涉氣污染企業(yè)在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計*

北京科技大學天津學院 周洋 張偉 張鴻博 馮浩

本文針對涉及大氣污染的企業(yè)環(huán)保監(jiān)控問題,提出一種間接監(jiān)控策略。即分別用設備端監(jiān)測生產裝置與環(huán)保裝置的用電情況,來反映企業(yè)是否違規(guī)生產排污的難題。同時,設計設備端與平臺端的軟硬件架構,并試制出設備端兩臺樣機,與平臺端一起搭建測試環(huán)境。結論表明,系統(tǒng)能夠實現(xiàn)本文的設計理念,并及時正確地判斷出違規(guī)生產的情況,對工程實踐有一定的參考意義。

1 系統(tǒng)的設計需求及背景

北方秋冬的霧霾天氣至今仍嚴重影響居民的生產生活。一方面,進入供暖季節(jié)后,供熱電廠、供熱站的排污問題已通過煤改氣、煤改電等措施得到緩解[1]。比如,北京市在2016年前后,區(qū)域內所有的熱能發(fā)電廠的燃料已經由傳統(tǒng)的煤改為天然氣[2];石家莊市的市區(qū)及郊區(qū)2018年冬季已完全禁止燒煤取暖。但是另一方面,雖然政策規(guī)定企業(yè)生產排污前須經過廢氣處理環(huán)節(jié),企業(yè)實際中是否真正開啟環(huán)保治污設備情況基本上都靠企業(yè)的自覺性去執(zhí)行;據(jù)環(huán)保執(zhí)法部門公開的統(tǒng)計資料,企業(yè)自主執(zhí)行效果普遍不佳。此類涉氣企業(yè)的偷排污現(xiàn)象加劇了不良擴散氣象條件下霧霾的嚴重程度[3]。

鑒于以上情況,河北省政府在2019年8月分別下發(fā)《關于強力推進大氣污染綜合治理的意見》及《河北省工業(yè)污染源全面達標排放專項實施方案》兩份文件,并選擇保定、邯鄲與衡水作為示范城市,分批強制執(zhí)行企業(yè)安裝監(jiān)控設備,數(shù)據(jù)上送到地級市的環(huán)保局監(jiān)控平臺以作進一步處理。

本文中的設計是基于工程項目中環(huán)保局提出的需求,分別設計了在線監(jiān)測平臺系統(tǒng)及現(xiàn)場監(jiān)測設備,并根據(jù)現(xiàn)場運行情況進行算法的優(yōu)化和改進。同時,考慮到本科教學的實際需求和實驗室的軟硬件條件,對系統(tǒng)的平臺端和設備端進行了簡化處理,以在實驗室的模擬環(huán)境中實現(xiàn)系統(tǒng)的完整功能,并對參與其中的學生進行貼近工程實際技的能訓練。

2 系統(tǒng)的總體設計

對污染氣體的監(jiān)測存在直接和間接兩種方式。直接方式為在企業(yè)的排污口安裝氣體探測設備,在某一種或幾種有毒氣體的含量超標之后立即報警[4-6]。這種方式的優(yōu)點是反映迅速、測量準確;缺點是設備安裝成本高,設備單臺成本在萬元左右,且半年需要更換一次氣體探頭,后續(xù)的維護成本高。根據(jù)環(huán)保局的相關統(tǒng)計數(shù)據(jù),95%以上的企業(yè)沒有安裝此類設備的意愿。故不采用這種監(jiān)測方式。

在涉氣企業(yè)的實際生產過程中,往往不需要精確知曉企業(yè)廢氣中某種氣體的含量,只需掌握企業(yè)的尾氣是否經過環(huán)保設備處理后排放,此為間接監(jiān)測方式。企業(yè)是否違規(guī)操作,只關聯(lián)到廢氣處理的兩個生產流程,即生產裝置開機前后的環(huán)保裝置提前預熱和延后關閉。廢氣處理分為兩種處理方式[7]:物理處理和化學處理。物理處理裝置包括活性炭吸附裝置和濾網裝置;化學處理裝置有生物催化器和光氧化催化器,化學處理裝置發(fā)揮效能需要提前一段時間開機,以使反映媒介達到臨界狀態(tài)。當生產裝置開機后,廢氣即刻產生;生產裝置關機后,殘存在生產管道中的尾氣仍需處理一段時間。故考慮上述情況后,判定企業(yè)正常生產的條件,至少應定為環(huán)保裝置開機時間不晚于生產裝置開機時間,關機時間不早于生產裝置關機時間。裝置的啟停狀態(tài)可以通過讀取裝置供電線路上的電流電壓來判斷,如此則整體監(jiān)測流程的復雜度大大下降。

基于上述考慮,在線監(jiān)測系統(tǒng)整體設計為三層架構,即平臺處理層、通信傳輸層和現(xiàn)場設備層。如圖1所示。

圖1 在線監(jiān)測系統(tǒng)架構圖Fig.1 Architecture diagram of online monitoring system

3 設備端的設計

現(xiàn)場設備,是指分別安裝在生產線上的生產裝置和環(huán)保裝置同一供電線路上游段的裝置。由于要監(jiān)測是否排污,故在生產裝置和與之對應的環(huán)保裝置上分別安裝一臺,并記錄其對應關系,二者合稱為設備對。本文目前只考慮生產裝置和環(huán)保裝置一一對應的應用場景。設備的工作原理與常見的居民工業(yè)用電計量表類似,不同的是其功能做了特定增刪。其主要功能包括監(jiān)測電壓電流、記錄通斷電時間、報警和遠程通信。

3.1 設備端硬件設計

根據(jù)上述功能敘述,設備的硬件設計主要包括五個模塊:電源模塊、AD轉換模塊、CPU、通訊模塊和報警模塊。

其中,報警模塊主要是為防止企業(yè)私自改動設備接線而設計的,一旦企業(yè)私自打開設備的外殼,設備馬上切斷線路供電并發(fā)出遠程報警信息和鳴笛聲。模塊之間的關系見圖2。由于有數(shù)據(jù)精度及通訊時效性的要求,CPU采用ARM11系列處理器,AD轉換模塊采用32位芯片,通訊模塊采用物聯(lián)網傳輸模塊。充電電池模塊有大容量電解電容為主體進行設計,設備接通電源后自動充電,其作用是在設備突然斷電后,把設備斷電的通訊報文發(fā)送到平臺端。

圖2 設備硬件架構圖Fig.2 Device hardware architecture diagram

3.2 設備端軟件設計

設備端實現(xiàn)五個主要的功能:電流電壓值監(jiān)測、定時上送數(shù)據(jù)、平臺端命令接收和執(zhí)行、異常斷電和停上電狀態(tài)上送。電流和電壓的數(shù)據(jù)需要實時監(jiān)測,并由算法判斷機器是否只通電不開機;數(shù)據(jù)上送流程根據(jù)通信協(xié)議的選擇而不同,按規(guī)定每小時的0、15、30、45時刻主動上送(HJ212-2017協(xié)議)[8],或平臺端主動下發(fā)查詢數(shù)據(jù)的報文(GD376.8-2013及DL/T634.5104-2002協(xié)議)[9-10],此部分數(shù)據(jù)以遙測值的浮點數(shù)形式上送;平臺端命令響應主要涉及對時命令和強制斷電命令(只涉及GD376.8及DL/T634.5104-2002協(xié)議);異常斷電功能主要是針對現(xiàn)場企業(yè)私自打開設備機殼設置的,一旦機殼被打開,立刻上送平臺端的報警信息并斷電;停電狀態(tài)上送功能主要是以遙信值的形式,將經算法判定的環(huán)?；蛘呱a設備的通電狀態(tài)、異常斷電狀態(tài)、通斷電開關信號上送。

經對通訊數(shù)據(jù)性質進行分類后,對經由通訊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分為如下三類:遙信量,即由設備端上送平臺端的開關量,包括生產環(huán)保裝置的異常斷電信號和啟停信號;遙測量,即由設備端向平臺端發(fā)送的生產裝置、環(huán)保裝置的電流電壓電度等電量值,以及測量值對應的時間戳;命令量,即由平臺端下發(fā)到設備端的對時命令和斷電命令。

對數(shù)據(jù)類型和基本功能進行綜合考慮后,本文對軟件架構采用層次化設計,主要分為四個功能層次:通訊報文層、數(shù)據(jù)處理層、共享內存層和硬件執(zhí)行層。四個軟件功能層及其與對應硬件層的邏輯關系如圖3所示。

圖3 設備端軟件層次邏輯關系Fig.3 The logical relationship of the device software level

4 系統(tǒng)平臺端的設計

系統(tǒng)平臺端的作用是接收設備端上傳的數(shù)據(jù),并解析出電量、設備開關時刻等信息。針對成對的環(huán)保設備與生產設備,在生產設備開機階段,對二者的開機時間進行先后判斷,給出是否違規(guī)開機的判斷;在生產過程中,平臺每15分鐘統(tǒng)一下發(fā)查詢數(shù)據(jù)的命令,并根據(jù)回傳的設備運行數(shù)據(jù),判斷企業(yè)是否在生產期間違規(guī)關停環(huán)保設備;在生產結束后,判斷環(huán)保設備是否晚于生產設備關停。以上的判斷結果顯示到軟件界面作為報警提示信息。

4.1 平臺端硬件架構

系統(tǒng)平臺端的硬件架構相對簡單,當設備上傳數(shù)據(jù)通過無線傳輸網絡接入服務器,平臺端的所有程序均部署在一臺服務器上。當平臺通過設備上傳數(shù)據(jù)計算得出環(huán)保設備違規(guī)啟停的事件后,由顯示器和揚聲器發(fā)出報警提示信息。平臺端的硬件架構示意圖如圖4所示。

圖4 平臺端硬件架構示意Fig.4 Schematic of the hardware architecture of the platform

4.2 平臺端軟件架構的設計

平臺端的軟件采用模塊化設計,具體模塊間的邏輯關系如圖5所示,由于計算量和業(yè)務處理邏輯遠遠比單臺設備復雜,故根據(jù)分層處理的原則每個模塊編寫單獨的程序來實現(xiàn)。一方面,減少系統(tǒng)間的耦合程度,方便調試代碼及測試程序;另一方面,留出后續(xù)系統(tǒng)升級改進的空間。

圖5 平臺端各功能模塊間的邏輯關系Fig.5 The logical relationship between the functional modules on the platform

當設備數(shù)據(jù)報文傳輸?shù)狡脚_端后,先經過通訊報文模塊處理提取出每臺設備的電流電壓等遙測信息,以及開關量的遙信數(shù)據(jù),此類數(shù)據(jù)稱作一級數(shù)據(jù)。隨后,數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)設備對之間的對應關系,根據(jù)5章中提到的場景進行業(yè)務邏輯判斷,判斷結果作為二級數(shù)據(jù),合并一級數(shù)據(jù)后,傳送到共享內存模塊。共享內存模塊的作用有二:(1)一二級數(shù)據(jù)顯示到大屏的展示界面模塊上,同時將違規(guī)信息以語音播報出來;(2)將一二級數(shù)據(jù)定時存入數(shù)據(jù)庫模塊。數(shù)據(jù)庫模塊保留30天內的歷史數(shù)據(jù),并具備數(shù)據(jù)導出界面功能,可以根據(jù)不同的查詢方式生成數(shù)據(jù)文件,以.CSV格式導出。

4.3 系統(tǒng)通訊機制的設計

經過前期調研,環(huán)保行業(yè)和自動化行業(yè)常見的通訊協(xié)議有:工控領域的MODBUS協(xié)議,環(huán)保行業(yè)的HJ212-2017協(xié)議,電力行業(yè)的GD376.8-2013及IEC60870-5-104:2000協(xié)議。經過比較以上四種協(xié)議的實現(xiàn)邏輯和本文所應用的軟硬件條件后,最終選擇MODBUS協(xié)議。

為保證設備端的運行數(shù)據(jù)及時上傳到平臺端,并考慮最大成本地節(jié)省通訊成本,設計系統(tǒng)平臺與設備端的通訊機制分為兩種。第一種是由平臺端在每小時的0/15/30/45時刻向各設備主動下發(fā)查詢命令,設備端逐一回復。設備端回復的報文中包含設備編號、設備類型、所配對的另一臺設備、電壓、電流、通電狀態(tài)、報警狀態(tài)、日期時間的信息。平臺端解析出的信息存入數(shù)據(jù)結構DevData1中。其具體格式如下:{DevNO:int,DevType:int,PairDevNO:int,Voltage:float,Current:float,PowerStatus:bool,Alarm:bool,DateTime:string}。其中,int代表整形的數(shù)據(jù)類型,float代表浮點數(shù)數(shù)據(jù)類型,bool代表布爾類型,string代表字符串行,本文中應用精確到秒的14位字符串,格式定為年(4位)月(2位)日(2位)時(2位)分(2位)秒(2位),如20210915144152。

第二種數(shù)據(jù)是在突發(fā)數(shù)據(jù),主要指設備斷電、上電和發(fā)生報警的情況下,設備將信息實時發(fā)送到平臺端。此部分數(shù)據(jù)結構DevData2較DevData1簡單,只涉及設備編號、設備類型、所配對的另一臺設備、通電狀態(tài)、報警狀態(tài)、日期時間的信息。其具體格式如下:{DevNO:int,DevType:int,PairDevNO:int,PowerStatus:bool,Alarm:bool,DateTime:string}。數(shù)據(jù)類型代表的信息同DevData1。

5 系統(tǒng)測試

平臺對設備端是否發(fā)出報警的判斷決定于環(huán)保/生產裝置的開啟與關閉時間、是否有突發(fā)的設備報警與斷電。針對不同的業(yè)務判斷邏輯,總結出八種測試場景,如表1所示。

表1 不同的業(yè)務測試場景Tab.1 Different business test scenarios

限于實驗室的條件,最終的系統(tǒng)測使用2臺設備端的樣機來分別模擬一組設備對中的生產與環(huán)保裝置,系統(tǒng)平臺端部署在服務器上,所采用的物聯(lián)網傳輸模塊的運營商選擇為中國移動。人為控制環(huán)保設備與生產設備的開啟和關閉,為避免人為操作的誤差,每個場景模擬100次左右,除去操作過程中的硬件故障和人為失誤外,有效的測試結果如表2所示。表中,平均用時是指每次人工操作完設備,平臺端給出是否正常,所用的平均時間。

表2 不同場景的正確率Tab.2 The correct rate of different scenarios

表2中,正確率均達到95%以上,證明本文的設計達到預期目的,且有相當?shù)膶嵱眯?。平均用時較長的原因是,數(shù)據(jù)從設備端發(fā)送到平臺端需要經過移動公司的通信網絡。實測數(shù)據(jù)顯示,從設備端發(fā)出通訊報文,到平臺端接收到報文,用時15～23秒不等,這方面的耗時屬于非可控因素,與測試時刻的移動網絡的信號強度、氣象因素、用戶數(shù)量、信道上下行速率等因素有關,不在本文的研究范圍內。

6 結論

針對涉及大氣排污企業(yè)的環(huán)保監(jiān)控問題,本文創(chuàng)造性地提出一種間接監(jiān)控策略,并設計出設備端和平臺端的軟硬件架構。在測試階段,通過搭建2臺設備樣機與一套平臺端的系統(tǒng),驗證了設計理念的正確性,對工程實踐有一定的參考價值。

引用

[1] 楊楠,隆艦艇,黃悅華,等.考慮增量用電負荷分配的煤改電/煤改氣聯(lián)合分階段規(guī)劃[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2020(17):55-67.

[2] 晨曦,張玉明.北京的藍天與“煤改氣”[J].中國設備工程,2018(01):16.

[3] 趙樹慈.河北省重點行業(yè)VOCs產排污及污染治理現(xiàn)狀[J].環(huán)境與發(fā)展,2018,30(02):75-76.

[4] 鄭宗園,韓燕,夏麗娟.大氣環(huán)境監(jiān)測的數(shù)字化測量核心要點分析[J].中國標準化,2019(10):246-247.

[5] 王一男,王珊,楊冬雪,等.大氣污染物自動監(jiān)測留樣設備:中國,CN213022500U[P].2021-04-02.

[6] 韓文.大氣環(huán)境監(jiān)測質量控制的有效方法分析[J].生態(tài)環(huán)境與保護,2021,4(2):72-73.

[7] 任子云.污染空氣的處理方法及設備:中國,CN1258833[A].2000-07-05.

[8] HJ212-2017,污染物在線監(jiān)控(監(jiān)測)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標準[S].北京:中華人民共和國環(huán)境保護部,2017.

[9] Q/GDW376.8-2013,電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議[S].北京:國家電網公司,2013.

[10] DL/T634.5104-2002,遠動設備及系統(tǒng)[S].北京:中華人民共和國國家經濟貿易委員會,2002.