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)帶電粉塵的分離過程是在兩種彎曲半徑差別很大的金屬陽極和陰極上，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SPS傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)，通過TCP/IP協(xié)議與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信[2]。通過修改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，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，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題，因此需要進(jìn)一步研究予以解決。研究人員通過實(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)的問題，尤其可以通過改變垃圾的熱值調(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±5.0%，重復(fù)性誤差不超過5%，溶液顏色、膠質(zhì)物質(zhì)及懸浮物對(duì)COD檢測(cè)器無影響，可以提高檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

4結(jié)語

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，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