關長亮， 王貴成， 王煥東， 張 曦， 聶俸斌

(1.沈陽化工大學 信息工程學院， 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在新農村建設的應用

關長亮1， 王貴成1， 王煥東2， 張 曦1， 聶俸斌1

(1.沈陽化工大學 信息工程學院， 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)構建農村蔬菜大棚、牲畜養(yǎng)殖等工程為主要研究對象，對影響沼氣生產過程的主要因素進行分析，提出以溫度、壓力作為沼氣生產過程的主要控制參數，通過PC上位機和LOGO!下位機構成的自動控制與監(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備，設計硬件結構，完成數據采集、執(zhí)行機構動作，從而實現沼氣生產過程的自動控制，提高目前沼氣的生產及使用效率，帶動與沼氣相關聯(lián)工程的應用，解決我國農村目前能源利用效率低、應用不合理的問題，最終實現推進沼氣在農村的應用水平，提高農民生活質量，加快新農村建設步伐.

沼氣; 能源循環(huán); 自動控制; 西門子LOGO!; 新農村建設

由于長期依靠勞動密集型的工業(yè)產業(yè)來推動GDP增長，導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注.沼氣在應用過程中能有效治理污染，保護生態(tài)環(huán)境；生產過程有利于殺滅流行性的有害微生物，保護人畜健康.將沼氣用于農村后，可提高農民生活質量，促進社會主義新農村建設.沼氣技術是實現變廢為寶的高效轉換技術.在農村大力推廣沼氣具有顯著的綜合收益：能夠解決農村能源供應不足問題，提供農戶生活所需能源；減少人畜糞便和生活污水造成的農業(yè)資源污染，有效改善農村環(huán)境衛(wèi)生狀況，減低室內空氣污染，提高農民生活質量和健康水平;沼氣也可發(fā)電用做農機動力，中型沼氣工程生產的沼氣可用來發(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)農業(yè)建設，可推動農民生活質量和健康水平的發(fā)展，促進農業(yè)增效和增收，具有顯著的能源、經濟、環(huán)境和社會意義[1].

沼氣是有機物在厭氧條件下經微生物發(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?？梢钥匆娪袣馀輳奈勰嘀忻俺?，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，既可生產沼氣用作能源，又可處理有機廢物以保護環(huán)境，經沼氣發(fā)酵后的沼渣、沼液又是優(yōu)質的有機肥料.沼氣發(fā)酵是綜合利用有機廢物，保護生態(tài)環(huán)境，促進農業(yè)生產可持續(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，通過實地調查分析，發(fā)現導致沼氣池目前推廣不普遍的原因首先是建設周期長，每家挖坑、壘池、裝料、產氣約一個月時間.其次，沼氣池的產料受環(huán)境溫度的影響很大，普遍情況是在夏季產氣量大,冬季又因為環(huán)境溫度低而產氣不足，導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，而造成影響產氣、用氣和漏氣等現象，很多人甚至就是在清池時失去了生命.并且傳統(tǒng)沼氣的生產模式經濟效益和自動化程度都很低，通過調查得知，目前農戶對沼氣的認識還停留在解決農民生活用能(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)、科學的引導.其一農戶未能正確認識沼氣構成能源循環(huán)的經濟效益，以蔬菜大棚、雞舍等生態(tài)農業(yè)模式帶來的具體經濟效益；其二是當時在進行沼氣池建設時并沒有進行“一池三改”(沼氣池、改廚、改廁、改圈)的配套建設，使沼氣池建成后并沒有達到預期改善農村環(huán)境衛(wèi)生，改善村容村貌、提高農村生活質量的效果.

考慮目前農村沼氣的使用，以及沼氣作為循環(huán)能源在農村蔬菜大棚、作物灌溉、牲畜養(yǎng)殖、家庭取暖與做飯及農村衛(wèi)生等方面應用的廣闊前景，本文選擇沼氣使用過程的控制部分作為設計內容.通過對沼氣生產過程影響因素的分析，提出沼氣生產過程的主要控制參數為溫度和壓力，選擇西門子LOGO!產品作為主要硬件設備，實現沼氣生產過程的自動控制.為了解決我國農村目前沼氣能源利用效率低、應用不合理的問題，以及沼氣在北方冬天因溫度低而影響使用的問題，根據沼氣使用的實際情況，提出設計方案，利用LOGO!完成現場數據采集、自動控制和信息顯示等功能，帶動沼氣控制設備的發(fā)展，從而提高目前沼氣生產和使用效率，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致沼氣利用不普遍的問題.

(3) 將西門子LOGO！綜合應用于新農村的沼氣及與沼氣有著能源循環(huán)的工程之中，對于農村的蔬菜、塑料大棚、雞舍等工程生產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！使之與沼氣工程構成能源循環(huán)，進而提高能源利用效率.

2 功能實現

沼氣池設備主要構成部分及連接關系如圖1所示.

圖1 沼氣池設備組成

根據圖1所示，沼氣發(fā)酵反應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，使其各部分機械結構成為一個整體.根據發(fā)酵反應需要，實現發(fā)酵反應液體在各部分管路中的定向流動.其中:沼氣發(fā)酵反應爐是該反應裝置中的核心結構，沼氣發(fā)酵的全部過程將在該爐內完成；集氣室收集反應生產出來的沼氣；進水池與進料池用來向反應爐內輸送原材料，保證反應正常進行；中和劑添加池則用來向爐內添加堿，中和爐內酸堿度；排泥池用來接收反應爐內排除的沼氣發(fā)酵廢棄污泥.

2.1 工作原理

2.1.1 工藝流程

沼氣發(fā)酵是一個復雜的微生物學過程，同時也是整個沼氣生產過程中至關重要的環(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、預處理、消化反應器(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)

或寫成傳遞函數的形式：

(3)

式中:kp為比例系數；TI為積分時間常數；TD為微分時間常數.

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)，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，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情況，對沼氣發(fā)酵反應的整體控制過程進行簡單描述如下：

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

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

(3) 排泥過程：由于反映爐內長期進行沼氣厭氧發(fā)酵反應，所以反應爐底部沉積下了許多的厭氧發(fā)酵反應后的廢棄污泥.這些污泥對厭氧發(fā)酵反應的進行沒有任何促進作用，為了保證厭氧發(fā)酵反應的順利進行，并且保證反應爐內的沼氣產量，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)設計建立在具體的沼氣發(fā)酵反應設備基礎上.對該系統(tǒng)的整體性能要求，主要實現以下兩個方面：

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

(2) 系統(tǒng)可靠性.由于這些反應變化直接關系著發(fā)酵產生沼氣的速度、產生沼氣的質量和產量，所以，要求本次設計的控制系統(tǒng)對發(fā)酵反應時反應爐內出現的限制情況能夠及時給予控制和改善，因此，它所要求設計的控制系統(tǒng)還應具有較高的可靠性.

2.1.5 控制部分原理

LOGO!控制部分主要工作為：控制反應爐中被控參數趨于設定值；控制反應爐內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個加熱設備和報警系統(tǒng).

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

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

表1 系統(tǒng)輸入輸出點數

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)中用來實現對發(fā)酵反應爐內發(fā)酵反應實際變化情況的檢測工作(主要的檢測參數包括溫度、壓力).本次設計要求采用單點測量，其溫度傳感器安裝在發(fā)酵反應爐內，壓力傳感器安裝在集氣室內,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.由于生產現場的條件惡劣，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構均采用一體式.

溫度檢測裝置：溫度傳感器最常用的是熱電阻和熱電偶，根據反應爐內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的變送器[9].

壓力檢測裝置：根據系統(tǒng)的應用環(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變送器，具體型號如表2所示.

表2 檢測裝置設備型號

2.2.2 執(zhí)行設備

泵是沼氣發(fā)生系統(tǒng)中主要的執(zhí)行設備之一，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，其目的是可以實現相互之間的交換，延長泵的使用壽命.

2.2.3 控制設備

通過分析并考慮設計需要的輸入量和輸出量的點數，設計采用LOGO！基本型，選擇LOGO！ 12/24RC，它集成了8個數字量輸入(在12/24VDC狀態(tài)下還包括2路AI)和2個數字量輸出；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個預組態(tài)的標準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，根據系統(tǒng)現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].其控制部分硬件結構框圖如圖4所示.

圖4 控制系統(tǒng)硬件結構

2.2.4 控制方案實現

(1) 用戶可通過自動與手動按鈕，實現手動、自動狀態(tài)的切換.

(2) 當系統(tǒng)進入自動控制狀態(tài)，將根據檢測裝置反饋到控制器的信息，利用LOGO!內控制算法，控制執(zhí)行機構動作，實現反應爐內沼氣發(fā)酵反應正常進行.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)定供應情況，設計采用集氣室內壓力控制，當壓力高于12 kPa時，啟動泵1向反應爐內加水稀釋并降溫減小反應速率，當壓力減小到8 kPa時關閉泵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.當壓力不足8 kPa時，啟動泵2向反應爐內加反應物料增加反應物濃度和溫度使反應速率加快，當壓力增加到12 kPa時關閉泵2.一旦壓力10 min內持續(xù)低于8 kPa時開始報警，人工檢查物料池內是否沒有物料或漏氣等故障.

(5) 當發(fā)酵反應發(fā)生一段時間后，反應爐內會沉積一些發(fā)酵反應剩下的廢棄污泥，需要通過排泥系統(tǒng)將這些污泥定時排除，保持反應爐內反應正常進行.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，為用戶相應的決策提供必要參考. 完整設計程序框圖如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)程序設計框圖

3 結 論

中國經濟發(fā)展，必須重點考慮農村的發(fā)展，特別是近年來新農村建設方面.通過調查發(fā)現沼氣在農村應用的瓶頸問題，通過把西門子LOGO!產品與沼氣裝置結合，實現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村中的使用，最終目的是希望把沼氣應用于農村的溫室大棚﹑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，提高農村使用沼氣的自動化水平，為農民帶來實惠.

[1] 林聰，王久臣，周長吉.沼氣技術理論與工程[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007：8-9.

[2] 周孟津，張榕林，藺金印.沼氣實用技術[M].北京：化學工業(yè)出版社,2004：6-10.

[3] Isci A，Demirer G N．Biogas Production Potential from Cotton Wastes[J]．Renewable Energy，2007,32(5)：750-757.

[4] 宋洪川,謝建，董錦艷．農村沼氣實用技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007：7-10.

[5] 陶永華，尹怡欣，葛蘆生.新型PID控制及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999：137-147.

[6] 劉金琨．先進PID控制MATLAB仿真[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2004：247-258.

[7] 吉銘．西門子S7-300 在沼氣發(fā)電控制系統(tǒng)中的應用[J]．黑龍江科技信息， 2012，23(3):83.

[8] 羅向東，李北城，張麗芳，等．沼氣發(fā)電工程中的自動控制[J]．中國新技術產品，2009(22):125-126.

[9] 田艷兵.具有PID 自整定功能的溫度控制系統(tǒng)的設計[J].自動化技術與應用，2006，25(7)：33-34.

[10]Graune Vwe,Thielert Mike,Wenzl Ludwig.LOGO! 控制器實訓教程[M].張予義，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2010：5-10.

[11]西門子.LOGO！使用手冊[M].3版.北京：西門子，2012：8-12.

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

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