自动化技术在环保设备中的应用与发展前景*

冯汛石健汪兴兴张雯婕倪红军

（1．南通大学机械工程学院　江苏南通226019；2．南通大学化学化工学院　江苏南通226019；3．南通大学生命科学学院　江苏南通226019）



自动化技术在环保设备中的应用与发展前景*

冯汛1石健2汪兴兴1张雯婕3倪红军1

（1．南通大学机械工程学院江苏南通226019；2．南通大学化学化工学院江苏南通226019；3．南通大学生命科学学院江苏南通226019）

摘要阐述了自动化技术跟环保设备相结合的现状，介绍了自动化技术在水处理、大气治理等环保领域的应用情况，总结了目前自动化技术在环保设备上应用的不足，以及未来的发展趋势。从自动化技术跟环保设备的结合情况来看，环保设备将会更加智能、高效、经济。

关键词环保设备污染处理自动控制智能化

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

环保设备的使用是保护环境的重要手段之一，也是当前形势下解决环境问题的一条重要途径。它通过综合相关学科的技术手段，能够有效地处理现有的环境污染难题。自动化技术是一门综合计算机技术、电气技术、电子学等诸多学科的技术。当把自动化技术应用于环保设备时，环保设备可以根据传感器检测的结果，通过处理器发出指令实时调整各个部件的工艺参数，使整个设备处于最佳工作状态，实现经济运行和处理效果最优的耦合。

1自动化技术在环保设备中的应用

1．1在污水处理设备中的应用

处理污水时需要的设备多，工艺繁琐，并且污水处理系统是一个高度复杂、时变的非线性系统，对污水处理系统进行自动化控制必不可少，它是保证出水水质和提高处理效率的重要手段［1］。

Li hongwei等［2］将PLC技术应用到SBMBR处理污水中：处理系统有2个搅拌水箱，1个曝气装置和1个MBR水箱，整个处理流程通过PLC驱动执行设备。试验发现，COD的平均去除率为93．1%，最大去除率为96%；氨氮的平均去除率为90．4%，最高除去率是93%；总磷的平均去除率为79%，最大去除率为84%。

尤博文等［3］在南京城南污水处理厂的自动化改造项目中，设置了8个PLC站点和1个中控室，其中2个PLC站点和中控室通过主干光纤网连接，其余的PLC站点以主站交换机为中心组成星型结构。中控室与各PLC站点相连，实现污水处理厂的数据采集、处理和提供人机界面。各个PLC站点采集现场信号，输出现场设备控制指令。南京城南污水处理厂投入运行以来，精简了操作人员，降低了运行成本，实现了污水处理的控制自动化、资源配置优化、管控一体化。

1．2在空气除尘设备中的应用

静电除尘器和布袋除尘器是两种性能较为优异的空气污染治理设备。静电除尘器是工厂应用较多的粉尘捕捉装置，对大颗粒物的去除效果显著，适用于高温、高压、高湿的工作场合；布袋除尘器对PM2．5的去除率较高，具有除尘效率高、不受粉尘电阻率影响、相对电除尘设备成本较低等优点［4］。

张子生等［5］以施耐德PLC为控制核心，将静电除尘器的振打分为4个步骤：沉降室侧壁振打，第一电场振打，第二电场振打，第三电场振打。传感器采集各个振打现场数据，然后由PLC传入以太网，通过TCP／IP协议跟计算机通信，通过计算机可以对静电除尘器进行实时监控。通过修改PLC内部参数控制振动时间、振动频率，使静电除尘器始终处于最佳工作状态。

齐晓芳［6］将模糊控制运用到布袋除尘器的清灰系统上。清灰装置能够有效防止布袋被阻塞，同时不破坏布袋的粉尘初层，是布袋除尘器正常工作的重要保障。控制元件根据布袋内外侧压差，可以控制脉冲喷吹电磁阀的喷吹压力、脉冲周期、喷吹时间、压缩空气量等，以最经济的手段达到最佳的清灰效果。该除尘器入口处粉尘质量浓度为200 mg／m3，出口处质量浓度降为50 mg／m3。

1．3在固废处理设备中的应用

固体废弃物焚烧技术由于无害化、减量化、资源化等特点，越来越受到人们的关注。近几年来，固体废弃物的量越来越大，而环保法规越来越苛刻，提高焚烧效率已经迫在眉睫［7］。

张健［8］在上海黎明资源项目中采用了自动燃烧控制系统（Automatic Combustion Control，简称ACC）。保持主蒸汽的压力不变是焚烧发电的一个重要保障，汽轮机蒸汽的消耗和浪费会导致主蒸汽压力的波动。为了保证主压力恒定，需要实时调整燃料的输送量。主蒸汽的压力作为反馈信号反馈到控制元件中，以实现闭环控制。这套ACC技术有效地实现了垃圾的稳定焚烧，并且降低了三废的排放量。

Wu Pingli等［9］研发了一套基于DCS的垃圾焚烧发电控制系统。系统分为数个子系统来处理固体废弃物，包括主蒸汽压力控制系统，燃油量控制系统，空气供给速率控制系统，炉内压力控制系统，主蒸汽温度控制系统和汽包水位控制系统。各个子系统可以独立工作，相互配合。采用这种DCS控制系统，避免了大量使用PLC，也解决了“自动化孤岛”问题。

1．4在环境监测设备中的应用

化学需氧量（COD）用来衡量水中有机物含量，反映了水体受污染的程度。以往通过人工采集污水样本，带回实验室进行分析，检测结果不能准确、实时地反映水质的真实情况，具有很大的滞后性。

范路曼［10］以MSP430单片机为控制核心研制了分光光度法COD检测仪。通过单片机控制机器代替人的动作对水质进行检测。检测开始时，水泵开始工作，采集水样，同时光源开启，光柱垂直照射采样器皿和标准采样器皿，光电传感器采集透射光强度，将光信号转化成电信号送入控制元件，得到透射光强度与入射光强度比值，根据朗伯－比耳定律，求得COD值。

Su Yingying等［11］利用UV法和化学发光法相结合设计了一套在线检测COD系统。蠕动泵将样品送入系统中，用紫外线照射3 min后混入发光试剂（鲁米诺），微弱发光分析仪CR－105检测并记录样品发出的微弱光。微弱发光分析仪软件对采集的信号分析处理，求得发光的峰值强度。将系统测得的COD值进行线性回归分析，得到的回归方程相关系数R2＝0．996，高度相关。该系统具有环保（不使用任何强氧化剂和催化剂）、快速（样品检测只要5～10 min）、灵敏（目前为止是灵敏度最高的）、简单（主要装置为光反应器和化学发光检测器）的特点。

2发展前景

现有的自动化技术在环保设备中的应用还存在着种种局限，表现为：智能化水平不高，控制精度还有很大的提升空间，稳定性较差等。因此，要提高环保设备的自动化水平还有很多工作要做。

2．1在污水处理设备中的发展方向

现阶段使用的自动化技术都是常规技术，随着规模的扩大，污水处理工艺要求的提高，现在的控制系统将不再适应污水处理的需求，很有必要对污水处理自动控制系统作进一步改进。如：完善整个控制系统的性能，提高控制系统的精度和可靠性；采用更多智能控制策略［12］；加强控制系统的通讯联网功能，使环保监察部门可以及时了解污水处理的数据信息。

孙红等［13］提出曝气生物滤池（Biological Aerated Filter，简称BAF）跟西门子PLC相结合的智能控制系统，该系统能够追踪现场运行参数和对故障进行自诊断，实现了污水的智能处理。经过初步实验，COD，BOD去除率高达96%以上，且该系统的电耗量只有传统BAF的71%，较好地完成了水质的净化，降低了能耗。

2．2在空气除尘设备中的发展方向

在空气除尘领域，布袋除尘器大有取代静电除尘器的趋势，然而布袋除尘器运行时阻力较大，布袋损耗大，而且不适合高温高压及有腐蚀性气体的场合下使用。而静电除尘器具有部件牢固，耐高温高压，功耗低等优点［14］。

吴凡［15］将布袋除尘器跟静电除尘器结合起来，实现两者的互补，总除尘效率可以达到99．98%。布袋除尘器跟静电除尘器的结合不是简单的两者相加，控制系统要把布袋除尘器和静电除尘器当成一个整体，针对现场环境来分配布袋除尘器和静电除尘器各自的除尘载荷，实时调整两者的参数，优化整个除尘系统。

2．3在固废处理设备中的发展方向

焚烧垃圾发电技术将以往的“废物”转换成最具潜力的城市能源，既能处理固体废弃物，又能回收能源，因此具有广阔的应用前景［16］。然而垃圾焚烧还有很多关键问题亟待解决，如发电量不稳定，波动大，直接并入电网对电网冲击较大等。

王自伟［17］利用西门子AS构建工业控制网络，完善整个焚烧系统，提高系统的可靠性和稳定性。通过PID算法、模糊控制等智能控制技术调整参数（如风机流量、阀门开度等），使焚烧炉内温度和主蒸汽压力的波动更小，特别是整个系统的参数可以随着送入垃圾的热值变化而做出相应调整，同时减少了二口恶英的产生。

2．4在环境监测设备中的发展方向

自动化技术在环境监测设备中的应用取得了较多的成果，然而检测系统的自动化仍有很大的进步空间，特别是在复杂工业废水的COD监测时，废水的颜色、悬浮物、胶态物质等都会对监测精度有很大的影响［18］。自动监测技术下一步的发展趋势就是提高监测系统的稳定性。史小燕等［19］采用dsPIC33F单片机为系统控制模块，提出了一元线性回归法建立电压值和COD值之间的关系，测定量程为30～1 500 mg／L，基本误差不大于±5．0%，重复性误差小于5%。该COD检测仪完全不受溶液颜色、胶状物质、悬浮物等的影响。

3　结语

相比人工操作，自动化技术控制精度更高，能够预防潜在的安全隐患，保证环境治理效果。因此，环保设备自动化程度越高，操作人员的劳动强度越小，处理效率越高，经济效益越好。

在现实环境中，环保设备的工况非常复杂，具有多变量、非线性、时变性与随机性等特点，而且在一些环保领域自动化技术的应用范围还比较小，局限性较大。目前很多环保设备的自动化控制研究仅限于实验室研究或模拟仿真，环保设备自动化在实际应用中还面临诸多难题。

智能控制、精细控制是环保设备自动化发展的一个重要方向，神经网络算法、退火算法、遗传算法等智能算法各有优缺点，如何将两种或多种智能算法相结合，建立综合的智能控制系统，将更有利于环保设备解决复杂的环境难题。

参考文献

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收稿日期：（2015－04－20）

通讯作者倪红军，男，1965生，教授，硕士生导师，主要研究方向：新能源汽车和燃料电池。

作者简介冯汛，男，1991生，硕士研究生，主要研究方向：新能源和环保设备。

*基金项目：国家自然科学基金（21177067），国家科技支撑计划（2011BAG02B10），江苏高校优势学科建设工程资助项目，江苏省自然科学基金（BK2010034），江苏高校科研成果产业化推进工程项目（JHB2012－45），江苏省青蓝工程计划项目，南通市社会发展项目（HS2012001），南通市重点实验室项目（CP12011001）。