沼氣發(fā)酵過(guò)程狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李福，王玉鵬，周闖，秦國(guó)輝，羅向東

（黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱150086）

沼氣發(fā)酵過(guò)程狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱150086）

針對(duì)沼氣發(fā)酵過(guò)程無(wú)法精確控制，容易發(fā)生沼氣產(chǎn)量降低等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了沼氣發(fā)酵過(guò)程狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以西門子S7-1200 PLC為控制核心，建立基于SIMATIC NET OPC的以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)沼氣發(fā)酵過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在分析存儲(chǔ)的過(guò)程數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)知識(shí)與沼氣發(fā)酵工藝判斷與發(fā)布異常情況，提醒運(yùn)行人員采取應(yīng)對(duì)措施，降低風(fēng)險(xiǎn)。運(yùn)行結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有可靠性強(qiáng)、操作方便和準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)，完全滿足沼氣發(fā)酵的各項(xiàng)控制要求。

S7-1200 PLC；沼氣發(fā)酵；監(jiān)控系統(tǒng)

沼氣發(fā)酵是一種具有生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益的，處理生物質(zhì)廢棄物的有效方法，不僅將固定在牛糞便、污水、有機(jī)垃圾等生物質(zhì)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)化為可燃燒利用的甲烷氣能，減少不可再生資源的使用，而且沼氣發(fā)酵后的沼液和沼渣是生產(chǎn)促進(jìn)作物生長(zhǎng)的優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥料的潛在原料，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值較大［1］。然而，沼氣發(fā)酵工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，物理、化學(xué)反應(yīng)以及眾多因素的影響，無(wú)法保證發(fā)酵過(guò)程環(huán)境的一致性，容易偏離預(yù)先設(shè)定的最佳發(fā)酵生產(chǎn)條件，產(chǎn)生某些不利于發(fā)酵產(chǎn)物。另外，由于沼氣發(fā)酵異常初期通常難以察覺(jué)，往往會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，沼氣發(fā)酵過(guò)程的監(jiān)控就顯得非常重要。

針對(duì)上述問(wèn)題，在建立了以西門子S7-1200 PLC為控制核心的沼氣發(fā)酵過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，深入研究與分析厭氧發(fā)酵的理論知識(shí)與沼氣發(fā)酵工藝參數(shù)，優(yōu)化了溫度、pH值和流量等傳感器的位置布局，實(shí)現(xiàn)了沼氣發(fā)酵過(guò)程數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和控制，并且分析比對(duì)監(jiān)控計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)下來(lái)的過(guò)程數(shù)據(jù)與人工采集數(shù)據(jù)，判斷發(fā)酵異常與發(fā)布預(yù)警信息，提醒運(yùn)行人員采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)措施，減少經(jīng)濟(jì)損失，保證沼氣發(fā)酵的運(yùn)行安全。

1　系統(tǒng)方案

1.1發(fā)酵工藝流程

沼氣發(fā)酵的工藝流程主要分為進(jìn)料單元、發(fā)酵單元、出料單元、沼氣處理單元、加熱與保溫單元等幾個(gè)部分，如圖1所示。

圖1　沼氣發(fā)酵工藝流程Fig.1 Gas fermentation process

其中，有機(jī)廢物經(jīng)過(guò)進(jìn)料單元混合后進(jìn)入發(fā)酵單元；發(fā)酵加熱與保溫單元保證發(fā)酵單元與進(jìn)料單元的溫度保持或接近細(xì)菌群生長(zhǎng)的最優(yōu)條件；發(fā)酵的剩余液體通過(guò)出料單元產(chǎn)生生物肥料；發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣經(jīng)過(guò)沼氣處理單元產(chǎn)生清潔能源。

1.2監(jiān)控系統(tǒng)方案

依據(jù)沼氣發(fā)酵工藝流程確定監(jiān)控系統(tǒng)方案，如圖2所示。該監(jiān)控系統(tǒng)由中央控制和現(xiàn)場(chǎng)控制組成，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控管理和分散控制。其中，中央控制包括上位機(jī)、路由器、西門子PLC和多種儀器設(shè)備，儀器設(shè)備經(jīng)過(guò)通信電纜與西門子PLC通信，上位機(jī)經(jīng)過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與西門子PLC通信；現(xiàn)場(chǎng)控制涉及大型設(shè)備，主要提高設(shè)備運(yùn)行與調(diào)試的安全性，解決集中控制系統(tǒng)危險(xiǎn)度集中、可靠性差等問(wèn)題。

圖2　監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Monitor system structure diagram

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1硬件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)控制方案中，PLC選用西門子生產(chǎn)的SIMATIC S7-1200可編程控制器。它繼承了SIMATIC S7-200系列PLC卓越的性能和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信外，還具有功能強(qiáng)大的指令集，滿足各種各樣設(shè)備的自動(dòng)化需求［2］。此外，模塊擴(kuò)展能力進(jìn)一步提高，最多可擴(kuò)展8個(gè)信號(hào)模塊以及3個(gè)通信模塊；CPU模塊集成了以太網(wǎng)PROFINET接口，支持編程調(diào)試、HMI與PLC間的通信、以太網(wǎng)協(xié)議、與第三方設(shè)備通信［3］。因此，以SIMATIC S7-1200可編程控制器為核心構(gòu)建沼氣發(fā)酵過(guò)程狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。

該監(jiān)控系統(tǒng)由電源模塊PS207、CPU 1214C模塊、存儲(chǔ)卡、SM 1222數(shù)字量輸出模塊、SM 1231模擬量輸入模塊、SM 1234模擬量I/O模塊等組成。其中，數(shù)字量輸入模塊負(fù)責(zé)閥門反饋等開關(guān)量采集；模擬量輸入模塊負(fù)責(zé)溫度傳感器、壓力傳感器和流量傳感器等模擬量采集；數(shù)字量輸出模塊負(fù)責(zé)電機(jī)與閥門等設(shè)備啟停；CPU模塊負(fù)責(zé)所有信號(hào)的計(jì)算、判斷及輸出等任務(wù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

2.2軟件設(shè)計(jì)

PLC軟件設(shè)計(jì)工具為TIA Portal STEP7 Basic V11，它具有直觀高效、上手容易、使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。程序數(shù)據(jù)的任何變化將直接關(guān)聯(lián)至項(xiàng)目中相關(guān)內(nèi)容，減少編程工作量與出錯(cuò)率。它的變量表使用機(jī)制與Microsoft Excel類似，可以快速生成變量，最大限度地提高工作效率，減少控制系統(tǒng)工程組態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)間。此外，TIA Portal STEP7 Basic V11軟件還提供卓越的共享服務(wù)，所有監(jiān)控平臺(tái)可以相互連接與統(tǒng)一管理，降低了編程復(fù)雜程度，提高了工程組態(tài)的效率。

PLC軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，易于分工合作與統(tǒng)調(diào)試，提高了西門子PLC的運(yùn)行速度。由于該程序涉及的模塊較多，這里僅列出溫度自動(dòng)控制模塊的程序流程圖，如圖3所示。

圖3　溫度自動(dòng)控制模塊的程序流程圖Fig.3 Program of automatic temperature control module

2.3上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用戴爾Vostro 260s型號(hào)的計(jì)算機(jī)，其操作系統(tǒng)為Microsoft Windows XP professional Service Pack 2，監(jiān)控界面編輯軟件為SIMATIC WINCC 6.0。監(jiān)控界面必須真實(shí)反映系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)，實(shí)時(shí)顯示重點(diǎn)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和運(yùn)行安全。上位機(jī)的WINCC界面設(shè)置有自動(dòng)/手動(dòng)并行的控制方式。所有操作及設(shè)備選擇均可以通過(guò)功能鼠標(biāo)或鍵盤在WINCC畫面上進(jìn)行。其中，電機(jī)設(shè)備和閥門等設(shè)備的啟/停、開/關(guān)均有不同顏色指示，避免操作人員的誤操作，提高監(jiān)控系統(tǒng)的安全性。

2.4通信設(shè)計(jì)

SIMATIC S7-1200 PLC的PROFINET接口經(jīng)過(guò)路由器與計(jì)算機(jī)通信端口連接，建立了以太網(wǎng)通信。其中，S7-1200作為Server端時(shí)，需要響應(yīng)Client端的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，必須組態(tài)通信模塊。通過(guò)以太網(wǎng)向?qū)瓿赏ㄐ拍KIP地址、子網(wǎng)掩碼、模塊連接類型、客戶機(jī)地址和TSAP等參數(shù)設(shè)置［4］。

WINCC監(jiān)控界面通過(guò)OPC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了與PLC動(dòng)態(tài)連接。其中，首先配置硬件機(jī)架，添加OPC服務(wù)器；然后插入一個(gè)計(jì)算機(jī)站點(diǎn)，分配以太網(wǎng)卡參數(shù)，IP Address改為本機(jī)IP地址，網(wǎng)關(guān)改為本機(jī)網(wǎng)關(guān)；最后輸入S7-1200地址，將配置下載至計(jì)算機(jī)站點(diǎn)，完成OPC連接［5］。

2.5調(diào)試與運(yùn)行

為了保證系統(tǒng)開機(jī)順利，必須進(jìn)行調(diào)試前檢查，檢查內(nèi)容包括：接地回路確認(rèn)、電源電纜絕緣確認(rèn)與通信電纜確認(rèn)等，并且需要按電源傳輸方向，從前至后逐級(jí)檢查設(shè)備送電情況是否正常。然后，進(jìn)行單回路調(diào)試，根據(jù)信號(hào)類型、范圍及特點(diǎn)排出調(diào)試順序。最后，監(jiān)控系統(tǒng)依據(jù)工藝流程完成參數(shù)設(shè)置確認(rèn)，并確定數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)控制運(yùn)行正常。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，大量的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)將會(huì)存儲(chǔ)在上位機(jī)內(nèi)，結(jié)合沼氣發(fā)酵工藝與歷史記錄判斷異常情況，及時(shí)發(fā)布預(yù)警，降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

3　結(jié)語(yǔ)

沼氣發(fā)酵過(guò)程狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)充分利用了S7-1200 PLC抗干擾能力強(qiáng)、使用靈活、性價(jià)比高等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵過(guò)程的工藝參數(shù)設(shè)置、調(diào)整與監(jiān)測(cè)，滿足了沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的精確控制要求。此外，充分利用歷史記錄分析沼氣發(fā)酵狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了智能監(jiān)控，完全符合沼氣發(fā)酵監(jiān)控的發(fā)展方向。

［1］何榮玉，固志英，劉曉風(fēng)，等.秸稈干發(fā)酵沼氣增產(chǎn)研究［J］.應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2007，13（4）：583-585．

［2］馮博，徐淑華.SIMATIC S7-1200可編程控制器技術(shù)特點(diǎn)［J］.科技信息，2010，（23）：120-121．

［3］張春.深入淺出西門子S7-1200 PLC［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009．

［4］廖常初.PLC編程及應(yīng)用（第3版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

［5］張曉杰，劉海昌.基于WINCC的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2007，17（4）：53-55.

Design of State Monitoring System for Biogas Fermentation Process

LI Fu-qi,WANGYu-peng,ZHOUChuang,QINGuo-hui,LUOXiang-dong
(Energyand Environment Research Institute ofHeilongjiangProvince,Harbin 150086,China)

In viewofthe problem that the biogas fermentation process cannot be controlled accurately,the low-yield production of biogas is easy tooccur.The state monitoringsystemofthe biogas fermentation process is designed in this paper.The system is based on PLC S7-1200 SIMATIC as the control core,and Ethernet communication network based the NET OPC is established to realize the real-time monitoring of the biogas fermentation process.In addition,based on the analysis of stored data,combined with empirical knowledge and biogas fermentation process to determine and publish abnormal situation,to remind the operator to take measures to reduce the risk.The results show that the system has the characteristics ofhigh reliability,convenient operation and high accuracy,and can meet the requirements ofthe biogas fermentation.

S7-1200 PLC;Gas fermentation;Monitoringsystem

S216.4

A

1674-8646（2015）09-0040-02

2015-06-03

科技創(chuàng)新人才研究專項(xiàng)（RC2014QN010029）

李福（1982-），男，遼寧盤錦人，碩士，工程師，從事計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)及自動(dòng)化控制研究。