自動化技術在環保設備中的應用及發展

朱衛興

【摘 要】隨著科技的不斷進步，自動化技術在我國的應用尤其是在環保設備制造業中的應用越來越廣泛，利用自動化技術可以使環保決策更加高效，因此將自動化技術應用于環保設備是今后環保設備發展的重要方向。為了使自動化技術在環境治理領域做出更大的貢獻，我們有必要研究自動化技術的發展狀況，以及自動化技術在環境治理中的具體應用和未來的發展方向。文章對自動化技術在環境保護設備中的應用現狀和發展前景進行了深入的探討，具有一定的現實意義。

【關鍵詞】環保設備;自動化技術;應用發展

0 引言

自動控制技術是在設備無人值守的條件下，自動地對數據進行處理、傳輸、檢測、誤差估計及控制的一種技術。自動控制技術在20世紀70年代被發達國家廣泛采用，20世紀80年代，微電子技術的興起推動了自動化機械制造技術的迅速發展。以自動化技術為核心的電子系統和機械設備在國外十分流行，而在我國，自動化技術正處于快速發展的階段。在國內，高性能自動化機械是一個非常具有發展前景的研究課題。

1 自動化技術應用在環保設備中的意義

1.1 低成本、準確性高

在環境保護設備中應用自動化技術，可大大降低環境管理成本，為環境污染治理與管理提供科學依據。傳統的人工監測受人力、財力限制，不能長期、系統地監測各種污染源，其結果不符合實際情況，而自動檢測系統能對污染源進行實時檢測，并且監測結果更可靠。不僅避免了由人為因素引起的偏差，使監測數據更加準確、可靠，而且大大降低了監測成本。

1.2 低風險、時效性高

對污染源進行分類采樣、分析、檢測，并進行統計計算，是傳統的污染源監測工作中一項艱巨的任務，人工采樣不但費時費力，而且會對工作人員的健康造成不利影響，而集成在線監測污染源的自動化技術實現了污染源在線監測數據的實時自動采集、存儲和傳輸，以及各種在線監測數據的同步分析和處理，從而降低了一線人員的工作風險，提高了環境保護工作的效率。

1.3 共享云、控制面廣

近年來互聯網技術的迅速發展，使遠程管理、信息批量處理、資源共享成為可能。工業云和自動化技術的有機結合，能夠擴大自動化應用場景。比如，過程經理和自動化工程師把應用軟件和數據放入遠程的服務器，這樣的虛擬服務器對最終用戶非常有吸引力，因為中控室地方有限，特別是在偏遠的地區或者老舊廠區，大大降低了對終端設備的要求。在云平臺中，已形成較為成熟的生態鏈，諸如將工程師站、歷史數據、人機界面（HMI）和遠程應用、供應鏈體系、管控體系、監控存儲系統轉移到云服務器上，這種云工作模式可以將資源共享最大化、控制設備應用范圍最大化。

2 自動化技術在環保設備中的應用

2.1 在污水處理設備中的應用

廢水處理系統是一個非常復雜的非線性時變系統。因此，有必要對污水處理廠進行自動化控制，這對提升廢水處理質量和效率具有重要意義。目前，南京城南污水處理廠已經全面投入使用廢水處理系統，該系統是由2個SPS站和1個中央控制室通過中央光纖網絡，其余的SPS站以主交換機為中心形成星形結構。中控室接入各SPS站進行數據采集，實現污水處理廠的自動化處理和人機交互。各SPS站采集現場信號，并提供現場設備使用說明[1]。系統投入使用后簡化了操作人員的操作流程，降低了廢水處理成本，實現了污水處理的自動化控制，優化了資源配置，實現了污水處理廠的一體化管理。

2.2 在空氣除塵設備中的應用

靜電除塵器和布袋除塵器是兩種性能優良的空氣污染控制設備。靜電除塵器（ESP）是一種廣泛應用于工廠的除塵裝置，它對大顆粒塵土有顯著的降塵效果，適用于高溫、高壓、高濕度的工作場所。靜電除塵器由兩個部分組成：一是主體系統，包括電除塵器本體;二是電源系統，包括高壓直流和低壓自動控制系統。升壓變壓器通過高壓系統供電，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個相互關聯的物理過程：氣體的離子化;粉塵的荷電;粉塵在電極上的移動;荷電粉塵的捕集。對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，利用高壓直流電產生足夠的電場使氣體電離。氣體電離后產生的電子、負離子和陽離子吸附在塵埃中，在流經電場的塵埃中形成電荷，在電場力的作用下，塵埃在不同極性的電極上移動，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點。感應器從各個存儲單元收集數據，通過SPS傳輸到以太網，通過TCP/IP協議與計算機進行通信[2]。通過修改SPS的內部參數，微機可實時控制電除塵器的振動時間和頻率始終處于最佳工作狀態。采用模糊控制的除塵器能夠有效地防止布袋被堵塞，不會對布袋造成粉塵層損傷，為布袋的正常運行提供了重要保障。該控制元件可根據袋內外壓差施加噴射壓力，控制脈沖噴射閥的噴射時間和壓縮空氣量，以最經濟的方式達到最佳的除塵效果。通常情況下，運用布袋式除塵器除塵的進口質量濃度能降到200 mg/m3，出口質量濃度能降到50 mg/m3。相比傳統設備，這兩套自動化系統具有適用范圍廣、大顆粒塵土處理效果顯著、除塵率高、成本低、操作簡單等應用優勢。

2.3 在固廢處理設備中的應用

垃圾焚燒技術具有無害化、減量化、資源化等特點，因此受到人們的重視和廣泛使用。但近年來，固體廢物的產生量不斷增加，環境標準日益嚴格，迫切需要提高垃圾焚燒技術的燃燒效率，因此固體廢物焚燒技術的優化利用已成為該領域的研究熱點。各種自動化技術在固體廢物處理工廠如垃圾焚燒廠內的DCS發電中得到廣泛應用。垃圾處理場由燃料系統、爐膛壓力控制系統、供氣控制系統等多個子系統組成，采用自動化控制技術可以減少設備的使用量，科學地解決了“自動化孤島”問題，實現了在不同子系統的相互關聯下的垃圾實時焚燒，達到降低對周圍環境污染程度的目的。

2.4 在環境保護中的應用

2.4.1 自動化技術在環境監測中的應用

采用自動化技術監測獲得的環境數據相比人工監測數據，更加客觀和準確。因為每個人的監控方法或習慣不同，監控過程常常會出現一些細微的操作差別或主觀錯誤，甚至同一人進行操作也難免會出現一些錯誤。自動控制技術能有效地控制由人為因素引起的誤差。因為自動監測系統是嚴格按照既定的程序運行的，基本不存在測量誤差，所以得到的監測數據對污染源監測實例具有較強的說服力。此外，采用傳統的人工監測方法經常需要多人使用多種不同功能的監測儀器分別進行采集、測試、分析、計數和排序，這個過程非常復雜和煩瑣，也很容易出錯，而安裝自動監測系統后，不僅能對污染源進行24 h不間斷的在線監測，而且具有自動監測、自動存儲、自動上傳監測數據及環境污染統計分析等功能，大大減輕了工作人員的日常工作量和勞動強度，有效地避免了人為因素造成的數據錯誤。此外，當源數據超出某一范圍時，自動化檢測系統可以立即發出警報，幫助環境監測人員及時采取措施，防止事態的進一步惡化[2]。

2.4.2 自動化技術能提高環境保護工作的安全性

從現行環境保護制度來看，在許多情況下，環境管理人員必須及時監測某些特定區域的排放限值和地質水文不穩定區域。通常，這些地區的環境和工作條件較差，對環保管理人員的身體素質和工作經驗提出了較高的要求。采用傳統的人工監測方法可能會出現一些安全問題，例如工作人員打滑摔倒或中毒等，對監測人員的人身安全構成了重大威脅。采用自動化監測技術后，環境管理人員不需要親自進入這些危險的檢測地點，可由自動監測系統自動完成對危險區域的實時監控，有效地避免安全事故的發生，優化了環境保護工作條件，保護了監測人員的人身安全。

2.4.3 提供的數據信息全面、系統及可靠

自動化技術還可為污染控制和環境管理提供科學的依據。受以往人力、物力條件的限制，監測單位不能保證對每一個污染源進行長期、全面的監測，導致最終得到的數據缺乏代表性，監測結果的可信度也受到一定的影響，這就給環境政策的后續實施帶來很大的隱患。采用自動化技術后，可將污染源自動監控裝置安裝在合適的位置，實現污染源的全覆蓋監測，使監測數據更加全面、系統、準確，為污染源的監控和環保部門工作的開展提供了科學的依據[3]。

2.5 在空氣治理設備中的應用

近年來，空氣治理設備被廣泛地應用于公共場所和家庭等相對封閉的空間，目的是去除空氣環境中存在的各種物理、化學、微生物等空氣污染物，空氣治理設備是在自動化技術的基礎上結合應用靜電吸附、紫外線循環風、氣相干分子重合等技術對空氣進行全面凈化處理。空氣治理設備中自動化控制技術的工作原理是在設備風口位置安裝分子和顆粒物傳感器，傳感器采集數據信息后，回傳數據處理和識別單元，識別單元發送指令給控制系統，進行功率、功能、報警等自動化控制。在整個信號指令傳輸過程中，采用PLC回傳自檢。對于基于云平臺的空氣治理設備，具有很好的設備控制、監測、大數據分析、故障診斷等功能，有利于開展多終端、大范圍區域的空氣治理。

3 發展前景

3.1 在廢水處理系統中的發展方向

目前，在環保領域廣泛使用的自動化技術都屬于常規技術，隨著導流系統規模的擴大和對污水處理要求的提高，常規技術已經不能滿足污水處理的要求，比如需要完善自動控制系統的性能，提高自動控制系統的精確度和可靠性;采用更加智能的控制策略;加強控制系統的通信網絡功能，使環境保護部門能夠更及時地掌握廢水處理數據。

3.2 在空氣除塵設備中的發展方向

布袋式除塵器有取代靜電除塵器的趨勢，它具有更廣闊的應用前景，但布袋式除塵器在運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，因此需要進一步研究予以解決。研究人員通過實驗將袋式除塵器與靜電除塵器相結合，實現二者的優勢互補，實驗結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合應用于空氣除塵設備，該設備能根據除塵環境的不同，自動選擇適合的除塵技術，并實時調整參數，有效地提高設備的除塵效率。

3.3 在固廢處理設備中的發展方向

采用垃圾焚燒爐發電技術，可以把過去的固體廢物轉化為能源，能提高系統的可靠性和穩定性，有利于解決固廢處理機組運行不穩定、波動大、影響電網的直接并網等問題。風機流量等參數采用PID算法、模糊控制等智能控制技術能實現自適應控制，達到降低燃燒室溫度和蒸汽壓波動的問題，尤其可以通過改變垃圾的熱值調節整個系統的凈化參數，減少二噁英的產生。因此，在未來一段時期，自動化技術將在固廢處理方面取得較廣泛的應用。

3.4 在環境監測設備中的發展方向

自動化技術在環境監測設施中的應用已經非常成功，但是檢測系統對復雜的工業廢水COD、廢水流量、懸浮物、膠體物質的檢測準確性還不夠。下一步的發展方向是保證監控系統的運行穩定性，提高系統的可靠性。例如，可以將dspic33f單片機作為系統的控制模塊，用線性回歸法確定 COD值與電壓值的關系，測定范圍為30～1 500 mg/L，基線誤差不超過±5.0%，重復性誤差不超過5%，溶液顏色、膠質物質及懸浮物對COD檢測器無影響，可以提高檢測系統的準確性。

4 結語

自動化技術相比人工操作具有更高的調節精度，可以防范安全隱患。環保設備的自動化程度越高，操作人員的勞動強度越低，處理效率越高，經濟效益越好。在實際應用中，環保設備的工作狀態非常復雜，具有多變量、非線性、時變、隨機性等特點，在一些特殊的環保領域，自動化技術的應用范圍相對較小，局限性也很大。目前，許多環保設備的自動控制研究僅限于實驗室或模擬實驗，在實際應用中還存在許多問題。智能化、精細化是環保裝備自動化的重要發展方向。神經網絡算法、退火算法、遺傳算法等智能算法各有優缺點，如何將兩種或兩種以上的智能算法結合起來，形成一個綜合型的智能控制系統，是今后重要的研究方向。

參 考 文 獻

[1]張瀛.基于PLC技術的自動化環保監測設備功能優化設計[J].百科論壇電子雜志，2020（7）：1438.

[2]袁曉君.自動化技術在環保設備中的應用發展研究[J].百科論壇電子雜志，2020（13）：1776-1777.

[3]樓國志，杜橋梁.基于PLC技術的自動化環保監測設備功能優化設計[J].百科論壇電子雜志，2020（7）：40-41.