鄭勇+焦靜+王金麗+張勁+黃正明

在的問題，重點(diǎn)分析沼氣工程增溫裝置物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)包括增溫裝置、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、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(yīng)器增溫模塊、儲熱水箱等4大模塊組成的多能互補(bǔ)型水循環(huán)增溫裝置，采用中溫轉(zhuǎn)筒倉式干發(fā)酵方式和因特網(wǎng)P2P云通訊方式，對系統(tǒng)方案進(jìn)行了總體設(shè)計。

關(guān)鍵詞 增溫裝置 ；物聯(lián)網(wǎng) ；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(dāng)今地球面臨的三大問題，隨著人口的膨脹和經(jīng)濟(jì)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(nóng)村沼氣工程作為一項(xiàng)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(xiàn)，給中國農(nóng)村百姓生活帶來巨大改變。“十二五”以來，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(jìn)行工作部署，黨中央、國務(wù)院高度重視農(nóng)村沼氣建設(shè)，出臺了系列的關(guān)于發(fā)展農(nóng)村沼氣的法規(guī)政策，包括《中共中央國務(wù)院關(guān)于做好農(nóng)業(yè)和農(nóng)村工作的意見》《中共中央國務(wù)院關(guān)于推進(jìn)社會主義新農(nóng)村建設(shè)的若干意見》《中華人民共和國節(jié)約能源法》《全國農(nóng)村沼氣工程建設(shè)規(guī)劃（2006-2010年）》《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》《農(nóng)村沼氣建設(shè)國債項(xiàng)目管理辦法》《農(nóng)村小型公益設(shè)施建設(shè)補(bǔ)助資金管理試點(diǎn)辦法》等。中國沼氣工程建設(shè)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)模化沼氣工程和多個特大型沼氣工程（規(guī)模在10 000 m2以上），將有10萬多處農(nóng)村沼氣工程鄉(xiāng)村服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)，覆蓋全國沼氣用戶70 %以上[1]。

農(nóng)村沼氣工程得到了迅速發(fā)展，隨著該項(xiàng)工程的繼續(xù)深入，沼氣產(chǎn)能與安全管理將成為沼氣工程推廣應(yīng)用中的突出問題。目前，沼氣工程系統(tǒng)主要靠人工操作，機(jī)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(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、PLC、云觸摸屏、APP等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息技術(shù)，利用空氣能和太陽能清潔能源，研究增溫裝置物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)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(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)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(guān)鍵因素，研究廉價實(shí)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(chǎn)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(xué)者關(guān)注的問題。學(xué)者們立足廉價、實(shí)用和清潔的能源角度，研究了將系統(tǒng)管道買入地下進(jìn)行保溫和使用化學(xué)藥劑聚苯乙烯和聚氨酷等材料強(qiáng)化保溫，采用減少系統(tǒng)水含量的方式降低系統(tǒng)運(yùn)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(zhì)熱水鍋爐、空氣能熱泵或沼氣燃燒等單種方式和復(fù)合方式進(jìn)行增溫[5-8]，從增溫的經(jīng)濟(jì)效益和能源的利用率上考評，結(jié)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(shí)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(jìn)行熱能的產(chǎn)生，以消耗最少的能源產(chǎn)生恒溫、大水量、高水壓的一種熱水器。分別經(jīng)過大功率燃?xì)?、大功率電熱水器、太陽能熱水器、空氣能熱?代的發(fā)展，運(yùn)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(chǎn)生熱量，且壽命長，不生產(chǎn)有毒有害氣體?？諝饽軣岜檬且豁?xiàng)開發(fā)和應(yīng)用潛力比較強(qiáng)大的技術(shù)，新型復(fù)合型增溫方式成為系統(tǒng)增溫方面研究的熱點(diǎn)和趨勢。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)沼氣工程發(fā)展與研究現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，能為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)集約、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全提高技術(shù)支撐和重要保障[15]。物聯(lián)網(wǎng)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(jìn)行光溫水肥氣的動態(tài)監(jiān)測，采用傳感器節(jié)點(diǎn)建立物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，具有實(shí)時監(jiān)測功能、遠(yuǎn)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(shù)據(jù)監(jiān)測與控制系統(tǒng)主要包括工業(yè)控制、單片機(jī)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(wǎng)沼氣工程系統(tǒng)由傳感層、傳輸層和應(yīng)用層3部分組成，系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)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(shè)備[19]，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)農(nóng)村沼氣監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[20]等。在物聯(lián)網(wǎng)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(yīng)用需要進(jìn)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(shù)在國內(nèi)外得到了快速發(fā)展和應(yīng)用，隨著系統(tǒng)控制的難度、復(fù)雜性、參數(shù)的增加，學(xué)者們研究了反饋控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用，形成了一系列先進(jìn)的控制方法和理論，研發(fā)了先進(jìn)的配套設(shè)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(jìn)的控制理論方法值得借鑒和學(xué)習(xí)。在國外，先進(jìn)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(jìn)料速率[23]，神經(jīng)模糊控制甲烷產(chǎn)氣率[24]，多模型估計智能遠(yuǎn)程控制[25]等。在國內(nèi)，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(qiáng)度較大，且運(yùn)行的成本比較高。國內(nèi)學(xué)者圍繞控制理論和應(yīng)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(yuǎn)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(shù)的發(fā)展與成熟應(yīng)用，沼氣工程系統(tǒng)控制發(fā)展將向多參數(shù)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)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(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)集成與應(yīng)用，提高沼氣工程質(zhì)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(wǎng)控制系統(tǒng)方案設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)增溫裝置，是充分利用太陽能、空氣低溫?zé)崮?，使沼氣干發(fā)酵系統(tǒng)溫度保持在中溫發(fā)酵范圍內(nèi)，保持沼氣系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用在盡可能低的水平?？刂颇K由智能終端、云服務(wù)器、上位機(jī)、云觸摸屏、下位機(jī)、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(wǎng)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(guān)、水流開關(guān)等開關(guān)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(shè)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(jī)，云觸摸屏為上位機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)。下位機(jī)與上位機(jī)的通信采用性能可靠的傳統(tǒng)RS485通訊方式，采用因特網(wǎng)P2P云通訊方式，進(jìn)行現(xiàn)場信號自動采集與處理，以及遠(yuǎn)程云控制與分析，實(shí)現(xiàn)增溫裝置控制系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)化，控制系統(tǒng)總體方案如圖2。

3 結(jié)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(chǎn)生過程中使用的工藝方法和設(shè)備系統(tǒng)組建關(guān)鍵技術(shù)的需求，重點(diǎn)研究多功能互補(bǔ)性沼氣干發(fā)酵反應(yīng)器增溫裝置物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)計，該設(shè)計在沼氣工程中的現(xiàn)實(shí)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(chǎn)氣率和產(chǎn)氣量。溫度是影響產(chǎn)氣率和產(chǎn)氣量的關(guān)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(nóng)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(chǎn)氣率和產(chǎn)氣量。

（2）“物聯(lián)網(wǎng)+PLC”控制模式和關(guān)鍵技術(shù)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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)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(jìn)行連接，可以進(jìn)行開關(guān)量邏輯控制、定時計數(shù)控制、模擬量控制、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)字通訊控制等，同時通過物聯(lián)網(wǎng)多傳感器和網(wǎng)絡(luò)云平臺的搭建，進(jìn)行沼氣工程系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

（3）云觸摸屏和APP關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可視與準(zhǔn)確控制，推動系統(tǒng)運(yùn)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(jī)界面，具有功能齊全、操作簡單、可視化控制等特點(diǎn)，為物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)和云平臺，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(jìn)行故障自動診斷，避免人為的誤操作，對系統(tǒng)管控的地點(diǎn)較為靈活，有網(wǎng)絡(luò)通訊支持的地方，均可以通過智能終端實(shí)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(jìn)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(yīng)器增溫模塊、儲熱水箱等4大模塊組成的多能互補(bǔ)型水循環(huán)增溫裝置，能夠?yàn)檎託獍l(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(yùn)行。

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