林业科学  2009, Vol. 45 Issue (6): 116-120   PDF    
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安源, 周玉成, 侯晓鹏, 张星梅, 匙璟青.
An Yuan, Zhou Yucheng, Hou Xiaopeng, Zhang Xingmei, Shi Jingqing
甲醛释放量气体分析法快速检测装置的设计与实现
Design and Implement of the Gas Analysis Fast Testing Devicefor Formaldehyde Emissions
林业科学, 2009, 45(6): 116-120.
Scientia Silvae Sinicae, 2009, 45(6): 116-120.

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收稿日期:2008-11-20

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安源
周玉成
侯晓鹏
张星梅
匙璟青

甲醛释放量气体分析法快速检测装置的设计与实现
安源, 周玉成, 侯晓鹏, 张星梅, 匙璟青     
中国林业科学研究院木材工业研究所 北京 100091
摘要: 在充分调研分析的基础上,设计开发基于欧洲标准BS EN 717-2: 1995《木质板材.甲醛释放量的测定.用气体分析法测定甲醛释放量》的甲醛释放量快速检测装置。装置采用西门子S7-200系列PLC CPU224作为其核心控制单元,选用北京昆仑通态自动化软件有限公司全中文工控组态软件MCGS编制人机交互界面程序,具有检测精度高、采集速度快、抗干扰性强等特点,可以使传统的甲醛释放量检测由原来的3~28天缩短为4 h,从而节省大量的人力、物力及财力,缩短检测周期。
关键词:甲醛释放量    快速检测    气体分析    可编程控制器    MCGS    
Design and Implement of the Gas Analysis Fast Testing Devicefor Formaldehyde Emissions
An Yuan, Zhou Yucheng, Hou Xiaopeng, Zhang Xingmei, Shi Jingqing    
Research Institute of Wood Industry, CAF Beijing 100091
Abstract: According to the Europe standard (BS EN 717-2: 1995: Wood Based Panels-Determination of Formaldehyde Release-Part 2: Formaldehyde Release by the Gas Analysis Method), the thesis, on the basis of a fully study and analysis, designed and made the gas analysis fast testing device for formaldehyde emissions. The device, which had the Siemens S7-200 PLC CPU 224 as central control unit and the MCGS as man-machine program, is featured largely in higher precision, higher speed and powerful anti-interference. It also decreased the time of testing formaldehyde release from 3~28 d to 4 h, thus it could save lots of human, material and financial resources.
Key words: formaldehyde release    fast test    gas analysis    PLC    MCGS    

近年来我国人造板行业发展迅速,至2007年,人造板的年产量突破8 000万方大关,居世界第一(林时峰,2008)。但随着人造板在家具及室内装饰装修中用量的增加,作为胶黏剂主要成分之一的甲醛,给人们带来的危害也越来越大。在正常情况下,人造板中甲醛的挥发期长达3~15年(张虎,2002),而到目前为止,人们还没有找到一种性能更优、价格更低的甲醛替代品,因而世界各国都高度重视甲醛给人类健康带来的危害。欧美等发达国家相继以法律的形式限制人造板及其他材料中甲醛的释放量,我国也颁布了强制性国家标准GB 18580-2001,规定从2002年7月1日起,甲醛释放量超标的产品一律不得在我国境内销售。

比较目前世界上通用的3种甲醛释放量测定的方法——干燥器法、穿孔萃取法和气候箱法,其中气候箱法模拟实际环境的温度、湿度以及气流状况,在评定其甲醛释放性能方面最具优势,一般被用作仲裁的方法。但是,气候箱法也存在一定的不足:其一,气候箱的测试周期较长,一般为3~28天,这就不能很好地满足目前市场变化节奏加快和一些特殊要求(如进出口货物的通关等);其二,气候箱的能耗较高,一台气候箱的功率约为3 kW,检测周期一般为7天,通过气候箱检测人造板甲醛释放时,每次消耗的电能为504 kW·h,能源消耗庞大。因此替代它的气体分析法(所谓的派生检测)被开发出来。

气体分析法,又称为快速检测法,可使检测周期由原来气候箱法的3~28天缩短为4 h,同时也具有精度高、节约能源等特点(Raner, 1989; 程放等,2005)。目前,欧洲已经制定出了气体分析法的标准——BS EN 717-2:1995《木质板材.甲醛释放量的测定.用气体分析法测定甲醛释放量》,同时也生产出了符合该标准的检测设备,如德国WEISS公司生产的“FAPE +60”型检测箱。而我国此类设备尚为空白,无法提供符合欧洲标准的检测条件。正是由于现行的甲醛检测方法种类不全,未形成体系,对人造板行业的健康发展带来了诸多不利。

本论文设计开发了基于欧洲气体分析法标准的甲醛释放量气体分析法检测装置,采用西门子S7-200系列PLC CPU 224作为其核心控制单元,MCGS作为其人机交互界面程序。本装置不仅填补了此类专用设备的空白,而且丰富了我国人造板甲醛释放量检测方法。

1 系统分析与设计

根据欧洲标准BS EN 717-2: 1995,对整个系统进行分析。甲醛释放量气体分析法检测装置的流程:将一块具有一定暴露面积的测试样品安放在温度、湿度、气流和压力等均控制在规定范围内的检测室内,甲醛从这个测试样品中释放出来,与检测室内的空气混合在一起,从检测室连续抽取混合气体并通过气体吸收瓶,瓶内的蒸馏水吸收测试样品所释放出的甲醛,直到测试最后,用分光光度计测定,用测定的浓度、抽样(气体)的时间和试件暴露的面积计算出甲醛释放量。以每平方米每小时释放甲醛毫克数计(罗敏生,2002)。

本装置需要满足以下条件:温度控制范围(60±0.5)℃;湿度控制范围(2±1)%;空气流量范围: (60±3)L·h-1;压力控制范围1 000~1 200Pa。

4个采集电磁阀还应具备分时开启的功能,即每过1 h开启1个电磁阀,同时,为了更精确地监控试验过程,确保试验的安全性,必须进行实时监控,并记录实时数据,以备日后检测装置之用。因此,检测仪器需要具备如下几个子系统(温欣玲,2005王平等2002王春芳等,2004宋海洲等,2003金以慧,2003)来保证实现上述功能。

1) 温度控制子系统  建立水域,控制加热器对水域进行加热,通过水泵将水打入检测箱外壁,再经由水循环管路流回水域中,利用CPU224自带的PID调节控制温度。

2) 湿度控制子系统  在空气通过气体循环管路和气泵进入检测箱前,必须经过空气过滤器(去除空气中的悬浮颗粒)、洗瓶(含钙的蒸馏水,加大碱度,提高清洁能力)和干燥瓶(二氧化硅凝胶,去湿性能强),得到纯净的干燥空气。

3) 压力控制子系统  通过压力变送器监控检测箱内的压力,调节单向截流阀,使系统压力在1 000~1 200 Pa之间。

4) 分时采样子系统  在试验过程,通过系统核心部件CPU224控制4个采集电磁阀,当检测箱温度满足试验条件时,每隔1 h开启1个,将检测箱中的混合气体排入吸收瓶中。当试验结束后,也可以实现电磁阀的同时开启,以便对系统中残留的混合气体进行清理。

5) 实时监控子系统  上位机的实时监控系统采用北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的全中文工控组态软件MCGS编制。MCGS具有简单灵活的可视化操作界面,实时性强,支持多种硬件设备(包括西门子),运行流程控制简便,具有良好的可维护性和可扩充性。

6) 数据库记录子系统  采用MCGS的数据库系统来管理,不仅可靠性高,而且也为用户分步组态提供了极大方便。

根据以上分析,设计装置系统构成如图 1所示。

图 1 装置系统构成图 Figure 1 System structure of the device 1.塑料消声器Plastic muffler;2.洗气瓶Gas washing bottle;3.干燥瓶Drying bottle;4.空气过滤器Inhaler;5.气泵Air pump;6.加热器Heater;7.水泵Water pump;8.水箱温度传感器Water tank temperature sensor;9.液位开关Liquid level switch;10.水箱Water tank;11.进水管Feed water pipe;12.回水管Back water pipe;13.进水口Water inlet;14.检测箱Testing chamber;15.出水口Water outlet;16.混合空气出口Mix air export;17.单向截流阀One-way throttle valve;18.加热空气出口Hot air export;19.加热空气进口Hot air import;20.检测箱温度传感器Testing chamber temperature sensor;21.压力传感器Air pressure sensor;22.电磁阀组Solenoid valve group;23.空气流量计Air-flow meter;24.单向截流阀One-way throttle valve.

其中PLC主要负责温度控制子系统(包括6,7,8,9,10)、湿度控制子系统(包括1,2,3,4)、压力控制子系统(包括21和24)和分时采样子系统(包括17和22)的工作,工控机负责实时监控子系统和数据库记录子系统的工作。

2 系统实现

装置的实现主要分成4个部分,分别是机体设计,控制电路设计,PLC程序设计,MCGS程序设计。

1.1 机体设计

为了使操作简单,便于日后维护,甲醛释放量快速检测装置的机体由4部分组成:控制柜及面板,检测箱体部分,吸收瓶部分,机械控制部分。

1.2 控制电路设计

根据设计要求,考虑到机器的先进性、可靠性和成本等因素,硬件部分选用西门子S7-200系列PLC CPU224作为核心控制单元,扩展一个西门子EM231模拟量采集模块。CPU224本身具有光电隔离的特性,加上采用AM-T-RTD U5全隔离信号调理模块,有效地提高了系统的抗干扰性。此外控制电路的硬件部分还包括OMRON MY2NJ型电磁继电器、朗宁H220D30型固态继电器、高品质24 V开关电源以及其他开关、熔断器等。

电路设计分为7个,分别是电源部分、控制回路、气泵控制回路、水泵控制回路、加热器控制回路、电磁阀组控制回路和信号采集回路。

1.3 PLC程序设计

本系统采用PC/PPI(RS-232/PPI)通信电缆,连接工控机上的串行通讯口(COM口)和CPU上的通讯口,并通过STEP7-Micro/WIN软件编写CPU224内部的软件程序。PLC的主要功能是控制装置中各部件的动作,完成检测过程。

程序有7个程序组成,分别是主程序MAIN、初始化子程序INITIALIZ、数据采集子程序DATA、控制子程序CONTORL、采集时间子程序TIMER、PID调节子程序TEMP_PID与PID中断TEMP_INT和系统清理子程序CLEAR。控制流程如图 2所示。

图 2 控制流程图 Figure 2 Control flow chart
1.4 MCGS程序设计

人机交互界面的编制采用全中文工控组态软件MCGS编制(李训杰,2005祝常红等,2004苏义鑫等,2003刘利平等,2004),主要实现如下功能:启动试验过程;提示试验完成;试验完成后,启动清理过程;提示清理完成;监控各个部件的工作状态;实时监控试验过程参数;显示过程参数实时曲线,并保存在后台数据库中;通过后台数据库中的数据,显示历史曲线和历史表格;具备安全机制。工程框架图如图 3所示。

图 3 MCGS工程框架图 Figure 3 The block diagram of MCGS project
3 结语

甲醛释放量气体分析法快速检测装置已经通过国家标准物质研究中心认证,其精度已经超过欧洲标准BS EN 717-2中规定的产品水平,温度精度(60±0.2)℃,湿度精度为(2±0.5)%,压力在1 000~1 200 Pa之间,气流为60 L·h-1。通过以上所述的控制方式,在启动后1 h内,检测装置就能达到试验条件,在满足试验条件的基础上,4个采集电磁阀实现了分时开启的功能,即从试验正式开始,每1 h开启一个。本装置的整个检测时间约为5 h,功率约为1 kW,检测一次所需电能约为5 kW·h,是气候箱法(504 kW·h)的1%。同时系统加入了清理功能,可以在试验开始前或者试验结束后,对检测箱以及混合气体管路进行及时的清理,保证了试验数据的准确性。图 4为装置的计算机监控历史曲线界面。

图 4 装置运行历史曲线 Figure 4 Historical curve of testing device

该装置采用西门子S7-200系列PLC不仅缩短了设计周期,而且极大地提高了整个系统的可靠性、安全性和稳定性,同时采用北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的全中文工控组态软件MCGS对整个系统进行实时监控,令整个试验过程更具直观效果,通过对现场信号的采集,保存了大量有价值的试验数据,方便用户日后使用。

甲醛释放量气体分析法快速检测装置的研发成功将为我国人造板的甲醛释放量检测提供了更先进的检测方法与设备,对我国人造板行业的进一步发展,将起到积极的作用。

参考文献(References)
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