基于PLC的秸稈厭氧發(fā)酵在線監(jiān)控系統(tǒng)

王玉鵬，秦國(guó)輝，周 闖，劉 偉，王 欣，徐曉秋，羅向東，劉旭丹

(1.黑龍江省科學(xué)院科技孵化中心，哈爾濱 150090；2.黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱 150090)

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基于PLC的秸稈厭氧發(fā)酵在線監(jiān)控系統(tǒng)

王玉鵬1，秦國(guó)輝1，周 闖2，劉 偉1，王 欣1，徐曉秋1，羅向東2，劉旭丹2

(1.黑龍江省科學(xué)院科技孵化中心，哈爾濱 150090；2.黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱 150090)

針對(duì)秸稈厭氧發(fā)酵工藝，設(shè)計(jì)出基于PLC的秸稈厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全程自動(dòng)化和智能化控制。介紹了該系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計(jì)，硬件由SIMATIC s7-200 PLC、泵、閥門(mén)等完成控制任務(wù)，傳感器完成實(shí)時(shí)采集任務(wù)，軟件由SIMATIC的STEP 7-Mcro/WIN 完成程序開(kāi)發(fā)和調(diào)試，WinCC組態(tài)軟件完成系統(tǒng)的監(jiān)控任務(wù)。

PLC；秸稈厭氧發(fā)酵；自動(dòng)控制

我國(guó)規(guī)?；⒁?guī)范化的養(yǎng)殖場(chǎng)在飛速發(fā)展，畜禽糞便的無(wú)害化處理也成為了研究熱門(mén)。中國(guó)每年產(chǎn)生的農(nóng)作物秸稈大約為9億t左右[1]，使其資源化利用并減少環(huán)境污染也是研究熱點(diǎn)。沼氣發(fā)酵技術(shù)成功解決了畜禽糞便和秸稈帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題[2]。本文通過(guò)大型沼氣工程的工藝設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一套秸稈厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，使其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化的操控。

1 秸稈厭氧發(fā)酵控制流程

整個(gè)工藝流程大致分為進(jìn)料、發(fā)酵、攪拌、出料等部分。圖1為秸稈厭氧發(fā)酵工程的工藝流程圖。大致過(guò)程如下：牛糞、秸稈和水通過(guò)一定比例進(jìn)入到消化反應(yīng)罐中進(jìn)行中溫厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生的沼氣進(jìn)行脫硫脫水后存儲(chǔ)，存儲(chǔ)的沼氣一部分進(jìn)入發(fā)電機(jī)發(fā)電，一部分進(jìn)行增壓，然后使用，發(fā)酵后的沼液進(jìn)行脫水，產(chǎn)生的沼渣做成固體有機(jī)肥料，產(chǎn)生的沼液做成液體有機(jī)肥。

圖1 秸稈厭氧發(fā)酵工程的工藝流程圖Fig.1 Flow chart of straw anaerobic fermentation

該系統(tǒng)控制運(yùn)行分為五個(gè)主要路線：進(jìn)料系統(tǒng)、厭氧消化反應(yīng)控制、出料系統(tǒng)(固液分離)、發(fā)電機(jī)余熱回收、氣體存儲(chǔ)。第一，進(jìn)料系統(tǒng)。進(jìn)料系統(tǒng)由推進(jìn)泵輸送單元組成，物料通過(guò)鏟車進(jìn)入到預(yù)處理池，通過(guò)推進(jìn)泵輸送到厭氧消化池，維持穩(wěn)定的物料輸送。第二，厭氧消化反應(yīng)控制。厭氧消化反應(yīng)控制包括兩部分：加溫和攪拌。厭氧消化反應(yīng)器為中溫發(fā)酵，發(fā)酵溫度為35 ℃±1 ℃。溫度增加使用煤爐加溫，降溫由地底水減少溫度。攪拌由推進(jìn)泵和噴渣泵配合使用。由于發(fā)酵原料在沼液的浮力作用下產(chǎn)生上層的浮渣，產(chǎn)生結(jié)殼現(xiàn)象，這樣會(huì)使沼氣聚集受到阻擋，且厭氧消化罐的有效容積變小。解決這一問(wèn)題的方式是噴渣泵和噴殼泵配合使用，減少上層浮渣的產(chǎn)生，使上層浮渣浸泡在沼液中成為沉渣。第三，出料系統(tǒng)。出料系統(tǒng)由螺旋壓力分離機(jī)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)物料達(dá)到上料位時(shí)，啟動(dòng)分離機(jī)，當(dāng)達(dá)到下料位時(shí)候，停止分離機(jī)，防止空轉(zhuǎn)破壞分離機(jī)的塞子。分離的沼液和沼渣分別做成固體有機(jī)肥和液體有機(jī)肥，防止二次污染。第四，發(fā)電機(jī)余熱回收。發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的熱量和發(fā)電機(jī)煙道的熱量通過(guò)熱交換器交換到冷水中，冷水加熱后用于厭氧消化反應(yīng)器中。第五，氣體存儲(chǔ)。氣體存儲(chǔ)后一部分用于發(fā)電機(jī)沼氣發(fā)電，供給廠區(qū)自給自足，一部分用于CH4和CO2氣體壓縮，壓縮后供其他使用。

2 PLC軟硬件設(shè)計(jì)

秸稈厭氧發(fā)酵系統(tǒng)由監(jiān)控計(jì)算機(jī)(SIMATIC 工控機(jī)IPC547eco)、可編程控制器(PLC S7-200)、中央控制柜、電器控制柜、儀器儀表、閥門(mén)、泵和電源等組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 System hardware structure diagram

2.1 硬件設(shè)計(jì)

第一，中央控制柜。中央控制柜由SIMATIC PS 207電源、SIMATIC S7-200 CPU226、工業(yè)以太網(wǎng)模塊CP243-1IT、模擬輸入輸出模塊EM 231和數(shù)字量輸入輸出模塊EM 223等組成。CPU通過(guò)模擬模塊采集溫度計(jì)、流量計(jì)和pH計(jì)值，信號(hào)以4～20 mA電流輸入，經(jīng)模擬輸入輸出模塊后CPU獲取。第二，電器控制柜。電器控制柜由空開(kāi)、交流接觸器、熱繼電器、電磁繼電器和變頻器等組成。電器控制柜主要是控制噴殼泵、推進(jìn)泵、噴渣泵、出渣泵、閥門(mén)和排風(fēng)的啟動(dòng)和停止。PLC通過(guò)控制電磁繼電器去控制交流接觸器的閉合與斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)泵、閥門(mén)和排風(fēng)的啟動(dòng)停止。氣體報(bào)警器與風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)，當(dāng)氣體報(bào)警器報(bào)警時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行，直到氣體報(bào)警器停止報(bào)警為止。閥門(mén)帶有開(kāi)、關(guān)反饋信號(hào)，當(dāng)閥門(mén)沒(méi)有開(kāi)到位或關(guān)到位時(shí)，人機(jī)界面帶有報(bào)警，提醒操作人員。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

SIMATIC PLC S7-200程序需要使用SIMATIC的STEP 7-Mcro/WIN編程軟件。STEP 7是用于SIMATIC可編程控制器(PLC)進(jìn)行硬件組態(tài)和軟件編程軟件包。當(dāng)用戶組態(tài)和編寫(xiě)完程序，應(yīng)分別把硬件組態(tài)信息和用戶程序及相應(yīng)數(shù)據(jù)塊下載到PLC。在STEP7-Mcro/WIN中進(jìn)行程序的調(diào)試、監(jiān)控等工作。

STEP7-Mcro/WIN軟件中，結(jié)構(gòu)化用戶程序是以“塊”的形式實(shí)現(xiàn)的。程序塊(也叫邏輯塊)包括用戶自編的邏輯塊OB，功能塊FB、FC，系統(tǒng)提供特殊功能塊SFB、SFC。圖3為STEP 7-Mcro/WIN編程界面[3]。

PLC程序設(shè)計(jì)之后，要進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)控界面組態(tài)。本系統(tǒng)中上位機(jī)監(jiān)控界面利用WinCC組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)，由于WinCC中沒(méi)有PPI驅(qū)動(dòng)，所以不能直接與PLC S7-200進(jìn)行串口通信，本系統(tǒng)中利用OPC實(shí)現(xiàn)WinCC與S7-200 PLC之間的數(shù)據(jù)交換[4]。上位機(jī)安裝S7-200 PC Access作為OPC服務(wù)器，WinCC為OPC客戶端，通過(guò)以太網(wǎng)模塊CP243-1與PLC進(jìn)行以太網(wǎng)通信[5]。

圖3 STEP7-Mcro/WIN編程界面Fig.3 STEP7-Mcro/WIN programming interface

秸稈厭氧發(fā)酵的監(jiān)控界面如圖4所示。操作員在畫(huà)面上不但可以下發(fā)操作指令給PLC，還能從PLC讀取工藝系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)和各種在線參數(shù)，在畫(huà)面上對(duì)整個(gè)工藝系統(tǒng)流程進(jìn)行集中動(dòng)態(tài)監(jiān)視。所有操作及設(shè)備選擇均通過(guò)功能鼠標(biāo)或鍵盤(pán)進(jìn)行，攪拌機(jī)等設(shè)備的啟/停、開(kāi)/關(guān)均有不同顏色的指示，自動(dòng)推出故障或報(bào)警所在的畫(huà)面。工藝流程圖上同時(shí)對(duì)發(fā)酵過(guò)程各環(huán)節(jié)參數(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及其曲線顯示、相關(guān)數(shù)據(jù)查詢和打印。

圖4 秸稈厭氧發(fā)酵的監(jiān)控界面Fig.4 Monitoring interface of straw anaerobic fermentation

3 結(jié)語(yǔ)

基于PLC的秸稈厭氧發(fā)酵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了沼氣工程的全程監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、精度高、穩(wěn)定性好、簡(jiǎn)單易學(xué)、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和智能化功能。

[1] 農(nóng)業(yè)部.2014 農(nóng)業(yè)資源環(huán)境保護(hù)與農(nóng)村能源發(fā)展報(bào)告[R].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2014.

[2] 魏珞宇，李淑蘭，劉剛金，等.不同配比牛糞與作物秸稈混合發(fā)酵的產(chǎn)氣潛力研究[J].中國(guó)沼氣，2013，31(3)：34-43.

[3] 西門(mén)子公司.S7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊(cè)[K].北京：西門(mén)子(中國(guó))有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)，2005．

[4] 西門(mén)子公司.SIMATIC HMI WinCC[K].北京：西門(mén)子(中國(guó))有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)，2004.

[5] 西門(mén)子公司.PC Access快速入門(mén)[K].北京：西門(mén)子(中國(guó))有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)，2010.

Straw anaerobic fermentation online control system based on PLC

WANG Yu-peng1,QIN Guo-hui1,ZHOU Chuang2,LIU Wei1,WANG Xin1,XU Xiao-qiu1,LUO Xiang-dong2,LIU Xu-dan2

(1.Science and Technology Incubator Center,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150090,China; 2.Energy and Environmental Research Institute of Heilongjiang Province,Harbin 150090,China)

According to the process of anaerobic fermentation,the anaerobic fermentation system based on PLC was designed. The system of straw anaerobic fermentation process has achieved full automation and intelligent control,the hardware and software design of the system was introduced,the hardware has been finished the tasks by SIMATIC S7-200 PLC,pump and boredom,the program development and debugging has been completed by SIMATIC STEP 7-Mcro/WIN,and monitoring of system has been completed by WinCC configuration software.

PLC; Anaerobic fermentation; Automatic control

2017-01-12

項(xiàng)目類別：中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)(ZY16C10)

王玉鵬(1989-)，男，本科，研究實(shí)習(xí)員。

TP273

A

1674-8646(2017)06-0001-02