曲弘揚(yáng) 劉曉琴 李慧文 張文照

摘 要：為維持沼氣池內(nèi)各種菌群的適宜生存環(huán)境，解決北方地區(qū)冬季溫度低而導(dǎo)致沼氣池產(chǎn)氧率低、使用率低問題，設(shè)計(jì)太陽能沼氣檢測與控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)上下兩級微機(jī)，功能主要有智能恒溫部分，智能減壓部分，防結(jié)殼部分和遠(yuǎn)程監(jiān)控部分。制作了硬件系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)模擬設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)記錄，臨界值預(yù)警等預(yù)設(shè)功能，運(yùn)行穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：太陽能沼氣池；智能；檢測

0 引言

發(fā)展沼氣是開發(fā)替代能源的重要途徑之一，推廣沼氣是建設(shè)生態(tài)型生活和生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-2]。將太陽能更為有效的轉(zhuǎn)化為發(fā)酵裝置可獲取的能量，使其較好地穩(wěn)定在沼氣發(fā)酵的理想溫度范圍內(nèi)。太陽能沼氣池運(yùn)用智能控制實(shí)現(xiàn)恒溫加熱，定時(shí)攪拌，智能控制，遠(yuǎn)程控制，達(dá)到對清潔能源的高效利用[3-4]。系統(tǒng)以太陽能電池板吸收太陽光產(chǎn)生的電能為主，電網(wǎng)電能為輔，通過沼氣罐內(nèi)置的電加熱片來維持罐內(nèi)的恒溫環(huán)境，來提高罐內(nèi)的發(fā)酵溫度。

1 沼氣發(fā)酵的基本條件

厭氧環(huán)境是沼氣發(fā)酵的必備條件，沼氣微生物的核心菌群是甲烷菌群，對氧氣特別敏感，在其生長、發(fā)育、繁殖、代謝等生命過程中都不需要氧氣，空氣中的氧氣會抑制其生長發(fā)育。發(fā)酵原料的碳氮比一般要制在25～30：1之間，通過調(diào)整以上兩種原料比例來控制，沼氣適宜酸堿度為6.5～7.5之間[5]。

2 太陽能沼氣池智能監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用S7-200系列PLC作下位機(jī)，選用模擬模塊實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場模擬量數(shù)據(jù)的采集，通過數(shù)字量接口控制相應(yīng)設(shè)備來修正沼氣池內(nèi)各種參數(shù)范圍。系統(tǒng)加入手動調(diào)節(jié)和遠(yuǎn)程監(jiān)控環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場各種操作，完成現(xiàn)場參數(shù)實(shí)時(shí)記錄，臨界值預(yù)警等功能，如圖1所示。

設(shè)計(jì)有4個(gè)數(shù)字量輸出，8個(gè)數(shù)字量輸入和2個(gè)模擬量輸入，選取CPU222，模擬模塊選用EM231， RS485總線通訊方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備連接。

2.1 智能恒溫模塊

智能恒溫模塊是實(shí)時(shí)糾正池內(nèi)溫度與預(yù)設(shè)溫度的偏差，采用雙金屬片控溫加熱棒，PT100作為溫度測量元件。PT100信號經(jīng)溫度變送器轉(zhuǎn)變成4～20ma標(biāo)準(zhǔn)電流送入模擬量輸入模塊。系統(tǒng)有溫度顯示模塊，實(shí)時(shí)顯示沼氣池內(nèi)溫度。

2.2 防漲池模塊

農(nóng)村小型沼氣池內(nèi)正常工作氣壓以≤8個(gè)大氣壓，池內(nèi)最大氣壓限值≤12個(gè)大氣壓。壓力儀表選用量程在0～0.6MP的數(shù)字壓力遠(yuǎn)傳表BD-801Y，變送輸出為4～20ma標(biāo)準(zhǔn)電流信號。智能減壓環(huán)節(jié)主要靠沼氣池內(nèi)壓力檢測值與設(shè)定值比較來決定電動閥的開啟關(guān)閉時(shí)刻，電動閥選擇防爆系列電動閥。

2.3 智能節(jié)能系統(tǒng)

智能節(jié)能系統(tǒng)是利用自動恒溫模塊和壓強(qiáng)檢測模塊相互配合來實(shí)現(xiàn)減少能源損失的。當(dāng)沼氣池內(nèi)壓強(qiáng)在8大氣壓強(qiáng)以下時(shí)，池內(nèi)加熱器將維持30℃左右的溫度，保證池內(nèi)菌群保持較高的產(chǎn)氣率；當(dāng)池內(nèi)壓強(qiáng)在8～11個(gè)大氣壓強(qiáng)之間時(shí)，溫度保持在15℃左右，使池內(nèi)菌群保持較低的產(chǎn)氣率，維持池內(nèi)氣壓穩(wěn)定，保護(hù)沼氣池壁的作用；當(dāng)池內(nèi)壓強(qiáng)在11～12個(gè)大氣壓之間時(shí)，維持溫度在5～10℃左右，能使產(chǎn)甲烷菌群幾乎不產(chǎn)氣，達(dá)到控制沼氣壓強(qiáng)，減少能量的損失；若沼氣池內(nèi)壓強(qiáng)高于12個(gè)大氣壓強(qiáng)，處理器啟動排氣管的上的電動閥，將一部分沼氣排除沼氣罐。

2.4 防結(jié)殼系統(tǒng)

考慮池內(nèi)存在大量可燃性氣體，對于大中型沼氣池，采用增安型防爆電機(jī)置于沼氣池外部提供動力；小型農(nóng)用沼氣池，因沼氣儲量不大，采用防爆等級低的微型隔爆型直流電機(jī)。

3 太陽能沼氣池智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制部分由上位機(jī)和下位機(jī)構(gòu)成。下位機(jī)實(shí)現(xiàn)程序設(shè)置、端口功能和I/O接線設(shè)置。上位機(jī)完成對下位機(jī)采集的現(xiàn)場參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、記錄保存、臨界值預(yù)警、遠(yuǎn)程操作，如圖2所示。

采用組態(tài)王實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。組態(tài)畫面包含池內(nèi)溫度記錄的實(shí)時(shí)趨勢曲線、歷史溫度曲線。為保證系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定和安全，設(shè)計(jì)報(bào)警記錄，并在一定時(shí)間內(nèi)保存報(bào)警事件發(fā)生的時(shí)間、類型等相應(yīng)的信息。

4 結(jié)論

對設(shè)計(jì)的主要功能部分，進(jìn)行了實(shí)物的連接，程序制作。包含有智能恒溫部分，防結(jié)殼部分，和遠(yuǎn)程監(jiān)控部分的實(shí)物制作。經(jīng)過軟硬件結(jié)合的實(shí)物模型制作，驗(yàn)證了本系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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