基于太陽能溫度補(bǔ)償?shù)墓夂仙镏茪浞磻?yīng)器自控系統(tǒng)的設(shè)計

杜金宇，王 毅，周雪花，張全國

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部可再生能源新材料與裝備重點實驗室，河南鄭州450002)

隨著生物質(zhì)能源技術(shù)的不斷發(fā)展，生物制氫反應(yīng)器使用更加廣泛，對生物制氫反應(yīng)條件的調(diào)節(jié)要求也越來越高，從生物制氫工藝流程方面調(diào)節(jié)反應(yīng)器的可控參數(shù)，探求保持生物制氫反應(yīng)器生物代謝穩(wěn)定、產(chǎn)品高效輸出的工藝控制條件，一直是生物制氫反應(yīng)器設(shè)計者的追求目標(biāo)［1～3］．溫度是光合生物制氫反應(yīng)過程中一個最為重要的影響因素，在光合生物制氫反應(yīng)器設(shè)計中，溫度調(diào)節(jié)裝置是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)．目前光合生物制氫反應(yīng)器中常用蒸汽加熱或電加熱方式對反應(yīng)器溫度進(jìn)行補(bǔ)償［4，5］．蒸汽加熱方式常見于大型反應(yīng)器，加熱溫度高，調(diào)節(jié)速度快，但存在調(diào)節(jié)精度低、壓力大等缺點［6］．中小型反應(yīng)器一般采用電加熱方式，電加熱加熱溫度低，調(diào)節(jié)精度較高，但調(diào)節(jié)速度緩慢，加熱均勻度較弱，差異性受熱現(xiàn)象明顯．高精度的反應(yīng)器多采用熱水加熱補(bǔ)償?shù)姆绞?，調(diào)節(jié)精度高、可控性好，而利用太陽能加熱補(bǔ)償溫度的方法，不需外加能源加熱，節(jié)約能源，是一種理想的溫度補(bǔ)償方式［7～9］．隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的高速發(fā)展，自動控制系統(tǒng)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用．把自控技術(shù)應(yīng)用到光合生物制氫反應(yīng)過程中，實現(xiàn)在制氫過程中對整個反應(yīng)器可控參數(shù)的調(diào)控與檢測，保證目的產(chǎn)物的最佳生產(chǎn)條件，實現(xiàn)光合生物制氫反應(yīng)器的穩(wěn)定高效運行［10，11］．光合生物制氫反應(yīng)過程的自控系統(tǒng)研究，有利于加深對生物反應(yīng)過程中生物生長繁殖與產(chǎn)物生成等因素與環(huán)境條件關(guān)系的認(rèn)識，對光合生物制氫反應(yīng)的規(guī)?；a(chǎn)和資源化利用具有重要意義．本研究采用以太陽能加熱方式對反應(yīng)器溫度進(jìn)行自動補(bǔ)償，并且采用單片機(jī)實現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)淖詣涌刂?，溫度調(diào)節(jié)精密，檢測精度高，控制穩(wěn)定，實現(xiàn)了整體系統(tǒng)溫度的系統(tǒng)化、數(shù)字化、自動化的調(diào)控，對促進(jìn)太陽能光合生物連續(xù)制氫技術(shù)研究與應(yīng)用具有重要意義．

1 溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理

光合生物制氫反應(yīng)器太陽能溫度補(bǔ)償系統(tǒng)如圖1所示．光合生物制氫反應(yīng)器溫度補(bǔ)償系統(tǒng)包括太陽能熱水及太陽能光伏電輔助加熱2個部分，分別相應(yīng)由太陽能熱水器、熱水箱、換熱管、電磁閥和太陽能光伏板、蓄電池、逆變器、電輔助加熱管等組成．

圖1 光合生物制氫反應(yīng)器太陽能溫度補(bǔ)償系統(tǒng)Fig．1 Photosynthetic bio-hydrogen reactor solar temperature compensation system

太陽能熱水器利用太陽能將冷水加熱到60～70℃，儲存在熱水箱內(nèi)，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)部溫度低于28℃時，由計算機(jī)自動控制系統(tǒng)啟動熱水泵，熱水箱的熱水經(jīng)反應(yīng)器底部的換熱管和反應(yīng)器進(jìn)行熱交換，升高反應(yīng)器溫度，換熱后的冷卻水則返回太陽能熱水系統(tǒng)重新加熱．當(dāng)溫度檢測器檢測到反應(yīng)器內(nèi)部溫度高于32℃時，則由控制系統(tǒng)停止熱水泵，停止和反應(yīng)器的換熱，反應(yīng)器溫度開始降溫，溫度監(jiān)測器檢測到反應(yīng)器溫度低于設(shè)定溫度時，則重新開啟熱水泵和電磁閥，進(jìn)行換熱，如此循環(huán)，實現(xiàn)整體系統(tǒng)的溫度的自動控制．

當(dāng)?shù)酵砩匣蜿幪鞎r，熱水箱的溫度低于60℃，控制系統(tǒng)啟動電加熱器，補(bǔ)充熱量．當(dāng)溫度檢測器檢測到熱水箱內(nèi)部溫度高于70℃時，則由控制系統(tǒng)停止電加熱器，使熱水箱中的熱水維持在設(shè)定的60～70℃范圍內(nèi)．

溫度自控系統(tǒng)機(jī)構(gòu)由溫度傳感器，監(jiān)控裝置，執(zhí)行機(jī)構(gòu)3個部分組成．傳感器用于檢測指令信息、外界變化信息以及被控對象的狀態(tài)信息，并將其變換成電信號傳給控制裝置［12］．監(jiān)控裝置則計算出被控對象的當(dāng)前狀態(tài)(稱為被控量，或系統(tǒng)的輸出量)與所希望的狀態(tài)(稱為輸入信號)之差，并根據(jù)這一偏差(稱為誤差信號)按一定規(guī)律產(chǎn)生出控制信號，然后經(jīng)過放大，送給操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)．操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動被控對象運動，直到它的狀態(tài)達(dá)到所希望的狀態(tài)為止．這種把系統(tǒng)的輸出或系統(tǒng)的另外一些受控變量和系統(tǒng)的輸入作比較后，形成的控制稱為閉環(huán)控制或反饋控制［13，14］．

2 溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

2．1 溫度檢測單元的設(shè)計

由于整個光合生物制氫反應(yīng)器裝置的測溫點共有25個，通過這25根鉑電阻和25個電橋，將這25個測量點的溫度轉(zhuǎn)換25個電信號，供單片機(jī)進(jìn)行各測量點的溫度檢測，由于電橋輸出的是微弱的模擬電信號，所以在送入單片機(jī)之前，應(yīng)先將其放大，并由A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量A轉(zhuǎn)換成數(shù)字量D，然后再送入單片機(jī)進(jìn)行檢測，檢測響應(yīng)時間小于10 ms，整個溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計思路，如圖2所示．

其中，前16個溫度用U6(4067)16選1電子模擬開關(guān)與單片機(jī)STC12C5A08S2的P2．6腳(A/D轉(zhuǎn)換之一)相連，通過程序?qū)⑶?6個溫度t1～t16(模擬量A)逐個轉(zhuǎn)換成16個數(shù)字量D，再通過溫度標(biāo)定回歸方程，轉(zhuǎn)換成16個溫度．(STC12C5A08S2單片機(jī)本身帶有8個通道的A/D轉(zhuǎn)換(即P2．0～P2．7)，采樣用了其中的 2 個通道(P2．6 和P2．5));剩下的9個溫度用另1個16選1電子模擬開關(guān)(U5 －4067)與單片機(jī)的 P2．5 腳相連［15］．

圖2 溫度檢測與控制系統(tǒng)Fig．2 Temperature detection and control system

2．2 溫度控制單元的設(shè)計

光合生物制氫反應(yīng)器溫度控制主要是對8個電磁閥的開關(guān)控制、1個電熱器的開關(guān)控制和對2個水泵的開關(guān)控制，控制的條件是依據(jù)單片機(jī)檢測到的有關(guān)溫度與設(shè)定值是否相符，而決定某處的電磁閥、相應(yīng)的電熱器及水泵是否開與關(guān)．電磁閥、電熱器或水泵的開關(guān)方法是:單片機(jī)通過P1口及P3口的有關(guān)管腳(共10個管腳)輸出一低電平，經(jīng)六非門反相后變成高電平，這個高電平再送至2003集成驅(qū)動芯片，使某一管腳變成低電平，則使接在該管腳上的繼電器線圈流過12 V的直流電，繼電器線圈流過電流時，產(chǎn)生磁場，吸住電磁鐵，即接通了接在該繼電器上的220 V的開關(guān)，使電磁閥上的線圈接通220 V電源，從而打開電磁閥、電熱器或水泵．

當(dāng)反應(yīng)器溫度過高時，檢測器檢索到溫度值高于設(shè)定值，要關(guān)閉電磁閥、電熱器或水泵，單片機(jī)通過P1口及P3口的有關(guān)管腳(共10個管腳)輸出一高電平，經(jīng)六非門反相后變成低電平，這個低電平再送至2003集成驅(qū)動芯片，使某一管腳變成高電平，則使接在該管腳上的繼電器線圈斷開12 V的直流電，繼電器線圈無電流流過，繼電器中的彈簧就頂開接在該繼電器上的220 V的開關(guān)，即斷開了220 V電源，從而關(guān)閉電磁閥、電熱器或水泵．

整個控制系統(tǒng)要控制的項目有18項，其中用于電熱器啟閉的開關(guān)1個，用于反應(yīng)液加熱的熱水電磁閥dcf1～dcf8等8個，用于串并聯(lián)添加母液的閥門f1～f9等9個，這18項控制是通過18個繼電器(J1～J18)的開關(guān)來進(jìn)行開關(guān)控制的，而繼電器則是由單片機(jī)的P1口(P1．0～P1．7)的8個腳和P3口的 P3．2～P3．3以及 P2．0～P2．3和74LS138(譯碼器)等來控制的，由于單片機(jī)的驅(qū)動能力較差，所以中間加了18個非門(3個74LS04－六非門U7，U8，U4)和 3 個集成驅(qū)動器(2003 － U9，U10，U11)，以增加驅(qū)動能力，調(diào)控響應(yīng)時間小于30 s．

3 溫度檢測與控制程序設(shè)計

溫度檢測與控制程序設(shè)計的主要思路是單片機(jī)不停地依次檢測反應(yīng)器箱體各部位溫度，然后計算其平均值，并用該平均值與設(shè)定溫度的上限值比較，若該處的溫度平均值高于設(shè)定溫度上限值，就應(yīng)關(guān)斷該處的電磁閥或電熱器，停止對該處加熱．若該處的溫度平均值低于設(shè)定溫度下限值，就應(yīng)打開該處的電磁閥或電熱器，進(jìn)行加熱．溫度控制器程序的流程見圖3．

圖3 溫度控制器程序流程圖Fig．3 The temperature controller program procedure

4 溫度控制系統(tǒng)的運行試驗

在光合生物制氫反應(yīng)器中共設(shè)計25個溫度傳感器，其中1個在熱水箱的中部，其余24個均勻分布在反應(yīng)器的上、中、下3個部位的兩側(cè)，它們向4塊溫度儀表提供熱電阻信號，每塊溫度儀表可接收8路信號，輸出5路報警．溫度儀表設(shè)置為上限報警，可完成溫度的顯示，報警功能．通過溫度儀表的溫度報警功能，來控制中間繼電器的動作，以致控制電磁閥或電熱器的開合．例如:電磁閥是常開的，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)部的溫度高于32℃時，溫度儀表輸出報警信號，使中間繼電器動作，讓電磁閥通電關(guān)閉．本系統(tǒng)共需輸出11路報警信號，它們分別控制11個中間繼電器，其中1個控制電熱器的開合，8個控制反應(yīng)器下部水管流通，1個控制儲液罐的南側(cè)水管流通，1個用來控制電機(jī)的運轉(zhuǎn)．

溫度儀表帶有RS485通訊接口，可通過RS485轉(zhuǎn)RS232的轉(zhuǎn)換器來完成與計算機(jī)的通訊．溫度儀表輸出的報警信號可通過STC－112數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通道來以數(shù)字量的形式來采集，這樣就可以直接在計算機(jī)上看到整個系統(tǒng)的報警意狀況，并以查詢以前的報警記錄［16］．

應(yīng)用太陽能溫度補(bǔ)償自動控制系統(tǒng)的生物制氫反應(yīng)器運行過程中溫度變化曲線見圖4．從圖4可以看出，生物反應(yīng)器不同部位溫度有所不同，但整體系統(tǒng)溫度穩(wěn)定在(30±2)℃范圍內(nèi)，反應(yīng)器不同位置溫度不同是由于生物制氫過程中生物代謝放熱引起了溫度的細(xì)微波動，整體系統(tǒng)溫度調(diào)控穩(wěn)定，精確度高，并且實現(xiàn)溫度的多點同時顯示，能夠快速準(zhǔn)確的獲得生物制氫系統(tǒng)的溫度場分布，能夠很好的滿足生物反應(yīng)器的運行過程中對溫度調(diào)控的要求．自控軟件可實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示、記錄、繪圖和歷史數(shù)據(jù)的查詢、打印等功能，具有良好的適用性和應(yīng)用價值．

圖4 生物制氫反應(yīng)器的溫度波動曲線Fig．4 Biological hydrogen production reactor temperature fluctuations curve

5 結(jié)語

本研究的光合生物制氫反應(yīng)器溫度補(bǔ)償系統(tǒng)采用太陽能熱水、光電加熱裝置，調(diào)節(jié)精度高，控制穩(wěn)定，可靠性好．其利用太陽能直接加熱和光伏電輔助加熱相結(jié)合的方式，不需外部能源，降低運行成本，是一種有效的溫度補(bǔ)償方式．溫度自控系統(tǒng)利用鉑電阻溫度傳感器對生物反應(yīng)器內(nèi)部溫度進(jìn)行實時檢測，并由微型計算機(jī)根據(jù)檢測到的溫度數(shù)值，生成相應(yīng)的控制輸出，對反應(yīng)器溫度進(jìn)行控制，系統(tǒng)檢測響應(yīng)時間小于10 ms，調(diào)控響應(yīng)時間小于30 s，溫度波動小于±2℃，保證反應(yīng)器溫度保持在(30±2)℃，并且能實現(xiàn)溫度實時溫度的在線顯示與歷史數(shù)據(jù)曲線的在線紀(jì)錄，能夠較好的滿足生物制氫反應(yīng)器對溫度精確調(diào)控的要求，具有較好的使用價值和應(yīng)用前景．

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