杜金宇，王 毅，周雪花，張全國

(河南農(nóng)業(yè)大學農(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)能源技術的不斷發(fā)展，生物制氫反應器使用更加廣泛，對生物制氫反應條件的調(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)反應器的可控參數(shù)，探求保持生物制氫反應器生物代謝穩(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器設計者的追求目標［1～3］．溫度是光合生物制氫反應過程中一個最為重要的影響因素，在光合生物制氫反應器設計中，溫度調(diào)節(jié)裝置是一個關鍵環(huán)節(jié)．目前光合生物制氫反應器中常用蒸汽加熱或電加熱方式對反應器溫度進行補償［4，5］．蒸汽加熱方式常見于大型反應器，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．高精度的反應器多采用熱水加熱補償?shù)姆绞?，調(diào)節(jié)精度高、可控性好，而利用太陽能加熱補償溫度的方法，不需外加能源加熱，節(jié)約能源，是一種理想的溫度補償方式［7～9］．隨著電子技術和信息技術的高速發(fā)展，自動控制系統(tǒng)在各個領域得到了廣泛的應用．把自控技術應用到光合生物制氫反應過程中，實現(xiàn)在制氫過程中對整個反應器可控參數(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)光合生物制氫反應器的穩(wěn)定高效運行［10，11］．光合生物制氫反應過程的自控系統(tǒng)研究，有利于加深對生物反應過程中生物生長繁殖與產(chǎn)物生成等因素與環(huán)境條件關系的認識，對光合生物制氫反應的規(guī)模化生產(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器溫度進行自動補償，并且采用單片機實現(xiàn)溫度補償?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，對促進太陽能光合生物連續(xù)制氫技術研究與應用具有重要意義．

1 溫度控制系統(tǒng)的結構及原理

光合生物制氫反應器太陽能溫度補償系統(tǒng)如圖1所示．光合生物制氫反應器溫度補償系統(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 光合生物制氫反應器太陽能溫度補償系統(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)，當反應器內(nèi)部溫度低于28℃時，由計算機自動控制系統(tǒng)啟動熱水泵，熱水箱的熱水經(jīng)反應器底部的換熱管和反應器進行熱交換，升高反應器溫度，換熱后的冷卻水則返回太陽能熱水系統(tǒng)重新加熱．當溫度檢測器檢測到反應器內(nèi)部溫度高于32℃時，則由控制系統(tǒng)停止熱水泵，停止和反應器的換熱，反應器溫度開始降溫，溫度監(jiān)測器檢測到反應器溫度低于設定溫度時，則重新開啟熱水泵和電磁閥，進行換熱，如此循環(huán)，實現(xiàn)整體系統(tǒng)的溫度的自動控制．

當?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，補充熱量．當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定的60～70℃范圍內(nèi)．

溫度自控系統(tǒng)機構由溫度傳感器，監(jiān)控裝置，執(zhí)行機構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)行機構．操作執(zhí)行機構用于驅(qū)動被控對象運動，直到它的狀態(tài)達到所希望的狀態(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)的設計

2．1 溫度檢測單元的設計

由于整個光合生物制氫反應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個測量點的溫度轉換25個電信號，供單片機進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，所以在送入單片機之前，應先將其放大，并由A/D轉換器將模擬量A轉換成數(shù)字量D，然后再送入單片機進行檢測，檢測響應時間小于10 ms，整個溫度檢測系統(tǒng)設計思路，如圖2所示．

其中，前16個溫度用U6(4067)16選1電子模擬開關與單片機STC12C5A08S2的P2．6腳(A/D轉換之一)相連，通過程序?qū)⑶?6個溫度t1～t16(模擬量A)逐個轉換成16個數(shù)字量D，再通過溫度標定回歸方程，轉換成16個溫度．(STC12C5A08S2單片機本身帶有8個通道的A/D轉換(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(U5 －4067)與單片機的 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 溫度控制單元的設計

光合生物制氫反應器溫度控制主要是對8個電磁閥的開關控制、1個電熱器的開關控制和對2個水泵的開關控制，控制的條件是依據(jù)單片機檢測到的有關溫度與設定值是否相符，而決定某處的電磁閥、相應的電熱器及水泵是否開與關．電磁閥、電熱器或水泵的開關方法是:單片機通過P1口及P3口的有關管腳(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，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．

當反應器溫度過高時，檢測器檢索到溫度值高于設定值，要關閉電磁閥、電熱器或水泵，單片機通過P1口及P3口的有關管腳(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，即斷開了220 V電源，從而關閉電磁閥、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1個，用于反應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)的開關來進行開關控制的，而繼電器則是由單片機的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)控響應時間小于30 s．

3 溫度檢測與控制程序設計

溫度檢測與控制程序設計的主要思路是單片機不停地依次檢測反應器箱體各部位溫度，然后計算其平均值，并用該平均值與設定溫度的上限值比較，若該處的溫度平均值高于設定溫度上限值，就應關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定溫度下限值，就應打開該處的電磁閥或電熱器，進行加熱．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器中共設計25個溫度傳感器，其中1個在熱水箱的中部，其余24個均勻分布在反應器的上、中、下3個部位的兩側，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，當反應器內(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個控制反應器下部水管流通，1個控制儲液罐的南側水管流通，1個用來控制電機的運轉．

溫度儀表帶有RS485通訊接口，可通過RS485轉RS232的轉換器來完成與計算機的通訊．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)字數(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］．

應用太陽能溫度補償自動控制系統(tǒng)的生物制氫反應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用價值．

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

5 結語

本研究的光合生物制氫反應器溫度補償系統(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器內(nèi)部溫度進行實時檢測，并由微型計算機根據(jù)檢測到的溫度數(shù)值，生成相應的控制輸出，對反應器溫度進行控制，系統(tǒng)檢測響應時間小于10 ms，調(diào)控響應時間小于30 s，溫度波動小于±2℃，保證反應器溫度保持在(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)曲線的在線紀錄，能夠較好的滿足生物制氫反應器對溫度精確調(diào)控的要求，具有較好的使用價值和應用前景．

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