环保设备及其应用第三版-课件第9、10章环保设备技术经济分析、环保设备自动化及PLC在环保中的应用

第9章 环保设备技术经济分析

环境工程建设项目的工程费用由建筑工程费、设备购置费及安装工程费三部分组成。环保设备的投资占环境工程建

设项目总投资额的60％～70％，有的甚至高达90％以上。因此，环保设备选型与设计，不但要求技术上上的先进性，制造上可行，操作上方便，而且还要经济上合理。设计人

员必须牢固地树立经济效益观念，对环保设备进行功能成

本分析，确定合理的技术指标和成本指标。

本章结合工程经济学的基本原理，简要阐述环保设备的技术经济指标、环保设备费用的构成与估算、环保设备设计、应用的技术经济分析。9.1

环保设备的技术经济指标反映已形成使用价值的收益类指标；反映使用价值的消耗类指标；

与上述两类指标相联系，反映技术经济效益的综合指标。9.1.1

收益类指标（1）处理能力

是指单位时间内能处理“三废”量。例如水处理设备的流量大小，除尘设备的风量大小等。显然，环保设备的处理能力与处理工艺、设备、体积、材料消耗以及总造价等密切相关。（2）处理效率

是指通过处理后污染物的去除率。设备运行寿命是指既能保证环境治理质量，又能符合经济运行要求的环保设备运行寿命。“三废”资源化能力是指通过环保设备对污染源进行治理后，可以变废为宝，从中获得直接经济价值的能力。降低损失水平指通过环保设备对污染源进行治理后，改善了环境质量，减少或免交治理前须交纳的环境污染赔偿费、排污费等，或减少了生产资源的损失。非货币计量收益指通过环保设备对污染源进行治理后，产生不能直接用货币计量的收益。9.1.2.耗费类指标投资总额指购置和制造环保设备支出的全部费用，包括直接费用（设备购置、加工制作和安装等）和非直接费用（管理费、占地费等）。运行费用指让环保设备正常运行所需的全部费用，包括直接运行费用（如人工、材料、能耗等

费用）和间接运行费用（如管理费、折旧费等），一般用年运行费用表示。（3）设置耗用时间是指环保设备从开始投资到开始运行所耗用的时间，它反映了从购买到形成使用价值的速度。（4）有效运行时间

是指环保设备每年实际运行的时间，常用有效利用率表示，即3.综合指标（1）寿命周期费用（LCA）

环保设备的寿命周期是指从环保设备研究开发与设计开始，经过制造和长期使用，直至报废或被其它产品代替为止，所经过的整个时期。3.综合指标（2）环境效益指数反映应用环保设备后环境质量改善的综合指标，其计算公式为3.综合指标（3）投资回收期是以环保设备的净现金收入（包括直接和间接的收益）抵偿全部投资所需要的时间，用于考察环保设备投资回收能力的重要指标，一般以年为单位。【例】

某污水处理设备，初始投资为50万元，年运行费用为3万元，运行后每年可免交排污费15万元。设投资收益率为20%，试分别计算静态和动态投资回收期。由例9-1可以看出，动态投资回收期大于静态投资回收期，原因是动态投资回收期考虑了货币资金的时间价值。9.2

环保设备设计技术经济分析

根据产品设计经济学的基本思想，在环保设备设计的全过程，都应以降低环保设备的寿命周期成本，提高经济效益和环境效益为目标，力图选择单位投资环境效益最佳的设计方案。9.2.1

影响环保设备设计的技术经济因素功能与成本

功能是指产品所具有得能满足用户某种需要得特性，或者说是产品所具有的性能、用途、使用价值。

就环保设备而言，其功能则是对某一污染源进行治理，使其达到预定的要求（可以是国家标准，也可以是地区或行业标准）。9.2.1.2

质量与成本质量是反映产品在功能上满足用户需要的能力或程度。就环保设备而言，其功能是进行环境污染治理，使之达到要求的环境质量标准。环保设备质量最终应以能否达到预定的环境质量标准来衡量。最佳环境质量模式9.2.1.3．设备制造（或建造）条件

为了降低设备成本，缩短生产周期，必须充分考虑所设计环保设备未来的制造（或建造）条件，以及市场上可较为便利地提供的可零部件。由于环保设备（尤其是非标设备）的设计与制造，一般多为单件或小批量，所以讲求设计的生产性，即充分考虑未来制造（或建造）条件是非常必要的。9.2.1.4安全性、可靠性与经济性9.2.2

设计费用的定义及构成环保设备设计大致包括方案论证、初步设计、详细设计和改进设计等四个阶段，而每个阶段均需花费一定的人力、材料、能源、设备和其它方面的费用。这四个阶段所有费用的总和，称之为设计费用。设计费用是由两部分组成的：一部分是直接设计费用，它是由编制技术文件费用、上机设计试验操作费用、试验研究费用和组织评价费用组成；另一部分是间接设计费用。9.2.3

设计方案成本及其估算设计方案成本是指采用某个设计方案进行产品生产所需要的生产成本。一般而言，环保设备（或系统）有的是成套设备（如图一体化水处理设备），有的是建筑设施（如污水过滤池等），有的是两者的结合（如很多水处理系统）。对于建筑设施的成本估算，一般有建筑预算定额可循。这里介绍的成本估算，主要是指成套环保设备设计方案制造成本的估算。根据制造成本法，设计方案成本可分为直接材料费、直接人工费和制造费用。9.2.4设计方案技术经济分析

设计方案技术经济分析中，通常采用方案比较法。这种方法主要是通过从不同方面说明若干方案技术经济效果的指标，对完成同一任务的几个技术方案进行计算、分析和比较，从中选出最优的方案。

货币资金具有时间价值。评价不同的设计方案时，由于投资的时间、投产时间、寿命周期等的不同，所取得的经济效果也不同。因此，是否考虑时间因素，直接关系到设计方案的经挤效果评价的正确性。评价方案时，应把处于不同时间的投资和效益换算成相同时间的数值后，才能提供经济上的可比性。也就是说，只有同一时间的货币价值，才有可比性。9.3

环保设备应用的技术经济分析

环保设备应用包括从设备投资到设备运行的整个过程，它是环保设备寿命周期的重要阶段。

环保设备应用进行技术经济分析最主要是进行投资分析和管理分析，使单位寿命周期成本创造较好的环境效益。9.3.1环保设备投资分析

环保设备投资与生产投资不完全相同，后者的投资决策判据仅是成本与效益，前者则需要综合考虑环境治理的基本要求、经济效益、环境效益等综合指标。

环保设备投资分析的方法有投资回收期法、寿命周期费用法、环境效益指数费用分析法、边际分析法（也叫费用-效益法）等。9.3.1.1．投资回收期法投资回收期法是以设备的收益算出回收设备投资所需时间，并用来评价其经济性的方法。基本原理：将计算出来的投资回收期同标准投资回收期进行比较，只有当前者小于或等于后者时，该方案在经济上才可以考虑接受。9.3.1.2．寿命周期费用法环保设备投资回收期主要是从经济价值角度来衡量环保设备应用的经济效果的。对于几个都能达到环境质量标准的环保设备投资方案，可通过寿命周期费用的比较来选择最优方案。在寿命周期费用分析中，经常要使用各类费用曲线。所谓费用曲线就是寿命周期费用在各个年份内发生费用的图形。9.3.1.3．环境效益指数费用分析法同样的环境效益指数可能由不同的环保设备投资来实现，或者同样的投资，由于环保设备的选型不同，可能导致不同的环境效益指数。因此，有必要将两者结合起来比较单位投资环境效益指数的大小。设环境效益指数为Ie，环保设备投资为I，则单位投资的环境效益指数PI为不同的环保设备（或系统）投资方案，单位投资环境指数大者为优。9.3.1.4．费用－效益分析法在大气污染控制中，卫生防护程度（即净化效率或净化水平）的最低要求应是防止死亡（图中a点），因此，环境污染控制的最低要求在a点上；b点是实际最大防护要求；a与b之间是费用与效益平衡区，我们可根据费用-效率分析选择最佳的环境质量（即防护程度）水平。图9-4控制费用与净化效率的关系曲线图9-5废水处理费用与其处理程度的关系曲线在不同的处理程度下，投资的效果也很不相同。无限制的改善环境质量的要求，是不符合技术经济原则的。人们只能根据经济条件和环境条件找到一个结合点，使支付的费用最省，而取得的环境效果最大。这就是我们根据费用-效益分析来确定最佳的环境质量要求的问题。9.4

环保设备运行管理分析环保设备分为设备自然寿命（物质寿命）、设备技术寿命（设备未坏，因技术落后而淘汰）、设备经济寿命（设备未坏，因经济上不合算而淘汰）。良好的环保设备运行管理对延长环保设备寿命，提高环保设备利用率，使环保设备发挥最佳的经济和环境效益有重要的作用。

在环保设备运行的全过程，应把有效利用率作为设备综合管理效果的重要指标。影响环保设备正常运行的最主要因素是可靠性和可维修性。尽管可靠性和可维修性在设计阶段就大体确定了，但加强运行管理和维修工作对提高环保设备的有效利用率也很重要。环保设备的有效利用率最基本的表达式为：第10章 环保设备自动化及PLC在环保中的应用10.1

引言10.1.1

自动化技术与环保自动化技术是一项综合技术，它与控制论、自动控制、信息论、系统工程、计算机技术、电子学、液压技术等有着密切的关系。随着自动化技术的不断发展，环保研究也越来越多地应用自动化技术来解决环保中的设备与系统的自动化问题。

从自动控制系统的角度来看，环保设备根据其在自动控制系统中所处的环节不同分为三类。研究目的：提高环保设备以及环保系统的自动化程度，节约或保护能源和自然资源，减少人类活动造成的环境负荷。研究内容：环保设备的自动化、环保系统自动化以及与之相关的软件和信息管理系统，结合计算机技术、电气技术、电子学等自动化技术，与环保设备相结合，可在传感器检测数据的基础上，利用处理器发出指令及时调整各个部件的工艺参数，确保整个环保设备或系统处于最佳运行与自动化状态。10.1.2

环保设备与系统自动化环保设备自动化：指对具体的某种环保设备的运行状态、设备维护、设备管理实施的自动化措施，使该设备具有自动能力，能顺利完成某项环保功能。如各种污水处理、固废处置等系统中的自动化环保设备。环保系统自动化：是对多台（套）环保设备组成的系统，实施自动化运行。环保系统一般都由中心站和若干子站构成。为了保证环保系统的稳定可靠运行，需要对系统仪器定期进行养护维护，对于故障设备仪器及时进行检修和更换。10.2

自动化技术在环保设备中的应用10.2.1

污水处理设备自动化技术污水处理系统具有复杂性的鲜明特征，如何有效治理污水是当前全球范围内关注的重点。污水处理系统从整体上来说属于非线性系统，需要通过自动化控制的应用，来提高污水处理效率与污水处理质量。近年，自动化技术已广泛应用于污水处理设备。如典型的“以PLC技术为支撑的SBMBR污水处理系统”10.2.2

废气治理设备自动化技术利用低温冷凝法治理挥发性有机物：该技术对处理设备的温度、压力要求较高。溶剂吸收法：以溶剂为载体，利用气体在同一液体中溶液度不同，将气体与溶剂结合达到分离净化有毒有害气体的效果。（3）利用生物法处理挥发性有机物：利用微生物新陈代谢，将某些有机物以及无机物实施生物降解，转换为CO2、H2O。（4）活性炭吸附法：利用吸附剂的多孔结构将有害气体吸附到孔状结构中，达到分离有害气体的效果，可实现有机物的回收再利用。10.3

自动化控制对环保设备发展的作用□提升设备应用管理水平□实现远程数据传输□中心站的功能完善10.4

PLC在环保设备自动化控制中的应用10.4.1

PLC在环保工程中的意义在信息技术全面快速发展的今天，可编程逻辑控制器（ProgrammableLogic

Controller，PLC）技术借助网络信息技术、大数据技术、云计算技术，在环保工程中的应用越来越广泛，应用价值也越来越大。PLC能够很好实现环保工程的自动监测与管理工作，进而显著提升环保工程的经济效益。10.4.2

PLC在环保工程中的应用数据监控采集全自动控制实时在线监控电气故障处理10.5

PLC的基础知识定义可编程逻辑控制器（Programmable

LogicController，PLC），简称PLC，是一种专门为

在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。分类（1）按产地分：可分为欧美、日本、韩国、中国等系列。图10-1德国西门子（SIEMENS）（2）按I/O点数分：根据I/O点数的多少和程序内存容量的大小，将PLC分为小、中、大等几种类型。小型：I/O（输出/输入）点数在256个以下；中型：I/O（输出/输入）点数在256~2048点之间；大型：I/O（输出/输入）点数通常在2048点以上。（3）根据硬件的结构分：根据PLC硬件安装结

构及外形特征，可分为整体式、模块式和混合式三种。①整体式

将PLC电源、CPU、I/O端口装在一个箱体内，称之为基本单元。可配备特殊功能模块。结构紧凑、体积小、重量轻及价格低；但是主机I/O点数固定，使用不灵活。图10-2西门子和三菱的PLC系列②模块式

由机架和模块两个部分组成，每个机架之间则采用接口模块和电缆连接在一起。又称为积木式结构，主要结构特点是把各个工作单元全部制作成独立的模块。配置灵活、组装容易、扩展方便；结构复杂、体积相对较大、造价高。多用在大、中型PLC上。图10-3三菱PLC的Q系列③混合式

把整体式结构和模块式结构两者相结合。将某种系列的PLC外形都制作成一样的外观和尺寸，在不使用模块式结构PLC中的母板的情况下将CPU、I/O口及电源等各个单元利用电缆连

接起来，在安装控制设备时一层一层叠装。配置灵活多变，体积大大缩小，应用广泛。（4）根据PLC功能大小分：可分为低端PLC、中端PLC、高端PLC三种。PLC的结构（1）可编程逻辑控制器的结构以微处理器为核心，包括中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、电源、编程器和外部设备。图10-4可编程逻辑控制器的结构图（2）PLC的输入输出连接有2种连接方法，一是输入端连接开关与按钮，由人工操作；二是输入端连接传感器，不需要人工干预。图10-5

PLC的输入与输出连接示意图PLC的特点可靠性高，抗干扰能力强I/O模块适用性强及功能多样化结构的模块化编程方式简单上手快安装方便和维护简单体积小，重量轻，能耗低PLC技术的发展趋势

从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程逻辑控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；

从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；

从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；

从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。伴随着计算机网络的发展，可编程逻辑控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。PLC的应用领域开关量控制逻辑生产过程控制运动控制数据的处理通讯及联网10.6

PLC的功能与工作原理10.6.1

PLC的主要功能PLC的主要功能是完成逻辑指令控制、定时器指令控制、计数器指令控制、步进(顺序)指令控制、PID指令控制、数据处理控制、通讯和联网控制等。另外，PLC还拥有许多特殊的功能模块，比如：定位控制模块等。10.6.2

PLC的工作原理输入处理程序执行输出处理

输入处理：此阶段顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映像寄存器。

程序执行：根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。遇到程序跳转指令，根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映像寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读出对应映像寄存器的当前状态，根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中，对每个器件而言，器件映像寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。

输出处理：程序执行完毕后，将输出映像寄存器，即器件映像寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动外部负载。10.6.3

PLC的编程语言可编程逻辑控制器采用的5种编程语言分别是：梯形图（Ladder

Diagram，LAD）指令表（Instruction

List，IL）功能块图（Function

Block

Diagram，FBD）顺序功能图（Sequential

Function

Chart,SFC）结构文本(Structured

Text，ST)（1）梯形图（LAD）是一种从继电接触控制电路图演变而来的图形语言。借助类似于继电器的动合、动断触点、线圈以及串、并联等术语和符号，根据控制要求联接而成的表示PLC输入和输出之间逻辑关系的图形，直观易懂。

梯形图按自上而下，从左到右排列，最左边的竖线称为左母线，以继电器线圈（或右母线）结束。图10-6西门子PLC梯形图梯形图的设计应注意：①梯形图的触点应画在水平线上，不能画在垂直分支上。②串、并联的处理方法是：在有几个串联回路相并联时，应将触点最多的那个串联回路放在梯

形图最上面。在有几个并联回路相串联时，应

将触点最多的并联回路放在梯形图最左面。③不准双线圈输出。④外部输入/输出继电器、内部继电器、定时器、计数器等器件接点可以被多次重复使用。④梯形图程序必须符合顺序执行的原则，即从左到右，从上到下地执行。每一行都是从左母线开始，然后是触点的串、并联接，最后是线圈，不能将触点画在线圈右边。⑤对复杂的程序可先将程序分成几个简单的程序段，每一段从最左边触点开始，由上之下向右进行编程，然后，再把程序逐段连接起来。⑦线圈不能直接与左母线相连。如果需要，可通过一个没有使用的内部继电器的常闭接点连接。两

个或两个以上的线圈可以并联输出。（2）指令表（IL）语句是指令语句编程语言的基本单元，每个控制功能由一个或多个语句组成的程序来执行。每条语句是规定可编程逻辑控制器中CPU如何动作的指令，它是由操作码和操作数组成的。操作码用助记符表示（例如，LD表示“取”，OR表示“

或’，OUT表示“输出”等）要执行的功能，操作数（参数）表明操作的地址（例如输入继电器，输出继电器，定时器等）或一个预先设定的值（例如定时值，计数值等）。

指令语句表是一种用指令助记符来编制PLC程序的语言，若干条指令组成的程序就是指令语句表。语句表编程语言不如梯形图形象、直观，但是在使用简易编程器输入用户程序时，必须把梯形图程序转换成语句表才能输入。对同样功能的指令，不同厂家的PLC使用的助记符一般不同。西门子PLC系列基本逻辑指令表：

指令操作数由操作标示符和参数组成。操作标识符由主标识符和辅标识符组成。在西门子的PLC编程软件STEP-7中，有专门的比较

指令：IN1与IN2比较，比较的数据类型可以是B、I（W）、D、R，即字节、字整数、双

字整数和实数；还可以有其他的比较式：>、<、≥、≤、<>等等。当满足比较等式，则该触点闭合。（3）功能块图（FBD）使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑。功能块图用类似于与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框被“导线”连接在一起，信号自左向右流动。图10-7三种编程语言比较10.6.4

PLC应用开发（1）TIA博途软件西门子公司全新推出了TIA博途软件（Totally

Integrated

Automation

Portal），该软件将所有的自动化软件工具都统一到一个开发环境中，是业内首个采用统一工程组态和软件项目环境的自动化软件，可在同一个环境中组态几乎所有西门子可编程控制器、人机界面和驱动装置。在控制器、驱动装置和人机界面之间建立通信时的共享任务，可大大降低连接和组态成本。TIA博途软件包含TIA博途STEP7、TIA博途WinCC、TIA博途Startdrive和TIA博途SCOUT等。内部集成了STEP7

Basic和WinCC

Flexible

Basic，该软件是对西门子的S7-300/S7-400、M7-300/M7-400以及C7控制器进行组态和编程的标准工具，它可

以安装在PC上，用于管理一个自动化项目的硬件

和软件系统。主要功能包括硬件组态和参数设置、组态网络和通信连接、编写和调试控制程序、故障诊断、上位监控和项目归档等。（2）Portal视图Portal视图提供了面向任务的工具视图，可以快速确定要执行的操作或任务。在Portal视图中，在左边窗口中选择不同的任务入口就可以处理相应的工程任务。选择【启动】任务后，在右边会出现该任务下相应子功能，如【打开现有项目】、【创建新项目】、【移除项目】和【关闭项目】等操作。图10-9项目视图（3）项目视图在Portal视图中，点击左下角的【项目视图】可以切换到项目视图，项视图是项目所有组件的结构化视图，项目视图类似于Windows界面，包括标题栏、菜单栏、工具栏、编辑区和状态栏等。图10-9项目视图（4）S7-1200

CPU指令系统S7-1200

CPU指令系统按照指令功能分为基本指令、扩展指令、工艺与通信指令。基本指令：逻辑运算指令、定时器操作指令、计数器操作指令、移动操作指令等多个指令。扩展指令：日期和时间指令、字符串+字符指令、分布式I/O指令、中断指令等多个指令。工艺指令：计数指令、PID控制指令和运动控制指令。通信指令：S7通信、开放式用户通信、WEB服务

器指令、其它指令、通信处理器和远程服务指令。图10-10

STEP7

Basic指令系统（5）项目开发流程主要步骤是新建项目、硬件组态、PLC编程、编译、下载和仿真调试。①项目的创建在桌面找到TIA

Portal软件图标，双击它，打开Portal视图界面，在该界面中，单击【创建新项目】。图10-11新建项目界面在该界面中，输入项目名称、文件存放路径，然后，单击【创建】。图10-12设备设置界面②硬件组态在如图10-12所示的新建项目界面,单击【添加新设备】。弹出如图10-13所示的“添加新设备”界面。单击【控制器】图标，在右边的窗口中，选择控制器型号。注意，模块的订货号以及插槽的位置要与工程项目的实际位置一致。图10-13“添加CPU”界面单击【确定】按钮，选中的CPU会自动插在1号槽中。图10-14插入CPU的界面信号模块添加和属性配置。图10-15信号模块添加和属性配置③PLC编程编程输入方法在程序编辑器中输入指令的有两种方法。第一种是在指令树窗口中双击要输入的指令，就可在矩形光标处放置一个编程元件。第二种是在工具栏上单击触点、线圈或指令盒按钮，从弹出的窗口下拉菜单所列出的指令中选择要输入指令单击即可。图10-16编程元件的输入PLC触点及线圈同一个输出点的线圈在程序里一般只能使用一次。但是线圈的常开触点及常闭触点可以在程序里重复多次使用，没有数量限制。图10-17触点及线圈同程序同线圈多次输出及处理方法如果在用户程序中，同一编程元件的线圈（Q输出点）使用了两次或多次，根据PLC从上到下循环扫描的工作机制，默认最后扫描到的位状态刷新为映像存储区的当前输出状态。图10-18同一线圈的错误用法图10-19同一线圈的解决方法地址定义分配创建符号表：在符号表中定义参数地址，将梯形图中的直接地址编号可以用具有实际含义的符号代替，使用时只需给符号或地址即可。输入地址：当输入一条指令后，参数开始用问号表示????。问号表示参数未赋值。此时只需要在问号处输入一个在符号表中定义过的变量符号即可。④编译和保存用户程序

用工具栏按钮或PLC菜单进行编译。图10-20同一线圈的解决方法

“编译”允许编译项目的单个元素。当选择“编译”时，带有焦点的窗口（程序编辑器或数据块）是编译窗口；另外两个窗口不