一种基于物联网的卧式智能等离子体医疗废弃物裂解测控系统的制作方法

本发明涉及危险废物处理领域，具体提出了一种基于物联网的卧式智能等离子体医疗废弃物裂解测控系统。

背景技术：

目前中国医疗废弃物的管理体系并不完善，虽然规定医疗废弃物必须集中焚烧处理，但是很多医院并没有标准的焚烧设施，而是使用简易的炉子，也没有安装废气护理装置，二次污染严重。在焚烧时，焚烧炉的性能达不到要求，焚烧不完全，难以确定在排出的废气废渣中是否还残存着传染性，毒性或者其他有害性的物质。有些医疗废弃物的处理也并不是很及时，医疗废弃物是不可以储存超过四十八小时，如果医院的焚烧设备不到位，需要运输或者等待统一处理，则很多医疗废弃物已经超出“储存安全期”了。我国近年来注重环境保护，需要更多节能环保的垃圾处理方法。

等离子技术是居于国际前沿的先进环保技术，是处理各类固体废弃物的最可靠的措施，在环境治理领域市场前景广阔。等离子体是气体与电弧接触而产生的一种高温、离子化和传导性的气体状态。由于电离气体的电导性，可使电弧能量迅速转变成热能，形成可达5500℃的高强度热源。超高温的特点使等离子体对处理对象的适应性更强。

物联网的应用涉及到各个领域，如工业，农业，物流，交通等等，使各行各业的资源配置更加合理，合作更加高效，提高了人们的生活质量。随着大数据时代的来临，物联网这种集获取信息，传输信息，处理信息和信息反馈于一身的管理系统的应用前景是非常广阔的。

故障诊断一直以来都是学术界和工业界的重要研究课题。可靠性和安全性一直是衡量产品质量的重要指标，而故障诊断的能力对两者的影响巨大，尤其是危险性较高的行业。考虑到医疗废弃物焚烧，既有高温环境有可能面对医疗废弃物毒害的危险，对于焚烧炉的安全性的保障很重要，故障诊断功能必不可少。模糊推理这种不确定推理方式对模型的要求不高，更依赖于数据，很符合医疗废弃物裂解过程的特点。

技术实现要素：

本发明旨在针对现在医疗废弃物处理系统的不完善，普通焚烧会产生对环境有害的二噁英，等离子体焚烧炉故障造成燃料泄露或危及人身安全等问题，提出一种基于物联网的智能等离子体医疗废弃物垃圾裂解测控系统，实现医疗废弃物无害化和自动化处理，保障处理过程中设备和人身安全，并兼顾节能减排的目的。

本发明基于物联网的卧式智能等离子体医疗废弃物裂解测控系统，包括卧式等离子体裂解系统和数据监测控制系统，两者由信息传输装置相连接。

所述卧式等离子体裂解系统通过传送带输送医疗废弃物，并对医疗废弃物进行处理；数据监测控制系统用于对等离子体裂解过程中各设备数据进行实时监测，根据监测数据控制传送带速度；且数据监测控制系统中设计有故障检测系统，采用模糊推理方式对卧式等离子裂解系统中各设备故障进行实时诊断。

本发明的优先在于：

1、本发明基于物联网的卧式智能等离体子医疗废弃物裂解测控系统，在处理对象方面，可以处理危险性较高的废物，其封闭式的处理系统使整个过程安全系数更高；

2)本发明基于物联网的卧式智能等离体子医疗废弃物裂解测控系统，等离子体的超高温可以燃烧金属，所以免去了进行裂解之前的二次分类工作，避免了在医疗废弃物裂解过程中产生不必要的泄露污染；

3)本发明基于物联网的卧式智能等离体子医疗废弃物裂解测控系统，采用了物联网的先进概念，使各个部分之间的配合更加高效，为自动化控制系统的工作提供了预备条件，使系统内所用到的设备在寿命内的效果最大化，减少能源浪费；

4)本发明基于物联网的卧式智能等离体子医疗废弃物裂解测控系统，采用智能控制的，从进料到排气均是自动化完成，还可自行调节医疗废弃物裂解功率，面向不同的使用需求，减少人工步骤，降低操作难度和污染泄露的可能性；

5)本发明基于物联网的卧式智能等离体子医疗废弃物裂解测控系统，加入了故障检测系统，实时数据由前端传感器传输到计算终端，实时监测系统是否产生故障，很大程度上避免了故障处理不及时带来的安全隐患。

附图说明

图1为本发明基于物联网的卧式智能等离体子医疗废弃物裂解测控系统中卧式等离子体裂解系统结构示意图。

图2为本发明基于物联网的卧式智能等离体子医疗废弃物裂解测控系统中pid控制系统控制方法流程图。

图3为本发明基于物联网的卧式智能等离体子医疗废弃物裂解测控系统中故障诊断方式示意图。

图中：

1-垃圾传送带2-主燃烧炉3-副燃烧炉

4-第一等离子体枪组5-第二等离子体枪组6-第三等离子体枪组

7-第四等离子体枪组8-第五等离子体枪组9-灰烬收集器

10-热交换器11-冷却塔12-活性炭吸附装置

13-除尘装置14-除酸塔15-第一单向阀

16-引风机17-气动阀18-第二单向阀

19-第一补风机20-第二补风机21-第一截止阀

22-第二截止阀23-第一气动阀24-第三截止阀

25-第四截止阀26-第二单向阀27-第三单向阀

28-第五截止阀29-气体组份分析仪30-第二气动阀

31-第二安全阀32-回风机33-第三气动阀

34-第四单向阀35-第五截止阀36-第一温度传感器

37-第二温度传感器38-第三温度传感器39-第四温度传感器

40-第五温度传感器41-第六温度传感器42-第七温度传感器

43-第八温度传感器44-第九温度传感器45-第十温度传感器

46-主燃室远程压力传47-副燃室远程压力传感器48-主燃室现场压力计感器

49-副燃室现场压力计

具体实施方式

下面结合实施例，并配合附图对本发明中的各部分设计方法作进一步的说明。

本发明基于物联网的卧式智能等离体子医疗废弃物裂解测控系统，包括卧式等离子体裂解系统和数据监测控制系统，两者由信息传输装置相连接。

其中，卧式等离子体裂解系统包括废物送料系统、废物等离子体燃烧系统、尾气处理系统、补风系统与回风系统。

如图1所示，废物送料系统负责医疗废弃物粉碎和传送，包括碎料机和垃圾传送带1。由碎料机的进料口下料后，由碎料机将医疗垃圾废弃物粉碎成细小粒径，并落入垃圾传送带1始端。

所述废物等离子体燃烧系统由主燃烧炉2与副燃烧炉3组成，主燃烧炉2与副燃烧炉3间通过管路连接。

其中，主燃烧炉2为卧式布局，垃圾传送带1位于主燃烧炉2内部，将其上的医疗垃圾传送到主燃烧炉2中参与高温烘烤、高温裂解焚烧，其运输速度可根据燃烧情况自动调整。主燃烧炉2内部从始端到末端横向分段划分为干燥区、第一燃烧区、第二燃烧区与第三燃烧区，各区段之间由隔板分割。

主燃烧炉2还具有第一等离子体枪组4、第二等离子体枪组5、第三等离子体枪组6、第四等离子体枪组7。其中，第一等离子体枪组4布置于干燥区内，起到初步干燥和初步焚烧的作用；第一等离子体枪组4包含5个等离子体枪，干燥区顶部垂直布置1个等离子体枪，干燥区周向每面侧壁上布置1个等离子体枪，侧壁上的等离子体枪向下倾斜，与垃圾传送带1成45度角。第二等离子体枪组5布置于第一燃烧区内，起到进一步干燥和初步焚烧的作用；第二等离子体枪组5包含5个等离子体枪，顶部垂直布置1个等离子体枪，干燥区四周每面侧壁上布置有1个等离子体枪，侧壁上的等离子体枪向下倾斜，与垃圾传送带1成45度角。第三等离子体枪组6布置与第二燃烧区内，起到充分高温裂解焚烧和部分可燃尾气初步焚烧的作用。第三等离子体枪组6包含5个等离子体枪，顶部垂直布置1个等离子体枪，干燥区四周每面侧壁上布置有1个等离子体枪，侧壁上的等离子体枪向下倾斜，与垃圾传送带1成45度角。第三燃烧区内布置第四等离子体枪组7，起到进一步高温裂解焚烧和部分可燃尾气初步焚烧的作用。第四等离子体枪组7包含5个等离子体枪，顶部垂直布置1个等离子体枪，干燥区四周每面侧壁上设有1个等离子体枪，侧壁上的等离子体枪向下倾斜，与垃圾传送带1成45度角。主燃烧炉2始端侧壁上开设有第一进气口，主要用于向干燥区输送热空气，提高医疗废弃物的干燥效率；主燃烧炉2末端端面上开设有第一出气口，主要用于将焚烧产生的可燃气体混合物输送至副燃烧炉；第一出气口处安装有主燃室出气阀。主燃烧炉2顶部安装有安全泄压装置，用于保证设备安全，防止超压。

副燃烧炉3为立式布局，自下而上燃烧，用于焚烧主燃烧炉2产生的可燃气体和进一步高温裂解硫化物等大分子气体，去除甲烷等可燃气体、硫化物等难分解气体，进一步净化空气。所述副燃烧炉3具有第五等离子体枪组8；第五等离子体枪组8包含5个等离子体枪，副燃烧炉3顶部中间垂直布置1个等离子体枪，中部侧壁四周均匀布置4个等离子体枪。第五等离子体枪组8用于焚烧进入到副燃烧炉3内的主燃烧炉2产生的可燃气体和进一步高温裂解硫化物等大分子气体，便于后期尾气环保处理。副燃烧炉3侧壁四周离子体枪向下倾斜设置，喷射火焰轴线与尾气垂直流动方向成45度角，形成主动对流高温焚烧方式，增加燃烧、裂解效率，进一步延长等离子体抢的使用寿命。

副燃烧炉3下部侧壁上开设有第二进气口与第三进气口；第二进气口通过管路与第一出气口连通；第三进气口连接补风系统，实现向副燃烧炉3内导入常温空气。第三进气口位置高于第二进气口位置100～300mm，便于密度轻的尾气与密度相对重的空气充分混合，提高后续燃烧效率。第二出气口开设于副燃烧炉3的炉体上部侧壁，通过管路连下游的接尾气处理装置，便于燃尽的尾气输送至下游尾气处理装系统。副燃烧炉2顶部安装有安全泄压装置，用于保证设备安全，防止超压。

上述垃圾传送带1末端下方与副燃烧炉底部燃烬区底面出灰口下方设置有灰烬收集器9，灰烬收集器9用于自动收集主燃烧炉2和副燃烧炉3产生的炉渣，实现灰烬自动收集和降温。

所述尾气处理系统包括热交换器10、冷却塔11、活性炭吸附装置12、除尘装置13、除酸塔14、第一单向阀15、引风机16、气动阀17与第二单向阀18,均通过尾气处理管路连接。

其中，热交换器10的进口通过管路连接副燃烧炉3的第二出气口，使常温空气与副燃烧炉3内二次燃烧后产生的1000～1500度高温尾气在热交换器10内充分热交换，回收其中热量。热交换器10通过管路与主燃烧炉2的第一进气口201g连通，将被升温后的空气引入干燥区，参与干燥和燃烧，提高主燃烧炉内初始温度和能量，提高烘干效率，实现节能减排、降低生产成本。冷却塔11位于热交换器10下游，采用喷淋降温方法，进一步降低尾气温度至常温，便于下游设备对尾气的进一步净化处理；活性炭吸附装置12位于位于冷却塔11下游，内置活性炭、消石灰，用于吸收尾气中少量残余的二恶英及重金属，进一步净化尾气；除尘装置13位于活性炭吸附装置12下游，用于进一步清除尾气中的固体颗粒物、灰烬，避免环境污染。除酸塔14位于除尘装置13下游，采用25％氢氧化钠溶液，用于清除尾气中残留的二氧化硫及酸性物质，使排放气体达到环保要求；第一单向阀15位于引风机16出口处，用于防止尾气反流；引风机16位于尾气处理管路末端，引风机16出口直通大气，引风机采用变频调速风机，风速可调，用于克服工艺管道及各设备的风阻，将净化后的尾气直排大气，同时引风机16可使等离子体高温裂解焚烧系统工作于微负压状态，避免管路超压、燃气外漏等不利现象发生；第一气动阀17位于尾气处理管路最末端，用于远程控制气体排放的开关；第二单向阀18位于冷却塔11出口处，用于防止尾气反流至冷却塔11。

所述补风系统由第一补风机19、第二补风机20、第一截止阀21、第二截止阀22、第一气动阀23、第三截止阀24、第四截止阀25、第二单向阀26、第三单向阀27组成，通过管路链接。

其中，第一补风机19通过第一补风管路与热交换器10相连；第二补风机20通过第二补风管路与副燃烧炉的第三进气口相连；第一补风机19与第二补风机20可同时或单独工作，互为备份，用于向主燃烧炉2通热空气或向副燃烧炉3通常温空气，辅助高温焚烧。第一补风机19或第二补风机20可保证在任一台故障的情况下，另一台的补风量仍然满足系统补风需求。

第一截止阀21、第三截止阀24安装于第一补气管路上；第二截止阀22、第四截止阀25安装于第二补气管上；第一气动阀23安装于第一补气管路与第二补气管路间安装的连通管路上，该连通管路一端连接于第一截止阀21、第三截止阀24之间，另一端连接于第二截止阀22、第四截止阀25。通过第一截止阀21、第二截止阀22、第一气动阀23用于控制第一补风机、第二补风机的工作模式及补风量大小，通过第一气动阀23相互控制，实现风机的同时工作或者单独各自补风工作。第二单向阀26与第三单向阀27分别安装在第一补气管路和第二补气管路上，用于防止可燃气体反流，造成设备危险。

所述回风系统由第五截止阀28、气体组份分析仪29、第二气动阀30、第二安全阀31、回风机32、第三气动阀33、第四单向阀34与第五截止阀35组成，通过管路连接。如果排放尾气不达环保要求，则启动回风系统，将不达标尾气回送至活性炭吸附装置12入口，重新参与除尘、净化等工艺处理，直到达标为止。

其中，回风机32入口管路与引风机16出口管路连接，连接位置位于第一单向阀15与气动阀17之间。第二气动阀30安装于回风机32入口管路上，且靠近引风机16出口管路。回风机32出口管路与活性炭吸附装置12入口管路连接；气体组份分析仪29入口管路与回风机32入口管路相连，连接位置位于第二气动阀30与引风机16入口管路之间。第五截止阀35安装于气体组份分析仪29入口处；气体组分分析仪29用于监测排放尾气的气体组份；当气体组份分析仪29不工作时，关闭第五截止阀35将其与系统断开，保护气体组份分析仪29。第三气动阀33与第四单向阀34安装于回风机32出口管路上；第三气动阀33靠近活性炭吸附装置303入口管路；第四单向阀34位于第三气动阀33与活性炭吸附装置303入口管路之间；通过第三气动阀33，避免因阀门关闭时过多尾气进入该段管路；通过第四单向阀34防止活性炭吸附装置12入口处燃烧尾气反流至回风系统5，造成二次污染，导致回风系统无法正常使用。第二安全阀31安装于回风机32入口管路上，靠近回风机32入口；第三气动阀33安装于回风机32出口管路上，位于回风机32出口与第四单向阀34之间，通过第二安全阀31与第三气动阀33避免各自所在管路压力过高。

所述数据监测控制系统采用了物联网的概念，应用到卧式等离子体裂解系统中。数据监测控制系统包括信息获取设备、故障诊断系统与pid控制系统。

其中，信息获取设备包括第一～第十温度传感器36～45，主燃室远程压力传感器46、副燃室远程压力传感器47、主燃室现场压力计48、副燃室现场压力计49。

其中，第一～第十温度传感器36～45分别安装于主燃室的干燥区，第一燃烧区，第二燃烧区，第三燃烧区，副燃室，燃尽区，以及热交换器前后管路和冷却塔前后管路上；主燃室远程压力传感器46与主燃室现场压力计48均安装于主燃烧炉2上；副燃室远程压力传感器47与副燃室现场压力计48均安装于副燃烧炉3上。为了适应等离子炬燃烧的高温环境防止医疗废弃物的腐蚀，上述所有的传感器均是可以耐高温且防腐蚀的。

除了上述各传感器与压力计外，垃圾传送带1与灰烬收集器9上个还安装有计数装置，用来测量垃圾传送带1速度和灰烬收集器9重量。所有传感器、测量仪表以及计数装置所获得的数据均会实时地上传到pid控制系统上，一方面是为了监测各项指标是否合格，保证安全性，一方面在pid控制系统中可更改预期的燃烧功率，对系统进行自动化调整。将实际燃烧功率和期望燃烧功率输入pid控制系统，输出垃圾传送带1速度改变量。如果监测的数据未发现异常，则将此控制量返回系统中，在此之前，电脑已经与垃圾传送带1的控制装置连接，可以根据指令自动的调整垃圾传送带1速度的大小；如果有系统故障的现象，则立刻将停止垃圾传送带1的指令返回系统，进行一同故障排查。

上述pid控制系统最主要的目标是根据各传感器、测量仪表以及计数装置的测量情况和故障诊断系统判定的系统故障情况，调节传动带速度与等离子枪工作功率。pid控制系统采用的是在工业中最常使用的经典pid控制器，其中包括比例单元，积分单元和微分单元，分别用来调节系统误差，减小稳定误差和提高反应速度。如图2所示，pid控制系统的控制方式如下：手动开启装置后由数据监测控制系统控制接管废物等离子体裂解系统，先通气不进料上传各传感器、测量仪表以及计数装置测量数据，监测数据是否存在异常，若存在异常则关闭等离子枪并报警；若数据均正常，则表示废物等离子体裂解系统正常，此时开启垃圾传送带1并提速至额定速度。随后pid控制系统根据测量到的实际燃烧功率和输入的需求燃烧功率，进行计算得到垃圾传送带1的速率调整量，输出至传送带控制装置，进行垃圾传送带1速率调节。在此过程中，如图3所示,各传感器和测量仪的数据会进行实时上传，并由故障诊断系统进行故障诊断，一旦发现异常，会终止传送带进料，同时关闭等离子枪，进行故障排除，此步骤的优先级为最高，可以中断装置的运作。排除故障之后可重新启动系统。

故障诊断系统的故障诊断方法采用基于数据的故障诊断的方法，进一步采用其中的基于症状方法中的模糊推理法进行故障诊断，具体如下：

根据各部分传感器的名称，以及对整个控制系统的安全要求，将故障诊断给定的条件论域x设置为{等离子枪使用寿命，第一温度传感器36测量值，第二温度传感器37测量值，第三温度传感器38测量值，第四温度传感器39测量值，第五温度传感器40测量值，第六温度传感器41测量值，第七温度传感器42测量值，第八温度传感器43测量值，第九温度传感器44测量值，第十温度传感器45测量值，主燃室远程压力传感器46测量值，副燃室远程压力传感器47测量值，主燃室现场压力计48测量值，副燃室现场压力计49测量值，燃烧功率测量值，灰烬收集器9重量测量值，垃圾传送带1速度测量值}，将结论论域y设置为{等离子枪报废，进料口堵塞，出灰口堵塞，出气阀阻塞，排气泄压装置故障，热交换器故障，冷却塔故障，装置破损(主副燃烧室及各连接管道破损)，进气口堵塞}。

模糊推理比较常用的方法是zadeh推理模型，主要原理描述如下：

ifxisfthenyisg

其中f和g是条件论域x和结论论域y上的模糊集。描述了x或y发生的可信度。此处描述的是单输入单输出的判断规则，但是等离子体医疗废弃裂解系统是很复杂的，需要多输入判断更加准确。所有模糊推理的完成都是需要提前指定推理的规则，具体到本发明中，指定如下几条规则：

rule1：if1)p11，等离子枪使用寿命到期,and

2)p12，燃烧功率下降，and

3)p13，第一/二/三/四/五温度传感器测量值下降，

then第一/二/三/四/五组等离子枪报废(a1,b1)

rule2：if1)p21，燃烧功率未下降,and

2)p22，灰烬收集器的计数装置测量值变化微小，and

3)p23，垃圾传送带速度未改变，

then出灰口堵塞(a2,b2)

rule3：if1)p31，燃烧功率下降,and

2)p32，灰烬收集器的计数装置测量值变化微小，and

3)p33，等离子枪寿命未到期，and

4)p34，主燃室现场压力计测量值降低，

then进料口堵塞(a3,b3)

rule4：if1)p41，第一温度传感器测量值降低,and

2)p42，第十温度传感器测量值降低，and

3)p43，第八温度传感器测量值升高

then热交换器损坏(a4,b4)

rule5：if1)p51，第六温度传感器测量值未改变,and

2)p52，第九温度传感器测量值升高，and

then冷却塔故障(a5,b5)

rule6：if1)p61，主燃室现场压力计测量值大幅上升,and

2)p62，副燃室现场压力计测量值大幅上升，

then排气/泄压装置故障(a6,b6)

rule7：if1)p71，燃烧功率下降,and

2)p72，主燃室远程压力传感器测量值下降，and

3)p73，主燃室上的温度传感器测量值均略下降，and

4)p34，副燃室上的温度传感器测量值不变，

then主燃室破损(a7,b7)

rule8：if1)p81，燃烧功率下降,and

2)p82，副燃室远程压力传感器测量值下降，and

3)p83，副燃室上的温度传感器测量值均略下降，and

4)p84，主燃室上的温度传感器测量值不变，

then副燃室破损(a8,b8)

rule9：if1)p91，主燃室现场压力计测量值大幅上升,and

2)p92，副燃室现场压力计测量值大幅下降，

then主燃室出气阀堵塞(a9,b9)

rule10：if1)p101，主燃室现场压力计测量值不变,and

2)p102，副燃室现场压力计测量值大幅上升，

then主燃室出气阀堵塞(a10,b10)

其中，pij表示rulei的第j个条件的权重，ai表示rulei的可信度，bi表示是否可以使用rule的阈值。只有当rulei的条件可信度大于bi时，此条规则才可以使用；否则规则不可使用，即没有发生规则所描述的故障。pij,ai,bi三组常数值均由有经验的人士确定或者通过多次实验确定。

本发明采用的技术方案为:一种基于物联网的卧式智能等离子体医疗废弃物裂解测控系统，包括如下步骤：

步骤一：启动数据监测控制系统；

步骤二：启动补风系统与回风系统；

步骤三：点燃五组等离子枪，实现主燃烧炉2与副燃烧炉3内的高温环境；

步骤四：上传未进料情况下各传感器、测量仪表以及计数装置的测量数据，进行开机故障检测。若无故障，实施步骤五；若存在故障，实施步骤六；

步骤五：启动进料系统1，监测实时数据并结合终端指令进行故障检测。若存在故障，实施步骤七；若收到终止程序指令，实施步骤八；否则，重复步骤五；

步骤六：启动报警系统，关闭五组等离子枪，排除故障。需要重启，实施步骤三，否则，实施步骤九；

步骤七：启动报警系统，停止碎料机和垃圾传送带1，关闭五组等离子枪，排除故障。需要重启，实施步骤三，否则，实施步骤九；

步骤八：停止传送带，关闭五组等离子枪；需要重启，实施步骤三，否则，实施步骤九；

步骤九：关闭补风系统与回风系统；

步骤十：关闭数据监测控制系统；

步骤十一：剩余废物封闭储存，全系统消毒。