關(guān)長亮， 王貴成， 王煥東， 張 曦， 聶俸斌

(1.沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142； 2.山東新華醫(yī)療器械股份有限公司， 山東 淄博 255086)

西門子LOGO在新農(nóng)村建設(shè)的應(yīng)用

關(guān)長亮1， 王貴成1， 王煥東2， 張 曦1， 聶俸斌1

(1.沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142； 2.山東新華醫(yī)療器械股份有限公司， 山東 淄博 255086)

系統(tǒng)以沼氣以及沼氣能源循環(huán)構(gòu)建農(nóng)村蔬菜大棚、牲畜養(yǎng)殖等工程為主要研究對象，對影響沼氣生產(chǎn)過程的主要因素進行分析，提出以溫度、壓力作為沼氣生產(chǎn)過程的主要控制參數(shù)，通過PC上位機和LOGO!下位機構(gòu)成的自動控制與監(jiān)測系統(tǒng)，采用PI控制算法，同時以西門子LOGO!作為下位機的主要硬件設(shè)備，設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)，完成數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行機構(gòu)動作，從而實現(xiàn)沼氣生產(chǎn)過程的自動控制，提高目前沼氣的生產(chǎn)及使用效率，帶動與沼氣相關(guān)聯(lián)工程的應(yīng)用，解決我國農(nóng)村目前能源利用效率低、應(yīng)用不合理的問題，最終實現(xiàn)推進沼氣在農(nóng)村的應(yīng)用水平，提高農(nóng)民生活質(zhì)量，加快新農(nóng)村建設(shè)步伐.

沼氣; 能源循環(huán); 自動控制; 西門子LOGO!; 新農(nóng)村建設(shè)

由于長期依靠勞動密集型的工業(yè)產(chǎn)業(yè)來推動GDP增長，導(dǎo)致近年來我國能源短缺問題日益突出.這時作為重要可再生能源的沼氣開始獲得廣泛關(guān)注.沼氣在應(yīng)用過程中能有效治理污染，保護生態(tài)環(huán)境；生產(chǎn)過程有利于殺滅流行性的有害微生物，保護人畜健康.將沼氣用于農(nóng)村后，可提高農(nóng)民生活質(zhì)量，促進社會主義新農(nóng)村建設(shè).沼氣技術(shù)是實現(xiàn)變廢為寶的高效轉(zhuǎn)換技術(shù).在農(nóng)村大力推廣沼氣具有顯著的綜合收益：能夠解決農(nóng)村能源供應(yīng)不足問題，提供農(nóng)戶生活所需能源；減少人畜糞便和生活污水造成的農(nóng)業(yè)資源污染，有效改善農(nóng)村環(huán)境衛(wèi)生狀況，減低室內(nèi)空氣污染，提高農(nóng)民生活質(zhì)量和健康水平;沼氣也可發(fā)電用做農(nóng)機動力，中型沼氣工程生產(chǎn)的沼氣可用來發(fā)電、燒鍋爐、加工食品或供給城市居民使用.以沼氣為核心的生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)，可推動農(nóng)民生活質(zhì)量和健康水平的發(fā)展，促進農(nóng)業(yè)增效和增收，具有顯著的能源、經(jīng)濟、環(huán)境和社會意義[1].

沼氣是有機物在厭氧條件下經(jīng)微生物發(fā)酵作用生成的一種可燃性混合氣體，其主要成分是甲烷和二氧化碳.沼氣發(fā)酵廣泛存在于自然界中，如湖泊或沼澤中常可以看見有氣泡從污泥中冒出，將這些氣體收集起來便可以點燃.人們利用這一自然規(guī)律進行沼氣發(fā)酵，既可生產(chǎn)沼氣用作能源，又可處理有機廢物以保護環(huán)境，經(jīng)沼氣發(fā)酵后的沼渣、沼液又是優(yōu)質(zhì)的有機肥料.沼氣發(fā)酵是綜合利用有機廢物，保護生態(tài)環(huán)境，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要措施之一.沼氣燃燒后生成的二氧化碳，又可被植物吸收，通過光合作用再生成有機物，因而沼氣又是一種可再生能源[2].

目前，通過實地調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致沼氣池目前推廣不普遍的原因首先是建設(shè)周期長，每家挖坑、壘池、裝料、產(chǎn)氣約一個月時間.其次，沼氣池的產(chǎn)料受環(huán)境溫度的影響很大，普遍情況是在夏季產(chǎn)氣量大,冬季又因為環(huán)境溫度低而產(chǎn)氣不足，導(dǎo)致沼氣不能正常使用.更重要的是很多人不懂沼氣池的維護和保養(yǎng)，往往由于某一個小環(huán)節(jié)處理不當(dāng)，而造成影響產(chǎn)氣、用氣和漏氣等現(xiàn)象，很多人甚至就是在清池時失去了生命.并且傳統(tǒng)沼氣的生產(chǎn)模式經(jīng)濟效益和自動化程度都很低，通過調(diào)查得知，目前農(nóng)戶對沼氣的認識還停留在解決農(nóng)民生活用能(炊煮、照明)等單一方面，在探索沼氣綜合利用方面缺乏系統(tǒng)、科學(xué)的引導(dǎo).其一農(nóng)戶未能正確認識沼氣構(gòu)成能源循環(huán)的經(jīng)濟效益，以蔬菜大棚、雞舍等生態(tài)農(nóng)業(yè)模式帶來的具體經(jīng)濟效益；其二是當(dāng)時在進行沼氣池建設(shè)時并沒有進行“一池三改”(沼氣池、改廚、改廁、改圈)的配套建設(shè)，使沼氣池建成后并沒有達到預(yù)期改善農(nóng)村環(huán)境衛(wèi)生，改善村容村貌、提高農(nóng)村生活質(zhì)量的效果.

考慮目前農(nóng)村沼氣的使用，以及沼氣作為循環(huán)能源在農(nóng)村蔬菜大棚、作物灌溉、牲畜養(yǎng)殖、家庭取暖與做飯及農(nóng)村衛(wèi)生等方面應(yīng)用的廣闊前景，本文選擇沼氣使用過程的控制部分作為設(shè)計內(nèi)容.通過對沼氣生產(chǎn)過程影響因素的分析，提出沼氣生產(chǎn)過程的主要控制參數(shù)為溫度和壓力，選擇西門子LOGO!產(chǎn)品作為主要硬件設(shè)備，實現(xiàn)沼氣生產(chǎn)過程的自動控制.為了解決我國農(nóng)村目前沼氣能源利用效率低、應(yīng)用不合理的問題，以及沼氣在北方冬天因溫度低而影響使用的問題，根據(jù)沼氣使用的實際情況，提出設(shè)計方案，利用LOGO!完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、自動控制和信息顯示等功能，帶動沼氣控制設(shè)備的發(fā)展，從而提高目前沼氣生產(chǎn)和使用效率，為更加廣泛地安全使用沼氣提供保障.

1 控制器特色

(1) 通過引進西門子LOGO！作為控制器進而改進與完善沼氣工程的生產(chǎn)效率，提高沼氣工程的自動控制與檢測水平.

(2) 通過引進西門子LOGO！控制器，提高沼氣系統(tǒng)的自動化水平，從而解決我國北方冬天因其溫度低導(dǎo)致沼氣利用不普遍的問題.

(3) 將西門子LOGO！綜合應(yīng)用于新農(nóng)村的沼氣及與沼氣有著能源循環(huán)的工程之中，對于農(nóng)村的蔬菜、塑料大棚、雞舍等工程生產(chǎn)過程中暴露出的能源利用不充分，能源循環(huán)較為單一問題，通過引進西門子LOGO！使之與沼氣工程構(gòu)成能源循環(huán)，進而提高能源利用效率.

2 功能實現(xiàn)

沼氣池設(shè)備主要構(gòu)成部分及連接關(guān)系如圖1所示.

圖1 沼氣池設(shè)備組成

根據(jù)圖1所示，沼氣發(fā)酵反應(yīng)爐通過管路與進水池、進料池、中和劑池、排泥池、及集氣室相連接，使其各部分機械結(jié)構(gòu)成為一個整體.根據(jù)發(fā)酵反應(yīng)需要，實現(xiàn)發(fā)酵反應(yīng)液體在各部分管路中的定向流動.其中:沼氣發(fā)酵反應(yīng)爐是該反應(yīng)裝置中的核心結(jié)構(gòu)，沼氣發(fā)酵的全部過程將在該爐內(nèi)完成；集氣室收集反應(yīng)生產(chǎn)出來的沼氣；進水池與進料池用來向反應(yīng)爐內(nèi)輸送原材料，保證反應(yīng)正常進行；中和劑添加池則用來向爐內(nèi)添加堿，中和爐內(nèi)酸堿度；排泥池用來接收反應(yīng)爐內(nèi)排除的沼氣發(fā)酵廢棄污泥.

2.1 工作原理

2.1.1 工藝流程

沼氣發(fā)酵是一個復(fù)雜的微生物學(xué)過程，同時也是整個沼氣生產(chǎn)過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié).它是各種有機物在厭氧條件下，被各類沼氣發(fā)酵微生物分解轉(zhuǎn)化，最終生成沼氣的過程.沼氣發(fā)酵工藝是指在厭氧條件下，通過沼氣發(fā)酵微生物的活動，處理有機廢物并制取沼氣的技術(shù)與裝備，也稱厭氧消化工藝.一個完整的沼氣發(fā)酵工程，無論其規(guī)模大小，工藝流程大致包括以下幾個部分：原料(廢水)的收集、預(yù)處理、消化反應(yīng)器(沼氣池)、出料的后處理和沼氣的凈化與儲存等.其具體流程圖如圖2所示[3-4].

圖2 沼氣生產(chǎn)過程工藝流程

2.1.2 控制算法

在常規(guī)控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制[5-6].模擬PID控制系統(tǒng)原理如圖3所示.

圖3 模擬PID控制系統(tǒng)原理

PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與測量值c(t)計算控制偏差：

e(t)=r(t)-c(t).

(1)

(2)

或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式：

(3)

式中:kp為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù).

簡單來說，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：

(1) 比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差.

(2) 積分環(huán)節(jié)：只要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度.積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強.

(3) 微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間.

2.1.3 控制過程描述

針對系統(tǒng)運行過程中各個控制過程的具體實現(xiàn)情況，對沼氣發(fā)酵反應(yīng)的整體控制過程進行簡單描述如下：

(1) 加新料過程：當(dāng)檢測到爐內(nèi)被控參數(shù)值過高或者堿性過強時，由其各自的變送器傳送給控制器，控制器通過內(nèi)部的控制算法分別對其進行運算，將運算結(jié)果通過控制器輸出給執(zhí)行機構(gòu)，通過執(zhí)行機構(gòu)完成向發(fā)酵反應(yīng)爐內(nèi)的填料過程.

(2) 加水過程：當(dāng)檢測到爐內(nèi)被控參數(shù)值過低時，由其各自的變送器傳送給控制器，控制器通過內(nèi)部的控制算法分別對其進行運算，將運算結(jié)果通過控制器輸出給執(zhí)行機構(gòu)，通過執(zhí)行機構(gòu)完成向發(fā)酵反應(yīng)爐內(nèi)的加水過程.

(3) 排泥過程：由于反映爐內(nèi)長期進行沼氣厭氧發(fā)酵反應(yīng)，所以反應(yīng)爐底部沉積下了許多的厭氧發(fā)酵反應(yīng)后的廢棄污泥.這些污泥對厭氧發(fā)酵反應(yīng)的進行沒有任何促進作用，為了保證厭氧發(fā)酵反應(yīng)的順利進行，并且保證反應(yīng)爐內(nèi)的沼氣產(chǎn)量，所以必須定時對底部污泥進行排除.

2.1.4 系統(tǒng)性能要求

沼氣自動控制與監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計建立在具體的沼氣發(fā)酵反應(yīng)設(shè)備基礎(chǔ)上.對該系統(tǒng)的整體性能要求，主要實現(xiàn)以下兩個方面：

(1) 系統(tǒng)穩(wěn)定性.反應(yīng)爐內(nèi)存在的各種化學(xué)變化和物理變化，多數(shù)具有非線性、時滯性等特點，所以沼氣發(fā)酵反應(yīng)系統(tǒng)屬于較慢反應(yīng)系統(tǒng).因此，它所需要的控制系統(tǒng)應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性.

(2) 系統(tǒng)可靠性.由于這些反應(yīng)變化直接關(guān)系著發(fā)酵產(chǎn)生沼氣的速度、產(chǎn)生沼氣的質(zhì)量和產(chǎn)量，所以，要求本次設(shè)計的控制系統(tǒng)對發(fā)酵反應(yīng)時反應(yīng)爐內(nèi)出現(xiàn)的限制情況能夠及時給予控制和改善，因此，它所要求設(shè)計的控制系統(tǒng)還應(yīng)具有較高的可靠性.

2.1.5 控制部分原理

LOGO!控制部分主要工作為：控制反應(yīng)爐中被控參數(shù)趨于設(shè)定值；控制反應(yīng)爐內(nèi)廢棄污泥的定時排出.其控制部分的工作原理敘述如下：

由控制系統(tǒng)工藝流程設(shè)計得出，在檢測裝置檢測階段，LOGO!將要接收到2個模擬量輸入，分別為溫度和壓力.自動控制過程中，主要的輸出包括3個泵1個加熱設(shè)備和報警系統(tǒng).

另外，在LOGO!控制的過程中，還需設(shè)置手動、自動、急停這3個功能按鈕.而在對系統(tǒng)控制中，系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障的情況，所以需要對其設(shè)置報警輸出.

通過對被控系統(tǒng)動作實現(xiàn)部件的具體分析，了解到系統(tǒng)被控系統(tǒng)輸入與輸出點數(shù)的具體要求,如表1所示.

表1 系統(tǒng)輸入輸出點數(shù)

2.2 硬件選型

2.2.1 檢測變送裝置

檢測變送裝置在該系統(tǒng)中用來實現(xiàn)對發(fā)酵反應(yīng)爐內(nèi)發(fā)酵反應(yīng)實際變化情況的檢測工作(主要的檢測參數(shù)包括溫度、壓力).本次設(shè)計要求采用單點測量，其溫度傳感器安裝在發(fā)酵反應(yīng)爐內(nèi)，壓力傳感器安裝在集氣室內(nèi),所以需要傳感器具有較好的耐腐蝕性.變送器能將檢測到的信號，按一定規(guī)律變換成為電信號，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求.由于生產(chǎn)現(xiàn)場的條件惡劣，所以其傳感器和變送器最好是相連接距離較近的，以便保證其信號的穩(wěn)定傳輸[7-8].因此，系統(tǒng)采用的傳感器與變送器的連接結(jié)構(gòu)均采用一體式.

溫度檢測裝置：溫度傳感器最常用的是熱電阻和熱電偶，根據(jù)反應(yīng)爐內(nèi)溫度長時間變化緩慢的特點，所以采用熱電阻溫度傳感器及相應(yīng)的變送器[9].

壓力檢測裝置：根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境特點，在壓力傳感器選擇中，采用工業(yè)級壓力傳感器以及相應(yīng)變送器，具體型號如表2所示.

表2 檢測裝置設(shè)備型號

2.2.2 執(zhí)行設(shè)備

泵是沼氣發(fā)生系統(tǒng)中主要的執(zhí)行設(shè)備之一，對系統(tǒng)中安裝的泵的作用及型號進行具體分析與說明.各個泵實際存在位置及作用見表3.

表3 泵安裝位置

根據(jù)需要輸送物料的具體情況，系統(tǒng)采用適于抽送80 ℃以下帶有纖維或其他懸浮物的液體、供城市工礦企業(yè)排污水糞便之用的PW型離心污水泵，型號為2.5 kW，揚程43 m，流量29 m3/s.將3個泵選擇為同一規(guī)格，其目的是可以實現(xiàn)相互之間的交換，延長泵的使用壽命.

2.2.3 控制設(shè)備

通過分析并考慮設(shè)計需要的輸入量和輸出量的點數(shù)，設(shè)計采用LOGO！基本型，選擇LOGO！ 12/24RC，它集成了8個數(shù)字量輸入(在12/24VDC狀態(tài)下還包括2路AI)和2個數(shù)字量輸出；支持AM2擴展模塊模擬通道輸出4～20 mA信號；新增LOGO! TD(文本顯示屏)提供附加信息顯示；它包含4個光標(biāo)鍵和4個功能鍵，具有密碼保護功能，可保護用戶的專有程序；同時為創(chuàng)建用戶程序提供38個預(yù)組態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)功能塊和特殊功能塊；提供200個程序塊用于創(chuàng)建程序；新的LOGO! 為實時時鐘提供長達2年的備用電池，以及32 kB存儲空間.由于該型號LOGO！本身不具備對模擬量的控制能力，針對系統(tǒng)存在2個模擬輸入，根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)有檢測裝置的輸出均為4～20 mA電流信號，決定選擇該系列中的一個具有模擬量控制模塊LOGO! 12/24RC[10-11].其控制部分硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示.

圖4 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.2.4 控制方案實現(xiàn)

(1) 用戶可通過自動與手動按鈕，實現(xiàn)手動、自動狀態(tài)的切換.

(2) 當(dāng)系統(tǒng)進入自動控制狀態(tài)，將根據(jù)檢測裝置反饋到控制器的信息，利用LOGO!內(nèi)控制算法，控制執(zhí)行機構(gòu)動作，實現(xiàn)反應(yīng)爐內(nèi)沼氣發(fā)酵反應(yīng)正常進行.主要控制系統(tǒng)的溫度和壓力.

(3) 溫度自動控制：考慮到東北地區(qū)實際情況，在冬天影響沼氣發(fā)酵的主要原因是溫度過低，因此，設(shè)計采用PI算法控制電加熱棒輸出，使系統(tǒng)溫度恒定在35 ℃.

(4) 壓力控制：考慮到用戶安全和沼氣使用時的穩(wěn)定供應(yīng)情況，設(shè)計采用集氣室內(nèi)壓力控制，當(dāng)壓力高于12 kPa時，啟動泵1向反應(yīng)爐內(nèi)加水稀釋并降溫減小反應(yīng)速率，當(dāng)壓力減小到8 kPa時關(guān)閉泵1.一旦壓力超過15 kPa時開始報警，可以人工減壓以防安全隱患.當(dāng)壓力不足8 kPa時，啟動泵2向反應(yīng)爐內(nèi)加反應(yīng)物料增加反應(yīng)物濃度和溫度使反應(yīng)速率加快，當(dāng)壓力增加到12 kPa時關(guān)閉泵2.一旦壓力10 min內(nèi)持續(xù)低于8 kPa時開始報警，人工檢查物料池內(nèi)是否沒有物料或漏氣等故障.

(5) 當(dāng)發(fā)酵反應(yīng)發(fā)生一段時間后，反應(yīng)爐內(nèi)會沉積一些發(fā)酵反應(yīng)剩下的廢棄污泥，需要通過排泥系統(tǒng)將這些污泥定時排除，保持反應(yīng)爐內(nèi)反應(yīng)正常進行.排泥開始時，泵3開始工作.用戶還可以通過LOGO!上的顯示屏看到壓力﹑溫度的實時信息，為用戶相應(yīng)的決策提供必要參考. 完整設(shè)計程序框圖如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)程序設(shè)計框圖

3 結(jié) 論

中國經(jīng)濟發(fā)展，必須重點考慮農(nóng)村的發(fā)展，特別是近年來新農(nóng)村建設(shè)方面.通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)沼氣在農(nóng)村應(yīng)用的瓶頸問題，通過把西門子LOGO!產(chǎn)品與沼氣裝置結(jié)合，實現(xiàn)沼氣裝置自動化程度和可靠性的提高，進一步推廣沼氣在農(nóng)村中的使用，最終目的是希望把沼氣應(yīng)用于農(nóng)村的溫室大棚﹑養(yǎng)殖業(yè)﹑生活供暖等方面，由自動化系統(tǒng)控制沼氣的循環(huán)利用，提高農(nóng)村使用沼氣的自動化水平，為農(nóng)民帶來實惠.

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Applications of Siemens LOGO in the New Rural Construction

GUAN Chang-liang1， WANG Gui-cheng1， WANG Huan-dong2， ZHANG Xi1， NIE Feng-bin1

(1.Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142， China；2.Shandong Xinhua Medical Instrument Co.,Ltd， Zibo 255086， China)

The system make use of biogas and energy cycle to build some projects,such as rural vegetable greenhouses,livestock production and so on,as the main research objectives,and analyzed the main factors which affected biogas production process.It proposed to choice temperature and pressure as the main control parameters for biogas production process,via PC which is the upper computer and LOGO! which is the lower one built automatic control and monitoring system,and use PI control algorithm.While Siemens LOGO! as the major hardware design the hardware scheme,which realize data acquisition and actuator action to automatic control for biogas production process,and improve biogas production and efficiency currently,thus it promotes application associated with biogas project,to solve currently energy low efficiency and irrational use in rural,and ultimately to promote the application level of biogas in rural,further to improve their living quality,and accelerate the pace of new rural construction.

biogas; energy cycle; automatic control; siemens LOGO!; new countryside construction

2013-10-10

關(guān)長亮(1988-)，男(滿族)，遼寧丹東人，碩士研究生在讀，碩士，主要從事計算機控制系統(tǒng)集成方面的研究.

王貴成(1972-)，男，遼寧撫順人，副教授，博士，主要從事復(fù)雜過程建模與控制方面的研究.

2095-2198(2015)01-0069-06

10.3969/j.issn.2095-2198.2015.01.015

X851

A