太陽能沼氣池智能檢測與控制系統

曲弘揚 劉曉琴 李慧文 張文照

摘 要：為維持沼氣池內各種菌群的適宜生存環境，解決北方地區冬季溫度低而導致沼氣池產氧率低、使用率低問題，設計太陽能沼氣檢測與控制系統。設計上下兩級微機，功能主要有智能恒溫部分，智能減壓部分，防結殼部分和遠程監控部分。制作了硬件系統，實驗證明系統可實時監控各個模擬設備的運行狀態，實現了參數記錄，臨界值預警等預設功能，運行穩定。

關鍵詞：太陽能沼氣池；智能；檢測

0 引言

發展沼氣是開發替代能源的重要途徑之一，推廣沼氣是建設生態型生活和生產的關鍵環節[1-2]。將太陽能更為有效的轉化為發酵裝置可獲取的能量，使其較好地穩定在沼氣發酵的理想溫度范圍內。太陽能沼氣池運用智能控制實現恒溫加熱，定時攪拌，智能控制，遠程控制，達到對清潔能源的高效利用[3-4]。系統以太陽能電池板吸收太陽光產生的電能為主，電網電能為輔，通過沼氣罐內置的電加熱片來維持罐內的恒溫環境，來提高罐內的發酵溫度。

1 沼氣發酵的基本條件

厭氧環境是沼氣發酵的必備條件，沼氣微生物的核心菌群是甲烷菌群，對氧氣特別敏感，在其生長、發育、繁殖、代謝等生命過程中都不需要氧氣，空氣中的氧氣會抑制其生長發育。發酵原料的碳氮比一般要制在25～30：1之間，通過調整以上兩種原料比例來控制，沼氣適宜酸堿度為6.5～7.5之間[5]。

2 太陽能沼氣池智能監控系統方案設計

系統選用S7-200系列PLC作下位機，選用模擬模塊實現對現場模擬量數據的采集，通過數字量接口控制相應設備來修正沼氣池內各種參數范圍。系統加入手動調節和遠程監控環節，實現遠程控制現場各種操作，完成現場參數實時記錄，臨界值預警等功能，如圖1所示。

設計有4個數字量輸出，8個數字量輸入和2個模擬量輸入，選取CPU222，模擬模塊選用EM231， RS485總線通訊方式實現設備連接。

2.1 智能恒溫模塊

智能恒溫模塊是實時糾正池內溫度與預設溫度的偏差，采用雙金屬片控溫加熱棒，PT100作為溫度測量元件。PT100信號經溫度變送器轉變成4～20ma標準電流送入模擬量輸入模塊。系統有溫度顯示模塊，實時顯示沼氣池內溫度。

2.2 防漲池模塊

農村小型沼氣池內正常工作氣壓以≤8個大氣壓，池內最大氣壓限值≤12個大氣壓。壓力儀表選用量程在0～0.6MP的數字壓力遠傳表BD-801Y，變送輸出為4～20ma標準電流信號。智能減壓環節主要靠沼氣池內壓力檢測值與設定值比較來決定電動閥的開啟關閉時刻，電動閥選擇防爆系列電動閥。

2.3 智能節能系統

智能節能系統是利用自動恒溫模塊和壓強檢測模塊相互配合來實現減少能源損失的。當沼氣池內壓強在8大氣壓強以下時，池內加熱器將維持30℃左右的溫度，保證池內菌群保持較高的產氣率；當池內壓強在8～11個大氣壓強之間時，溫度保持在15℃左右，使池內菌群保持較低的產氣率，維持池內氣壓穩定，保護沼氣池壁的作用；當池內壓強在11～12個大氣壓之間時，維持溫度在5～10℃左右，能使產甲烷菌群幾乎不產氣，達到控制沼氣壓強，減少能量的損失；若沼氣池內壓強高于12個大氣壓強，處理器啟動排氣管的上的電動閥，將一部分沼氣排除沼氣罐。

2.4 防結殼系統

考慮池內存在大量可燃性氣體，對于大中型沼氣池，采用增安型防爆電機置于沼氣池外部提供動力；小型農用沼氣池，因沼氣儲量不大，采用防爆等級低的微型隔爆型直流電機。

3 太陽能沼氣池智能控制系統軟件設計

控制部分由上位機和下位機構成。下位機實現程序設置、端口功能和I/O接線設置。上位機完成對下位機采集的現場參數實時顯示、記錄保存、臨界值預警、遠程操作，如圖2所示。

采用組態王實現監控功能。組態畫面包含池內溫度記錄的實時趨勢曲線、歷史溫度曲線。為保證系統的運行穩定和安全，設計報警記錄，并在一定時間內保存報警事件發生的時間、類型等相應的信息。

4 結論

對設計的主要功能部分，進行了實物的連接，程序制作。包含有智能恒溫部分，防結殼部分，和遠程監控部分的實物制作。經過軟硬件結合的實物模型制作，驗證了本系統能夠可靠穩定運行。

參考文獻

[1]王麗穎，林麗華，高虹，賈玲，田瑞.太陽能沼氣池熱性能實驗研究[J]，中國沼氣，2013，31（2）：26-29，33

[2]胡萬里，劉榮厚，杜章永.基于S7-200的大中型軟體沼氣工程控制系統設計[J].農機化研究，2013，（11）：215-217

[3]李莉. 太陽能沼氣池遠程測控系統研究[J].雞西大學學報.2014，14（11）：32-34

[4]李麗麗，施偉. 太陽能沼氣池自動控制系統設計與仿真[J].傳感器與微系統.2011，30（9）：109-111，114

[5]秦國棟，吳湘蓮，張征宇，樓平. 太陽能輔助加熱沼氣池自動控制系統設計[J].農機化研究.2013，（9）：231-233，242