P L C在沼氣發電控制系統中的應用

北方民族大學電氣信息工程學院 劉 洋 牛小燕

P L C在沼氣發電控制系統中的應用

北方民族大學電氣信息工程學院 劉 洋 牛小燕

隨著國家科技的不斷發展，煤、石油、天然氣等一些不可再生能源在不斷地耗竭，可再生能源的利用率在不斷地提升。而沼氣發電作為國家的新興產業，也在不斷的發展。本文通過自動化技術，實現沼氣高效率生產、規模化利用、發酵底物產業化、燃燒廢熱環保化。該系統主要利用PROFIBUS現場總線來完成PLC與整套設備及I/O之間的通訊，利用MPI總線和上位機之間連接，另外系統設置多重措施，實現早預警早報警，保證系統安全有效生產。

沼氣發電；PLC；PROFIBUS

0.引言

當今社會能源問題是各國都要解決的重大問題，傳統的能源像煤，石油，天然氣等都是化石能源，是一種不可再生資源，預計在幾十年之后僅僅依靠有限的化石能源難以解決國家持續發展的問題。沼氣是一種可再生清潔能源，主要成分為甲烷，經過提純后沼氣中甲烷濃度可達到天然氣水平，這樣的沼氣稱為人造天然氣。而沼氣發電技術可以有效的將一些動物糞便及一系列廢棄的有機物轉化為清潔能源，充分實現能源循環再利用的環保理念。本系統設計了一套從廢料進廠到沼氣的生成，沼渣沼液的處理，熱電聯用的控制方案，它可以完成整套系統的自動控制和監測，大大減輕了人力物力，同時也提高了運行效率。

1.系統介紹

1.1 系統工藝流程

整個系統的工藝流程大致分為原料進廠、沼氣的生成、沼氣進化、沼氣發電等幾個部分，圖1為整個系統的工藝流程圖。大致過程如下：首先將一些動物糞便及一些廢棄的有機物充分混合后放入厭氧發酵池內，然后讓發酵池處于隔絕氧氣，溫度保持在53°左右的環境中，因為該溫度是細菌群生長的最優條件，發酵之后剩余的沼渣沼液送到固液分離裝置，被分離之后的東西可用做有機肥灌溉與農田。

圖1 發電系統工藝流程圖

1.2 系統控制功能

整個系統運行主要由原料進廠、厭氧發酵、固液分離、沼氣凈化、熱電聯用、五個控制線路組成，各個控制控制線路描述如下：

（1）原料進廠

原料進廠整個線路全部是自動化裝置，使用PLC對原料進入開始、正常運行、停機、進料速度和水注入速度等進行控制。

（2）厭氧發酵

這一步主要用于沼氣的生成，通過使用可編程控制器對發酵罐內的溫度、PH、壓力等進行控制，以達到生成沼氣的條件。

（3）固液分離

固液分離主要由螺旋壓力分離機來對其進行操作，必須確保固液分離時螺旋壓力分離機運行時足夠的壓力。

（4）沼氣凈化

沼氣凈化主要是對生成的沼氣進行脫水脫離處理，以防止堵塞輸氣管道和腐蝕管道。

（5）熱電聯用

采用冷熱電三聯供沼氣發電機組進行場內供電，同時采用內燃機排放的高溫煙氣及缸套內熱水直接驅動煙氣直燃型機組，為場區提供冬季供熱，夏季供熱以及日常生活用水。

2.控制系統的設計

2.1 監控系統結構與配置

按照整個系統工藝流程的結構和特點以及控制要求，設計了沼氣發電整個體系的在線監控系統。設置為手動和自動兩種控制方式，手動即在現場設置手動控制箱以便后期的維護，自動即在上位機監測，該系統上位機采用組態王6.55，下位機選用西門子S7-300PLC,根據系統工藝布置，全場共設置一個主控室和兩個遠程站，PLC與上位機采用MPI通訊方式并通過PROFIBUS總線與ET200擴展模塊進行通訊。整個系統控制結構圖如圖2.

圖2 系統控制結構圖

2.2 下位機系統結構設計

下位機選用西門子S7-300PLC為主機，該系統集成24個I/O總共40個數字量輸入輸出點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數字量輸入輸出點，系統通過PROFIBUS總線與兩個ET200模塊進行連接，ET200作為遠程的信號輸入輸出從站，接收系統從現場采集到的溫度、壓力、PH值等數據并將數據發送到CPU，CPU通過運算處理之后發出命令，然后在通過ET200從站將指令下發至各個調節閥。

下位機監控流程圖如圖3所示，當下位機標志位檢測置位時，表示采集到的數據有效，讀取得到的PLC中各點監測數據是有效的。利用監測數據實現流程動態監測、形成了監測數據報表，為了增強系統的穩定性和可靠性，設置了手自動切換界面，手/自動切換流程圖如圖3所示。

圖3 下位機監控流程圖

3.結束語

本系統設計了一套中大型自動化沼氣產業系統，該系統以PLC為控制核心，各個生產步驟高度電氣化，將較為先進的自動控制理論用于實際生產，為未來沼氣產業的發展提供一個較未完整的模型。據了解我國目前正在著重推進厭氧消化裝置總體容量1000立方米以上中大型沼氣工程試點項目的開展，這就意味著未來大型沼氣項目將在祖國各個地區都有大規模應用，由此看來本系統在未來使用空間很大前景十分可觀。

[1]李偉,吳樹彪,Hamidou Bah,龐昌樂,董仁杰.沼氣工程高效穩定運行技術現狀及展望[J].農業機械學報,2015,07:187-196+202.

[2]鄒伯敏.自動控制理論[M].北京:機械工業出版社,2007.

[3]辛睿德.基于PLC的沼氣發酵監控與數據采集系統設計[D].武漢,華中農業大學,2013.

項目來源：北方民族大學電氣信息工程學院2017年度校級創新項目。

項目名稱：基于PLC的沼氣發電控制系統的設計（編號：YCX1770）。