沼氣發酵過程狀態監控系統設計

李福，王玉鵬，周闖，秦國輝，羅向東

（黑龍江省能源環境研究院，哈爾濱150086）

沼氣發酵過程狀態監控系統設計

（黑龍江省能源環境研究院，哈爾濱150086）

針對沼氣發酵過程無法精確控制，容易發生沼氣產量降低等問題，本文設計了沼氣發酵過程狀態監控系統。該系統以西門子S7-1200 PLC為控制核心，建立基于SIMATIC NET OPC的以太網通信網絡，實現沼氣發酵過程的實時監控。在分析存儲的過程數據基礎上，結合經驗知識與沼氣發酵工藝判斷與發布異常情況，提醒運行人員采取應對措施，降低風險。運行結果表明：該系統具有可靠性強、操作方便和準確性高等特點，完全滿足沼氣發酵的各項控制要求。

S7-1200 PLC；沼氣發酵；監控系統

沼氣發酵是一種具有生態效益和經濟效益的，處理生物質廢棄物的有效方法，不僅將固定在牛糞便、污水、有機垃圾等生物質內的能量轉化為可燃燒利用的甲烷氣能，減少不可再生資源的使用，而且沼氣發酵后的沼液和沼渣是生產促進作物生長的優質有機肥料的潛在原料，其經濟價值較大［1］。然而，沼氣發酵工業化生產過程復雜，物理、化學反應以及眾多因素的影響，無法保證發酵過程環境的一致性，容易偏離預先設定的最佳發酵生產條件，產生某些不利于發酵產物。另外，由于沼氣發酵異常初期通常難以察覺，往往會造成較大的經濟損失。因此，沼氣發酵過程的監控就顯得非常重要。

針對上述問題，在建立了以西門子S7-1200 PLC為控制核心的沼氣發酵過程監控系統基礎上，深入研究與分析厭氧發酵的理論知識與沼氣發酵工藝參數，優化了溫度、pH值和流量等傳感器的位置布局，實現了沼氣發酵過程數據自動采集和控制，并且分析比對監控計算機存儲下來的過程數據與人工采集數據，判斷發酵異常與發布預警信息，提醒運行人員采取適當的應對措施，減少經濟損失，保證沼氣發酵的運行安全。

1　系統方案

1.1發酵工藝流程

沼氣發酵的工藝流程主要分為進料單元、發酵單元、出料單元、沼氣處理單元、加熱與保溫單元等幾個部分，如圖1所示。

圖1　沼氣發酵工藝流程Fig.1 Gas fermentation process

其中，有機廢物經過進料單元混合后進入發酵單元；發酵加熱與保溫單元保證發酵單元與進料單元的溫度保持或接近細菌群生長的最優條件；發酵的剩余液體通過出料單元產生生物肥料；發酵產生的沼氣經過沼氣處理單元產生清潔能源。

1.2監控系統方案

依據沼氣發酵工藝流程確定監控系統方案，如圖2所示。該監控系統由中央控制和現場控制組成，實現集中監控管理和分散控制。其中，中央控制包括上位機、路由器、西門子PLC和多種儀器設備，儀器設備經過通信電纜與西門子PLC通信，上位機經過TCP/IP網絡協議與西門子PLC通信；現場控制涉及大型設備，主要提高設備運行與調試的安全性，解決集中控制系統危險度集中、可靠性差等問題。

圖2　監控系統結構圖Fig.2 Monitor system structure diagram

2　系統設計

2.1硬件設計

在系統控制方案中，PLC選用西門子生產的SIMATIC S7-1200可編程控制器。它繼承了SIMATIC S7-200系列PLC卓越的性能和強大的網絡通信外，還具有功能強大的指令集，滿足各種各樣設備的自動化需求［2］。此外，模塊擴展能力進一步提高，最多可擴展8個信號模塊以及3個通信模塊；CPU模塊集成了以太網PROFINET接口，支持編程調試、HMI與PLC間的通信、以太網協議、與第三方設備通信［3］。因此，以SIMATIC S7-1200可編程控制器為核心構建沼氣發酵過程狀態監控系統。

該監控系統由電源模塊PS207、CPU 1214C模塊、存儲卡、SM 1222數字量輸出模塊、SM 1231模擬量輸入模塊、SM 1234模擬量I/O模塊等組成。其中，數字量輸入模塊負責閥門反饋等開關量采集；模擬量輸入模塊負責溫度傳感器、壓力傳感器和流量傳感器等模擬量采集；數字量輸出模塊負責電機與閥門等設備啟停；CPU模塊負責所有信號的計算、判斷及輸出等任務，實現自動控制。

2.2軟件設計

PLC軟件設計工具為TIA Portal STEP7 Basic V11，它具有直觀高效、上手容易、使用簡單等特點。程序數據的任何變化將直接關聯至項目中相關內容，減少編程工作量與出錯率。它的變量表使用機制與Microsoft Excel類似，可以快速生成變量，最大限度地提高工作效率，減少控制系統工程組態設計時間。此外，TIA Portal STEP7 Basic V11軟件還提供卓越的共享服務，所有監控平臺可以相互連接與統一管理，降低了編程復雜程度，提高了工程組態的效率。

PLC軟件采用模塊化設計方法，易于分工合作與統調試，提高了西門子PLC的運行速度。由于該程序涉及的模塊較多，這里僅列出溫度自動控制模塊的程序流程圖，如圖3所示。

圖3　溫度自動控制模塊的程序流程圖Fig.3 Program of automatic temperature control module

2.3上位機設計

上位機采用戴爾Vostro 260s型號的計算機，其操作系統為Microsoft Windows XP professional Service Pack 2，監控界面編輯軟件為SIMATIC WINCC 6.0。監控界面必須真實反映系統運行動態，實時顯示重點節點監測數據，確保數據實時性和運行安全。上位機的WINCC界面設置有自動/手動并行的控制方式。所有操作及設備選擇均可以通過功能鼠標或鍵盤在WINCC畫面上進行。其中，電機設備和閥門等設備的啟/停、開/關均有不同顏色指示，避免操作人員的誤操作，提高監控系統的安全性。

2.4通信設計

SIMATIC S7-1200 PLC的PROFINET接口經過路由器與計算機通信端口連接，建立了以太網通信。其中，S7-1200作為Server端時，需要響應Client端的數據請求，必須組態通信模塊。通過以太網向導完成通信模塊IP地址、子網掩碼、模塊連接類型、客戶機地址和TSAP等參數設置［4］。

WINCC監控界面通過OPC服務器實現了與PLC動態連接。其中，首先配置硬件機架，添加OPC服務器；然后插入一個計算機站點，分配以太網卡參數，IP Address改為本機IP地址，網關改為本機網關；最后輸入S7-1200地址，將配置下載至計算機站點，完成OPC連接［5］。

2.5調試與運行

為了保證系統開機順利，必須進行調試前檢查，檢查內容包括：接地回路確認、電源電纜絕緣確認與通信電纜確認等，并且需要按電源傳輸方向，從前至后逐級檢查設備送電情況是否正常。然后，進行單回路調試，根據信號類型、范圍及特點排出調試順序。最后，監控系統依據工藝流程完成參數設置確認，并確定數據采集和自動控制運行正常。在系統運行過程中，大量的運行狀態數據將會存儲在上位機內，結合沼氣發酵工藝與歷史記錄判斷異常情況，及時發布預警，降低運行風險。

3　結語

沼氣發酵過程狀態監控系統充分利用了S7-1200 PLC抗干擾能力強、使用靈活、性價比高等特點，實現了發酵過程的工藝參數設置、調整與監測，滿足了沼氣發酵系統的精確控制要求。此外，充分利用歷史記錄分析沼氣發酵狀態，實現了智能監控，完全符合沼氣發酵監控的發展方向。

［1］何榮玉，固志英，劉曉風，等.秸稈干發酵沼氣增產研究［J］.應用與環境生物學報，2007，13（4）：583-585．

［2］馮博，徐淑華.SIMATIC S7-1200可編程控制器技術特點［J］.科技信息，2010，（23）：120-121．

［3］張春.深入淺出西門子S7-1200 PLC［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2009．

［4］廖常初.PLC編程及應用（第3版）［M］.北京：機械工業出版社，2008．

［5］張曉杰，劉海昌.基于WINCC的數據采集和監控系統設計［J］.工業儀表與自動化裝置，2007，17（4）：53-55.

Design of State Monitoring System for Biogas Fermentation Process

LI Fu-qi,WANGYu-peng,ZHOUChuang,QINGuo-hui,LUOXiang-dong
(Energyand Environment Research Institute ofHeilongjiangProvince,Harbin 150086,China)

In viewofthe problem that the biogas fermentation process cannot be controlled accurately,the low-yield production of biogas is easy tooccur.The state monitoringsystemofthe biogas fermentation process is designed in this paper.The system is based on PLC S7-1200 SIMATIC as the control core,and Ethernet communication network based the NET OPC is established to realize the real-time monitoring of the biogas fermentation process.In addition,based on the analysis of stored data,combined with empirical knowledge and biogas fermentation process to determine and publish abnormal situation,to remind the operator to take measures to reduce the risk.The results show that the system has the characteristics ofhigh reliability,convenient operation and high accuracy,and can meet the requirements ofthe biogas fermentation.

S7-1200 PLC;Gas fermentation;Monitoringsystem

S216.4

A

1674-8646（2015）09-0040-02

2015-06-03

科技創新人才研究專項（RC2014QN010029）

李福（1982-），男，遼寧盤錦人，碩士，工程師，從事計算機軟件開發及自動化控制研究。