自動化技術(shù)在環(huán)保設(shè)備中的應(yīng)用與發(fā)展前景*

馮汛石健汪興興張雯婕倪紅軍

（1．南通大學(xué)機械工程學(xué)院　江蘇南通226019；2．南通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院　江蘇南通226019；3．南通大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院　江蘇南通226019）

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自動化技術(shù)在環(huán)保設(shè)備中的應(yīng)用與發(fā)展前景*

馮汛1石健2汪興興1張雯婕3倪紅軍1

（1．南通大學(xué)機械工程學(xué)院江蘇南通226019；2．南通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院江蘇南通226019；3．南通大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院江蘇南通226019）

摘要闡述了自動化技術(shù)跟環(huán)保設(shè)備相結(jié)合的現(xiàn)狀，介紹了自動化技術(shù)在水處理、大氣治理等環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用情況，總結(jié)了目前自動化技術(shù)在環(huán)保設(shè)備上應(yīng)用的不足，以及未來的發(fā)展趨勢。從自動化技術(shù)跟環(huán)保設(shè)備的結(jié)合情況來看，環(huán)保設(shè)備將會更加智能、高效、經(jīng)濟。

關(guān)鍵詞環(huán)保設(shè)備污染處理自動控制智能化

Application and Development Prospects of Automation Technology in Environmental Protection Equipment

FENG Xun1SHI Jian2WANG Xingxing1ZHANG Wenjie3NI Hongjun1
（1．School of Mechanical Engineering，Nantong University Nantong，Jiangsu 226019）

Abstract The specific automation technology combined with environmental protection equipment is described in this paper．The application of the automation technology used in the field of environmental protection is introduced，such as in water en-vironment，atmospheric environment and so on and the current deficiencies in automation technology applied in environmen-tal protection equipment are summarized，as well as the future development trend．From the situation of the combination of automation technology with environmental protection equipment，environmental protection equipment will be more intelligent，efficient and economical．

Key Words environmental protection equipment pollution treatment automatic control intelligent

0　引言

環(huán)保設(shè)備的使用是保護環(huán)境的重要手段之一，也是當(dāng)前形勢下解決環(huán)境問題的一條重要途徑。它通過綜合相關(guān)學(xué)科的技術(shù)手段，能夠有效地處理現(xiàn)有的環(huán)境污染難題。自動化技術(shù)是一門綜合計算機技術(shù)、電氣技術(shù)、電子學(xué)等諸多學(xué)科的技術(shù)。當(dāng)把自動化技術(shù)應(yīng)用于環(huán)保設(shè)備時，環(huán)保設(shè)備可以根據(jù)傳感器檢測的結(jié)果，通過處理器發(fā)出指令實時調(diào)整各個部件的工藝參數(shù)，使整個設(shè)備處于最佳工作狀態(tài)，實現(xiàn)經(jīng)濟運行和處理效果最優(yōu)的耦合。

1自動化技術(shù)在環(huán)保設(shè)備中的應(yīng)用

1．1在污水處理設(shè)備中的應(yīng)用

處理污水時需要的設(shè)備多，工藝繁瑣，并且污水處理系統(tǒng)是一個高度復(fù)雜、時變的非線性系統(tǒng)，對污水處理系統(tǒng)進行自動化控制必不可少，它是保證出水水質(zhì)和提高處理效率的重要手段［1］。

Li hongwei等［2］將PLC技術(shù)應(yīng)用到SBMBR處理污水中：處理系統(tǒng)有2個攪拌水箱，1個曝氣裝置和1個MBR水箱，整個處理流程通過PLC驅(qū)動執(zhí)行設(shè)備。試驗發(fā)現(xiàn)，COD的平均去除率為93．1%，最大去除率為96%；氨氮的平均去除率為90．4%，最高除去率是93%；總磷的平均去除率為79%，最大去除率為84%。

尤博文等［3］在南京城南污水處理廠的自動化改造項目中，設(shè)置了8個PLC站點和1個中控室，其中2個PLC站點和中控室通過主干光纖網(wǎng)連接，其余的PLC站點以主站交換機為中心組成星型結(jié)構(gòu)。中控室與各PLC站點相連，實現(xiàn)污水處理廠的數(shù)據(jù)采集、處理和提供人機界面。各個PLC站點采集現(xiàn)場信號，輸出現(xiàn)場設(shè)備控制指令。南京城南污水處理廠投入運行以來，精簡了操作人員，降低了運行成本，實現(xiàn)了污水處理的控制自動化、資源配置優(yōu)化、管控一體化。

1．2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較為優(yōu)異的空氣污染治理設(shè)備。靜電除塵器是工廠應(yīng)用較多的粉塵捕捉裝置，對大顆粒物的去除效果顯著，適用于高溫、高壓、高濕的工作場合；布袋除塵器對PM2．5的去除率較高，具有除塵效率高、不受粉塵電阻率影響、相對電除塵設(shè)備成本較低等優(yōu)點［4］。

張子生等［5］以施耐德PLC為控制核心，將靜電除塵器的振打分為4個步驟：沉降室側(cè)壁振打，第一電場振打，第二電場振打，第三電場振打。傳感器采集各個振打現(xiàn)場數(shù)據(jù)，然后由PLC傳入以太網(wǎng)，通過TCP／IP協(xié)議跟計算機通信，通過計算機可以對靜電除塵器進行實時監(jiān)控。通過修改PLC內(nèi)部參數(shù)控制振動時間、振動頻率，使靜電除塵器始終處于最佳工作狀態(tài)。

齊曉芳［6］將模糊控制運用到布袋除塵器的清灰系統(tǒng)上。清灰裝置能夠有效防止布袋被阻塞，同時不破壞布袋的粉塵初層，是布袋除塵器正常工作的重要保障?？刂圃鶕?jù)布袋內(nèi)外側(cè)壓差，可以控制脈沖噴吹電磁閥的噴吹壓力、脈沖周期、噴吹時間、壓縮空氣量等，以最經(jīng)濟的手段達到最佳的清灰效果。該除塵器入口處粉塵質(zhì)量濃度為200 mg／m3，出口處質(zhì)量濃度降為50 mg／m3。

1．3在固廢處理設(shè)備中的應(yīng)用

固體廢棄物焚燒技術(shù)由于無害化、減量化、資源化等特點，越來越受到人們的關(guān)注。近幾年來，固體廢棄物的量越來越大，而環(huán)保法規(guī)越來越苛刻，提高焚燒效率已經(jīng)迫在眉睫［7］。

張健［8］在上海黎明資源項目中采用了自動燃燒控制系統(tǒng)（Automatic Combustion Control，簡稱ACC）。保持主蒸汽的壓力不變是焚燒發(fā)電的一個重要保障，汽輪機蒸汽的消耗和浪費會導(dǎo)致主蒸汽壓力的波動。為了保證主壓力恒定，需要實時調(diào)整燃料的輸送量。主蒸汽的壓力作為反饋信號反饋到控制元件中，以實現(xiàn)閉環(huán)控制。這套ACC技術(shù)有效地實現(xiàn)了垃圾的穩(wěn)定焚燒，并且降低了三廢的排放量。

Wu Pingli等［9］研發(fā)了一套基于DCS的垃圾焚燒發(fā)電控制系統(tǒng)。系統(tǒng)分為數(shù)個子系統(tǒng)來處理固體廢棄物，包括主蒸汽壓力控制系統(tǒng)，燃油量控制系統(tǒng)，空氣供給速率控制系統(tǒng)，爐內(nèi)壓力控制系統(tǒng)，主蒸汽溫度控制系統(tǒng)和汽包水位控制系統(tǒng)。各個子系統(tǒng)可以獨立工作，相互配合。采用這種DCS控制系統(tǒng)，避免了大量使用PLC，也解決了“自動化孤島”問題。

1．4在環(huán)境監(jiān)測設(shè)備中的應(yīng)用

化學(xué)需氧量（COD）用來衡量水中有機物含量，反映了水體受污染的程度。以往通過人工采集污水樣本，帶回實驗室進行分析，檢測結(jié)果不能準(zhǔn)確、實時地反映水質(zhì)的真實情況，具有很大的滯后性。

范路曼［10］以MSP430單片機為控制核心研制了分光光度法COD檢測儀。通過單片機控制機器代替人的動作對水質(zhì)進行檢測。檢測開始時，水泵開始工作，采集水樣，同時光源開啟，光柱垂直照射采樣器皿和標(biāo)準(zhǔn)采樣器皿，光電傳感器采集透射光強度，將光信號轉(zhuǎn)化成電信號送入控制元件，得到透射光強度與入射光強度比值，根據(jù)朗伯－比耳定律，求得COD值。

Su Yingying等［11］利用UV法和化學(xué)發(fā)光法相結(jié)合設(shè)計了一套在線檢測COD系統(tǒng)。蠕動泵將樣品送入系統(tǒng)中，用紫外線照射3 min后混入發(fā)光試劑（魯米諾），微弱發(fā)光分析儀CR－105檢測并記錄樣品發(fā)出的微弱光。微弱發(fā)光分析儀軟件對采集的信號分析處理，求得發(fā)光的峰值強度。將系統(tǒng)測得的COD值進行線性回歸分析，得到的回歸方程相關(guān)系數(shù)R2＝0．996，高度相關(guān)。該系統(tǒng)具有環(huán)保（不使用任何強氧化劑和催化劑）、快速（樣品檢測只要5～10 min）、靈敏（目前為止是靈敏度最高的）、簡單（主要裝置為光反應(yīng)器和化學(xué)發(fā)光檢測器）的特點。

2發(fā)展前景

現(xiàn)有的自動化技術(shù)在環(huán)保設(shè)備中的應(yīng)用還存在著種種局限，表現(xiàn)為：智能化水平不高，控制精度還有很大的提升空間，穩(wěn)定性較差等。因此，要提高環(huán)保設(shè)備的自動化水平還有很多工作要做。

2．1在污水處理設(shè)備中的發(fā)展方向

現(xiàn)階段使用的自動化技術(shù)都是常規(guī)技術(shù)，隨著規(guī)模的擴大，污水處理工藝要求的提高，現(xiàn)在的控制系統(tǒng)將不再適應(yīng)污水處理的需求，很有必要對污水處理自動控制系統(tǒng)作進一步改進。如：完善整個控制系統(tǒng)的性能，提高控制系統(tǒng)的精度和可靠性；采用更多智能控制策略［12］；加強控制系統(tǒng)的通訊聯(lián)網(wǎng)功能，使環(huán)保監(jiān)察部門可以及時了解污水處理的數(shù)據(jù)信息。

孫紅等［13］提出曝氣生物濾池（Biological Aerated Filter，簡稱BAF）跟西門子PLC相結(jié)合的智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠追蹤現(xiàn)場運行參數(shù)和對故障進行自診斷，實現(xiàn)了污水的智能處理。經(jīng)過初步實驗，COD，BOD去除率高達96%以上，且該系統(tǒng)的電耗量只有傳統(tǒng)BAF的71%，較好地完成了水質(zhì)的凈化，降低了能耗。

2．2在空氣除塵設(shè)備中的發(fā)展方向

在空氣除塵領(lǐng)域，布袋除塵器大有取代靜電除塵器的趨勢，然而布袋除塵器運行時阻力較大，布袋損耗大，而且不適合高溫高壓及有腐蝕性氣體的場合下使用。而靜電除塵器具有部件牢固，耐高溫高壓，功耗低等優(yōu)點［14］。

吳凡［15］將布袋除塵器跟靜電除塵器結(jié)合起來，實現(xiàn)兩者的互補，總除塵效率可以達到99．98%。布袋除塵器跟靜電除塵器的結(jié)合不是簡單的兩者相加，控制系統(tǒng)要把布袋除塵器和靜電除塵器當(dāng)成一個整體，針對現(xiàn)場環(huán)境來分配布袋除塵器和靜電除塵器各自的除塵載荷，實時調(diào)整兩者的參數(shù)，優(yōu)化整個除塵系統(tǒng)。

2．3在固廢處理設(shè)備中的發(fā)展方向

焚燒垃圾發(fā)電技術(shù)將以往的“廢物”轉(zhuǎn)換成最具潛力的城市能源，既能處理固體廢棄物，又能回收能源，因此具有廣闊的應(yīng)用前景［16］。然而垃圾焚燒還有很多關(guān)鍵問題亟待解決，如發(fā)電量不穩(wěn)定，波動大，直接并入電網(wǎng)對電網(wǎng)沖擊較大等。

王自偉［17］利用西門子AS構(gòu)建工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，完善整個焚燒系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。通過PID算法、模糊控制等智能控制技術(shù)調(diào)整參數(shù)（如風(fēng)機流量、閥門開度等），使焚燒爐內(nèi)溫度和主蒸汽壓力的波動更小，特別是整個系統(tǒng)的參數(shù)可以隨著送入垃圾的熱值變化而做出相應(yīng)調(diào)整，同時減少了二口惡英的產(chǎn)生。

2．4在環(huán)境監(jiān)測設(shè)備中的發(fā)展方向

自動化技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測設(shè)備中的應(yīng)用取得了較多的成果，然而檢測系統(tǒng)的自動化仍有很大的進步空間，特別是在復(fù)雜工業(yè)廢水的COD監(jiān)測時，廢水的顏色、懸浮物、膠態(tài)物質(zhì)等都會對監(jiān)測精度有很大的影響［18］。自動監(jiān)測技術(shù)下一步的發(fā)展趨勢就是提高監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性。史小燕等［19］采用dsPIC33F單片機為系統(tǒng)控制模塊，提出了一元線性回歸法建立電壓值和COD值之間的關(guān)系，測定量程為30～1 500 mg／L，基本誤差不大于±5．0%，重復(fù)性誤差小于5%。該COD檢測儀完全不受溶液顏色、膠狀物質(zhì)、懸浮物等的影響。

3　結(jié)語

相比人工操作，自動化技術(shù)控制精度更高，能夠預(yù)防潛在的安全隱患，保證環(huán)境治理效果。因此，環(huán)保設(shè)備自動化程度越高，操作人員的勞動強度越小，處理效率越高，經(jīng)濟效益越好。

在現(xiàn)實環(huán)境中，環(huán)保設(shè)備的工況非常復(fù)雜，具有多變量、非線性、時變性與隨機性等特點，而且在一些環(huán)保領(lǐng)域自動化技術(shù)的應(yīng)用范圍還比較小，局限性較大。目前很多環(huán)保設(shè)備的自動化控制研究僅限于實驗室研究或模擬仿真，環(huán)保設(shè)備自動化在實際應(yīng)用中還面臨諸多難題。

智能控制、精細控制是環(huán)保設(shè)備自動化發(fā)展的一個重要方向，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，如何將兩種或多種智能算法相結(jié)合，建立綜合的智能控制系統(tǒng)，將更有利于環(huán)保設(shè)備解決復(fù)雜的環(huán)境難題。

參考文獻

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收稿日期：（2015－04－20）

通訊作者倪紅軍，男，1965生，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：新能源汽車和燃料電池。

作者簡介馮汛，男，1991生，碩士研究生，主要研究方向：新能源和環(huán)保設(shè)備。

*基金項目：國家自然科學(xué)基金（21177067），國家科技支撐計劃（2011BAG02B10），江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目，江蘇省自然科學(xué)基金（BK2010034），江蘇高?？蒲谐晒a(chǎn)業(yè)化推進工程項目（JHB2012－45），江蘇省青藍工程計劃項目，南通市社會發(fā)展項目（HS2012001），南通市重點實驗室項目（CP12011001）。