北方民族大學電氣信息工程學院 劉 洋 牛小燕

P L C在沼氣發(fā)電控制系統(tǒng)中的應用

北方民族大學電氣信息工程學院 劉 洋 牛小燕

隨著國家科技的不斷發(fā)展，煤、石油、天然氣等一些不可再生能源在不斷地耗竭，可再生能源的利用率在不斷地提升。而沼氣發(fā)電作為國家的新興產(chǎn)業(yè)，也在不斷的發(fā)展。本文通過自動化技術，實現(xiàn)沼氣高效率生產(chǎn)、規(guī)模化利用、發(fā)酵底物產(chǎn)業(yè)化、燃燒廢熱環(huán)?；?。該系統(tǒng)主要利用PROFIBUS現(xiàn)場總線來完成PLC與整套設備及I/O之間的通訊，利用MPI總線和上位機之間連接，另外系統(tǒng)設置多重措施，實現(xiàn)早預警早報警，保證系統(tǒng)安全有效生產(chǎn)。

沼氣發(fā)電；PLC；PROFIBUS

0.引言

當今社會能源問題是各國都要解決的重大問題，傳統(tǒng)的能源像煤，石油，天然氣等都是化石能源，是一種不可再生資源，預計在幾十年之后僅僅依靠有限的化石能源難以解決國家持續(xù)發(fā)展的問題。沼氣是一種可再生清潔能源，主要成分為甲烷，經(jīng)過提純后沼氣中甲烷濃度可達到天然氣水平，這樣的沼氣稱為人造天然氣。而沼氣發(fā)電技術可以有效的將一些動物糞便及一系列廢棄的有機物轉化為清潔能源，充分實現(xiàn)能源循環(huán)再利用的環(huán)保理念。本系統(tǒng)設計了一套從廢料進廠到沼氣的生成，沼渣沼液的處理，熱電聯(lián)用的控制方案，它可以完成整套系統(tǒng)的自動控制和監(jiān)測，大大減輕了人力物力，同時也提高了運行效率。

1.系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)工藝流程

整個系統(tǒng)的工藝流程大致分為原料進廠、沼氣的生成、沼氣進化、沼氣發(fā)電等幾個部分，圖1為整個系統(tǒng)的工藝流程圖。大致過程如下：首先將一些動物糞便及一些廢棄的有機物充分混合后放入?yún)捬醢l(fā)酵池內，然后讓發(fā)酵池處于隔絕氧氣，溫度保持在53°左右的環(huán)境中，因為該溫度是細菌群生長的最優(yōu)條件，發(fā)酵之后剩余的沼渣沼液送到固液分離裝置，被分離之后的東西可用做有機肥灌溉與農(nóng)田。

圖1 發(fā)電系統(tǒng)工藝流程圖

1.2 系統(tǒng)控制功能

整個系統(tǒng)運行主要由原料進廠、厭氧發(fā)酵、固液分離、沼氣凈化、熱電聯(lián)用、五個控制線路組成，各個控制控制線路描述如下：

（1）原料進廠

原料進廠整個線路全部是自動化裝置，使用PLC對原料進入開始、正常運行、停機、進料速度和水注入速度等進行控制。

（2）厭氧發(fā)酵

這一步主要用于沼氣的生成，通過使用可編程控制器對發(fā)酵罐內的溫度、PH、壓力等進行控制，以達到生成沼氣的條件。

（3）固液分離

固液分離主要由螺旋壓力分離機來對其進行操作，必須確保固液分離時螺旋壓力分離機運行時足夠的壓力。

（4）沼氣凈化

沼氣凈化主要是對生成的沼氣進行脫水脫離處理，以防止堵塞輸氣管道和腐蝕管道。

（5）熱電聯(lián)用

采用冷熱電三聯(lián)供沼氣發(fā)電機組進行場內供電，同時采用內燃機排放的高溫煙氣及缸套內熱水直接驅動煙氣直燃型機組，為場區(qū)提供冬季供熱，夏季供熱以及日常生活用水。

2.控制系統(tǒng)的設計

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)結構與配置

按照整個系統(tǒng)工藝流程的結構和特點以及控制要求，設計了沼氣發(fā)電整個體系的在線監(jiān)控系統(tǒng)。設置為手動和自動兩種控制方式，手動即在現(xiàn)場設置手動控制箱以便后期的維護，自動即在上位機監(jiān)測，該系統(tǒng)上位機采用組態(tài)王6.55，下位機選用西門子S7-300PLC,根據(jù)系統(tǒng)工藝布置，全場共設置一個主控室和兩個遠程站，PLC與上位機采用MPI通訊方式并通過PROFIBUS總線與ET200擴展模塊進行通訊。整個系統(tǒng)控制結構圖如圖2.

圖2 系統(tǒng)控制結構圖

2.2 下位機系統(tǒng)結構設計

下位機選用西門子S7-300PLC為主機，該系統(tǒng)集成24個I/O總共40個數(shù)字量輸入輸出點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量輸入輸出點，系統(tǒng)通過PROFIBUS總線與兩個ET200模塊進行連接，ET200作為遠程的信號輸入輸出從站，接收系統(tǒng)從現(xiàn)場采集到的溫度、壓力、PH值等數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到CPU，CPU通過運算處理之后發(fā)出命令，然后在通過ET200從站將指令下發(fā)至各個調節(jié)閥。

下位機監(jiān)控流程圖如圖3所示，當下位機標志位檢測置位時，表示采集到的數(shù)據(jù)有效，讀取得到的PLC中各點監(jiān)測數(shù)據(jù)是有效的。利用監(jiān)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)流程動態(tài)監(jiān)測、形成了監(jiān)測數(shù)據(jù)報表，為了增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，設置了手自動切換界面，手/自動切換流程圖如圖3所示。

圖3 下位機監(jiān)控流程圖

3.結束語

本系統(tǒng)設計了一套中大型自動化沼氣產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以PLC為控制核心，各個生產(chǎn)步驟高度電氣化，將較為先進的自動控制理論用于實際生產(chǎn)，為未來沼氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供一個較未完整的模型。據(jù)了解我國目前正在著重推進厭氧消化裝置總體容量1000立方米以上中大型沼氣工程試點項目的開展，這就意味著未來大型沼氣項目將在祖國各個地區(qū)都有大規(guī)模應用，由此看來本系統(tǒng)在未來使用空間很大前景十分可觀。

[1]李偉,吳樹彪,Hamidou Bah,龐昌樂,董仁杰.沼氣工程高效穩(wěn)定運行技術現(xiàn)狀及展望[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2015,07:187-196+202.

[2]鄒伯敏.自動控制理論[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

[3]辛睿德.基于PLC的沼氣發(fā)酵監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[D].武漢,華中農(nóng)業(yè)大學,2013.

項目來源：北方民族大學電氣信息工程學院2017年度校級創(chuàng)新項目。

項目名稱：基于PLC的沼氣發(fā)電控制系統(tǒng)的設計（編號：YCX1770）。