浅谈沼气工程的智能控制系统范文

摘要：近年来我国沼气工程量大面广，形成了一定规模，但也存在一些问题：系统缺乏精确设计和科学配比，沼气启动缺乏合理配料和指导，日常管理缺乏长效的服务机制等，制约了沼气工程的发展。基于工业4.0提出的智能工厂，本系统重点研究沼气智能化生产控制系统，使沼气工程持续发展和长效运行。使用了三菱FX系列PLC为控制器，三菱GS系列触摸屏为监控设备，结合以太网通讯，实现APP通讯与用户端联系，实现利用秸秆、水葫芦和各种粪便等原料的科学配比，采用太阳能加热保温提高效率，通过液搅拌等实现动态发酵，产生清洁高效的沼气。

关键词：FX系列PLC；沼气工程智能化；触摸屏；APP通讯

1引言

经过多年的建设和发展，我国沼气已经成为现代循环农业的核心和纽带，形成了北方“四位一体”、南方“猪-沼-果”和西北“五配套”等经典循环农业模式。目前中小型沼气工程基本都因地制宜建设在农村，由于投资等问题，大多采用对沼气池简单放大的办法来完成建设任务，对沼气工程系统缺乏整体精确设计，没有配套“原料清杂调质、系统保温增温、发酵传质搅拌、沼气净化贮存、沼肥贮存利用”等必不可少的设施和装置。同时农村通过燃烧来处理秸秆，浪费了资源，因为其中含有丰富的有机质，是沼气发酵的宝贵资源。而且在我国水葫芦已经成为了一种灾害性植物,干扰了水生生态系统平衡，但水葫芦并不是毫无作用，可以将其作为沼气发酵原料。由于沼气发酵是专业性很强的生物工程，其快速高效启动和日常管理等都制约和影响着系统的正常运行，对于原料碳氮比、发酵液PH值、肥水比之间的配比都需要进行控制。针对上述问题，本文设计的沼气工程智能控制系统可以实现不同原料的有效预处理，强回流搅拌，太阳能增温的中常温连续发酵等要求。

2智能控制系统整体方案

2.1智能控制系统设计原理

沼气工程包括原料的收集和预处理，沼气发酵装置的启动和日常运行管理，以及发酵残渣的处理。基于上述环节，利用PLC控制电机对秸秆和水葫芦等进行有效粉碎，通过对各传感器进行数据采集，由FX3U系列ADDA模块进行数据传递实现实时监控，便于控制原料配比进行发酵。再通过无动力自流进料到调节池中，实现对原料PH值和浓度的控制。在发酵罐环节采用的是液搅拌方式避免结壳和分层。为了实现全年持续产气用气，还设计了太阳能增温系统，利用太阳能热水器吸收热量提高水温，通过水循环为系统主要环节供热，有助于冬季沼气池的防冻结等。同时使用螺旋出料机构和固液分离机构实现连续进出料，避免大进大出等问题，保证一定的池容产气率、TS产气率等。

2.2智能控制系统各模块

2.2.1原料的收集和预处理

为保证沼气池启动和发酵有充足而稳定的发酵原料，使池内发酵原料不结壳，易进易出，达到管理方便，产气率高的目的，需要认真选择好发酵启动的第一池原料。因此本系统的进料选择有两种模式：初启动模式和连续进料模式。通过APP从用户端收集每月沼气订购总量，沼气站根据相关数据储备一定量的原料。比如动物粪便可从养殖场收购，各种秸秆可从农户手中收购。沼气工程的长效运行不能依赖于政府的长期补助，因此可研究制定优惠政策，对使用APP购买沼气时可提供原料的用户，给予优惠，实现低价收购原料。系统会对各种秸秆和水葫芦等进行预处理，包括粉碎、打浆和堆沤。本系统模拟湿式发酵，由于实际工业过程中，优化的肥水比是，接种物：原料干物质含量﹕水﹕产气量=1﹕2﹕5﹕1，本系统发酵罐总体积为45000cm3，则至少需要10000cm3接种物，可估算得到产气量约占5000cm3。当预处理箱温度恒定，进料间原料无动力自流进入调节池，进行PH的调控。

2.2.2太阳能增温系统

温度变化对沼气产气量的影响显著,温度波动往对产气量造成严重的影响,甚至于停止产气。冬季气候条件下维持发酵罐内料液温度在25℃～38℃左右，即可保证装置发酵正常。

2.2.3沼气发酵装置的设计

由于本系统属于连续发酵，发酵罐中排出的原料量可以和重新连续进料量相等，避免了大规模的换料带来的问题。

2.2.4沼气处理及应用

发酵罐生产的沼气可用于粮食贮藏，供电等。但需要在出口处设计净化的相关结构，比如水封罐和储水罐。当罐内压力过高时，通过水封排出一定的压力防止超压。当罐内压力过低时可通过水封通入一定的空气防止罐超负压损坏。

3智能控制系统的实现

3.1数据的交互

本系统通过TCP协议、MC协议等实现APP和PLC的通信，通过PC端或APP端直接向PLC发送报文，借此写入或读出软元件的值。适合操作人员在车间进行使用，通过Eclipse进行编译。在FX3u-48M上安装485模块，通过485模块连接FX3u-ENET-ADP以太网模块，设置好参数后，与PLC相连，至此所有通讯的准备步骤便完成了。

4小结

本沼气工程智能控制系统的重点在于利用三菱公司的PLC等设备实现有效利用秸秆和水葫芦等植物，既能减少资源消耗与浪费，又能产生清洁能源。对于过程的实时监控，通过APP实现与用户端的联系，更加保证了沼气产气率，优化了过程参数，便于日常管理，体现了智能化的控制过程。

参考文献：

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作者：杨丽；黄天胤；徐晨；鞠勇 单位：南京师范大学