西门子LOGO在新农村建设的应用

关长亮， 王贵成， 王焕东， 张 曦， 聂俸斌

(1.沈阳化工大学 信息工程学院， 辽宁 沈阳 110142； 2.山东新华医疗器械股份有限公司， 山东 淄博 255086)

西门子LOGO在新农村建设的应用

关长亮1， 王贵成1， 王焕东2， 张 曦1， 聂俸斌1

(1.沈阳化工大学 信息工程学院， 辽宁 沈阳 110142； 2.山东新华医疗器械股份有限公司， 山东 淄博 255086)

系统以沼气以及沼气能源循环构建农村蔬菜大棚、牲畜养殖等工程为主要研究对象，对影响沼气生产过程的主要因素进行分析，提出以温度、压力作为沼气生产过程的主要控制参数，通过PC上位机和LOGO!下位机构成的自动控制与监测系统，采用PI控制算法，同时以西门子LOGO!作为下位机的主要硬件设备，设计硬件结构，完成数据采集、执行机构动作，从而实现沼气生产过程的自动控制，提高目前沼气的生产及使用效率，带动与沼气相关联工程的应用，解决我国农村目前能源利用效率低、应用不合理的问题，最终实现推进沼气在农村的应用水平，提高农民生活质量，加快新农村建设步伐.

沼气; 能源循环; 自动控制; 西门子LOGO!; 新农村建设

由于长期依靠劳动密集型的工业产业来推动GDP增长，导致近年来我国能源短缺问题日益突出.这时作为重要可再生能源的沼气开始获得广泛关注.沼气在应用过程中能有效治理污染，保护生态环境；生产过程有利于杀灭流行性的有害微生物，保护人畜健康.将沼气用于农村后，可提高农民生活质量，促进社会主义新农村建设.沼气技术是实现变废为宝的高效转换技术.在农村大力推广沼气具有显著的综合收益：能够解决农村能源供应不足问题，提供农户生活所需能源；减少人畜粪便和生活污水造成的农业资源污染，有效改善农村环境卫生状况，减低室内空气污染，提高农民生活质量和健康水平;沼气也可发电用做农机动力，中型沼气工程生产的沼气可用来发电、烧锅炉、加工食品或供给城市居民使用.以沼气为核心的生态农业建设，可推动农民生活质量和健康水平的发展，促进农业增效和增收，具有显著的能源、经济、环境和社会意义[1].

沼气是有机物在厌氧条件下经微生物发酵作用生成的一种可燃性混合气体，其主要成分是甲烷和二氧化碳.沼气发酵广泛存在于自然界中，如湖泊或沼泽中常可以看见有气泡从污泥中冒出，将这些气体收集起来便可以点燃.人们利用这一自然规律进行沼气发酵，既可生产沼气用作能源，又可处理有机废物以保护环境，经沼气发酵后的沼渣、沼液又是优质的有机肥料.沼气发酵是综合利用有机废物，保护生态环境，促进农业生产可持续发展的重要措施之一.沼气燃烧后生成的二氧化碳，又可被植物吸收，通过光合作用再生成有机物，因而沼气又是一种可再生能源[2].

目前，通过实地调查分析，发现导致沼气池目前推广不普遍的原因首先是建设周期长，每家挖坑、垒池、装料、产气约一个月时间.其次，沼气池的产料受环境温度的影响很大，普遍情况是在夏季产气量大,冬季又因为环境温度低而产气不足，导致沼气不能正常使用.更重要的是很多人不懂沼气池的维护和保养，往往由于某一个小环节处理不当，而造成影响产气、用气和漏气等现象，很多人甚至就是在清池时失去了生命.并且传统沼气的生产模式经济效益和自动化程度都很低，通过调查得知，目前农户对沼气的认识还停留在解决农民生活用能(炊煮、照明)等单一方面，在探索沼气综合利用方面缺乏系统、科学的引导.其一农户未能正确认识沼气构成能源循环的经济效益，以蔬菜大棚、鸡舍等生态农业模式带来的具体经济效益；其二是当时在进行沼气池建设时并没有进行“一池三改”(沼气池、改厨、改厕、改圈)的配套建设，使沼气池建成后并没有达到预期改善农村环境卫生，改善村容村貌、提高农村生活质量的效果.

考虑目前农村沼气的使用，以及沼气作为循环能源在农村蔬菜大棚、作物灌溉、牲畜养殖、家庭取暖与做饭及农村卫生等方面应用的广阔前景，本文选择沼气使用过程的控制部分作为设计内容.通过对沼气生产过程影响因素的分析，提出沼气生产过程的主要控制参数为温度和压力，选择西门子LOGO!产品作为主要硬件设备，实现沼气生产过程的自动控制.为了解决我国农村目前沼气能源利用效率低、应用不合理的问题，以及沼气在北方冬天因温度低而影响使用的问题，根据沼气使用的实际情况，提出设计方案，利用LOGO!完成现场数据采集、自动控制和信息显示等功能，带动沼气控制设备的发展，从而提高目前沼气生产和使用效率，为更加广泛地安全使用沼气提供保障.

1 控制器特色

(1) 通过引进西门子LOGO！作为控制器进而改进与完善沼气工程的生产效率，提高沼气工程的自动控制与检测水平.

(2) 通过引进西门子LOGO！控制器，提高沼气系统的自动化水平，从而解决我国北方冬天因其温度低导致沼气利用不普遍的问题.

(3) 将西门子LOGO！综合应用于新农村的沼气及与沼气有着能源循环的工程之中，对于农村的蔬菜、塑料大棚、鸡舍等工程生产过程中暴露出的能源利用不充分，能源循环较为单一问题，通过引进西门子LOGO！使之与沼气工程构成能源循环，进而提高能源利用效率.

2 功能实现

沼气池设备主要构成部分及连接关系如图1所示.

图1 沼气池设备组成

根据图1所示，沼气发酵反应炉通过管路与进水池、进料池、中和剂池、排泥池、及集气室相连接，使其各部分机械结构成为一个整体.根据发酵反应需要，实现发酵反应液体在各部分管路中的定向流动.其中:沼气发酵反应炉是该反应装置中的核心结构，沼气发酵的全部过程将在该炉内完成；集气室收集反应生产出来的沼气；进水池与进料池用来向反应炉内输送原材料，保证反应正常进行；中和剂添加池则用来向炉内添加碱，中和炉内酸碱度；排泥池用来接收反应炉内排除的沼气发酵废弃污泥.

2.1 工作原理

2.1.1 工艺流程

沼气发酵是一个复杂的微生物学过程，同时也是整个沼气生产过程中至关重要的环节.它是各种有机物在厌氧条件下，被各类沼气发酵微生物分解转化，最终生成沼气的过程.沼气发酵工艺是指在厌氧条件下，通过沼气发酵微生物的活动，处理有机废物并制取沼气的技术与装备，也称厌氧消化工艺.一个完整的沼气发酵工程，无论其规模大小，工艺流程大致包括以下几个部分：原料(废水)的收集、预处理、消化反应器(沼气池)、出料的后处理和沼气的净化与储存等.其具体流程图如图2所示[3-4].

图2 沼气生产过程工艺流程

2.1.2 控制算法

在常规控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制[5-6].模拟PID控制系统原理如图3所示.

图3 模拟PID控制系统原理

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与测量值c(t)计算控制偏差：

e(t)=r(t)-c(t).

(1)

(2)

或写成传递函数的形式：

(3)

式中:kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数.

简单来说，PID控制器各校正环节的作用如下：

(1) 比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差.

(2) 积分环节：只要用于消除静差，提高系统的无差度.积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强.

(3) 微分环节：反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间.

2.1.3 控制过程描述

针对系统运行过程中各个控制过程的具体实现情况，对沼气发酵反应的整体控制过程进行简单描述如下：

(1) 加新料过程：当检测到炉内被控参数值过高或者碱性过强时，由其各自的变送器传送给控制器，控制器通过内部的控制算法分别对其进行运算，将运算结果通过控制器输出给执行机构，通过执行机构完成向发酵反应炉内的填料过程.

(2) 加水过程：当检测到炉内被控参数值过低时，由其各自的变送器传送给控制器，控制器通过内部的控制算法分别对其进行运算，将运算结果通过控制器输出给执行机构，通过执行机构完成向发酵反应炉内的加水过程.

(3) 排泥过程：由于反映炉内长期进行沼气厌氧发酵反应，所以反应炉底部沉积下了许多的厌氧发酵反应后的废弃污泥.这些污泥对厌氧发酵反应的进行没有任何促进作用，为了保证厌氧发酵反应的顺利进行，并且保证反应炉内的沼气产量，所以必须定时对底部污泥进行排除.

2.1.4 系统性能要求

沼气自动控制与监测系统设计建立在具体的沼气发酵反应设备基础上.对该系统的整体性能要求，主要实现以下两个方面：

(1) 系统稳定性.反应炉内存在的各种化学变化和物理变化，多数具有非线性、时滞性等特点，所以沼气发酵反应系统属于较慢反应系统.因此，它所需要的控制系统应具有良好的稳定性.

(2) 系统可靠性.由于这些反应变化直接关系着发酵产生沼气的速度、产生沼气的质量和产量，所以，要求本次设计的控制系统对发酵反应时反应炉内出现的限制情况能够及时给予控制和改善，因此，它所要求设计的控制系统还应具有较高的可靠性.

2.1.5 控制部分原理

LOGO!控制部分主要工作为：控制反应炉中被控参数趋于设定值；控制反应炉内废弃污泥的定时排出.其控制部分的工作原理叙述如下：

由控制系统工艺流程设计得出，在检测装置检测阶段，LOGO!将要接收到2个模拟量输入，分别为温度和压力.自动控制过程中，主要的输出包括3个泵1个加热设备和报警系统.

另外，在LOGO!控制的过程中，还需设置手动、自动、急停这3个功能按钮.而在对系统控制中，系统可能出现故障的情况，所以需要对其设置报警输出.

通过对被控系统动作实现部件的具体分析，了解到系统被控系统输入与输出点数的具体要求,如表1所示.

表1 系统输入输出点数

2.2 硬件选型

2.2.1 检测变送装置

检测变送装置在该系统中用来实现对发酵反应炉内发酵反应实际变化情况的检测工作(主要的检测参数包括温度、压力).本次设计要求采用单点测量，其温度传感器安装在发酵反应炉内，压力传感器安装在集气室内,所以需要传感器具有较好的耐腐蚀性.变送器能将检测到的信号，按一定规律变换成为电信号，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求.由于生产现场的条件恶劣，所以其传感器和变送器最好是相连接距离较近的，以便保证其信号的稳定传输[7-8].因此，系统采用的传感器与变送器的连接结构均采用一体式.

温度检测装置：温度传感器最常用的是热电阻和热电偶，根据反应炉内温度长时间变化缓慢的特点，所以采用热电阻温度传感器及相应的变送器[9].

压力检测装置：根据系统的应用环境特点，在压力传感器选择中，采用工业级压力传感器以及相应变送器，具体型号如表2所示.

表2 检测装置设备型号

2.2.2 执行设备

泵是沼气发生系统中主要的执行设备之一，对系统中安装的泵的作用及型号进行具体分析与说明.各个泵实际存在位置及作用见表3.

表3 泵安装位置

根据需要输送物料的具体情况，系统采用适于抽送80 ℃以下带有纤维或其他悬浮物的液体、供城市工矿企业排污水粪便之用的PW型离心污水泵，型号为2.5 kW，扬程43 m，流量29 m3/s.将3个泵选择为同一规格，其目的是可以实现相互之间的交换，延长泵的使用寿命.

2.2.3 控制设备

通过分析并考虑设计需要的输入量和输出量的点数，设计采用LOGO！基本型，选择LOGO！ 12/24RC，它集成了8个数字量输入(在12/24VDC状态下还包括2路AI)和2个数字量输出；支持AM2扩展模块模拟通道输出4～20 mA信号；新增LOGO! TD(文本显示屏)提供附加信息显示；它包含4个光标键和4个功能键，具有密码保护功能，可保护用户的专有程序；同时为创建用户程序提供38个预组态的标准功能块和特殊功能块；提供200个程序块用于创建程序；新的LOGO! 为实时时钟提供长达2年的备用电池，以及32 kB存储空间.由于该型号LOGO！本身不具备对模拟量的控制能力，针对系统存在2个模拟输入，根据系统现有检测装置的输出均为4～20 mA电流信号，决定选择该系列中的一个具有模拟量控制模块LOGO! 12/24RC[10-11].其控制部分硬件结构框图如图4所示.

图4 控制系统硬件结构

2.2.4 控制方案实现

(1) 用户可通过自动与手动按钮，实现手动、自动状态的切换.

(2) 当系统进入自动控制状态，将根据检测装置反馈到控制器的信息，利用LOGO!内控制算法，控制执行机构动作，实现反应炉内沼气发酵反应正常进行.主要控制系统的温度和压力.

(3) 温度自动控制：考虑到东北地区实际情况，在冬天影响沼气发酵的主要原因是温度过低，因此，设计采用PI算法控制电加热棒输出，使系统温度恒定在35 ℃.

(4) 压力控制：考虑到用户安全和沼气使用时的稳定供应情况，设计采用集气室内压力控制，当压力高于12 kPa时，启动泵1向反应炉内加水稀释并降温减小反应速率，当压力减小到8 kPa时关闭泵1.一旦压力超过15 kPa时开始报警，可以人工减压以防安全隐患.当压力不足8 kPa时，启动泵2向反应炉内加反应物料增加反应物浓度和温度使反应速率加快，当压力增加到12 kPa时关闭泵2.一旦压力10 min内持续低于8 kPa时开始报警，人工检查物料池内是否没有物料或漏气等故障.

(5) 当发酵反应发生一段时间后，反应炉内会沉积一些发酵反应剩下的废弃污泥，需要通过排泥系统将这些污泥定时排除，保持反应炉内反应正常进行.排泥开始时，泵3开始工作.用户还可以通过LOGO!上的显示屏看到压力﹑温度的实时信息，为用户相应的决策提供必要参考. 完整设计程序框图如图5所示.

图5 系统程序设计框图

3 结 论

中国经济发展，必须重点考虑农村的发展，特别是近年来新农村建设方面.通过调查发现沼气在农村应用的瓶颈问题，通过把西门子LOGO!产品与沼气装置结合，实现沼气装置自动化程度和可靠性的提高，进一步推广沼气在农村中的使用，最终目的是希望把沼气应用于农村的温室大棚﹑养殖业﹑生活供暖等方面，由自动化系统控制沼气的循环利用，提高农村使用沼气的自动化水平，为农民带来实惠.

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[11]西门子.LOGO！使用手册[M].3版.北京：西门子，2012：8-12.

Applications of Siemens LOGO in the New Rural Construction

GUAN Chang-liang1， WANG Gui-cheng1， WANG Huan-dong2， ZHANG Xi1， NIE Feng-bin1

(1.Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142， China；2.Shandong Xinhua Medical Instrument Co.,Ltd， Zibo 255086， China)

The system make use of biogas and energy cycle to build some projects,such as rural vegetable greenhouses,livestock production and so on,as the main research objectives,and analyzed the main factors which affected biogas production process.It proposed to choice temperature and pressure as the main control parameters for biogas production process,via PC which is the upper computer and LOGO! which is the lower one built automatic control and monitoring system,and use PI control algorithm.While Siemens LOGO! as the major hardware design the hardware scheme,which realize data acquisition and actuator action to automatic control for biogas production process,and improve biogas production and efficiency currently,thus it promotes application associated with biogas project,to solve currently energy low efficiency and irrational use in rural,and ultimately to promote the application level of biogas in rural,further to improve their living quality,and accelerate the pace of new rural construction.

biogas; energy cycle; automatic control; siemens LOGO!; new countryside construction

2013-10-10

关长亮(1988-)，男(满族)，辽宁丹东人，硕士研究生在读，硕士，主要从事计算机控制系统集成方面的研究.

王贵成(1972-)，男，辽宁抚顺人，副教授，博士，主要从事复杂过程建模与控制方面的研究.

2095-2198(2015)01-0069-06

10.3969/j.issn.2095-2198.2015.01.015

X851

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