沼氣工程增溫裝置物聯(lián)網控制系統(tǒng)研究

鄭勇+焦靜+王金麗+張勁+黃正明

在的問題，重點分析沼氣工程增溫裝置物聯(lián)網控制系統(tǒng)包括增溫裝置、物聯(lián)網技術、控制系統(tǒng)等的研究現(xiàn)狀。本研究選用由太陽能增溫模塊、空氣能增溫模塊、反應器增溫模塊、儲熱水箱等4大模塊組成的多能互補型水循環(huán)增溫裝置，采用中溫轉筒倉式干發(fā)酵方式和因特網P2P云通訊方式，對系統(tǒng)方案進行了總體設計。

關鍵詞 增溫裝置 ；物聯(lián)網 ；智能控制系統(tǒng)

中圖分類號 S216.4

Warming Facility and Control System Used Internet

of Things Technology in Rural Methane Project

ZHENG Yong1，2） JIAO Jing1） WANG Jinli1） ZHANG Jing1） HUANG Zhengming1）

（1 Agro-machinery Research Institute， CATAS， Zhanjiang， Guangdong 524091；

2 Institute of Rubber，Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Danzhou， Hainan 571737）

Abstract The article summarizes the development background， the importance and problems in rural methane project， including the research on warming facility， Internet of Things technology and control system. The research scheme and the design concept of the system are researched in the paper. The warming facility of multifunction and mutual complementary system combined with solar active heating module， air heating module， reactor heating module and storage tank， heating in mesophilic fermentation and cloud communication method P2P are adopted in the design of the overall technology proposal of the research.

Key words warming facilities ； internet of things ； automatic control

人口、資源和環(huán)境是當今地球面臨的三大問題，隨著人口的膨脹和經濟的快速發(fā)展，三大問題與發(fā)展的矛盾愈來愈突出，引起了全世界的憂慮和不安，世界各國在有限資源中積極尋求和開發(fā)新能源。在中國，農村沼氣工程作為一項重要的民心工程，充分體現(xiàn)了綠色環(huán)保、節(jié)能高效，為地球環(huán)境做出了重大貢獻，給中國農村百姓生活帶來巨大改變?！笆濉币詠?，我國中央一號文件多次為我國發(fā)展沼氣工程提出具體要求和進行工作部署，黨中央、國務院高度重視農村沼氣建設，出臺了系列的關于發(fā)展農村沼氣的法規(guī)政策，包括《中共中央國務院關于做好農業(yè)和農村工作的意見》《中共中央國務院關于推進社會主義新農村建設的若干意見》《中華人民共和國節(jié)約能源法》《全國農村沼氣工程建設規(guī)劃（2006-2010年）》《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》《農村沼氣建設國債項目管理辦法》《農村小型公益設施建設補助資金管理試點辦法》等。中國沼氣工程建設效果比較顯著，全國沼氣用戶約4 300萬戶，受益人口1.5億人以上，建有10多萬處規(guī)?；託夤こ毯投鄠€特大型沼氣工程（規(guī)模在10 000 m2以上），將有10萬多處農村沼氣工程鄉(xiāng)村服務網點，覆蓋全國沼氣用戶70 %以上[1]。

農村沼氣工程得到了迅速發(fā)展，隨著該項工程的繼續(xù)深入，沼氣產能與安全管理將成為沼氣工程推廣應用中的突出問題。目前，沼氣工程系統(tǒng)主要靠人工操作，機械化、信息化、智能化水平較低，廢棄物利用率不高，且在系統(tǒng)故障診斷方面較為滯后，現(xiàn)場操作危險性較高。本研究采用農業(yè)物聯(lián)網、PLC、云觸摸屏、APP等現(xiàn)代農業(yè)信息技術，利用空氣能和太陽能清潔能源，研究增溫裝置物聯(lián)網控制系統(tǒng)的設計方案，以增加沼氣工程系統(tǒng)的智能化、信息化，提高系統(tǒng)的安全性、準確性和經濟高效性。

1 研究現(xiàn)狀分析

1.1 沼氣工程增溫裝置研究現(xiàn)狀分析

在沼氣工程系統(tǒng)中，厭氧發(fā)酵溫度過低是制約沼氣工程發(fā)展的一個關鍵因素，研究廉價實用的沼氣工程增溫裝置顯得非常重要。有研究表明，溫度在35 ℃條件下發(fā)酵產生的沼氣量是溫度在15 ℃條件下發(fā)酵的12倍[2]。如何幫助沼氣工程系統(tǒng)增溫保溫是學者關注的問題。學者們立足廉價、實用和清潔的能源角度，研究了將系統(tǒng)管道買入地下進行保溫和使用化學藥劑聚苯乙烯和聚氨酷等材料強化保溫，采用減少系統(tǒng)水含量的方式降低系統(tǒng)運行過程中的能耗[3-4]，使用太陽能集熱器、沼氣發(fā)電組余熱、生物質熱水鍋爐、空氣能熱泵或沼氣燃燒等單種方式和復合方式進行增溫[5-8]，從增溫的經濟效益和能源的利用率上考評，結果都不理想。其中太陽能易受到天氣的影響，穩(wěn)定性較差[9-11]。沼氣發(fā)電余熱能夠通過專門裝置實現(xiàn)熱能的回收利用，加熱最快[12-14]?？諝饽軣岜檬抢每諝庵械哪芰縼磉M行熱能的產生，以消耗最少的能源產生恒溫、大水量、高水壓的一種熱水器。分別經過大功率燃氣、大功率電熱水器、太陽能熱水器、空氣能熱泵4代的發(fā)展，運用熱泵工作原理制熱后將熱量輸送給保溫水箱，空氣能熱泵制熱不需要陽光，能夠連續(xù)產生熱量，且壽命長，不生產有毒有害氣體。空氣能熱泵是一項開發(fā)和應用潛力比較強大的技術，新型復合型增溫方式成為系統(tǒng)增溫方面研究的熱點和趨勢。

1.2 物聯(lián)網沼氣工程發(fā)展與研究現(xiàn)狀

物聯(lián)網技術在農業(yè)上的應用，能為農業(yè)生產實現(xiàn)集約、高產、優(yōu)質、高效、生態(tài)、安全提高技術支撐和重要保障[15]。物聯(lián)網系統(tǒng)選用溫度傳感器、液位傳感器、PH傳感器、CO2傳感器等多種傳感器進行光溫水肥氣的動態(tài)監(jiān)測，采用傳感器節(jié)點建立物聯(lián)網監(jiān)控網絡，具有實時監(jiān)測功能、遠程控制功能、查詢功能、警告功能。傳統(tǒng)的沼氣發(fā)酵系統(tǒng)數據監(jiān)測與控制系統(tǒng)主要包括工業(yè)控制、單片機控制、PLC控制、集散控制和現(xiàn)場總線控制5大類[16]，物聯(lián)網沼氣工程系統(tǒng)由傳感層、傳輸層和應用層3部分組成，系統(tǒng)中的關鍵參數包括沼氣溫度、壓力、液位、濃度。在新型傳感器方面的研究包括BOD（生化需氧量）傳感器[17]、在線總揮發(fā)酸VFAs測監(jiān)測系統(tǒng)[18]、CH4濃度監(jiān)測設備[19]，物聯(lián)網技術農村沼氣監(jiān)測預警系統(tǒng)[20]等。在物聯(lián)網沼氣工程系統(tǒng)方面的研究報道較少，該方面的研究仍處于理論探索階段，系統(tǒng)的應用需要進一步完善和優(yōu)化。

1.3 沼氣工程系統(tǒng)控制發(fā)展與研究現(xiàn)狀

自動控制技術在國內外得到了快速發(fā)展和應用，隨著系統(tǒng)控制的難度、復雜性、參數的增加，學者們研究了反饋控制、神經網絡控制、PLC、PID控制等傳統(tǒng)與現(xiàn)代控制方法的融合[20]，并在沼氣厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中開展了應用，形成了一系列先進的控制方法和理論，研發(fā)了先進的配套設備和軟件，在沼氣過程系統(tǒng)中發(fā)揮了較好的作用，取得了較好的效益，先進的控制理論方法值得借鑒和學習。在國外，先進的理論方法研究包括如發(fā)酵系統(tǒng)二維模糊控制[21]，發(fā)酵過程的模糊控制理論[22]，PID控制進料速率[23]，神經模糊控制甲烷產氣率[24]，多模型估計智能遠程控制[25]等。在國內，沼氣控制系列理論研究剛剛起步，系統(tǒng)自動化控制還較低，勞動強度較大，且運行的成本比較高。國內學者圍繞控制理論和應用展開了深入研究，如PLC和組態(tài)軟件理論[26-28]、增量PID控制算法[29]、沼氣發(fā)電中控系統(tǒng)[30-31]、遠程控制系統(tǒng)[32]、沼氣壓力監(jiān)控系統(tǒng)[33]、pH在線智能控制系統(tǒng)等。隨著信息化技術的發(fā)展與成熟應用，沼氣工程系統(tǒng)控制發(fā)展將向多參數監(jiān)測、多種傳感器融合、多種控制方式并存的方向發(fā)展，將逐步實現(xiàn)系統(tǒng)的網絡化、遠程化、可視化、智能化、信息化功能[34]，將更凸顯符合中國各地沼氣工程需求特色，推動沼氣工程系統(tǒng)控制關鍵技術的研發(fā)集成與應用，提高沼氣工程質量，確保系統(tǒng)的靈活性、安全性和穩(wěn)定性。

2 增溫裝置物聯(lián)網控制系統(tǒng)方案設計

物聯(lián)網控制系統(tǒng)增溫裝置，是充分利用太陽能、空氣低溫熱能，使沼氣干發(fā)酵系統(tǒng)溫度保持在中溫發(fā)酵范圍內，保持沼氣系統(tǒng)運行費用在盡可能低的水平?？刂颇K由智能終端、云服務器、上位機、云觸摸屏、下位機、可編程控制器共同組成。增溫裝置原理如圖1。

增溫裝置物聯(lián)網控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件主要為各環(huán)節(jié)的熱水泵、電磁閥以及空氣能熱泵和變頻器，檢測元件主要有電流開關、水流開關等開關量傳感器，以及液位變送器、溫度變送器等模擬量傳感器。本方案設計采用西門子S7-200系列小型PLC可編程控制器作為控制系統(tǒng)的下位機，云觸摸屏為上位機的系統(tǒng)架構。下位機與上位機的通信采用性能可靠的傳統(tǒng)RS485通訊方式，采用因特網P2P云通訊方式，進行現(xiàn)場信號自動采集與處理，以及遠程云控制與分析，實現(xiàn)增溫裝置控制系統(tǒng)的物聯(lián)網化，控制系統(tǒng)總體方案如圖2。

3 結論

本研究基于資源化原則、減量化原則、無害化原則、生態(tài)化原則，圍繞沼氣產生過程中使用的工藝方法和設備系統(tǒng)組建關鍵技術的需求，重點研究多功能互補性沼氣干發(fā)酵反應器增溫裝置物聯(lián)網控制系統(tǒng)的設計，該設計在沼氣工程中的現(xiàn)實意義主要包括：

（1）增溫裝置的研究幫助提高沼氣系統(tǒng)的產氣率和產氣量。溫度是影響產氣率和產氣量的關鍵因素之一，中溫發(fā)酵、增溫保溫工藝在沼氣工程中顯得非常重要，適宜的溫度可以幫助提高農業(yè)廢棄物發(fā)酵中的活性，提高不同生物種群生物的新陳代謝，提高沼氣的產氣率和產氣量。

（2）“物聯(lián)網+PLC”控制模式和關鍵技術的引入，幫助提高沼氣工程系統(tǒng)的智能化程度，提高系統(tǒng)運行的經濟性。通過PLC接口，與沼氣工程系統(tǒng)中溫度、液位、電流等傳感器和執(zhí)行器進行連接，可以進行開關量邏輯控制、定時計數控制、模擬量控制、數據分析處理、數字通訊控制等，同時通過物聯(lián)網多傳感器和網絡云平臺的搭建，進行沼氣工程系統(tǒng)動態(tài)數據采集、傳輸、分析與控制動作。減少人力成本，增加系統(tǒng)的智能化程度和運行的經濟性。

（3）云觸摸屏和APP關鍵技術的應用，幫助系統(tǒng)實現(xiàn)遠程可視與準確控制，推動系統(tǒng)運行的安全性和可靠性。云觸摸屏作為一種高性能嵌入式一體化的人機界面，具有功能齊全、操作簡單、可視化控制等特點，為物聯(lián)網化組態(tài)編程提供平臺，且可以自動傻瓜式生成APP。通過建立的網絡和云平臺，可以實現(xiàn)遠程可視化操作，增加沼氣工程控制系統(tǒng)的操作的安全距離，且系統(tǒng)會主動推送系統(tǒng)異常信息，能夠進行故障自動診斷，避免人為的誤操作，對系統(tǒng)管控的地點較為靈活，有網絡通訊支持的地方，均可以通過智能終端實現(xiàn)對系統(tǒng)的管控。

（4）采用空氣能熱泵和太陽能熱水器進行系統(tǒng)增溫，較節(jié)能，且空氣能和太陽能都是因地制宜的清潔能源，也是國家沼氣發(fā)展規(guī)劃的重要要求之一。由太陽能增溫模塊、空氣能增溫模塊、反應器增溫模塊、儲熱水箱等4大模塊組成的多能互補型水循環(huán)增溫裝置，能夠為沼氣發(fā)酵厭氧菌群提供一個穩(wěn)定適宜的溫度環(huán)境，既節(jié)約能源，又能幫助系統(tǒng)高效運行。

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