虛擬儀器在沼氣發(fā)酵環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李翠芹

摘 要：在目前農(nóng)村環(huán)境污染中，大型養(yǎng)殖場(chǎng)所排放畜禽糞便為主要來(lái)源之一。石油等不可再生資源在環(huán)境污染加劇過(guò)程中越來(lái)越緊張，沼氣發(fā)酵為新型保護(hù)環(huán)境、變廢為寶的有效方法，備受?chē)?guó)內(nèi)外的重視。在沼氣生產(chǎn)的過(guò)程中，如何使產(chǎn)氣率得到提高，是對(duì)沼氣工程檢測(cè)的主要標(biāo)準(zhǔn)。為了使發(fā)酵工藝參數(shù)能精準(zhǔn)控制，文章就對(duì)虛擬儀器在沼氣發(fā)酵環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的使用進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器;沼氣發(fā)酵;環(huán)境監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1001-5922（2021）11-0053-03

Application of Virtual Instrument in the Design of Biogas Fermentation Environment Monitoring System

Li Cuiqin

（Agricultural and Rural Work Committee of Xinzheng， Henan Province， Zhengzhou 451100， China）

Abstract：In current rural environmental pollution， large breeding sites discharge livestock and poultry excrement is one of the main sources. Petroleum and other non-renewable resources are becoming more and more tense in the process of intensifying environmental pollution. Biogas fermentation is a new effective method to protect the environment and turn waste into treasure， which has attracted much attention at home and abroad. In the process of biogas production， how to improve the gas production rate is the main standard for biogas engineering testing. In order to accurately control the fermentation process parameters， this paper analyzes the use of virtual instrument in the design process of biogas fermentation environment monitoring system.

Key words：virtual instrument; biogas fermentation; environmental monitoring

在虛擬儀器不斷發(fā)展的過(guò)程中，被廣泛應(yīng)用到測(cè)控領(lǐng)域中。為了對(duì)沼氣發(fā)酵過(guò)程工藝參數(shù)監(jiān)控進(jìn)行改進(jìn)，與儀器技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的創(chuàng)建，設(shè)計(jì)虛擬沼氣發(fā)酵環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，此研究具有重要意義[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 工藝流程

前處理為沼氣發(fā)酵環(huán)境監(jiān)控過(guò)程中首要工序，在配料罐中放入畜禽糞便，之后通過(guò)酸化罐調(diào)節(jié)料液pH值水解發(fā)酵。通過(guò)緩沖罐產(chǎn)生乙酸和氫氣，將乙醇、脂肪酸等轉(zhuǎn)變成為二氧化碳和氫氣。最后的階段為產(chǎn)甲烷，將甲烷菌通過(guò)乙酸、二氧化碳和氫氣等利用產(chǎn)氣罐能夠產(chǎn)生甲烷，圖1為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)工藝流程圖。

1.2 設(shè)置參數(shù)

在沼氣發(fā)酵的過(guò)程中對(duì)厭氧消化細(xì)菌進(jìn)行培養(yǎng)，為細(xì)菌提供良好的生活條件，從而提高污水凈化率與沼氣的生產(chǎn)率。微生物對(duì)生命活動(dòng)具有較高的要求，在特定條件下對(duì)發(fā)酵過(guò)程正常的運(yùn)行進(jìn)行控制，比如碳氮比、厭氧消化性污泥、沼氣發(fā)酵原料等，所以主要的監(jiān)控參數(shù)為pH值、溫度、壓力、液體等[2]。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 PC機(jī)設(shè)計(jì)

PC機(jī)使用工控機(jī)設(shè)計(jì)，通過(guò)抗干擾措施，使系統(tǒng)能夠可靠的運(yùn)行。通過(guò)雙單片機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)，主要包括信號(hào)處理接口、USB通信電路、MCU最小系統(tǒng)、電源電路等。電源內(nèi)部集成3～5 V的穩(wěn)壓芯片，以此實(shí)現(xiàn)USB總線供電。在采集卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)大部分外設(shè)的集成，利用軟件配置I/O口交叉開(kāi)關(guān)使USB采集卡擴(kuò)展電路得到實(shí)現(xiàn)[3]。

2.2 測(cè)控參數(shù)確定

沼氣發(fā)酵系統(tǒng)為密閉系統(tǒng)，系統(tǒng)壓力與產(chǎn)氣量具有密切關(guān)系，并且會(huì)影響到系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全性。對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)壓力觀察，控制發(fā)酵系統(tǒng)壓力為8 kPa左右。在進(jìn)出料的過(guò)程中對(duì)壓力表變化密切關(guān)注，如果在進(jìn)料時(shí)壓力比較大，氣壓超過(guò)12 kPa的時(shí)候要將導(dǎo)氣管打開(kāi)放氣，并且使進(jìn)料速度減緩。在出料的時(shí)候假如壓力表存在負(fù)壓，那么就要停止用氣，在恢復(fù)正常之后才能夠用氣。

在中性條件下實(shí)現(xiàn)沼氣發(fā)酵，不同于乳酸發(fā)酵，pH值降低就會(huì)終止沼氣發(fā)酵，pH值改變會(huì)受到發(fā)酵液中揮發(fā)酸堿度與濃度影響。沼氣發(fā)酵適宜的pH值為6.8～7.4，不在此值范圍都會(huì)抑制產(chǎn)氣。pH值在5.5以下會(huì)抑制產(chǎn)甲烷菌。pH值上升到8或者8.5的時(shí)候，其產(chǎn)氣率也比較高[4]。

2.3 傳感器

2.3.1 溫度傳感器

在沼氣發(fā)酵過(guò)程中，溫度會(huì)對(duì)產(chǎn)氣量造成一定的影響。常用溫度傳感器包括集成電路型、熱敏電阻型、熱電偶型。文章在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中使用WZP-231型熱電阻溫度傳感器，感溫元件使用PT-100鉑電阻，具有良好的線性與較高的靈敏度。溫度傳感器測(cè)量范圍為-200～420℃，保護(hù)管材料使用Cr1Ni18Ti9，熱響應(yīng)時(shí)間小于等于60 s。

2.3.2 壓力傳感器

壓力傳感器具有多種類別，性能也各有不同。在實(shí)際使用過(guò)程中，以具體使用需求進(jìn)行選擇。本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用CPS181陶瓷壓阻壓力傳感器，其具有較高穩(wěn)定性、精度與抗沖擊性，供電電壓為5～30 V（DC）、工作壓力為1～60 MPa、橋臂電阻為（11±0.2）kΩ，工作溫度為-40～135℃[5]。

2.4 液位傳感器

與其他儀器儀表一樣，對(duì)液位傳感器要合理選擇，要對(duì)實(shí)際使用的環(huán)境進(jìn)行分析。一般使用的測(cè)量罐內(nèi)液位具備體積信息，無(wú)法掌握液位信息。在選擇液位傳感器過(guò)程中，要對(duì)此流程特定需求進(jìn)行全面掌握。液位測(cè)量指的是觸點(diǎn)液位和連續(xù)液位，本文根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需求，使用UQZ-71LX型浮球觸點(diǎn)式液位變送器，其方便安裝，而且結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主要特點(diǎn)為耐腐蝕、防爆等。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 恒溫控制模塊

因?yàn)槎旌洌託獍l(fā)酵最佳溫度需求無(wú)法得到滿足。為了解決此問(wèn)題，采取恒溫發(fā)酵模塊的設(shè)計(jì)。利用地?zé)峄蛘咛?yáng)能方式進(jìn)行供熱，這兩種供熱模式都能夠在發(fā)酵罐中實(shí)現(xiàn)熱水器供熱，通過(guò)發(fā)酵罐外圍保溫管道系統(tǒng)使其能夠恒溫。為了更好使用地?zé)崮芘c太陽(yáng)能，系統(tǒng)使用比例積分微分（PID）控制與模糊控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)恒溫控制。假如遇到陰雨雪天氣，太陽(yáng)能方式無(wú)法充足供熱，比發(fā)酵罐溫度要低。所以，系統(tǒng)設(shè)計(jì)在太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)溫度高于發(fā)酵罐溫度的時(shí)候，才能夠開(kāi)啟太陽(yáng)能供熱[6]。

在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的過(guò)程中，通過(guò)PID算法在發(fā)酵罐溫度低時(shí)，恒溫供水系統(tǒng)使用雙路供熱，系統(tǒng)溫度和設(shè)定值比較接近，發(fā)酵罐溫度在4℃以下時(shí)將太陽(yáng)能供熱閥門(mén)進(jìn)行關(guān)閉，避免超調(diào)問(wèn)題的出現(xiàn);之后利用系統(tǒng)PID輸出值對(duì)變頻器頻率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)恒溫控制。圖2為模糊PID控制原理。

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，首先將模糊規(guī)則打開(kāi)進(jìn)入到循環(huán)中，循環(huán)PC為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定值，SV為恒定溫度。先實(shí)現(xiàn)程序差值，之后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的設(shè)置，在模糊控制中實(shí)現(xiàn)量化數(shù)據(jù)的設(shè)置，并且對(duì)循環(huán)運(yùn)行條件進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置不同PID參數(shù)對(duì)應(yīng)太陽(yáng)能水泵開(kāi)關(guān)，用戶修改PID參數(shù)，利用PID運(yùn)算輸出模擬電壓，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡對(duì)變頻器頻率進(jìn)行控制，通過(guò)地?zé)岜脤?duì)發(fā)酵罐保溫層流量進(jìn)行控制[7]。以下為恒溫控制部分代碼：

if（timecount==150）

{

timecount=0;

while（resetpulse（））;

writecommandtods18b20（0xcc）;

writecommandtods18b20（0xbe）;

readdata[0]=readdatafromds18b20（）;

readdata[1]=readdatafromds18b20（）;

for（x=0;x<8;x++）

{

displaybuf[x]=16;

}

sflag=0;

if（result>255）

{

readdata[1]++;

}

}

readdata[1]=readdata[1]<<4;

readdata[1]=readdata[1] & 0x70;

x=readdata[0];

x=x>>4;

x=x & 0x0f;

readdata[1]=readdata[1] | x;

x=2;

result=readdata[1];

while（result/10）

{

displaybuf[x]=result%10;

result=result/10;

x++;

}

displaybuf[x]=result;

if（sflag==1）

{

displaybuf[x+1]=17;

}

x=readdata[0] & 0x0f;

x=x<<1;

displaybuf[0]=（dotcode[x]）%10;

displaybuf[1]=（dotcode[x]）/10;

while（resetpulse（））;

writecommandtods18b20（0xcc）;

writecommandtods18b20（0x44）;

}

}

3.2 監(jiān)控報(bào)警模塊

用戶要能夠正確操作，才能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，并且實(shí)現(xiàn)監(jiān)控報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容包括數(shù)據(jù)監(jiān)控與視頻監(jiān)控的報(bào)警。用戶通過(guò)數(shù)據(jù)監(jiān)控報(bào)警能夠良好的進(jìn)行判斷，使其成為監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)警報(bào)警機(jī)制，此模塊能夠?yàn)閭鞲衅鲗?duì)數(shù)據(jù)的收集提供報(bào)警機(jī)制，用戶通過(guò)上下限的設(shè)計(jì)對(duì)報(bào)警是否開(kāi)啟進(jìn)行確定，監(jiān)控重要閥門(mén)，對(duì)閥門(mén)開(kāi)關(guān)情況進(jìn)行檢測(cè)。在開(kāi)啟視頻監(jiān)控的過(guò)程中，點(diǎn)擊面板中的主面板視頻監(jiān)控按鈕，打開(kāi)視頻監(jiān)控程序，彈出攝像頭選擇表，利用實(shí)際需求對(duì)用戶攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)行選擇，對(duì)退出程序點(diǎn)擊后就停機(jī)視頻監(jiān)控[8]。如圖3所示為報(bào)警流程。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了將虛擬儀器作為基礎(chǔ)的沼氣發(fā)酵環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，利用傳感器收集環(huán)境參數(shù)，通過(guò)基于模糊控制方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的反饋。

通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)已設(shè)置的參數(shù)時(shí)間處理，利用控制算法能夠得出反饋結(jié)果;對(duì)執(zhí)行電機(jī)、繼電器與電子閥等傳輸控制，使沼氣池工藝參數(shù)精準(zhǔn)性得到提高，從而進(jìn)一步的提高發(fā)酵效率。

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