關(guān)人員在環(huán)保監(jiān)測(cè)工作中可直接實(shí)時(shí)查詢監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控所連接的各種設(shè)備。若相應(yīng)的設(shè)備在環(huán)保監(jiān)測(cè)的過(guò)程中出現(xiàn)了卡頓、頁(yè)面閃退等異常情況，觸摸面板可立即進(jìn)行故障預(yù)警，以提醒后臺(tái)管理人員進(jìn)行相應(yīng)的故障處理。

4.3 設(shè)備隨機(jī)反應(yīng)與分析能力

在優(yōu)化數(shù)據(jù)采集、整理和顯示功能后，根據(jù)終端顯示的異常數(shù)據(jù)可對(duì)該區(qū)域開展相應(yīng)的監(jiān)測(cè)。為符合PLC技術(shù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能，要改進(jìn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的隨機(jī)反應(yīng)和分析處理能力。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能往往會(huì)受到環(huán)境中諸多因素的影響，這一系列的干擾因素都可能導(dǎo)致環(huán)保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生一定的波動(dòng)，從而產(chǎn)生差錯(cuò)。在進(jìn)行環(huán)保監(jiān)測(cè)工作時(shí)，若監(jiān)測(cè)環(huán)境出現(xiàn)了隨機(jī)狀態(tài)反應(yīng)，需要對(duì)這一反應(yīng)數(shù)據(jù)的濃度、密度、質(zhì)量、成分等基本信息實(shí)施連續(xù)、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。因此，對(duì)環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備的優(yōu)化也需要從隨機(jī)反應(yīng)和分析處理能力的改進(jìn)出發(fā)。

4.4 設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸速度

在對(duì)某一區(qū)域展開監(jiān)測(cè)活動(dòng)并獲取了相應(yīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)PLC技術(shù)下自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募磿r(shí)性，還要優(yōu)化并提升監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸速度。設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中會(huì)受到諸多因素的影響，如端口反應(yīng)系數(shù)、數(shù)據(jù)量等因素。任何因素都有可能導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸速率受到影響，極端情況下甚至?xí)斐蓴?shù)據(jù)的丟失，導(dǎo)致所獲取到的設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不完整，最終影響整體監(jiān)測(cè)效果，因此必須要對(duì)設(shè)備傳輸速度進(jìn)行優(yōu)化。利用PLC編程算法，通過(guò)專門的通信接口，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的安全快速傳輸。自動(dòng)化環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備系統(tǒng)能極大地提高環(huán)保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋瑥亩档驮O(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，提升設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸效果。

5 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備在當(dāng)前的環(huán)保工作中起著不可替代的作用。隨著信息時(shí)代的發(fā)展，市場(chǎng)上已有的環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備也需要緊跟信息時(shí)代的發(fā)展要求，在環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備中積極引入PLC技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備的功能改進(jìn)和優(yōu)化，保障環(huán)保監(jiān)測(cè)的連續(xù)性和實(shí)時(shí)性。