環(huán)保設(shè)備中自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展

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【摘要】隨著科技的不斷進(jìn)步，自動(dòng)化技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用尤其是在環(huán)保設(shè)備制造業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，利用自動(dòng)化技術(shù)可以使環(huán)保決策更加高效，因此將自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于環(huán)保設(shè)備是今后環(huán)保設(shè)備發(fā)展的重要方向。為了使自動(dòng)化技術(shù)在環(huán)境治理領(lǐng)域做出更大的貢獻(xiàn)，我們有必要研究自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，以及自動(dòng)化技術(shù)在環(huán)境治理中的具體應(yīng)用和未來(lái)的發(fā)展方向。文章對(duì)自動(dòng)化技術(shù)在環(huán)境保護(hù)設(shè)備中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景進(jìn)行了深入的探討，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】環(huán)保設(shè)備；自動(dòng)化技術(shù)；應(yīng)用發(fā)展

引言

自動(dòng)控制技術(shù)是在設(shè)備無(wú)人值守的條件下，自動(dòng)地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、傳輸、檢測(cè)、誤差估計(jì)及控制的一種技術(shù)。自動(dòng)控制技術(shù)在20世紀(jì)70年代被發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛采用，20世紀(jì)80年代，微電子技術(shù)的興起推動(dòng)了自動(dòng)化機(jī)械制造技術(shù)的迅速發(fā)展。以自動(dòng)化技術(shù)為核心的電子系統(tǒng)和機(jī)械設(shè)備在國(guó)外十分流行，而在我國(guó)，自動(dòng)化技術(shù)正處于快速發(fā)展的階段。在國(guó)內(nèi)，高性能自動(dòng)化機(jī)械是一個(gè)非常具有發(fā)展前景的研究課題。

1自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用在環(huán)保設(shè)備中的意義

1.1低成本、準(zhǔn)確性高

在環(huán)境保護(hù)設(shè)備中應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)，可大大降低環(huán)境管理成本，為環(huán)境污染治理與管理提供科學(xué)依據(jù)。傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)受人力、財(cái)力限制，不能長(zhǎng)期、系統(tǒng)地監(jiān)測(cè)各種污染源，其結(jié)果不符合實(shí)際情況，而自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)能對(duì)污染源進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并且監(jiān)測(cè)結(jié)果更可靠。不僅避免了由人為因素引起的偏差，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、可靠，而且大大降低了監(jiān)測(cè)成本。

1.2低風(fēng)險(xiǎn)、時(shí)效性高

對(duì)污染源進(jìn)行分類采樣、分析、檢測(cè)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，是傳統(tǒng)的污染源監(jiān)測(cè)工作中一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，人工采樣不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且會(huì)對(duì)工作人員的健康造成不利影響，而集成在線監(jiān)測(cè)污染源的自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了污染源在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)采集、存儲(chǔ)和傳輸，以及各種在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的同步分析和處理，從而降低了一線人員的工作風(fēng)險(xiǎn)，提高了環(huán)境保護(hù)工作的效率。

1.3共享云、控制面廣

近年來(lái)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，使遠(yuǎn)程管理、信息批量處理、資源共享成為可能。工業(yè)云和自動(dòng)化技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，能夠擴(kuò)大自動(dòng)化應(yīng)用場(chǎng)景。比如，過(guò)程經(jīng)理和自動(dòng)化工程師把應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)放入遠(yuǎn)程的服務(wù)器，這樣的虛擬服務(wù)器對(duì)最終用戶非常有吸引力，因?yàn)橹锌厥业胤接邢?，特別是在偏遠(yuǎn)的地區(qū)或者老舊廠區(qū)，大大降低了對(duì)終端設(shè)備的要求。在云平臺(tái)中，已形成較為成熟的生態(tài)鏈，諸如將工程師站、歷史數(shù)據(jù)、人機(jī)界面(HMI)和遠(yuǎn)程應(yīng)用、供應(yīng)鏈體系、管控體系、監(jiān)控存儲(chǔ)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到云服務(wù)器上，這種云工作模式可以將資源共享最大化、控制設(shè)備應(yīng)用范圍最大化。

2自動(dòng)化技術(shù)在環(huán)保設(shè)備中的應(yīng)用

2.1在污水處理設(shè)備中的應(yīng)用

廢水處理系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性時(shí)變系統(tǒng)。因此，有必要對(duì)污水處理廠進(jìn)行自動(dòng)化控制，這對(duì)提升廢水處理質(zhì)量和效率具有重要意義。目前，南京城南污水處理廠已經(jīng)全面投入使用廢水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由2個(gè)SPS站和1個(gè)中央控制室通過(guò)中央光纖網(wǎng)絡(luò)，其余的SPS站以主交換機(jī)為中心形成星形結(jié)構(gòu)。中控室接入各SPS站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)污水處理廠的自動(dòng)化處理和人機(jī)交互。各SPS站采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，并提供現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備使用說(shuō)明[1]。系統(tǒng)投入使用后簡(jiǎn)化了操作人員的操作流程，降低了廢水處理成本，實(shí)現(xiàn)了污水處理的自動(dòng)化控制，優(yōu)化了資源配置，實(shí)現(xiàn)了污水處理廠的一體化管理。

2.2在空氣除塵設(shè)備中的應(yīng)用

靜電除塵器和布袋除塵器是兩種性能優(yōu)良的空氣污染控制設(shè)備。靜電除塵器(ESP)是一種廣泛應(yīng)用于工廠的除塵裝置，它對(duì)大顆粒塵土有顯著的降塵效果，適用于高溫、高壓、高濕度的工作場(chǎng)所。靜電除塵器由兩個(gè)部分組成：一是主體系統(tǒng)，包括電除塵器本體；二是電源系統(tǒng)，包括高壓直流和低壓自動(dòng)控制系統(tǒng)。升壓變壓器通過(guò)高壓系統(tǒng)供電，除塵電極采用集塵極接地，低壓電控控制電磁夾、卸灰電極、輸灰電極等部件。靜電除塵的基本工作原理是利用電力捕捉廢氣中的粉塵，主要包括4個(gè)相互關(guān)聯(lián)的物理過(guò)程：氣體的離子化；粉塵的荷電；粉塵在電極上的移動(dòng)；荷電粉塵的捕集。對(duì)帶電粉塵的分離過(guò)程是在兩種彎曲半徑差別很大的金屬陽(yáng)極和陰極上，利用高壓直流電產(chǎn)生足夠的電場(chǎng)使氣體電離。氣體電離后產(chǎn)生的電子、負(fù)離子和陽(yáng)離子吸附在塵埃中，在流經(jīng)電場(chǎng)的塵埃中形成電荷，在電場(chǎng)力的作用下，塵埃在不同極性的電極上移動(dòng)，然后沉積在電極上，使塵埃與氣體分離。布袋式除塵器具有除塵效率高、不受粉塵阻力影響及成本低等優(yōu)點(diǎn)。感應(yīng)器從各個(gè)存儲(chǔ)單元收集數(shù)據(jù)，通過(guò)SPS傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)，通過(guò)TCP/IP協(xié)議與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信[2]。通過(guò)修改SPS的內(nèi)部參數(shù)，微機(jī)可實(shí)時(shí)控制電除塵器的振動(dòng)時(shí)間和頻率始終處于最佳工作狀態(tài)。采用模糊控制的除塵器能夠有效地防止布袋被堵塞，不會(huì)對(duì)布袋造成粉塵層損傷，為布袋的正常運(yùn)行提供了重要保障。該控制元件可根據(jù)袋內(nèi)外壓差施加噴射壓力，控制脈沖噴射閥的噴射時(shí)間和壓縮空氣量，以最經(jīng)濟(jì)的方式達(dá)到最佳的除塵效果。通常情況下，運(yùn)用布袋式除塵器除塵的進(jìn)口質(zhì)量濃度能降到200mg/m3，出口質(zhì)量濃度能降到50mg/m3。相比傳統(tǒng)設(shè)備，這兩套自動(dòng)化系統(tǒng)具有適用范圍廣、大顆粒塵土處理效果顯著、除塵率高、成本低、操作簡(jiǎn)單等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

2.3在固廢處理設(shè)備中的應(yīng)用

垃圾焚燒技術(shù)具有無(wú)害化、減量化、資源化等特點(diǎn)，因此受到人們的重視和廣泛使用。但近年來(lái)，固體廢物的產(chǎn)生量不斷增加，環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，迫切需要提高垃圾焚燒技術(shù)的燃燒效率，因此固體廢物焚燒技術(shù)的優(yōu)化利用已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。各種自動(dòng)化技術(shù)在固體廢物處理工廠如垃圾焚燒廠內(nèi)的DCS發(fā)電中得到廣泛應(yīng)用。垃圾處理場(chǎng)由燃料系統(tǒng)、爐膛壓力控制系統(tǒng)、供氣控制系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)組成，采用自動(dòng)化控制技術(shù)可以減少設(shè)備的使用量，科學(xué)地解決了“自動(dòng)化孤島”問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了在不同子系統(tǒng)的相互關(guān)聯(lián)下的垃圾實(shí)時(shí)焚燒，達(dá)到降低對(duì)周圍環(huán)境污染程度的目的。

2.4在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

2.4.1自動(dòng)化技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用采用自動(dòng)化技術(shù)監(jiān)測(cè)獲得的環(huán)境數(shù)據(jù)相比人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，更加客觀和準(zhǔn)確。因?yàn)槊總€(gè)人的監(jiān)控方法或習(xí)慣不同，監(jiān)控過(guò)程常常會(huì)出現(xiàn)一些細(xì)微的操作差別或主觀錯(cuò)誤，甚至同一人進(jìn)行操作也難免會(huì)出現(xiàn)一些錯(cuò)誤。自動(dòng)控制技術(shù)能有效地控制由人為因素引起的誤差。因?yàn)樽詣?dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是嚴(yán)格按照既定的程序運(yùn)行的，基本不存在測(cè)量誤差，所以得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)污染源監(jiān)測(cè)實(shí)例具有較強(qiáng)的說(shuō)服力。此外，采用傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)方法經(jīng)常需要多人使用多種不同功能的監(jiān)測(cè)儀器分別進(jìn)行采集、測(cè)試、分析、計(jì)數(shù)和排序，這個(gè)過(guò)程非常復(fù)雜和煩瑣，也很容易出錯(cuò)，而安裝自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后，不僅能對(duì)污染源進(jìn)行24h不間斷的在線監(jiān)測(cè)，而且具有自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)存儲(chǔ)、自動(dòng)上傳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及環(huán)境污染統(tǒng)計(jì)分析等功能，大大減輕了工作人員的日常工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度，有效地避免了人為因素造成的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。此外，當(dāng)源數(shù)據(jù)超出某一范圍時(shí)，自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)可以立即發(fā)出警報(bào)，幫助環(huán)境監(jiān)測(cè)人員及時(shí)采取措施，防止事態(tài)的進(jìn)一步惡化[2]。

2.4.2自動(dòng)化技術(shù)能提高環(huán)境保護(hù)工作的安全性從現(xiàn)行環(huán)境保護(hù)制度來(lái)看，在許多情況下，環(huán)境管理人員必須及時(shí)監(jiān)測(cè)某些特定區(qū)域的排放限值和地質(zhì)水文不穩(wěn)定區(qū)域。通常，這些地區(qū)的環(huán)境和工作條件較差，對(duì)環(huán)保管理人員的身體素質(zhì)和工作經(jīng)驗(yàn)提出了較高的要求。采用傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)方法可能會(huì)出現(xiàn)一些安全問(wèn)題，例如工作人員打滑摔倒或中毒等，對(duì)監(jiān)測(cè)人員的人身安全構(gòu)成了重大威脅。采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)后，環(huán)境管理人員不需要親自進(jìn)入這些危險(xiǎn)的檢測(cè)地點(diǎn)，可由自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)完成對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效地避免安全事故的發(fā)生，優(yōu)化了環(huán)境保護(hù)工作條件，保護(hù)了監(jiān)測(cè)人員的人身安全。

2.4.3提供的數(shù)據(jù)信息全面、系統(tǒng)及可靠自動(dòng)化技術(shù)還可為污染控制和環(huán)境管理提供科學(xué)的依據(jù)。受以往人力、物力條件的限制，監(jiān)測(cè)單位不能保證對(duì)每一個(gè)污染源進(jìn)行長(zhǎng)期、全面的監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致最終得到的數(shù)據(jù)缺乏代表性，監(jiān)測(cè)結(jié)果的可信度也受到一定的影響，這就給環(huán)境政策的后續(xù)實(shí)施帶來(lái)很大的隱患。采用自動(dòng)化技術(shù)后，可將污染源自動(dòng)監(jiān)控裝置安裝在合適的位置，實(shí)現(xiàn)污染源的全覆蓋監(jiān)測(cè)，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更加全面、系統(tǒng)、準(zhǔn)確，為污染源的監(jiān)控和環(huán)保部門工作的開(kāi)展提供了科學(xué)的依據(jù)[3]。

2.5在空氣治理設(shè)備中的應(yīng)用

近年來(lái)，空氣治理設(shè)備被廣泛地應(yīng)用于公共場(chǎng)所和家庭等相對(duì)封閉的空間，目的是去除空氣環(huán)境中存在的各種物理、化學(xué)、微生物等空氣污染物，空氣治理設(shè)備是在自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合應(yīng)用靜電吸附、紫外線循環(huán)風(fēng)、氣相干分子重合等技術(shù)對(duì)空氣進(jìn)行全面凈化處理。空氣治理設(shè)備中自動(dòng)化控制技術(shù)的工作原理是在設(shè)備風(fēng)口位置安裝分子和顆粒物傳感器，傳感器采集數(shù)據(jù)信息后，回傳數(shù)據(jù)處理和識(shí)別單元，識(shí)別單元發(fā)送指令給控制系統(tǒng)，進(jìn)行功率、功能、報(bào)警等自動(dòng)化控制。在整個(gè)信號(hào)指令傳輸過(guò)程中，采用PLC回傳自檢。對(duì)于基于云平臺(tái)的空氣治理設(shè)備，具有很好的設(shè)備控制、監(jiān)測(cè)、大數(shù)據(jù)分析、故障診斷等功能，有利于開(kāi)展多終端、大范圍區(qū)域的空氣治理。

3發(fā)展前景

3.1在廢水處理系統(tǒng)中的發(fā)展方向

目前，在環(huán)保領(lǐng)域廣泛使用的自動(dòng)化技術(shù)都屬于常規(guī)技術(shù)，隨著導(dǎo)流系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和對(duì)污水處理要求的提高，常規(guī)技術(shù)已經(jīng)不能滿足污水處理的要求，比如需要完善自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，提高自動(dòng)控制系統(tǒng)的精確度和可靠性；采用更加智能的控制策略；加強(qiáng)控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)功能，使環(huán)境保護(hù)部門能夠更及時(shí)地掌握廢水處理數(shù)據(jù)。3.2在空氣除塵設(shè)備中的發(fā)展方向布袋式除塵器有取代靜電除塵器的趨勢(shì)，它具有更廣闊的應(yīng)用前景，但布袋式除塵器在運(yùn)行過(guò)程中布袋阻力大、損耗大，以及不適合處理高溫、高壓和腐蝕性氣體等問(wèn)題，因此需要進(jìn)一步研究予以解決。研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)將袋式除塵器與靜電除塵器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)二者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出總除塵效率可提高至99.98%。因此，未來(lái)可將布袋式除塵器和靜電除塵器結(jié)合應(yīng)用于空氣除塵設(shè)備，該設(shè)備能根據(jù)除塵環(huán)境的不同，自動(dòng)選擇適合的除塵技術(shù)，并實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)，有效地提高設(shè)備的除塵效率。

3.3在固廢處理設(shè)備中的發(fā)展方向

采用垃圾焚燒爐發(fā)電技術(shù)，可以把過(guò)去的固體廢物轉(zhuǎn)化為能源，能提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，有利于解決固廢處理機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定、波動(dòng)大、影響電網(wǎng)的直接并網(wǎng)等問(wèn)題。風(fēng)機(jī)流量等參數(shù)采用PID算法、模糊控制等智能控制技術(shù)能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制，達(dá)到降低燃燒室溫度和蒸汽壓波動(dòng)的問(wèn)題，尤其可以通過(guò)改變垃圾的熱值調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的凈化參數(shù)，減少二噁英的產(chǎn)生。因此，在未來(lái)一段時(shí)期，自動(dòng)化技術(shù)將在固廢處理方面取得較廣泛的應(yīng)用。

3.4在環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備中的發(fā)展方向

自動(dòng)化技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)施中的應(yīng)用已經(jīng)非常成功，但是檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜的工業(yè)廢水COD、廢水流量、懸浮物、膠體物質(zhì)的檢測(cè)準(zhǔn)確性還不夠。下一步的發(fā)展方向是保證監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的可靠性。例如，可以將dspic33f單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制模塊，用線性回歸法確定COD值與電壓值的關(guān)系，測(cè)定范圍為30~1500mg/L，基線誤差不超過(guò)±5.0%，重復(fù)性誤差不超過(guò)5%，溶液顏色、膠質(zhì)物質(zhì)及懸浮物對(duì)COD檢測(cè)器無(wú)影響，可以提高檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

4結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化技術(shù)相比人工操作具有更高的調(diào)節(jié)精度，可以防范安全隱患。環(huán)保設(shè)備的自動(dòng)化程度越高，操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度越低，處理效率越高，經(jīng)濟(jì)效益越好。在實(shí)際應(yīng)用中，環(huán)保設(shè)備的工作狀態(tài)非常復(fù)雜，具有多變量、非線性、時(shí)變、隨機(jī)性等特點(diǎn)，在一些特殊的環(huán)保領(lǐng)域，自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用范圍相對(duì)較小，局限性也很大。目前，許多環(huán)保設(shè)備的自動(dòng)控制研究?jī)H限于實(shí)驗(yàn)室或模擬實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際應(yīng)用中還存在許多問(wèn)題。智能化、精細(xì)化是環(huán)保裝備自動(dòng)化的重要發(fā)展方向。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、退火算法、遺傳算法等智能算法各有優(yōu)缺點(diǎn)，如何將兩種或兩種以上的智能算法結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)綜合型的智能控制系統(tǒng)，是今后重要的研究方向。

參考文獻(xiàn)

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作者：朱衛(wèi)興 單位：江蘇環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院股份公司