鄭 勇，焦 靜，王金麗，張 勁，黃正明，曹建華

(1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械研究所，廣東湛江 524091； 2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院橡膠研究所，海南儋州 571737)

自動控制技術在國內(nèi)外得到了快速發(fā)展和應用，隨著系統(tǒng)控制的難度、復雜性、參數(shù)的增加，學者們研究了反饋控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、PLC、PID控制等傳統(tǒng)與現(xiàn)代控制方法的融合[1]，并在沼氣厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中開展了應用，形成了一系列先進的控制方法和理論，研發(fā)了先進的配套設備和軟件，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。先進的控制理論和方法值得借鑒和學習。在國外，先進的理論和方法研究包括Liu等的發(fā)酵系統(tǒng)二維模糊控制[2]；Murnleitner等的發(fā)酵過程模糊控制理論[1]；Denac等的PID控制進料速率[3]；Holubar等的神經(jīng)模糊控制甲烷產(chǎn)氣率[4]；Hilgert等的多模型估計智能遠程控制[5]。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，勞動強度較大，且運行的成本比較高。國內(nèi)學者圍繞控制理論和應用展開了深入研究，如PLC和組態(tài)軟件理論[6-8]、增量PID控制算法[9]、沼氣發(fā)電中控系統(tǒng)[10-11]、遠程控制系統(tǒng)[12]、沼氣壓力監(jiān)控系統(tǒng)[13]、pH值在線智能控制系統(tǒng)等。隨著信息化技術的發(fā)展與成熟應用，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，將逐步實現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡化、遠程化、可視化、智能化、信息化功能[14]，將更凸顯符合我國各地沼氣工程需求特色，推動我國沼氣工程系統(tǒng)控制關鍵技術的研發(fā)集成與應用，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。

物聯(lián)網(wǎng)技術在農(nóng)業(yè)上的應用，能為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)集約、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全，提高技術支撐和重要保障[15]。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)選用溫度傳感器、液位傳感器、pH值傳感器、CO2傳感器等多種傳感器進行光、溫、水、肥、氣的動態(tài)監(jiān)測，采用傳感器節(jié)點建立物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡，具有實時監(jiān)測、遠程控制、查詢、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、單片機控制、PLC控制、集散控制和現(xiàn)場總線控制五大類[16]，物聯(lián)網(wǎng)沼氣工程系統(tǒng)由傳感層、傳輸層和應用層3個部分組成，系統(tǒng)中的關鍵參數(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Liu等的生化需氧量(BOD)傳感器[17]、Feitkenhauer等的在線總揮發(fā)酸(VFAs)監(jiān)測系統(tǒng)[18]、楊幫華等的CH4濃度監(jiān)測設備[19]，李勇采用云計算技術建立了沼氣遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)[10]。

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)的應用需要進一步完善和優(yōu)化，研究包括陜西理工學院物理與電信工程學院的陳正濤等研究了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)感知、傳輸與反饋在農(nóng)村沼氣監(jiān)測預警系統(tǒng)中的應用理論[20]；北京市農(nóng)業(yè)局的李文超等探索了沼氣工程物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構設計[16]；寧夏清潔發(fā)展機制環(huán)保服務中心的單臣玉等圍繞寧夏農(nóng)村沼氣工程建設，研究了物聯(lián)網(wǎng)智能沼氣監(jiān)控系統(tǒng)的總體結構和功能設計[21]；冉毅等研究了沼氣工程物聯(lián)網(wǎng)構建理論[22]；趙二擺研究了Android平臺的在線沼氣生成監(jiān)測系統(tǒng)[23]。

在我國，沼氣工程建設得到了黨中央、國務院的高度重視，國家連續(xù)出臺多項法規(guī)政策，不斷加強農(nóng)村沼氣工程工作。農(nóng)村沼氣工程得到了迅速發(fā)展，隨著該項工程的繼續(xù)深入，沼氣產(chǎn)能與安全管理將成為沼氣工程推廣應用中的突出問題。目前，沼氣工程系統(tǒng)主要靠人工操作，機械化、信息化、智能化水平較低，廢棄物利用率不高[24]，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。本研究立足該突出問題，嘗試采用信息新技術，包括信息采集、信息傳輸、信息管理與信息反饋等技術，從清潔能源的角度，探索自動化和智能化沼氣工程系統(tǒng)解決方案和關鍵技術，為農(nóng)村沼氣工程技術推廣應用提供方法。

1 系統(tǒng)硬件選擇與電路設計

系統(tǒng)采用數(shù)字量控制和模擬量輸入輸出轉(zhuǎn)換，選用模擬量擴展模塊EM231，配合CPU224XP實現(xiàn)對模擬量信息的采集與控制；選用型號為TSHMI004的7寸云觸摸屏為上位機，對現(xiàn)場過程進行可視化控制，并為物聯(lián)網(wǎng)化組態(tài)編程設計提供平臺；主循環(huán)熱水泵控制變頻器選用國產(chǎn)型號為DV600-4015-A-G的德弗變頻器；選擇電流輸出型2線制Pt100鉑電阻溫度變送器、型號為MIK-P260的硅壓阻式液位變送器共同組成了系統(tǒng)硬件。

本控制系統(tǒng)的電路設計主要分主電路設計和PLC控制電路設計2個部分。主電路主要是用于控制空氣能熱泵、各環(huán)節(jié)熱水泵的工作情況。其中空氣能熱泵、主循環(huán)熱水泵電機為三相電機，其他熱水泵為單相電機。主電路主要由斷路器、變頻器、交流接觸器、電機、繼電器等主要元件組成，實現(xiàn)各電機按控制要求啟動或停止，或按控制要求進行調(diào)速運行，主電路如圖1所示。

因各泵均受PLC的指令控制，故主要工作過程以空氣能熱泵為例進行介紹。合上斷路器Q1，根據(jù)PLC的輸出指令，控制空氣能熱泵的啟停。通過安裝在主回路中的熱過載繼電器對空氣能熱泵進行過載保護，同時也通過安裝于主電路上的電流開關線圈感應電流有無，及時反饋給PLC數(shù)字輸入端，結合PLC輸出狀態(tài)判斷空氣能熱泵是否處于正常工作狀態(tài)，為故障檢測與定位提供了條件。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 PLC程序編程設計

2.1.1 PLC控制系統(tǒng)整體架構 本研究設計的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)控制硬件核心主要由CPU224XP的PLC、EM231模擬量擴展模塊和云觸摸屏構成，外接溫度變送器、液位變送器、電流開關、水流開關等檢測器件，外控空氣能熱泵、溫差循環(huán)泵、熱水泵、變頻器、電磁閥等執(zhí)行元件，以及報警與指示器件。PLC控制系統(tǒng)整體架構框圖如圖2所示。

2.1.2 PLC地址分配 根據(jù)前述控制要求與控制對象內(nèi)容，確定本系統(tǒng)所需的I/O數(shù)量為30個，需根據(jù)PLC的輸入輸出接口地址對其進行映射分配，以便后期編程使用。觸摸屏部分變量與PLC地址分配見表1。

表1 觸摸屏部分變量地址分配

云觸摸屏根據(jù)標準RS-485通訊協(xié)議與PLC的變量進行數(shù)據(jù)交換，可交換I區(qū)、Q區(qū)、M區(qū)、V區(qū)和SM區(qū)，通過在觸摸屏上組態(tài)各類變量控制與顯示畫面，可以直接控制或顯示PLC可控區(qū)域的變量地址內(nèi)容。通過對觸摸屏變量的組態(tài)來完成變量地址映射。

2.1.3 主程序設計 在物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)設計中，PLC是核心，負責對硬件的檢查，數(shù)據(jù)的初始化與采集、分析和處理，故障報警與控制輸出，根據(jù)所處理的數(shù)據(jù)與功能不同，采用模塊化編程方法，把程序功能相近又重復調(diào)用的部分編制成子程序。通過在主程序中調(diào)用不同子程序的方法，提高程序的可移植性、擴展性與簡潔性，提高程序可讀性。為了方便系統(tǒng)調(diào)試與故障檢修，程序設計成手動控制與自動控制2個部分，主要設計有空氣能熱泵控制子程序、主循環(huán)熱水泵控制子程序、模擬量輸入量程轉(zhuǎn)換子程序、模擬量輸出子程序、故障報警子程序等。PLC主程序流程圖如圖3所示。

2.2 云觸摸屏組態(tài)設計

2.2.1 云觸摸屏組態(tài)流程 云觸摸屏組態(tài)開發(fā)過程與其他的同類產(chǎn)品大體類似，只是最后的網(wǎng)絡設置有別于傳統(tǒng)觸摸屏。其使用CNWSCADA(HMI版)開發(fā)環(huán)境進行組態(tài)開發(fā)，主要由6個步驟組成，即創(chuàng)建工程、創(chuàng)建窗口、創(chuàng)建IO設備通信、增加IO通信變量、建立動畫連接以及調(diào)試與運行。本研究觸摸屏組態(tài)流程如圖4所示。

2.2.2 主要組態(tài)及APP生成 其中系統(tǒng)主界面組態(tài)如圖5所示。

在CNWSCADA(HMI版)開發(fā)環(huán)境中新建一個工程，選擇正確的HMI型號與分辨率，同時在畫面布局中勾選畫面分辨率自適應，以便能在不同的終端設備上以全屏運行組態(tài)工程畫面。根據(jù)控制系統(tǒng)需求，需要組態(tài)不同的人機畫面，以滿足不同功能的控制要求，主要畫面有登錄畫面、主畫面、手動控制畫面、自動控制畫面、視頻監(jiān)控畫面、故障報警記錄畫面等。

本研究建立了控制系統(tǒng)的組態(tài)APP界面，與手機終端上的監(jiān)控畫面及觸摸屏組態(tài)的完全一致，可以在任何網(wǎng)絡(2G/3G/4G或Wi-Fi)中與控制系統(tǒng)進行交互，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)化控制。手機端設置過程及部分手機監(jiān)控面如圖6所示。

3 系統(tǒng)測試與應用

在完成增溫裝備物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的硬件選型與設計、軟件組態(tài)與設置后，于沼氣試驗示范基地的中試設備增溫裝備上進行了系統(tǒng)調(diào)試與運行?！翱諝饽?太陽能”增溫模塊的安裝現(xiàn)場如圖7所示?？刂葡到y(tǒng)的電氣控制箱實物如圖8所示。

本研究的控制系統(tǒng)主要對象為傳感器與執(zhí)行器，同類型器件工作原理相近，調(diào)試工作亦具有類似性，以下以某一對象為例進行簡述。主要調(diào)試過程與方法按以下步驟進行：(1)使用S7-200模擬軟件對所編寫的PLC程序進行檢驗與仿真，分析其邏輯與輸入輸出正確性。(2)逐步連接外部模塊到PLC輸入輸出端子，測試執(zhí)行器輸出與檢測元件反饋動作與功能的正確性。以電磁閥與電流開關為例，連接好接線后，手動打開電磁閥，觀察PLC輸出及電磁閥實際工作狀況是否正確，同時觀察電流開關反饋是否正常。在PLC輸出端子斷開電磁閥控制電纜，觀察報警功能是否有效，經(jīng)調(diào)試，各功能正常。(3)對溫度變送器及增溫自動控制程序進行測試。由于本系統(tǒng)各元件空間位置較遠，且用水量大，正常升降溫時間長，為方便觀察系統(tǒng)運行情況與調(diào)試，采用模擬實驗進行試驗。取2個盛滿水的燒杯模擬主、副保溫水箱，使用電加熱器控制水溫變化，觀察云觸摸屏上水溫曲線是否隨水溫變化而變化、數(shù)據(jù)是否準確、PLC輸出及各電流開關反饋是否正常，經(jīng)調(diào)試，各功能正常。(4)各功能模塊模擬調(diào)試通過后，按系統(tǒng)物理元件布局，連接好各控制與電源線纜，先使用手動功能進行逐一測試，再轉(zhuǎn)為自動控制對整個系統(tǒng)進行聯(lián)合調(diào)試，查看各器件動作的正確性，并通過觀察PLC的輸入輸出情況來判斷PLC控制程序與觸摸屏各畫面的組態(tài)變量連接正確與否，對測試過程中出現(xiàn)的故障進行改正，經(jīng)調(diào)試，各功能正常，保證了系統(tǒng)的正常運行。

經(jīng)過一段時間的在線運行試驗結果表明，發(fā)酵反應器內(nèi)溫度穩(wěn)定在(38±2) ℃，平均日產(chǎn)氣量為10 866.8 L，甲烷含量為56%，產(chǎn)氣速率均勻，較常溫下日均產(chǎn)氣量(6 759.9 L)多出4 000 L左右，產(chǎn)氣效率提高了50%左右，達到了較好的產(chǎn)氣效果。

4 結論

本研究基于資源化、減量化、無害化、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備系統(tǒng)組建關鍵技術的需求，重點研究多功能互補型沼氣干發(fā)酵反應器增溫裝置物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的設計，該設計在沼氣工程中的現(xiàn)實意義主要包括以下4個方面：(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)氣量的關鍵因素之一。中溫發(fā)酵、增溫保溫工藝在沼氣工程中非常重要。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”控制模式和關鍵技術的引入，幫助提高沼氣工程系統(tǒng)的智能化程度，提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。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)行器進行連接，可以進行開關量邏輯控制、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)絡云平臺的搭建，進行沼氣工程系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析與控制動作，可以減少人力成本，增加系統(tǒng)的智能化程度和運行的經(jīng)濟性。(3)云觸摸屏和APP關鍵技術的應用，幫助系統(tǒng)實現(xiàn)遠程可視與準確控制，推動系統(tǒng)運行的安全性和可靠性。云觸摸屏作為一種高性能、嵌入式、一體化的人機界面，具有功能齊全、操作簡單、可視化控制等特點，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)絡和云平臺，可以實現(xiàn)遠程可視化操作，增加沼氣工程控制系統(tǒng)操作的安全距離，且系統(tǒng)會主動推送系統(tǒng)異常信息，能夠進行故障自動診斷，避免人為的誤操作，對系統(tǒng)管控的地點較為靈活，有網(wǎng)絡通訊支持的地方均可以通過智能終端實現(xiàn)對系統(tǒng)的管控。(4)采用空氣能熱泵和太陽能熱水器進行系統(tǒng)增溫，比較節(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、反應器增溫模塊、儲熱水箱等4大模塊組成的多功能互補型水循環(huán)增溫裝置，能夠為沼氣發(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)高效運行。