多功能互补型沼气干发酵反应器增温装置控制系统设计与应用

郑 勇，焦 静，王金丽，张 劲，黄正明，曹建华

(1.中国热带农业科学院农业机械研究所，广东湛江 524091； 2.中国热带农业科学院橡胶研究所，海南儋州 571737)

自动控制技术在国内外得到了快速发展和应用，随着系统控制的难度、复杂性、参数的增加，学者们研究了反馈控制、神经网络控制、PLC、PID控制等传统与现代控制方法的融合[1]，并在沼气厌氧发酵系统中开展了应用，形成了一系列先进的控制方法和理论，研发了先进的配套设备和软件，在沼气过程系统中发挥了较好的作用，取得了较好的效益。先进的控制理论和方法值得借鉴和学习。在国外，先进的理论和方法研究包括Liu等的发酵系统二维模糊控制[2]；Murnleitner等的发酵过程模糊控制理论[1]；Denac等的PID控制进料速率[3]；Holubar等的神经模糊控制甲烷产气率[4]；Hilgert等的多模型估计智能远程控制[5]。在国内，沼气控制系列理论研究刚刚起步，系统自动化控制还较低，劳动强度较大，且运行的成本比较高。国内学者围绕控制理论和应用展开了深入研究，如PLC和组态软件理论[6-8]、增量PID控制算法[9]、沼气发电中控系统[10-11]、远程控制系统[12]、沼气压力监控系统[13]、pH值在线智能控制系统等。随着信息化技术的发展与成熟应用，沼气工程系统控制发展将向多参数监测、多种传感器融合、多种控制方式并存的方向发展，将逐步实现系统的网络化、远程化、可视化、智能化、信息化功能[14]，将更凸显符合我国各地沼气工程需求特色，推动我国沼气工程系统控制关键技术的研发集成与应用，提高沼气工程质量，确保系统的灵活性、安全性和稳定性。

物联网技术在农业上的应用，能为农业生产实现集约、高产、优质、高效、生态、安全，提高技术支撑和重要保障[15]。物联网系统选用温度传感器、液位传感器、pH值传感器、CO2传感器等多种传感器进行光、温、水、肥、气的动态监测，采用传感器节点建立物联网监控网络，具有实时监测、远程控制、查询、警告功能。传统的沼气发酵系统数据监测与控制系统主要包括工业控制、单片机控制、PLC控制、集散控制和现场总线控制五大类[16]，物联网沼气工程系统由传感层、传输层和应用层3个部分组成，系统中的关键参数包括沼气温度、压力、液位、浓度。在新型传感器方面的研究包括Liu等的生化需氧量(BOD)传感器[17]、Feitkenhauer等的在线总挥发酸(VFAs)监测系统[18]、杨帮华等的CH4浓度监测设备[19]，李勇采用云计算技术建立了沼气远程实时监测系统[10]。

在物联网沼气工程系统方面的研究报道较少，该方面的研究仍处于理论探索阶段，系统的应用需要进一步完善和优化，研究包括陕西理工学院物理与电信工程学院的陈正涛等研究了物联网数据感知、传输与反馈在农村沼气监测预警系统中的应用理论[20]；北京市农业局的李文超等探索了沼气工程物联网智能监控系统的总体架构设计[16]；宁夏清洁发展机制环保服务中心的单臣玉等围绕宁夏农村沼气工程建设，研究了物联网智能沼气监控系统的总体结构和功能设计[21]；冉毅等研究了沼气工程物联网构建理论[22]；赵二摆研究了Android平台的在线沼气生成监测系统[23]。

在我国，沼气工程建设得到了党中央、国务院的高度重视，国家连续出台多项法规政策，不断加强农村沼气工程工作。农村沼气工程得到了迅速发展，随着该项工程的继续深入，沼气产能与安全管理将成为沼气工程推广应用中的突出问题。目前，沼气工程系统主要靠人工操作，机械化、信息化、智能化水平较低，废弃物利用率不高[24]，且在系统故障诊断方面较为滞后，现场操作危险性较高。本研究立足该突出问题，尝试采用信息新技术，包括信息采集、信息传输、信息管理与信息反馈等技术，从清洁能源的角度，探索自动化和智能化沼气工程系统解决方案和关键技术，为农村沼气工程技术推广应用提供方法。

1 系统硬件选择与电路设计

系统采用数字量控制和模拟量输入输出转换，选用模拟量扩展模块EM231，配合CPU224XP实现对模拟量信息的采集与控制；选用型号为TSHMI004的7寸云触摸屏为上位机，对现场过程进行可视化控制，并为物联网化组态编程设计提供平台；主循环热水泵控制变频器选用国产型号为DV600-4015-A-G的德弗变频器；选择电流输出型2线制Pt100铂电阻温度变送器、型号为MIK-P260的硅压阻式液位变送器共同组成了系统硬件。

本控制系统的电路设计主要分主电路设计和PLC控制电路设计2个部分。主电路主要是用于控制空气能热泵、各环节热水泵的工作情况。其中空气能热泵、主循环热水泵电机为三相电机，其他热水泵为单相电机。主电路主要由断路器、变频器、交流接触器、电机、继电器等主要元件组成，实现各电机按控制要求启动或停止，或按控制要求进行调速运行，主电路如图1所示。

因各泵均受PLC的指令控制，故主要工作过程以空气能热泵为例进行介绍。合上断路器Q1，根据PLC的输出指令，控制空气能热泵的启停。通过安装在主回路中的热过载继电器对空气能热泵进行过载保护，同时也通过安装于主电路上的电流开关线圈感应电流有无，及时反馈给PLC数字输入端，结合PLC输出状态判断空气能热泵是否处于正常工作状态，为故障检测与定位提供了条件。

2 系统软件设计

2.1 PLC程序编程设计

2.1.1 PLC控制系统整体架构 本研究设计的物联网控制系统控制硬件核心主要由CPU224XP的PLC、EM231模拟量扩展模块和云触摸屏构成，外接温度变送器、液位变送器、电流开关、水流开关等检测器件，外控空气能热泵、温差循环泵、热水泵、变频器、电磁阀等执行元件，以及报警与指示器件。PLC控制系统整体架构框图如图2所示。

2.1.2 PLC地址分配 根据前述控制要求与控制对象内容，确定本系统所需的I/O数量为30个，需根据PLC的输入输出接口地址对其进行映射分配，以便后期编程使用。触摸屏部分变量与PLC地址分配见表1。

表1 触摸屏部分变量地址分配

云触摸屏根据标准RS-485通讯协议与PLC的变量进行数据交换，可交换I区、Q区、M区、V区和SM区，通过在触摸屏上组态各类变量控制与显示画面，可以直接控制或显示PLC可控区域的变量地址内容。通过对触摸屏变量的组态来完成变量地址映射。

2.1.3 主程序设计 在物联网控制系统设计中，PLC是核心，负责对硬件的检查，数据的初始化与采集、分析和处理，故障报警与控制输出，根据所处理的数据与功能不同，采用模块化编程方法，把程序功能相近又重复调用的部分编制成子程序。通过在主程序中调用不同子程序的方法，提高程序的可移植性、扩展性与简洁性，提高程序可读性。为了方便系统调试与故障检修，程序设计成手动控制与自动控制2个部分，主要设计有空气能热泵控制子程序、主循环热水泵控制子程序、模拟量输入量程转换子程序、模拟量输出子程序、故障报警子程序等。PLC主程序流程图如图3所示。

2.2 云触摸屏组态设计

2.2.1 云触摸屏组态流程 云触摸屏组态开发过程与其他的同类产品大体类似，只是最后的网络设置有别于传统触摸屏。其使用CNWSCADA(HMI版)开发环境进行组态开发，主要由6个步骤组成，即创建工程、创建窗口、创建IO设备通信、增加IO通信变量、建立动画连接以及调试与运行。本研究触摸屏组态流程如图4所示。

2.2.2 主要组态及APP生成 其中系统主界面组态如图5所示。

在CNWSCADA(HMI版)开发环境中新建一个工程，选择正确的HMI型号与分辨率，同时在画面布局中勾选画面分辨率自适应，以便能在不同的终端设备上以全屏运行组态工程画面。根据控制系统需求，需要组态不同的人机画面，以满足不同功能的控制要求，主要画面有登录画面、主画面、手动控制画面、自动控制画面、视频监控画面、故障报警记录画面等。

本研究建立了控制系统的组态APP界面，与手机终端上的监控画面及触摸屏组态的完全一致，可以在任何网络(2G/3G/4G或Wi-Fi)中与控制系统进行交互，实现了物联网化控制。手机端设置过程及部分手机监控面如图6所示。

3 系统测试与应用

在完成增温装备物联网控制系统的硬件选型与设计、软件组态与设置后，于沼气试验示范基地的中试设备增温装备上进行了系统调试与运行。“空气能+太阳能”增温模块的安装现场如图7所示。控制系统的电气控制箱实物如图8所示。

本研究的控制系统主要对象为传感器与执行器，同类型器件工作原理相近，调试工作亦具有类似性，以下以某一对象为例进行简述。主要调试过程与方法按以下步骤进行：(1)使用S7-200模拟软件对所编写的PLC程序进行检验与仿真，分析其逻辑与输入输出正确性。(2)逐步连接外部模块到PLC输入输出端子，测试执行器输出与检测元件反馈动作与功能的正确性。以电磁阀与电流开关为例，连接好接线后，手动打开电磁阀，观察PLC输出及电磁阀实际工作状况是否正确，同时观察电流开关反馈是否正常。在PLC输出端子断开电磁阀控制电缆，观察报警功能是否有效，经调试，各功能正常。(3)对温度变送器及增温自动控制程序进行测试。由于本系统各元件空间位置较远，且用水量大，正常升降温时间长，为方便观察系统运行情况与调试，采用模拟实验进行试验。取2个盛满水的烧杯模拟主、副保温水箱，使用电加热器控制水温变化，观察云触摸屏上水温曲线是否随水温变化而变化、数据是否准确、PLC输出及各电流开关反馈是否正常，经调试，各功能正常。(4)各功能模块模拟调试通过后，按系统物理元件布局，连接好各控制与电源线缆，先使用手动功能进行逐一测试，再转为自动控制对整个系统进行联合调试，查看各器件动作的正确性，并通过观察PLC的输入输出情况来判断PLC控制程序与触摸屏各画面的组态变量连接正确与否，对测试过程中出现的故障进行改正，经调试，各功能正常，保证了系统的正常运行。

经过一段时间的在线运行试验结果表明，发酵反应器内温度稳定在(38±2) ℃，平均日产气量为10 866.8 L，甲烷含量为56%，产气速率均匀，较常温下日均产气量(6 759.9 L)多出4 000 L左右，产气效率提高了50%左右，达到了较好的产气效果。

4 结论

本研究基于资源化、减量化、无害化、生态化原则，围绕沼气产生过程中使用的工艺方法和设备系统组建关键技术的需求，重点研究多功能互补型沼气干发酵反应器增温装置物联网控制系统的设计，该设计在沼气工程中的现实意义主要包括以下4个方面：(1)增温装置的研究帮助提高沼气系统的产气率和产气量。温度是影响产气率和产气量的关键因素之一。中温发酵、增温保温工艺在沼气工程中非常重要。适宜的温度可以帮助提高农业废弃物发酵中的活性，提高不同生物种群的新陈代谢，提高沼气的产气率和产气量。(2)“物联网+PLC”控制模式和关键技术的引入，帮助提高沼气工程系统的智能化程度，提高系统运行的经济性。通过PLC接口，与沼气工程系统中温度、液位、电流等传感器和执行器进行连接，可以进行开关量逻辑控制、定时计数控制、模拟量控制、数据分析处理、数字通讯控制等；同时通过物联网多传感器和网络云平台的搭建，进行沼气工程系统动态数据采集、传输、分析与控制动作，可以减少人力成本，增加系统的智能化程度和运行的经济性。(3)云触摸屏和APP关键技术的应用，帮助系统实现远程可视与准确控制，推动系统运行的安全性和可靠性。云触摸屏作为一种高性能、嵌入式、一体化的人机界面，具有功能齐全、操作简单、可视化控制等特点，为物联网化组态编程提供平台，且可以自动傻瓜式生成APP。通过建立的网络和云平台，可以实现远程可视化操作，增加沼气工程控制系统操作的安全距离，且系统会主动推送系统异常信息，能够进行故障自动诊断，避免人为的误操作，对系统管控的地点较为灵活，有网络通讯支持的地方均可以通过智能终端实现对系统的管控。(4)采用空气能热泵和太阳能热水器进行系统增温，比较节能，且空气能和太阳能都是因地制宜的清洁能源，也是国家沼气发展规划的重要要求之一。由太阳能增温模块、空气能增温模块、反应器增温模块、储热水箱等4大模块组成的多功能互补型水循环增温装置，能够为沼气发酵厌氧菌群提供一个稳定适宜的温度环境，既节约能源，又能帮助系统高效运行。