沼气的工业化生产

０　引 言

提高厌氧发酵生产沼气的产气率，一直是从事这方面研究的主要目标。但厌氧发酵是一个非常复杂的生物过程，仅靠自然发酵是难以实现的。因此，必须通过沼气生产的工业化，对厌氧发酵的生物过程进行自动调控，为优势厌氧菌系提供良好的生长与繁殖环境，才能在这个目标上有所突破。国外一些发达国家如日本、德国等十分重视沼气的生产自动化控制，所以在这些国家的大型化沼气生产中，其两相厌氧发酵在适宜的有机复合条件下，水利停留时间为６天，

浓度为８％的中温产气率可达到２．１９ｍ３／（ｍ３?ｄ）［１］

。

然而，中国大多数为自然发酵，没有准确地控制其发酵温度、ｐＨ值、进出料频率等发酵因素，所以产气率相对较低，只达到上述国家产气率的１／３～１／２　［２～４］。本研究在详细分析发酵过程控制技术及其系统研究现状的基础上，研究基于ＰＬＣ和组态软件相结合的发酵过程控制系统，给出了系统的体系结构、控制功能等，通过给定不同的控制要求（进出料频率、温度、ｐＨ值等）实现最优控制，使其达到产气率的最高值。

摘　要：提高厌氧发酵生物过程的控制精度，对提高沼气池容产气率至关重要，为此本研究提出了控制方案、设计了计算机控制系统。该系统采用上下位机分级控制，由ＰＬＣ完成过程环境参数控制，ＰＣ机完成数据保存及处理，为发酵过程建模及其优化控制的进一步研究提供了硬、软件平台。 关键词：沼气；自动控制；工业化

１　系统建立

在沼气生产过程自动化方面，以往人们通常采用的是电气控制，无论是在填料过程还是在物料循环各级罐内操作都离不开人的手工操作，生产现场始终都要有操作人员。同时，由于操作失误或是时间掌握不准等因素，大大降低了产气率。因此，研究基于ＰＬＣ和组态软件相结合的发酵过程控制系统，通过此工艺减少人工操作，减小误差，以使控制更加准确，从而大幅度提高产气率。

１．１ 硬件及ＰＬＣ

可编程控制器ＰＬＣ是一种在工业环境中应用的数字运算电子系统，它将计算机技术、自动控制技术和通讯技术融为一体，成为实现单机、车间、工厂自动化的核心设备，具有可靠性高、抗干扰能力强、组合灵活、编程简单、维修方便等诸多优点。随着技术的进步，ＰＬＣ控制功能由简单的逻辑控制、顺序控制发展为复杂的连续控制和过程控制，　已经成为自动化领域的三大技术支柱之一。可编程控制器（ＰＬＣ）作为一种新型工业自动控制装置，在近年来发展非常迅速，它以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体。由于ＰＬＣ的控制可靠性高、结构小巧、编程简单、运行速度快等优点，正被广泛应用于工业控制领域的各个方面。

本方案采用主从问答方式，上位机为主呼方，下位机为应答方，主机给下位机发送请求，然后等待下位机的响应。下位机将回答此请求己收到或出现错误。如果请求没有正确接收到，则有如奇偶错或ＣＲＣ（校验和）错这一类的传送错误，此时下位机将不响应，主机必须在等待适当的一段时间后重新发送请求。系统具体设计如下：

１）采用ＰＬＣ作为下位机，设计为可自动选择脱机或并机两种运行方式，ＰＬＣ运行可靠，即使上位机出现问题也不会影响下位机的正常运行。

２）电路设计简单。上、下位机之间的通讯采用专用的隔离电缆，　ＰＬＣ本身具有与现场信号光电隔离的设计，避免现场信号对计算机的冲击，从而对计算机起到保护作用。

３）控制系统可分为检测部分和控制部分。检测部分：检测信号有温度、压力、ｐＨ值、液位的检测量，它们均是模拟信号，直接从各罐体现场引入ＰＬＣ的模拟扩展模块的输入端；控制部分：包括温度控制、ｐＨ值控制、液位控制。其中温度、ｐＨ值、液位控制均是数字量控制，由ＰＬＣ的数字输出口控制。系统由Ｓ７－２００及其模拟扩展模块构成信号控制和处理单元，通过检测部分检测到的温度为模拟信号。这些测量信号一般为标准电流（４～２０）ｍＡ和标准电压（１～５Ｖ）信号。将其引至Ｓ７－２００（　ＣＰＵ　２２４）的模拟扩展模块ＦＭ２３５的对应输入端，从而完成现场数据采集任务。控制部分包括温度控制、ｐＨ值控制、液位控制和压力控制。系统整体框图如图１所示。

１．２ 控制组态软件

新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它们具有适应性强、开放性好、易于扩展、经

图１ 系统整体框图

济、开发周期短等鲜明优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层

次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且常在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。监控层的硬件以工业级的微型计算机和工作站为主，目前更趋向于工业微机。

力控是运行在Ｗｉｎｄｏｗｓ９８／ＮＴ／２０００／ＸＰ操作系统上的一种组态软件。使用力控，用户可以方便、快速地构造不同需求的数据采集与监控系统。　力控软件由以下几个主要部分组成：

●工程管理器：工程管理器用于创建工程、工程管理等。

●开发系统（Ｄｒａｗ）：开发系统是一个集成环境，可以创建工程画面，配置各种系统参数，启动力控其他程序组件等。

●界面运行系统（Ｖｉｅｗ）：界面运行系统用来运行由开发系统Ｄｒａｗ创建的画面。

●实时数据库（ＤＢ）：实时数据库是力控软件系统的数据处理核心，构建分布式应用系统的基础。它负责实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警处理、数据服务请求处理等。

●Ｉ／Ｏ驱动程序：Ｉ／Ｏ驱动程序负责力控与Ｉ／Ｏ设备的通信。它将Ｉ／Ｏ设备寄存器中的数据读出后，传送到力控的数据库，然后在界面运行系统的画面上动态显示。

●网络通信程序（ＮｅｔＣｌｉｅｎｔ／ＮｅｔＳｅｒｖｅｒ）：网络通信程序采用ＴＣＰ／ＩＰ通信协议，可利用Ｉｎｔｒａｎｅｔ／Ｉｎｔｅｒｎｅｔ实现不同网络结点上力控之间的数据通信。

●串行通信程序：串行通信程序采用串行通信方式。两台计算机之间，使用ＲＳ２３２Ｃ／４２２／４８５接口，可实现一对一（１：１方式）的通信。如果使用ＲＳ４８５

总线，还可实现一对多台计算机（１：Ｎ方式）的通信。

●控制策略生成器（Ｓｔｒａｔｅｇｙ　Ｂｕｉｌｄｅｒ）：控制策略生成器是面向控制的新一代软件逻辑自动化控制软件，采用符合ＩＥＣ１１３１－３标准的图形化编程方式，提供包括变量、数学运算、逻辑功能、程序控制、常规功能、控制回路、数字点处理等在内的十几类基本运算块，内置常规ＰＩＤ、比值控制、开关控制、斜坡控制等丰富的控制算法。同时提供开放的算法接口，可以嵌入用户自己的控制程序。控制策略生成器与力控的其它程序组件可以无缝连接。

创建一个应用程序工程的主要内容有：制作工程画面，用力控提供的各种图形化工具绘制图形画面，描绘实际工艺流程，模拟工业现场和工控设备等；创建数据库，定义一系列的数据，用于反映监测和被控对象的各种属性，如温度、压力、调节阀输出等；动画连接，建立数据库中的数据与图形画面中的图形对象的连接关系，从而使画面根据实际数据的变化来产生动画效果。

１．２．１ 图形界面的形成

从力控组态软件的子图中提取工程所需的各种罐体、各种电磁阀、各种泵、管道等图形来完成控制界面的全部绘制，力控组态软件提供了多种工业设备图形，对图形不满意可以对元件进行编辑，还可利

用组态画图工具制作自己所需的图形。根据工程设备的建立，完成整个控制界面的绘制，绘制完成的系

统主界面如图２所示。

图２ 系统主画面

１．２．２　数据库的建立

分布式实时数据库ＤＢ是整个应用系统的核心，是构建分布式应用系统的基础。它负责整个ＦｏｒｃｅＣｏｎｔｒｏｌ应用系统的实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警信息处理、数据服务请求处理，完成与过程数据采集的双向数据通讯，由ＤＢ与Ｖｉｅｗ构成服务器／客户计算模式。另外，第三方程序可以通过ＤＤＥ协议与ＤＢ实时通讯，也可以通过ＡｃｔｉｖｅＸ控件访问实时数据库中的实时数据和历史数据。不同网络结点的Ｆｏｒｃｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ应用程序之间也正是通过ＤＢ和网络服务程序构建成复杂的网络分布式应用系统。由此，根据不同的功能对于不同的控制量设定不同的变量，从而来实现该控制系统所要实现的功能。

１．２．３　动画设计

图形对象搭制而成的图形界面是静止不动的，需要对这些图形对象进行动画设计，真实地描述外界对象的状态变化，达到对过程实时监控的目的。由力控组态软件动画链接建立画面中对象与数据变量或表达式的对应关系，建立了动画链接后，根据数据变量或表达的变化，图形对象可以按动画链接的要求进行改变。

首先创建和选择链接对象，双击对象或者用鼠标右键单击对象，弹出“动作菜单”对话框（如图３所示），然后选择相应的动作效果。也可以由数据对象的实时采集值驱动，使现场信号动态地反映到图形界面上，从而实现了图形的动画效果。

１．２．４　报警图形的制作

报警单元在实时生产过程中具有重要的作用，可以防止生产过程中不必要的损失。实时数据库只负责关于报警的判断、通知和存储三项工作，而报警产生后所需要进行的其它处理操作即对报警动作的响应，则需要在组态中实现。模块设置了开关量报警，对阀门和泵的故障进行报警，并提供报警数据与界面图形的动态连接，从而方便地实现界面的动态报警、语音报警，并提供报警的记录表格。

２　系统功能

力控组态软件通过Ｉ／Ｏ　驱动程序从现场Ｉ／Ｏ　设备获得实时数据。接收的数据一方面以图形的方式直观地显示在计算机的屏幕上，另一方面按照组态要求和操作人员的指令将控制数据送给Ｉ／Ｏ　设备，对执行机构实施控制或调整控制参数，对要求存储的采集量存储历史数据，并对历史数据检索请示给予响应。当有异常情况发生时，系统会发出报警来提示工作人员采取相应的措施。由力控组态软件结合西门子Ｓ７－２００设备，可以在力控组态界面下完成以下任务：

１）实时运行参数监测及显示。组态软件实时采集生产过程中设备运行状态及参数，采用图形、报表的形式显示系统的实时运行情况，将当前各个罐内的ｐＨ值、温度值、管道流量和压力、各个罐体内的液位等直观动态地显示在力控组态界面上，便于监控生产，查看生产现场的实时数据和流程画面，实现了生产过程的实时管理和系统的可视化。

２）实时过程控制。设置好系统的各个参数，系统自动完成过程控制，或由操作员根据环境的实际情况加以控制，实现了系统的控制自动化，并且保留了手动控制以备用及调试该控制系统。

３）进行远程操控，以免某仪器仪表出现问题，导致漏气监控系统失灵所产生的危险，符合人性化的生产方式。

４）查询、打印任意时间段的历史数据。力控

组态软件将实时监测数据存储于实时数据的数据库图３ 动画连接

中，结合图形界面提供浏览各个历史曲线显示功能，并生成历史生产报表，可随时打印。

５）提高产气率。可以通过打印实时数据来分析各种参数，从而更加完善系统的各参数，更加准确地对沼气发酵系统进行控制，大大提高了产气率。

３　结 论

本文对发酵过程的计算机控制系统进行了初步的设计与研究，主要取得了以下几个方面的成果：１）整个发酵过程的计算机控制系统由上、下位机构成，二者之间能够进行可靠的数据传送，具有掉电恢复能力的ＰＬＣ作为下位机控制发酵罐，即使上位机发生故障，ＰＬＣ仍能正常工作。

２）具有显示功能的ＰＣ机作上位机，其可以代替现场的二次显示仪表进行各种数据和图形的显示，这种结构能够弥补各自的不足，充分发挥各自的优点，同时也节省了硬件成本。

３）将实时监测数据存储于实时数据库中，结合图形界面提供浏览各个历史曲线显示功能，并生成历史生产报表可随时打印；通过分析实时数据库系统记录的设备运行状态和生产数据，及时调整操作参数，确保装置操作的平稳性，从而有效地提高产品的质量。

４）通过完善该控制系统的体系结构和控制功能，给定不同的控制要求（进出料频率、温度、ｐ

Ｈ值等）实现最优控制，最终使其达到产气率的最高值。此外，自动控制系统实现了远程操控，减少了事故的发生，也保护了人员的安全。　

参考文献

［１］　Ｚｈａｎｇ　Ｒ　Ｈ，　Ｔａｏ　Ｊ，　Ｄｕｇｂａ　Ｐ　Ｎ．　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｗｏ－ｓｔａｇｅａｎａｅｒｏｂｉｃ　ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ　ｂａｔｃｈ　ｒｅａｃｔｏｒ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｆｏｒ　ａｎｉｍａｌ　ｗａｓｔｅ－ｗａｔｅｒ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ［Ｚ］，２０００．

［２］　Ｓｕｎｇ　Ｓｈｉｈｗｕ，　Ｈａｒｉｋｉｓｈａｎ．　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａ－ｔｕｒｅ－ｐｈａｓｅｄ　ａｎａｅｒｏｂｉｃ　ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｒｅａｔｉｎｇ　ｄａｉｒｙ　ｃａｔｔｌｅｗａｓｔｅｓ［Ｚ］，２００１．

［３］　吴志清．　有机废弃物两相厌氧发酵特性的研究［Ｊ］．　农机化研究，２００７：４－６．

［４］　张嗣良．　青霉素发酵过程计算机控制与优化技术研究［Ｊ］．　无锡轻工大学学报，１９９６，１５（２）：　６－１１．

［５］　凌志浩等．　发酵过程在线监控系统的研制［Ｊ］．　自动化仪表，１９９８，１９（１０）：　７－１０．

［６］　易异勋．　制药工业青霉素发酵过程微机控制的研究和设计［Ｊ］．长沙电力学院学报（自然科学版），１９９９，１４（４）：３１８－３２０．

［７］　张曾科，等．　青霉素发酵生产过程计算机智能控制［Ｊ］．　化工自动化及仪表，１９９７，２４（２）：　１３－１５．

［８］　赵立伟，张　春，施　寅．　面向过程的编译和解释环境在工控组态软件系统中的应用［Ｊ］．　微计算机信息，２００５，　４：　２０－２２．

［９］　王树青，金晓明．　先进控制技术应用实例［Ｍ］．　北京：化学工业出版社，２００５．１．

［１０］　马国华．　监控组态软件及其应用［Ｍ］．　北京：清华大学出版社，２００１．３．

［１１］　王树青．　发酵过程控制的新进展［Ｊ］．　化工自动化及仪表，１９９５，２２（４）：３－１０．

基金项目：黑龙江省科技攻关（ＧＢ０６Ｂ５０２）；“十一五”国家科技支撑计划课题（２００６ＢＡＤ７Ａ１０）

９８１—），男（汉），黑龙江省，研究生，硕士，主要研究方向为自动化控制。东北农业大学工程学院，１５００３０。Ｅｍａｉｌ：ｃｒｙｓｔａｌ＿ｌｏｖｅ１１１＠１６３．ｃｏｍ

通讯作者：李文哲（１９５５—），男（汉），黑龙江人，院长，教授，博士生导师，主要从事沼