智能采集卡與力控相結合的沼氣生產控制系統

摘 要：本文利用研華的模擬量數據采集卡PCI-1713和數字量數據采集卡PCI-1730進行現場數據采集；采用力控組態軟件作為上位機軟件，實現實時監控、數據存儲及報警等功能。兩者相結合組成沼氣生產的自動控制系統。

關鍵詞：智能采集卡 力控 控制系統

中圖分類號：S216.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）02（a）-0016-01

沼氣是一種高熱值可再生的潔凈生物質能源，沼氣的生產不僅使物質資源得到深度開發和循環利用，在緩解能源危機、保護環境、改善生態等方面具有一定的意義。沼氣生產工程建設處于起步階段，缺乏沼氣生產過程自動監控與管理手段，使得工藝參數很難保證工作在最佳狀態，生產效率低下，難以維持長期穩定的生產。

1 系統設計

在沼氣工程中，實時性要求不高，但對安全性要求較高，要求建立一個中心控制室，對各個工藝環節的設備和生產狀況進行實時測控，實現所有電氣設備的遠程管理、監測、控制，并對生產過程中的各個參數進行采集，提高系統的運行效率，保證沼氣生產的安全。

需要控制的電機類設備主要包括預處理設備、進料設備、攪拌設備、出料設備及電磁閥、空壓機等，需要采集的參數包括溫度、壓力、流量、液位等。一般選用帶有標準信號輸出的智能儀表，作為I/O模板的信號源，實現現場數據采集。選用標準I/O模板，配合繼電器箱和執行機構，完成關鍵參數的自動控制。

控制系統分為上位機和下位機，上位機采用三維力控作為組態軟件，對生產過程中的數據進行顯示、記錄、報警等方便用戶操作，下位機采用智能模塊進行現場控制，兩者相結合以達到合理、有效地控制沼氣的生產，相對于其它控制方式要經濟一些。

另外，本系統加入了太陽能和鍋爐，利用循環熱水，使發酵罐內一直保持發酵溫度，即使在氣溫低的情況下，也不影響沼氣的生產，提高原材料的利用率，保證沼氣的質量。

2 系統功能

對一個沼氣站來說，連續的溫度、酸堿度、壓力等監控點的監測十分重要。操作員需保證從中央控制室綜合監測系統的運行狀態，保護整個系統處在較高的安全水平上，當相關參數偏離正常范圍時，系統發送信號通知操作員采取糾正措施。

本系統根據儀表及工藝專業所提供的資料與要求制定了適用于沼氣站工程自動化系統。以標準的工業計算機軟、硬件平臺及網絡所構成的集成系統取代傳統的封閉式系統，使得系統具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發周期短等鮮明優點。系統可劃分為現場控制層、監控層、遠程監控與管理層三個層次結構。

現場控制層可由數據采集卡和控制輸出卡實現對現場的設備進行數據采集、報警、控制、聯鎖等功能。

監控層采用組態軟件，對下連接控制層，對上連接管理層，實現對現場的實時監測與控制，在自動控制系統中完成上傳下達、組態開發的作用。若設備層采用的是儀表控制，則現場數據和狀態的采集通過PCI板卡完成，采集到的數據送入組態軟件的實時數據庫，經過適當數據處理，完成合適的畫面和組態設置。

在遠程監控和管理層中，利用數據采集系統得到的生產數據直接參與核算，消除繁瑣的人工計算過程和工作強度，提高管理水平。通過班組核算制，把實際生產中的有關參數從數據庫中提取出來，然后按企業確定的核算公式進行計算，從而得到班組一定時間內的經濟效益及各崗位的費用支出，用戶可以根據需要定時打印班組核算表，并利用數據庫把相關參數保存起來，也可以通過WEB服務器上傳，實現遠程監控與管理功能。

3 硬件設計

整套系統硬件部分有工控機、智能模塊、檢測儀表組成。工控機一般選用研華原裝工控機IPC-610MB AIMB E5300/1G/160G就可確保得到高質量的圖形；智能模塊分為：模擬量智能采集卡、數字量智能采集卡。

3.1 模擬量數據采集卡（AI）選用研華PCI-1713

PCI-1713是一款PCI總線的隔離高速模擬量輸入卡。它提供了32個模擬量輸入通道，采樣頻率可達100KS/s、12位分辨率及2500V（DC）的直流隔離保護。可以接受外部觸發，允許與外部設備進行同步采樣。

3.2 數字量輸入（DI）輸出（DO）選用研華PCI-1730

PCI-1730是一款能夠提供32路隔離數字量輸入/輸出卡（16DI，16DO），隔離保護電壓可達到2500V（DC）。它是要求采取高電壓隔離工業應用的理想選擇。當系統熱重啟動（不關閉系統電源）時，PCI-1730根據卡上的跳線設置，能夠保持每個通道的輸出值，返回到它們打開狀態的默認配置。該功能能夠避免在系統意外重啟動過程中的誤操作對系統帶來的危險。

3.3 檢測儀表

檢測儀表是現場采集工藝參數的主要儀器設備，在本系統中儀表選型中遵循以下原則。

（1）可靠性。為了保證沼氣產生過程的安全、可靠的進行，在選擇儀表時選用符合工業級標準的、防爆的、成熟定型的產品。戶外安裝的儀表變送器保護等級應達到IP65。對在易爆地點使用的儀表，必須符合防爆要求。

（2）先進性。在系統可靠性的前提下，先進性也至關重要。儀表全部采用智能型測量儀表，便于計算機系統連接和維護管理的方便。

（3）方便性。儀表在使用時應安裝操作方便、簡單易學。維護人員可以很方便的對儀表進行維護、檢修等操作。儀表采用4～20 mA的輸出信號輸出，并附帶專用電纜和安裝附件。

4 軟件設計

中心控制系統的組態軟件是數據采集與過程控制的專用軟件，本系統采用的是力控ForceControl作為控制體統的組態軟件，對現場信號進行實時監測，保證安全生產。

4.1 力控和采集卡的通訊

力控和智能采集卡的通訊是整個監控系統的關鍵。一般情況下，各個采集卡要采用統一的通訊協議，否則會出現數據采集錯誤。本系統采用的是標準modbus協議進行通訊，經試驗，通訊正常，數據采集流暢，達到了實時監控的目的。

4.2 實時數據庫

數據庫是監控系統的核心，實時數據庫由管理系統和運行系統組成，實時數據庫將組態軟件、實時數據庫、歷史數據庫等以一定的組織方式存儲在介質上，方便用戶查找。本系統把壓力、溫度、流量、氣體含量存儲于數據庫中，有利于對各個參數進行分析，隨時掌握生產動態，保證安全生產同時，提高沼氣的質量。

5 結語

本系統本著安全可靠、經濟實惠的目標選用了智能模塊，降低了成本，沼氣生產工程一般都是建立在農村，更利于大面積推廣。沼氣工程利用農村產生的秸稈、垃圾生產沼氣，不僅產生新能源，而且還減少環境污染，再有沼渣沼液的循環利用，對改善農業生態環境和生態效益起到積極促進作用。

參考文獻

[1]研華自動化解決方案[Z].產品選型手冊，9-08.

[2]馬國華.監控組態軟件及其應用[M].北京：清華大學出版社，2001：6-11.