基于單片機(jī)的沼氣設(shè)備通用控制器研究

孟曉麗

（西安外事學(xué)院，西安，陜西 710077）

0 引言

在黨的“十八大”提出的新型城鎮(zhèn)化建設(shè)號召下，當(dāng)前國家極力推進(jìn)新農(nóng)村建設(shè)，發(fā)展生物質(zhì)能源，以節(jié)約能源、提高農(nóng)民收入。近年來，隨著沼氣行業(yè)的發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)對沼氣設(shè)備進(jìn)行自動、智能化的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)高效化、可靠化、安全化生產(chǎn)成為關(guān)注的重點(diǎn)?，F(xiàn)有技術(shù)中眾所周知的沼氣設(shè)備通過管道接通終端用戶的各種沼氣用具[1]。目前各地沼氣行業(yè)運(yùn)行基本上還都沿用人工操作、單機(jī)運(yùn)行模式，使得工作效率低，運(yùn)行成本高，同時在運(yùn)行過程中還經(jīng)常出現(xiàn)因?qū)φ託鈮毫?、溫度、濃度等檢測和控制不及時而危害沼氣設(shè)備的整體運(yùn)行，最終難以保證沼氣設(shè)備正常工作，從而影響了沼氣工程整體的效益與技術(shù)發(fā)展。由此可見研制一種結(jié)構(gòu)簡單、智能化程度高、安全性好并且成本低廉的沼氣設(shè)備通用控制器成為必然。

“通用控制器” 一般指PLC可編程邏輯控制器，其應(yīng)用非常廣泛。基于PLC的廣泛應(yīng)用性和互換性，通用控制器PLC也應(yīng)用于沼氣行業(yè)對沼氣設(shè)備的控制。目前僅有極少數(shù)沼氣設(shè)備使用了通用控制器PLC來實(shí)現(xiàn)對壓力、溫度、濃度等變量的控制，使用通用控制器的效果很好[2]。盡管使用效果良好，但是，大多數(shù)的沼氣用戶因PLC的昂貴價(jià)格，成本高而沒有使用它，從而限制了通用控制器在沼氣行業(yè)的發(fā)展。然而，PLC的“通用” 特點(diǎn)決定了通用控制器的使用范圍廣，同時也使得它在很多實(shí)際應(yīng)用中會有多余的技術(shù)資源及材料浪費(fèi)。對于沼氣行業(yè)，我們可以借助單片機(jī)對通用控制器進(jìn)行瘦身，去除一些不必要的功能，從而降低控制器的成本，可以使其面向更多的用戶。由此可見將單片機(jī)技術(shù)用于沼氣設(shè)備控制中，實(shí)現(xiàn)研制基于單片機(jī)的沼氣設(shè)備通用控制器具備相當(dāng)?shù)目尚行浴?/p>

1 沼氣設(shè)備通用控制器模型

基于單片機(jī)的沼氣設(shè)備通用控制器主要利用現(xiàn)代化的傳感設(shè)備，實(shí)時監(jiān)測沼氣的各項(xiàng)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了將壓力、溫度、流量、濃度各項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測集于一身，減少了控制器的數(shù)量，降低了成本。同時，當(dāng)指標(biāo)值超過預(yù)設(shè)的值時，通用控制器采取相應(yīng)的安全措施以保障沼氣設(shè)備安全可靠的運(yùn)行。

沼氣設(shè)備通用控制器由數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和執(zhí)行模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊由各類傳感器組成，由傳感器探測沼氣的壓力、溫度、濃度以及液位等指標(biāo)，并將探知的信息傳遞給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將從傳感器采集來的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后根?jù)需要將其中任意一路選出來，取出后傳遞給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)將模擬信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，并將結(jié)果傳遞給數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將數(shù)據(jù)結(jié)果傳遞給執(zhí)行模塊，最后執(zhí)行模塊執(zhí)行相應(yīng)的動作。模型圖如圖1所示。

圖1：基于單片機(jī)的沼氣通用控制器模型圖

數(shù)據(jù)采集模塊包括：溫度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、沼氣濃度傳感器等，各類傳感器根據(jù)監(jiān)測的需求配置在其相應(yīng)的沼氣設(shè)備內(nèi)，沼氣預(yù)處理單元內(nèi)配置液位傳感器和溫度傳感器，厭氧發(fā)酵單元內(nèi)配置壓力傳感器和溫度傳感器，沼氣貯存單元內(nèi)配置壓力傳感器和濃度傳感器等。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊由多路選擇開關(guān)、變送器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等組成，當(dāng)沼氣設(shè)備開始工作時，各類傳感器將探測到的信號經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)化電信號后再經(jīng)由多路選擇開關(guān)取出相應(yīng)的信號進(jìn)入A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號后存儲到數(shù)據(jù)處理器的存儲器。

數(shù)據(jù)處理模塊接收到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊傳遞的信號后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，并把處理后的結(jié)果傳遞給執(zhí)行模塊，啟動執(zhí)行模塊。

執(zhí)行模塊依據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊的結(jié)果以文字的形式顯示相應(yīng)信息，啟動聲/光報(bào)警裝置，而且當(dāng)現(xiàn)場的傳感器接收到的壓各種指標(biāo)值影響了沼氣的產(chǎn)氣率，便調(diào)節(jié)相應(yīng)指標(biāo)；當(dāng)進(jìn)行調(diào)節(jié)后的指標(biāo)值仍然不能滿足產(chǎn)氣的要求時，最后啟動控制設(shè)備的相應(yīng)起/停控制器工作，從而保障了沼氣所用設(shè)備的安全的運(yùn)行。

本文所述的沼氣設(shè)備通用控制器具體實(shí)施方案如下：

沼氣設(shè)備通用控制器由壓力傳感器、溫度傳感器、濃度傳感器、液位傳感器等各類傳感器，變送器、多路選擇開關(guān)、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理器、液晶顯示器、聲/光報(bào)警器、執(zhí)行單元以及設(shè)備起/?？刂破鞯炔糠纸M成，其中變送器的輸入端與各傳感器的輸出端相聯(lián)接，變送器的輸出端依次經(jīng)多路選擇開關(guān)和A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后連接至數(shù)據(jù)處理器的輸入端，液晶顯示器、執(zhí)行單元和聲/光報(bào)警器的輸入端分別與數(shù)據(jù)處理的相應(yīng)輸出端連接，設(shè)備起/?？刂破鞯妮斎攵伺c數(shù)據(jù)處理器的輸出端相聯(lián)。基于單片機(jī)的沼氣設(shè)備通用控制器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2：基于單片機(jī)的沼氣設(shè)備通用控制器的結(jié)構(gòu)示意圖

2 沼氣設(shè)備通用控制器零部件的具體選擇

壓力傳感器：選用壓阻式氣壓傳感器，其靈敏度高、動態(tài)性好、小型化以及工作于直流[3]。

溫度傳感器：采用熱電偶溫度傳感器，其可以直接與被測對象接觸，測量范圍廣，使用方便。

沼氣濃度傳感器：采用二氧化錫氣敏半導(dǎo)體傳感器。

液位傳感器：選用KGU投入式液位傳感器，其對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，安裝調(diào)試方便。

變送器：采用honeywell(霍尼韋爾)ST3000/900系列全智能變送器、SBW系列溫度變送器、BNG4- GN9000 系列氣體報(bào)警探測器(變送器)和HPW1-HW181液位變送器。

A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器：采用16 位增量累加ADC LTC2460或LTC2462。

數(shù)據(jù)處理器：負(fù)責(zé)系統(tǒng)的運(yùn)行工作，可采用PHLIPIS 51PLC系列單片機(jī)。

3 推廣應(yīng)用前景分析

中國沼氣資源非常豐富，市場需求巨大，使得中國沼氣的開發(fā)和利用大有可為。而先進(jìn)、智能、安全、可靠、成本低廉的沼氣設(shè)備通用控制器大幅度減少人力成本，提高了工作效率，大大提高了沼氣的開發(fā)和利用的安全性和可靠性，在沼氣行業(yè)中沼氣設(shè)備通用控制器的市場需求也是很大。

(1)、社會效益：本文的設(shè)計(jì)思想、理論方案等全部過程可以作為相關(guān)專業(yè)學(xué)生的選修課，提高相關(guān)專業(yè)畢業(yè)生的專業(yè)理論和實(shí)踐能力。

(2)、經(jīng)濟(jì)效益：3年產(chǎn)值約200萬、利稅約40萬。

(3)、應(yīng)用于其他領(lǐng)域，為社會相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步做貢獻(xiàn)。

4 結(jié)語

本產(chǎn)品通過監(jiān)控沼氣的預(yù)處理、發(fā)酵、貯存、使用等工序，使整個生產(chǎn)過程不必由人力監(jiān)督，因而可以大大提高設(shè)備工作的安全性和可靠性，提高工作效率。同時，該產(chǎn)品本身寫入沼氣專業(yè)的專用軟件，通過接口實(shí)現(xiàn)專業(yè)通用，在保證較高利潤和質(zhì)量的情況下，大幅度降底了成本，每件產(chǎn)品比PLC通用控制器的價(jià)格至少低一萬元以上，因而極易推廣。

[1] 孫靜.沼氣自動控制與監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].西安：西安工業(yè)大學(xué),2009-4-30

[2] 谷紅巖,李文哲.基于PLC和力控組態(tài)軟件的沼氣生產(chǎn)自動控制系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究.2011,(1) 199-201

[3] 樊延虎.壓阻式氣壓傳感器在大氣壓力探測中的一種應(yīng)用電路的研究[J].延安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2000(01)