基于物聯網技術的沼氣工程運行管理智能監控系統研究

李文超 趙錦一 劉 瑩 何勝軍

（北京市農業局，北京 100029）

1 引言

沼氣是可再生的清潔能源，既可替代秸稈、薪柴等傳統生物質能源，也可替代煤炭等商品能源，而且能源效率明顯高于秸稈、薪柴、煤炭等。沼氣工程可有效地綜合利用農業有機物質，實現農業可持續發展。它既是解決農村燃料短缺，提高用能品質，促進農民增收節支的有效途徑，又是保護生態、改善農村衛生環境的有效措施。

從國外來看，德國、意大利、丹麥等沼氣產業經過十幾年的實踐與發展，沼氣工程的工藝水平和技術裝備已經趨于成熟，相關技術水平居于世界領先地位，沼氣工程的自動化水平非常高，利用沼氣（厭氧消化）系統專用的自動化控制系統，實現沼氣工程的自動化管理和過程監控，在節省大量人力的同時又提高了沼氣工程的生產效率。

從國內來看，截止到2010年底，據有關部門不完全統計，我國已有大中小型沼氣工程7.3萬多處，其中大型沼氣工程4963處、中型沼氣工程22795處、小型沼氣工程45259處，年產沼氣總量142.6億立方米，折合標準煤2500萬噸，可減排CO25000多萬噸。

近年來，雖然沼氣工程設備、沼氣工程質量、沼氣工程運行監測等方面的技術得到了很大的提高，但沼氣工程可持續運行與發展方面也存在很多問題，尤其在沼氣工程運行監測上存在很多問題，主要體現在：（1）沼氣工程的預警手段不健全。沼氣泄露、爆炸事故發生，均會產生環境污染或人員傷亡，需防患于未然；（2）沼氣工程的監測方法相對落后，運行過程中的數據不能實時記錄和統計，導致勞動力、原材料浪費；（3）沼氣工作信息化流程不健全；（4）沼氣工程的安全評估不完善。

沼氣工程運行的監控與管理已成為發展沼氣產業的必要措施。

2 系統建設現狀

2.1 傳統的沼氣運行監管系統

辛睿德等將傳統的沼氣發酵測控系統[1]分為單片計算機的沼氣發酵測控系統、工業控制計算機的沼氣發酵測控系統、基于PLC的沼氣發酵測控系統、集散控制系統的沼氣發酵測控系統和現場總線技術的沼氣發酵測控系統等5類，綜觀現有的沼氣運行監管系統，也可以分為上述5類。

（1）單片計算機的沼氣運行監管系統

單片計算機又稱嵌入式微控制器，具有開發周期短、開發效率高、系統的實時性和可靠性高等優點。張意松等[2]將單片機應用于沼氣壓力自動監控，為解決沼氣發酵容器因壓力過大帶來的諸多問題，開發設計了基于單片機的沼氣壓力自動監控系統。

（2）工業控制計算機的沼氣運行監管系統

工業控制計算機可以通過輸入/輸出卡直接對沼氣發酵過程進行控制，通過數據采集卡采集數據，并進行存儲和處理；還可以將工業控制計算機和常規控制儀表組成二級控制系統，由常規控制儀表完成基礎級自動控制，工業控制計算機作為上位機完成數據顯示、存儲和實現各種高級控制，如過程優化控制、儲存式程序控制等。賈英新等[3]開發了智能采集卡與力控相結合的沼氣生產控制系統，該系統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。

（3）基于PLC的沼氣運行監管系統

可編程邏輯控制器（PLC），它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。王琰[4]對基于PLC的大中型沼氣工程自動化監控系統進行了研究，經過研究，他認為采用PLC的沼氣工程自動化監控系統提高了系統的信息化和自動化水平，改善了作業環境，降低了勞動強度，也為生產管理、設備維護和質量跟蹤提供了便利。

（4）集散控制系統的沼氣運行監管系統

集散控制系統是以微處理器為基礎的新型控制系統，它結合計算機技術、控制技術、通信技術和圖形顯示技術于一身，是能夠實現過程控制和過程管理的一種新型現代化控制系統，同時該監控系統還能滿足大型企業日常管理的要求，現已在大規模生化工程領域得到了廣泛的應用。武東平等[5]介紹了一種基于虛擬儀器的大型秸稈沼氣智能化控制和監測系統，結合厭氧發酵的工藝流程，確定秸稈厭氧發酵的主要控制參數，實現沼氣可持續生產的自動化設計方案。

（5）現場總線技術的沼氣運行監管系統

現場總線控制系統是用現場總線這一開放的、具有互操作性的網絡將現場各個控制器和儀表及儀表設備互聯構成的控制系統，同時控制功能下放到工作現場，降低了安裝成本和維修費用。該測控系統通過網絡傳輸信息完成傳統的硬件連接才能實現的信號傳遞，并且完成各種設備的協調，來實現自動控制。

2.2 基于物聯網的沼氣運行智能監管系統

物聯網（Internet of things）是一種新興的信息技術，是在通信網和互聯網的基礎上，通過各種信息傳感器設備，如射頻識別裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等裝置把物品和物聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監測和管理的一種網絡，可以實現物與物、人與物之間的信息交互和通信[6]。隨著監測技術朝著智能化和網絡化的方向發展，應用物聯網技術可以有效地推進農村沼氣工程監測信息化的進程。當前基于物聯網的沼氣運行智能監管系統研究主要表現在三個方面：

（1）傳感器的應用，如吳功平[7]等將傳感器部署于調節池和發酵池，建設了大中型沼氣工程計算機監控系統對沼氣進行集中監控管理。該系統中除了對調節池和發酵池的料位(含其它池內的料位)和溫度進行控制外,還對發酵池內料液的pH值、沼氣的壓力及流量，對硫化床內硫化氫的含量和曝氣池內氯的含量進行監視。

（2）遠程監控與通信。戴華兵等[8]開展了基于GSM開展了遠程監控的研究，并根據實際工程需要，設計并實現在沼氣工程中加裝GSM的遠程監控系統。馬麗君等[9]研究遠程監控過程中的通信問題，通過數據通訊的短幀格式、沼氣站點編號校驗，以及中斷重連機制等措施解決通訊的穩定性；通過命令字、數據幀長度，以及校驗碼設計等字節設置解決通訊的可靠性；通過通訊軟件的定時器設計、多重連接防止機制，以及心跳信號機制等措施解決通訊的效率問題。

（3）綜合系統研究與建設。陳正濤、鄭爭兵[10]提出了一種基于物聯網的農村沼氣監測預警系統，該系統利用無線傳感網絡技術和GPRS技術實現沼氣工程的智能監測預警功能。冉毅[11]等介紹了物聯網的概念和結構，結合沼氣工程運行管理特點，定義了沼氣工程物聯網并介紹其發展現狀，完成了沼氣工程物聯網的構建，提出了系統組成，并選取一處沼氣工程為實例進行應用分析，對應用效果進行評價。

通過分析現有的研究成果可以發現，基于物聯網技術的沼氣工程運行管理智能監控系統的建設和應用仍處于初期階段，可用于沼氣工程智能監控的應用系統建設仍需加強。本文基于物聯網技術建設了沼氣工程運行管理智能監控系統，并在北京市進行部署和應用，實踐證明，該系統具有良好的應用效果。

3 總體框架

沼氣工程運行管理智能監控需要及時了解沼氣工程各環節的實時情況，如圖1所示，我們采用仿真模擬技術，對沼氣站點工藝流程進行了仿真模擬，并根據模擬結果，開展了沼氣工程運行管理智能監控系統總體設計。

圖1 沼氣全過程管理示意圖

如圖2所示，沼氣工程運行管理智能監控系統是由前端采集與傳輸平臺、后端數據分析與監控平臺組成。前端數據采集與傳輸平臺利用在線監測設備采集數據、通過定義在線監測設備標準化的數據通訊協議，形成傳輸網絡，將數據傳輸到后端的數據服務器上，存儲到數據庫中，通過數據分析與監控平臺進行數據加工處理、分析和展示。沼氣工程運行管理監測系統框架完全遵循分層設計理念，包括數據采集層、數據傳輸層、數據資源層、應用支撐層、系統應用系統層5個部分組成。

（1）數據采集層

數據采集層通過在沼氣工程各個工藝流程中安裝各類數據監測設備，獲取各類實時監測數據，包括溫度、流量、壓力、液位、成分分析、濃度等,并通過現場的工業組態軟件顯示監測數據，并控制泵、閥等裝置。

（2）數據傳輸層

數據傳輸層通過定義在線監測設備標準化的數據通訊協議，形成傳輸網絡，利用現場的測控傳輸單元以GPRS模式向遠程的數據采集服務器發送現場采集到的各類實時的監測數據，數據采集服務器接收監測數據，并將數據存儲到數據庫中。

圖2 沼氣工程運行管理監控系統總體架構

（3）數據資源層

數據資源層作為整個沼氣工程運行管理監控系統的數據支撐，采用專業的數據庫系統統一存儲沼氣站點的基本信息、系統基礎信息數據、沼氣站現場傳送的監測數據、視頻圖像信息等。

（4）應用支撐層

應用支撐層包括開發平臺和各類組件。其中開發平臺是基于北京市農業局提供的“標準化開發平臺”進行設計開發的；組件包括為沼氣工程運行管理監控系統提供基礎運行支撐的組件，主要有GIS組件、數據分析組件、數據交換組件等。

（5）應用系統層

應用系統層主要是指數據分析與監控平臺，數據分析與監控平臺包括數字化監控與管理和綜合管理兩個子系統。數字化監控與管理子系統主要有實時數據、狀態報警、視頻監控、數據分析、監控配置等功能模塊；綜合管理子系統主要包括站點管理、工藝流程管理、運維管理、短信平臺、權限管理等。

（6）三大支撐體系

標準規范體系的建設是保障整個系統建設成功實施的軟性因素，是各應用系統實現互聯互通、信息共享、業務協同、安全可靠運行的前提和基礎，本項目將按照北京市農業局相關標準規范進行項目建設。

4 具體設計

4.1 部署架構設計

根據項目建設單位的實際情況，結合沼氣工程運行管理監控系統的實際需求，本項目涉及沼氣站內各種監測儀器設備的部署，網絡傳輸設備的部署，數據采集服務器部署、數據庫服務器的部署、數據分析與監控平臺的部署等。

遵循充分利用農業局現有網絡環境和設備資源的原則，本項目所建系統部署在農業局信息中心機房，實現應用和數據集中管理，并且應用系統根據需要部署在外網上。外網面向北京市農業局、北京市各區縣沼氣管理部門、沼氣企業、社會公眾提供服務。

北京市農業局內外網采用物理隔離，通過安全隔離網閘進行數據交換。系統部署在農業局信息中心，外網與內網之間是隔離的，為保證系統與其它系統的信息交換和信息安全，內外網之間通過安全隔離網閘進行信息交換。

4.2 數據采集系統設計

沼氣工程運行管理監控系統的集成任務涉及沼氣站現場各類監控設備的集成、現場視頻設備的集成、服務器集成、數據交換。系統集成的過程就是數據采集與傳輸平臺搭建的過程。系統集成包括現場各類傳感設備與現場測控傳輸單元（DTU）的集成；現場測控傳輸單元（DTU）與遠程控制中心數據采集服務器的集成；數據采集服務器與數據庫服務器的集成；高清視頻攝像機與硬盤錄像機的集成；硬盤錄像機與遠程數據采集服務器的集成；沼氣工程運行管理監控系統與北京市相關職能部門之間的數據交換等。

（1）終端監測設備與數據采集控制器集成

在沼氣站內每個生產工藝流程中安裝不同監測設備，用來采集各個環節的數據，數據采集后要通過數據采集和控制器與遠端數據采集服務器進行通訊，上傳采集到的數據。針對沼氣工程，我們選用了具有高性價比的數據采集和控制器，可以針對多路4-20mA模擬輸入信號進行集中采集，兼容工業應用中4-20mA信號的多種接入方式；采用嵌入式硬、軟件設計，低成本、低功耗，而且內核資源豐富、性能可靠，方便實現多路RS232和RS485等通訊信號接入。將各類監測設備按照采集數據的要求安裝到沼氣生產工藝流程的節點上，根據不同設備的技術規格參數，通過RS-232/RS-485或者4-20mA數據輸出接口與數據采集和控制器（DTU）連接，將采集到的數據匯總到數據采集和控制器，以便后續實現數據上傳到遠程監控中心。本系統集成的傳感設備主要包括超聲波沼氣流量計、壓力變送器、溫度變送器、沼氣成分分析儀、紅外甲烷泄露報警儀、沼氣工程現場測控傳輸單元、在線PH計、視頻監控設備等。

（2）數據采集控制器與遠程數據服務器的集成

在沼氣站內安裝數據采集控制器，將各類監測數據匯總、顯示，并通過GPRS模塊將數據傳輸到遠程數據服務器。數據采集控制器集成GPRS數據遠程傳輸模塊、傳感器參數采集模塊以及集成組態軟件，支持至少32路RS232/RS485/4-20mA現場傳感器信號輸入、具有觸摸屏實時顯示、數據存儲及遠程傳傳輸功能、技術先進、工作穩定可靠。數據采集控制器在實現將采集數據匯總、顯示的同時，通過內置的GPRS模塊將數據發送至遠程數據采集服務器。通過測控傳輸單元與數據采集服務器之間進行通訊，實現數據的傳輸和接收。GPRS數據遠程傳輸模塊、傳感器參數采集模塊以及集成組態軟件集成到一起，安裝在配電箱內構成數據采集控制器。遠程傳輸模塊通過GPRS網絡將數據上傳到遠程服務器端，數據服務器接收上傳的數據。

（3）視頻監控設備與數據采集服務器的集成

現場的高清視頻攝像機將視頻信息傳輸到磁盤錄像機，通過磁盤錄像機與遠程數據采集服務器之間的通訊，通過配置TCP/IP協議，實現將視頻監控數據上傳到遠程的數據采集服務。

（4）數據采集服務與數據庫服務器的集成

通過Web Service接口標準服務接口對外提供數據。WEB服務交換接口可以將交換策略定制的數據集合按標準格式要求生成Web Service服務，在指定的服務器進行發布。同時也可以調用相關數據交換部門發布的Web Service服務，提交需交換的數據集合。

通過前置機數據庫提供數據。通過在部署于北京市政府專網上前置機服務器，實現與北京市其他職能部門實現數據交換。

（5）與相關職能部門應用系統的集成

沼氣工程運行管理監控系統可以通過數據交換與傳輸平臺提供的服務接口，與北京市其他職能部門交互，實現數據的傳輸和交換，并確保了數據傳輸的安全性和可靠性。

4.3 數字化監控與管理子系統

各沼氣站點的監測數據通過網絡傳輸，通過平臺的網絡接口上傳至平臺數據采集服務器，之后接入數字化監控平臺。在數字化平臺上通過不同的形式展示監測數據，通過對各類數據的統計、分析，判斷各類風險，識別隱患，評估各個站點的安全狀態，進而為科學的監測和決策提供依據，為沼氣工程的安全運行提供保障。主要功能包括：

（1）實時數據

系統以各種形式展現從沼氣站點接收到的監測實時數據。具體包括GIS地圖形式、列表形式和數據曲線形式。

（2）歷史數據

歷史信息管理模塊提供的功能和實時信息管理功能相對應，包括：歷史數據，歷史告警數據，歷史掉線數據，歷史曲線數據等4個功能。提供按時間段查詢功能。

（3）狀態報警

包括報警策略，即對報警規則的管理。目前報警有4種方式：各種狀態數據特殊顯示；設備通信中斷、掉線特殊顯示；系統消息通知；短信通知。

（4）視頻監控

在沼氣站的各個關鍵區域安裝視頻監控探頭，獲取沼氣站內關鍵區域的視頻圖像信息，前端設備通過網絡將視頻圖像數據傳輸到監控平臺，平臺在“視頻監控”模塊展示沼氣現場的圖像畫面。

（5）數據分析

系統提供了智能的分析工具，用戶可以靈活選擇每個沼氣站點、時間范圍、監測因子、數據格式、數據狀態，系統會根據用戶選擇的內容生成相應維度的統計結果圖表，圖標類型包括折線圖、柱狀圖等。通過圖表可以直觀地分析監測數據，為判斷設備狀態、生產環境、產氣量提供科學的依據。

（6）監控配置

包括監測儀器管理、基本信息維護、監測因子維護、采用的監測標準、通訊協議管理、數據接入管理、信息發布配置等功能。

（7）數據管理

包括監控數據校準、關注企業管理、自動判定、數據報警、數據補遺、數據審核、缺失數據處理、確認管理等功能。

4.4 綜合管理子系統

綜合管理子系統實現站點管理、運維管理、短信管理和系統管理。

（1）站點管理完成全市沼氣監測站點的信息維護，包括沼氣站點的增加、刪除、修改、查詢，站點空間位置信息維護，站點各類監測設備維護。

（2）運維管理

包括設備維護單、停運運維單、啟運運維單、維護查詢等功能。

（3）短信平臺

包括聯系人管理、短信發送、短信日志等功能。

（4）系統管理

包括權限管理、用戶管理、角色管理、授權管理、字典管理、系統日志等功能。

5 效果分析

為了加強沼氣工程自動監控，北京市農業局依托北京市農業局信息化基礎設施和全市沼氣工程項目，對現行的氣體傳感技術、物聯網技術、無線通信、GIS等技術進行研究，選擇適合本區域的合理技術，成熟產品，搭建沼氣工程運行管理監控系統，并在平谷區、順義區、昌平區、大興區、通州區和房山區的20個沼氣站安裝了監控設備，取得了良好的效果，主要表現在：

（1）實現了對全市沼氣工程生產數據的實時采集、監控、預警，保障了沼氣工程安全穩定運行，提升了北京市沼氣工程整體管理水平。

（2）通過對實時監控、預警數據的分析、研究和處理，細化沼氣工程運行模式，有效減少能源消耗，提升了沼氣工程的綜合效益，使沼氣工程成為管理科學、資源節約、環境友好、效益顯著的產業。

（3）實現精確統計沼氣工程產氣量、進一步為沼氣工程科學監測提供依據，為政府宏觀調控提供支撐服務。

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