李翠芹

摘 要：在目前農(nóng)村環(huán)境污染中，大型養(yǎng)殖場所排放畜禽糞便為主要來源之一。石油等不可再生資源在環(huán)境污染加劇過程中越來越緊張，沼氣發(fā)酵為新型保護環(huán)境、變廢為寶的有效方法，備受國內(nèi)外的重視。在沼氣生產(chǎn)的過程中，如何使產(chǎn)氣率得到提高，是對沼氣工程檢測的主要標準。為了使發(fā)酵工藝參數(shù)能精準控制，文章就對虛擬儀器在沼氣發(fā)酵環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計過程中的使用進行了分析。

關鍵詞：虛擬儀器;沼氣發(fā)酵;環(huán)境監(jiān)控

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：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)展的過程中，被廣泛應用到測控領域中。為了對沼氣發(fā)酵過程工藝參數(shù)監(jiān)控進行改進，與儀器技術、傳感器技術、計算機技術等實現(xiàn)虛擬儀器的創(chuàng)建，設計虛擬沼氣發(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)總體設計

1.1 工藝流程

前處理為沼氣發(fā)酵環(huán)境監(jiān)控過程中首要工序，在配料罐中放入畜禽糞便，之后通過酸化罐調(diào)節(jié)料液pH值水解發(fā)酵。通過緩沖罐產(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)總體設計工藝流程圖。

1.2 設置參數(shù)

在沼氣發(fā)酵的過程中對厭氧消化細菌進行培養(yǎng)，為細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。微生物對生命活動具有較高的要求，在特定條件下對發(fā)酵過程正常的運行進行控制，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)的硬件設計

2.1 PC機設計

PC機使用工控機設計，通過抗干擾措施，使系統(tǒng)能夠可靠的運行。通過雙單片機結構設計數(shù)據(jù)采集卡結構，主要包括信號處理接口、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，以此實現(xiàn)USB總線供電。在采集卡系統(tǒng)設計時，通過單片機內(nèi)部實現(xiàn)大部分外設的集成，利用軟件配置I/O口交叉開關使USB采集卡擴展電路得到實現(xiàn)[3]。

2.2 測控參數(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)氣量具有密切關系，并且會影響到系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全性。對發(fā)酵系統(tǒng)壓力觀察，控制發(fā)酵系統(tǒng)壓力為8 kPa左右。在進出料的過程中對壓力表變化密切關注，如果在進料時壓力比較大，氣壓超過12 kPa的時候要將導氣管打開放氣，并且使進料速度減緩。在出料的時候假如壓力表存在負壓，那么就要停止用氣，在恢復正常之后才能夠用氣。

在中性條件下實現(xiàn)沼氣發(fā)酵，不同于乳酸發(fā)酵，pH值降低就會終止沼氣發(fā)酵，pH值改變會受到發(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，不在此值范圍都會抑制產(chǎn)氣。pH值在5.5以下會抑制產(chǎn)甲烷菌。pH值上升到8或者8.5的時候，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)酵過程中，溫度會對產(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)設計過程中使用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。溫度傳感器測量范圍為-200～420℃，保護管材料使用Cr1Ni18Ti9，熱響應時間小于等于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。在實際使用過程中，以具體使用需求進行選擇。本文在設計過程中使用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，對液位傳感器要合理選擇，要對實際使用的環(huán)境進行分析。一般使用的測量罐內(nèi)液位具備體積信息，無法掌握液位信息。在選擇液位傳感器過程中，要對此流程特定需求進行全面掌握。液位測量指的是觸點液位和連續(xù)液位，本文根據(jù)系統(tǒng)實際需求，使用UQZ-71LX型浮球觸點式液位變送器，其方便安裝，而且結構比較簡單，主要特點為耐腐蝕、防爆等。

3 系統(tǒng)的軟件設計

3.1 恒溫控制模塊

因為冬天寒冷，沼氣發(fā)酵最佳溫度需求無法得到滿足。為了解決此問題，采取恒溫發(fā)酵模塊的設計。利用地熱或者太陽能方式進行供熱，這兩種供熱模式都能夠在發(fā)酵罐中實現(xiàn)熱水器供熱，通過發(fā)酵罐外圍保溫管道系統(tǒng)使其能夠恒溫。為了更好使用地熱能與太陽能，系統(tǒng)使用比例積分微分（PID）控制與模糊控制實現(xiàn)系統(tǒng)恒溫控制。假如遇到陰雨雪天氣，太陽能方式無法充足供熱，比發(fā)酵罐溫度要低。所以，系統(tǒng)設計在太陽能供熱系統(tǒng)溫度高于發(fā)酵罐溫度的時候，才能夠開啟太陽能供熱[6]。

在設計本系統(tǒng)的過程中，通過PID算法在發(fā)酵罐溫度低時，恒溫供水系統(tǒng)使用雙路供熱，系統(tǒng)溫度和設定值比較接近，發(fā)酵罐溫度在4℃以下時將太陽能供熱閥門進行關閉，避免超調(diào)問題的出現(xiàn);之后利用系統(tǒng)PID輸出值對變頻器頻率進行控制，實現(xiàn)恒溫控制。圖2為模糊PID控制原理。

在系統(tǒng)運行過程中，首先將模糊規(guī)則打開進入到循環(huán)中，循環(huán)PC為現(xiàn)場測定值，SV為恒定溫度。先實現(xiàn)程序差值，之后實現(xiàn)數(shù)據(jù)的設置，在模糊控制中實現(xiàn)量化數(shù)據(jù)的設置，并且對循環(huán)運行條件進行設置。設置不同PID參數(shù)對應太陽能水泵開關，用戶修改PID參數(shù)，利用PID運算輸出模擬電壓，通過數(shù)據(jù)采集卡對變頻器頻率進行控制，通過地熱泵對發(fā)酵罐保溫層流量進行控制[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)控報警模塊

用戶要能夠正確操作，才能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定運行，并且實現(xiàn)監(jiān)控報警模塊的設計，主要內(nèi)容包括數(shù)據(jù)監(jiān)控與視頻監(jiān)控的報警。用戶通過數(shù)據(jù)監(jiān)控報警能夠良好的進行判斷，使其成為監(jiān)控系統(tǒng)預警報警機制，此模塊能夠為傳感器對數(shù)據(jù)的收集提供報警機制，用戶通過上下限的設計對報警是否開啟進行確定，監(jiān)控重要閥門，對閥門開關情況進行檢測。在開啟視頻監(jiān)控的過程中，點擊面板中的主面板視頻監(jiān)控按鈕，打開視頻監(jiān)控程序，彈出攝像頭選擇表，利用實際需求對用戶攝像頭實時監(jiān)控進行選擇，對退出程序點擊后就停機視頻監(jiān)控[8]。如圖3所示為報警流程。

4 結語

本文設計了將虛擬儀器作為基礎的沼氣發(fā)酵環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，利用傳感器收集環(huán)境參數(shù)，通過基于模糊控制方法對數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)系統(tǒng)的反饋。

通過計算機對已設置的參數(shù)時間處理，利用控制算法能夠得出反饋結果;對執(zhí)行電機、繼電器與電子閥等傳輸控制，使沼氣池工藝參數(shù)精準性得到提高，從而進一步的提高發(fā)酵效率。

參考文獻

[1]張 鋒. 基于LabVIEW的孵化環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 工業(yè)控制計算機，2019，32（10）：50-51+53.

[2]劉 方. 基于虛擬儀器的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究與設計[J].自動化技術與應用，2019，38（09）：124-128.

[3]王 艷，陳惠英，喬記平，等. 基于LabVIEW的生豬養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]. 黑龍江畜牧獸醫(yī)，2020（09）： 64-67+168-169.

[4]龔燕飛，聶宏林. 基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術的農(nóng)業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 電子設計工程，2016，24（13）：52-54+58.

[5]邊海關. 基于LabVIEW的小型無人機地面監(jiān)控系統(tǒng)設計與應用[J]. 電子測試，2019（23）：86-87.

[6]鄭忠斌，孫繁榮. 大數(shù)據(jù)處理技術在智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J]. 粘接，2020，41（03）：103-106.

[7]楊 鵬，程 凱，陳 禹. 粘接技術在電動器具管理系統(tǒng)中的應用研究[J]. 粘接，2019，40（11）：38-42.

[8]潘磊磊，張桂青，田崇翼，等. 基于NB-IOT的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]. 電子設計工程，2019，27（01）：25-30+36.