增量PID控制算法在沼氣工程中的應用

楊海燕 ,胡萬里,李金洋,吳仕宏,劉榮厚

(1.安陽市農村能源管理站,河南 安陽　455000；2.安陽工學院 電子信息與電氣工程學院，河南 安陽　455000；3.沈陽農業大學 工程學院 ， 沈陽　100029；4.上海交通大學 資環學院,上海　200240)

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增量PID控制算法在沼氣工程中的應用

楊海燕1,胡萬里2,李金洋3,吳仕宏3,劉榮厚4

(1.安陽市農村能源管理站,河南 安陽455000；2.安陽工學院 電子信息與電氣工程學院，河南 安陽455000；3.沈陽農業大學 工程學院 ， 沈陽100029；4.上海交通大學 資環學院,上海200240)

摘要：針對沼氣工程集中供氣過程中上下限調節壓力不穩、燃氣灶使用效率不高和單純的變頻控制縮短電機使用壽命等問題，開發了一套采用西門子PLC作為控制器，通過采用增量PID算法配合現場執行結構的供氣系統，實現了農村大中型沼氣工程的安全穩定有序供氣。結果表明：增量控制避免了電機的頻繁啟動，PID 算法實現了供氣的穩定，提高了燃氣灶的燃燒效率。

關鍵詞：沼氣工程； PID；增量；PLC

0引言

目前，國內外的沼氣發酵技術有干法發酵和濕法發酵兩種，不論是哪一種發酵技術，從化學工藝上來講，產氣問題不是太大。截至目前，城市的煤氣、農村的沼氣和生物質燃氣等集中供氣系統絕大多數都是采用以下方法[1]：

1)采用濕式鐘罩儲氣柜。一是設備占地面積大，浪費土地；二是一次性投資多，濕式儲氣柜土建工程量大，建設時間長；三是北方地區每年越冬時都需要支付額外的采暖費用和人工工資，增加燃氣成本；四是維修困難、維修費用大、停氣時間長；五是儲氣柜中的水易受到污染。

2)采用干式固定容積儲氣罐。雖然克服了濕式儲氣柜的諸多弊端，但由于干式固定容積儲氣罐壓力大，供氣壓力時高時低，而且高低相差十分懸殊，因此在供氣時需要人員值守，隨時調壓，既不安全也不方便，用戶意見大[2]。

3)采用電觸點式氣體壓力表配合時間繼電器連接電磁閥供氣裝置。該方式存在供氣壓力不穩的問題。其原理是：氣體壓力表低于設定壓力下限時，電磁閥開啟能向供氣系統供氣，按照時間繼電器設定的固定時間控制電磁閥供氣，即達到一定時間后停止供氣，不能穩定供氣，同時極易造成供氣管網壓力過高，出現安全事故。

4)采用壓力繼電器配合連接電磁閥供氣裝置。同樣存在供氣壓力不穩、電和氣不分離等安全問題。

5)采用儀表配合接觸器連接電磁閥供氣裝置。該方式雖然實現了電和氣的分離，解決了安全問題，但也存在供氣壓力不穩的問題。

6)采用儀表變頻器配合連接電機供氣裝置。該方式雖然解決了電和氣的分離解決了安全問題和壓力不穩定問題，但由于電機在不停地轉動，影響其使用壽命。

由此可見，沒有理想的自動穩壓供氣裝置，它直接關系到沼氣工程的推廣成敗。為此，筆者根據多年工程實踐積累的經驗，探索出了一套合適的控制和供氣方案。

河南省安陽縣呂村鎮洋泛村集中供氣工程于2010年7月投入使用，2013年在原有基礎上改建控制系統并使用，目前運行良好。該供氣站原有400/m3發酵罐，2013擴建為日產1 000m3沼氣池工程，含1個預調節池、2個發酵池、2個儲氣池；所產沼氣可供周邊800多戶農戶集中使用，目前供戶400余戶，基本上解決了周邊農戶的炊事燃料問題，減少了秸稈做飯煙熏火燎的現象。

1系統整體設計

當壓力低于或高于額定壓力時，導致熱負荷的上升或下降；當壓力過高時，熱效率反而會下降。因此為了提高沼氣灶的燃燒熱效率，盡量使灶前壓力和設計壓力匹配，并保持穩定。從沼氣灶使用效率的要求來看，沼氣灶前壓力與設計額定壓力匹配時，使用效率最高[3]。同時，使用時如果壓力過低，反而做不成飯。目前，國家標準燃氣灶設計額定壓力為800、1 600Pa,兩個規格，加上管道和彎頭三通等配件的壓力損失，也就是說從儲氣罐出來的壓力至少需要2kPa的壓力，才能滿足要求。

另外，從集中供氣商業化運行要求來講，還有以下幾點需求：

1)儲氣袋的壓力時刻都在變化且不穩定，如果沒有穩定壓力的裝置，基本上不能商業化運行。

2)居民用戶距離有遠有近，而且管道有粗有細，到用戶的壓力不一樣，所以需在建設的不同時期從沼氣站出來的壓力可調。

3)用戶在在用氣量是不均勻的，冬季需要取暖用氣量比夏季要多，晚上用氣量要比早晨用氣量大。

4)增壓泵必須在用氣的時候能夠調節壓力工作，晚上不用的時候能夠關閉，以免形成空轉。

5)同一用戶壓力不能波動太大。經過測試，如果有2kPa的壓力差，火焰會從鍋底傳到鍋沿上。這樣會灼傷手臂，不安全，所以壓力波動不能太大，不能超過0.5kPa[4]。

2系統硬件部分

上位機采用工業控制計算機，開發出一套沼氣工程控制監控程序,作為實時監控和修改指令的中樞系統，可以修改輸出壓力及氣模壓力等參數。

下位機采用西門子PLC作為核心控制器，擴展3個EM235模塊，根據上位機的指令和規定的工藝要求對現場實時控制。

現場傳感器主要由液位計、流量計、濃度計、pH計、溫度計、操作按鈕及現場隔離開關等組成。現場執行器主要由接觸器、電動調節閥、變頻器及鼓風機等組成。

3軟件設計

3.1PID算法

針對沼氣工程的工藝要求，在硬件組成部分的基礎上,該系統整體設計思想是要求具有手動和自動控制功能。整個自動系統運行由現場經驗和實際需求固化到程序里，自動運行流程圖如圖1所示。

3.2PID算法程序

采用STL方式，部分程序如下：

子程序1(主要完成初始化和參數的設定工作，并且啟用中斷):

LD SM0.0

MOVR 0.75, VD104

MOVR 0.25, VD112

MOVR 0.1, VD116

MOVR 30.0, VD120

MOVR 0.0, VD124

MOVB 100, SMB34

ATCH INT_0:INT0, 10

ENI

中斷程序(主要完成參數的計算工作，并且輸出結果達到壓力穩定的目的)

LD SM0.0

ITDAIW0, AC0

DTRAC0, AC0

R 32000.0, AC0

MOVR AC0, VD100

LD I0.0

PIDVB100, 0

LDSM0.0

MOVR VD108, AC0

*R 32000.0, AC0

ROUNDAC0, AC0

DTIAC0, AC0

MOVW AC0, AQW0

圖1　自動運行流程圖

3.3防干擾算法

由于PID 在調節過程中會有不同的干擾出現，同時如果輸出緊隨輸入調節的話，會出現不斷調節的現象，而且不穩定，為此采用防干擾算法消除干擾，同時避免反復調節的情況出現。部分程序如下：

LD SM0.0

TONT32, 20

LDNT32

MOVW #dangqianzhi:LW0, #shangyici:LW24

AENO

MOVR 0.0, #leijizhi:LD26

AENO

MOVW 0, #leijichishu:LW30

LD T32

LPS

MOVW #dangqianzhi:LW0, #temp0:LW8

AENO

-I #shangyici:LW24, #temp0:LW8

AENO

AW>= 0, #temp0:LW8

INVW #temp0:LW8

INCW #temp0:LW8

+I 0, #temp0:LW8

LPP

AW>#zuidafuzhi:LW2, #temp0:LW8

LPS

ITD#dangqianzhi:LW0, #temp6:LD20

AENO

DTR#temp6:LD20, #temp4:LD12

AENO

+R #temp4:LD12, #leijizhi:LD26

AENO

+I 1, #leijichishu:LW30

LRD

AW>= #leijichishu:LW30, #lvbochishu:LW4

LPS

ITD#leijichishu:LW30, #temp6:LD20

AENO

DTR#temp6:LD20, #temp4:LD12

AENO

MOVR #leijizhi:LD26, #temp5:LD16

AENO

/R #temp4:LD12, #temp5:LD16

AENO

ROUND#temp4:LD12, #temp6:LD20

AENO

DTI#temp6:LD20, #pingjunzhi:LW6

LPP

MOVR 0.0, #leijizhi:LD26

AENO

MOVW 0, #leijichishu:LW30

LPP

MOVW #dangqianzhi: LW0, #shangyici:LW24

4結論

1)通過上位機和下位機的聯合控制，實現了沼氣工程的自動化管理和穩定有序工作。

2)通過增量PID防干擾算法解決了壓力不穩問題，實現了恒壓穩壓遠距離供氣。

3)此套系統成本比上下限儀表控制要高些。考慮到成本問題，在一些小型的養殖場可以采用上下限儀表控制系統。

參考文獻：

[1]卜明,吳麗麗.干法沼氣工程發酵技術現狀及發展趨勢 [J].農業機械，2012(11):115-118.

[2]楊海玉.自動穩壓供氣的固定容積儲氣裝置[J].可再生能源,2004(5):46-47.

[3]張健.影響家用燃氣灶具燃燒效率因素的探討[J]．能源技術，2007，28(5)：294-299 .

[4]胡萬里,劉榮厚,杜章永.基于S7-200的大中型軟體沼氣工程控制系統設計[J].農機化研究,2013,35(11)：215-217.

Abstract ID:1003-188X(2016)02-0252-EA

The Application of Incremental PID Control Algorithm in Biogas Engineering

Yang Haiyan1, Hu Wanli2, Li Jinyang3, Wu Shihong3, Liu Ronghou4

(1.Rural Energy Station of Anyang City Agriculture Bureau of Henan Province, Anyang 455000, China; 2.Department of Electronic Information and Electrical Engineering, Anyang Institute of Technology, Anyang 455000, China;3.College of Engineering,Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161,China； 4.Department of Resources and Environment, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Abstract：This paper states that in the biogas engineering gas-supply process, there is the problem that upper and lower limit regulating pressure style lead to instability pressure, and gas stove use efficiency is not high, one-fold frequency conversion control style at the expense of the motor service life. So developing a set of system which use the Siemens PLC as controller, and use incremental PID algorithm with the implementation of the field structure, realized large and medium-sized software rural biogas project work securitily and stabilitily and orderly. Incremental control to avoid the frequent starting of motor，the PID algorithm realized the gas supply stabilitily, improving the combustion efficiency of gas cooker.

Key words：biogas engineering; PID; incremental; PLC

文章編號：1003-188X(2016)02-0252-03

中圖分類號：S216.4；TP271

文獻標識碼：A

作者簡介：楊海燕(1968-)，男，河南安陽人，高級農藝師，(E-mail)aysnyjyhy@126.com。通訊作者：胡萬里(1978-)，男，河南湯陰人，講師，(E-mail)15537286266@163.com。

基金項目：遼寧省優秀人才培育基金項目(2014027001)

收稿日期：2015-01-13