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摘要：近年來我國沼氣工程量大面廣，形成了一定規(guī)模，但也存在一些問題：系統(tǒng)缺乏精確設(shè)計和科學(xué)配比，沼氣啟動缺乏合理配料和指導(dǎo)，日常管理缺乏長效的服務(wù)機(jī)制等，制約了沼氣工程的發(fā)展。基于工業(yè)4.0提出的智能工廠，本系統(tǒng)重點研究沼氣智能化生產(chǎn)控制系統(tǒng)，使沼氣工程持續(xù)發(fā)展和長效運行。使用了三菱FX系列PLC為控制器，三菱GS系列觸摸屏為監(jiān)控設(shè)備，結(jié)合以太網(wǎng)通訊，實現(xiàn)APP通訊與用戶端聯(lián)系，實現(xiàn)利用秸稈、水葫蘆和各種糞便等原料的科學(xué)配比，采用太陽能加熱保溫提高效率，通過液攪拌等實現(xiàn)動態(tài)發(fā)酵，產(chǎn)生清潔高效的沼氣。

關(guān)鍵詞：FX系列PLC；沼氣工程智能化；觸摸屏；APP通訊

1引言

經(jīng)過多年的建設(shè)和發(fā)展，我國沼氣已經(jīng)成為現(xiàn)代循環(huán)農(nóng)業(yè)的核心和紐帶，形成了北方“四位一體”、南方“豬-沼-果”和西北“五配套”等經(jīng)典循環(huán)農(nóng)業(yè)模式。目前中小型沼氣工程基本都因地制宜建設(shè)在農(nóng)村，由于投資等問題，大多采用對沼氣池簡單放大的辦法來完成建設(shè)任務(wù)，對沼氣工程系統(tǒng)缺乏整體精確設(shè)計，沒有配套“原料清雜調(diào)質(zhì)、系統(tǒng)保溫增溫、發(fā)酵傳質(zhì)攪拌、沼氣凈化貯存、沼肥貯存利用”等必不可少的設(shè)施和裝置。同時農(nóng)村通過燃燒來處理秸稈，浪費了資源，因為其中含有豐富的有機(jī)質(zhì)，是沼氣發(fā)酵的寶貴資源。而且在我國水葫蘆已經(jīng)成為了一種災(zāi)害性植物,干擾了水生生態(tài)系統(tǒng)平衡，但水葫蘆并不是毫無作用，可以將其作為沼氣發(fā)酵原料。由于沼氣發(fā)酵是專業(yè)性很強(qiáng)的生物工程，其快速高效啟動和日常管理等都制約和影響著系統(tǒng)的正常運行，對于原料碳氮比、發(fā)酵液PH值、肥水比之間的配比都需要進(jìn)行控制。針對上述問題，本文設(shè)計的沼氣工程智能控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)不同原料的有效預(yù)處理，強(qiáng)回流攪拌，太陽能增溫的中常溫連續(xù)發(fā)酵等要求。

2智能控制系統(tǒng)整體方案

2.1智能控制系統(tǒng)設(shè)計原理

沼氣工程包括原料的收集和預(yù)處理，沼氣發(fā)酵裝置的啟動和日常運行管理，以及發(fā)酵殘渣的處理。基于上述環(huán)節(jié)，利用PLC控制電機(jī)對秸稈和水葫蘆等進(jìn)行有效粉碎，通過對各傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由FX3U系列ADDA模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞實現(xiàn)實時監(jiān)控，便于控制原料配比進(jìn)行發(fā)酵。再通過無動力自流進(jìn)料到調(diào)節(jié)池中，實現(xiàn)對原料PH值和濃度的控制。在發(fā)酵罐環(huán)節(jié)采用的是液攪拌方式避免結(jié)殼和分層。為了實現(xiàn)全年持續(xù)產(chǎn)氣用氣，還設(shè)計了太陽能增溫系統(tǒng)，利用太陽能熱水器吸收熱量提高水溫，通過水循環(huán)為系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)供熱，有助于冬季沼氣池的防凍結(jié)等。同時使用螺旋出料機(jī)構(gòu)和固液分離機(jī)構(gòu)實現(xiàn)連續(xù)進(jìn)出料，避免大進(jìn)大出等問題，保證一定的池容產(chǎn)氣率、TS產(chǎn)氣率等。

2.2智能控制系統(tǒng)各模塊

2.2.1原料的收集和預(yù)處理

為保證沼氣池啟動和發(fā)酵有充足而穩(wěn)定的發(fā)酵原料，使池內(nèi)發(fā)酵原料不結(jié)殼，易進(jìn)易出，達(dá)到管理方便，產(chǎn)氣率高的目的，需要認(rèn)真選擇好發(fā)酵啟動的第一池原料。因此本系統(tǒng)的進(jìn)料選擇有兩種模式：初啟動模式和連續(xù)進(jìn)料模式。通過APP從用戶端收集每月沼氣訂購總量，沼氣站根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)儲備一定量的原料。比如動物糞便可從養(yǎng)殖場收購，各種秸稈可從農(nóng)戶手中收購。沼氣工程的長效運行不能依賴于政府的長期補(bǔ)助，因此可研究制定優(yōu)惠政策，對使用APP購買沼氣時可提供原料的用戶，給予優(yōu)惠，實現(xiàn)低價收購原料。系統(tǒng)會對各種秸稈和水葫蘆等進(jìn)行預(yù)處理，包括粉碎、打漿和堆漚。本系統(tǒng)模擬濕式發(fā)酵，由于實際工業(yè)過程中，優(yōu)化的肥水比是，接種物：原料干物質(zhì)含量﹕水﹕產(chǎn)氣量=1﹕2﹕5﹕1，本系統(tǒng)發(fā)酵罐總體積為45000cm3，則至少需要10000cm3接種物，可估算得到產(chǎn)氣量約占5000cm3。當(dāng)預(yù)處理箱溫度恒定，進(jìn)料間原料無動力自流進(jìn)入調(diào)節(jié)池，進(jìn)行PH的調(diào)控。

2.2.2太陽能增溫系統(tǒng)

溫度變化對沼氣產(chǎn)氣量的影響顯著,溫度波動往對產(chǎn)氣量造成嚴(yán)重的影響,甚至于停止產(chǎn)氣。冬季氣候條件下維持發(fā)酵罐內(nèi)料液溫度在25℃～38℃左右，即可保證裝置發(fā)酵正常。

2.2.3沼氣發(fā)酵裝置的設(shè)計

由于本系統(tǒng)屬于連續(xù)發(fā)酵，發(fā)酵罐中排出的原料量可以和重新連續(xù)進(jìn)料量相等，避免了大規(guī)模的換料帶來的問題。

2.2.4沼氣處理及應(yīng)用

發(fā)酵罐生產(chǎn)的沼氣可用于糧食貯藏，供電等。但需要在出口處設(shè)計凈化的相關(guān)結(jié)構(gòu)，比如水封罐和儲水罐。當(dāng)罐內(nèi)壓力過高時，通過水封排出一定的壓力防止超壓。當(dāng)罐內(nèi)壓力過低時可通過水封通入一定的空氣防止罐超負(fù)壓損壞。

3智能控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1數(shù)據(jù)的交互

本系統(tǒng)通過TCP協(xié)議、MC協(xié)議等實現(xiàn)APP和PLC的通信，通過PC端或APP端直接向PLC發(fā)送報文，借此寫入或讀出軟元件的值。適合操作人員在車間進(jìn)行使用，通過Eclipse進(jìn)行編譯。在FX3u-48M上安裝485模塊，通過485模塊連接FX3u-ENET-ADP以太網(wǎng)模塊，設(shè)置好參數(shù)后，與PLC相連，至此所有通訊的準(zhǔn)備步驟便完成了。

4小結(jié)

本沼氣工程智能控制系統(tǒng)的重點在于利用三菱公司的PLC等設(shè)備實現(xiàn)有效利用秸稈和水葫蘆等植物，既能減少資源消耗與浪費，又能產(chǎn)生清潔能源。對于過程的實時監(jiān)控，通過APP實現(xiàn)與用戶端的聯(lián)系，更加保證了沼氣產(chǎn)氣率，優(yōu)化了過程參數(shù)，便于日常管理，體現(xiàn)了智能化的控制過程。

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作者：楊麗；黃天胤；徐晨；鞠勇 單位：南京師范大學(xué)