沼气工程增温装置物联网控制系统研究

郑勇+焦静+王金丽+张劲+黄正明

在的问题，重点分析沼气工程增温装置物联网控制系统包括增温装置、物联网技术、控制系统等的研究现状。本研究选用由太阳能增温模块、空气能增温模块、反应器增温模块、储热水箱等4大模块组成的多能互补型水循环增温装置，采用中温转筒仓式干发酵方式和因特网P2P云通讯方式，对系统方案进行了总体设计。

关键词 增温装置 ；物联网 ；智能控制系统

中图分类号 S216.4

Warming Facility and Control System Used Internet

of Things Technology in Rural Methane Project

ZHENG Yong1，2） JIAO Jing1） WANG Jinli1） ZHANG Jing1） HUANG Zhengming1）

（1 Agro-machinery Research Institute， CATAS， Zhanjiang， Guangdong 524091；

2 Institute of Rubber，Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Danzhou， Hainan 571737）

Abstract The article summarizes the development background， the importance and problems in rural methane project， including the research on warming facility， Internet of Things technology and control system. The research scheme and the design concept of the system are researched in the paper. The warming facility of multifunction and mutual complementary system combined with solar active heating module， air heating module， reactor heating module and storage tank， heating in mesophilic fermentation and cloud communication method P2P are adopted in the design of the overall technology proposal of the research.

Key words warming facilities ； internet of things ； automatic control

人口、資源和环境是当今地球面临的三大问题，随着人口的膨胀和经济的快速发展，三大问题与发展的矛盾愈来愈突出，引起了全世界的忧虑和不安，世界各国在有限资源中积极寻求和开发新能源。在中国，农村沼气工程作为一项重要的民心工程，充分体现了绿色环保、节能高效，为地球环境做出了重大贡献，给中国农村百姓生活带来巨大改变。“十二五”以来，我国中央一号文件多次为我国发展沼气工程提出具体要求和进行工作部署，党中央、国务院高度重视农村沼气建设，出台了系列的关于发展农村沼气的法规政策，包括《中共中央国务院关于做好农业和农村工作的意见》《中共中央国务院关于推进社会主义新农村建设的若干意见》《中华人民共和国节约能源法》《全国农村沼气工程建设规划（2006-2010年）》《能源发展“十二五”规划》《农村沼气建设国债项目管理办法》《农村小型公益设施建设补助资金管理试点办法》等。中国沼气工程建设效果比较显著，全国沼气用户约4 300万户，受益人口1.5亿人以上，建有10多万处规模化沼气工程和多个特大型沼气工程（规模在10 000 m2以上），将有10万多处农村沼气工程乡村服务网点，覆盖全国沼气用户70 %以上[1]。

农村沼气工程得到了迅速发展，随着该项工程的继续深入，沼气产能与安全管理将成为沼气工程推广应用中的突出问题。目前，沼气工程系统主要靠人工操作，机械化、信息化、智能化水平较低，废弃物利用率不高，且在系统故障诊断方面较为滞后，现场操作危险性较高。本研究采用农业物联网、PLC、云触摸屏、APP等现代农业信息技术，利用空气能和太阳能清洁能源，研究增温装置物联网控制系统的设计方案，以增加沼气工程系统的智能化、信息化，提高系统的安全性、准确性和经济高效性。

1 研究现状分析

1.1 沼气工程增温装置研究现状分析

在沼气工程系统中，厌氧发酵温度过低是制约沼气工程发展的一个关键因素，研究廉价实用的沼气工程增温装置显得非常重要。有研究表明，温度在35 ℃条件下发酵产生的沼气量是温度在15 ℃条件下发酵的12倍[2]。如何帮助沼气工程系统增温保温是学者关注的问题。学者们立足廉价、实用和清洁的能源角度，研究了将系统管道买入地下进行保温和使用化学药剂聚苯乙烯和聚氨酷等材料强化保温，采用减少系统水含量的方式降低系统运行过程中的能耗[3-4]，使用太阳能集热器、沼气发电组余热、生物质热水锅炉、空气能热泵或沼气燃烧等单种方式和复合方式进行增温[5-8]，从增温的经济效益和能源的利用率上考评，结果都不理想。其中太阳能易受到天气的影响，稳定性较差[9-11]。沼气发电余热能够通过专门装置实现热能的回收利用，加热最快[12-14]。空气能热泵是利用空气中的能量来进行热能的产生，以消耗最少的能源产生恒温、大水量、高水压的一种热水器。分别经过大功率燃气、大功率电热水器、太阳能热水器、空气能热泵4代的发展，运用热泵工作原理制热后将热量输送给保温水箱，空气能热泵制热不需要阳光，能够连续产生热量，且寿命长，不生产有毒有害气体。空气能热泵是一项开发和应用潜力比较强大的技术，新型复合型增温方式成为系统增温方面研究的热点和趋势。

1.2 物联网沼气工程发展与研究现状

物联网技术在农业上的应用，能为农业生产实现集约、高产、优质、高效、生态、安全提高技术支撑和重要保障[15]。物联网系统选用温度传感器、液位传感器、PH传感器、CO2传感器等多种传感器进行光温水肥气的动态监测，采用传感器节点建立物联网监控网络，具有实时监测功能、远程控制功能、查询功能、警告功能。传统的沼气发酵系统数据监测与控制系统主要包括工业控制、单片机控制、PLC控制、集散控制和现场总线控制5大类[16]，物联网沼气工程系统由传感层、传输层和应用层3部分组成，系统中的关键参数包括沼气温度、压力、液位、浓度。在新型传感器方面的研究包括BOD（生化需氧量）传感器[17]、在线总挥发酸VFAs测监测系统[18]、CH4浓度监测设备[19]，物联网技术农村沼气监测预警系统[20]等。在物联网沼气工程系统方面的研究报道较少，该方面的研究仍处于理论探索阶段，系统的应用需要进一步完善和优化。

1.3 沼气工程系统控制发展与研究现状

自动控制技术在国内外得到了快速发展和应用，随着系统控制的难度、复杂性、参数的增加，学者们研究了反馈控制、神经网络控制、PLC、PID控制等传统与现代控制方法的融合[20]，并在沼气厌氧发酵系统中开展了应用，形成了一系列先进的控制方法和理论，研发了先进的配套设备和软件，在沼气过程系统中发挥了较好的作用，取得了较好的效益，先进的控制理论方法值得借鉴和学习。在国外，先进的理论方法研究包括如发酵系统二维模糊控制[21]，发酵过程的模糊控制理论[22]，PID控制进料速率[23]，神经模糊控制甲烷产气率[24]，多模型估计智能远程控制[25]等。在国内，沼气控制系列理论研究刚刚起步，系统自动化控制还较低，劳动强度较大，且运行的成本比较高。国内学者围绕控制理论和应用展开了深入研究，如PLC和组态软件理论[26-28]、增量PID控制算法[29]、沼气发电中控系统[30-31]、远程控制系统[32]、沼气压力监控系统[33]、pH在线智能控制系统等。随着信息化技术的发展与成熟应用，沼气工程系统控制发展将向多参数监测、多种传感器融合、多种控制方式并存的方向发展，将逐步实现系统的网络化、远程化、可视化、智能化、信息化功能[34]，将更凸显符合中国各地沼气工程需求特色，推动沼气工程系统控制关键技术的研发集成与应用，提高沼气工程质量，确保系统的灵活性、安全性和稳定性。

2 增温装置物联网控制系统方案设计

物联网控制系统增温装置，是充分利用太阳能、空气低温热能，使沼气干发酵系统温度保持在中温发酵范围内，保持沼气系统运行费用在尽可能低的水平。控制模块由智能终端、云服务器、上位机、云触摸屏、下位机、可编程控制器共同组成。增温装置原理如图1。

增温装置物联网控制系统的执行元件主要为各环节的热水泵、电磁阀以及空气能热泵和变频器，检测元件主要有电流开关、水流开关等开关量传感器，以及液位变送器、温度变送器等模拟量传感器。本方案设计采用西门子S7-200系列小型PLC可编程控制器作为控制系统的下位机，云触摸屏为上位机的系统架构。下位机与上位机的通信采用性能可靠的传统RS485通讯方式，采用因特网P2P云通讯方式，进行现场信号自动采集与处理，以及远程云控制与分析，实现增温装置控制系统的物联网化，控制系统总体方案如图2。

3 结论

本研究基于资源化原则、减量化原则、无害化原则、生态化原则，围绕沼气产生过程中使用的工艺方法和设备系统组建关键技术的需求，重点研究多功能互补性沼气干发酵反应器增温装置物联网控制系统的设计，该设计在沼气工程中的现实意义主要包括：

（1）增温装置的研究帮助提高沼气系统的产气率和产气量。温度是影响产气率和产气量的关键因素之一，中温发酵、增温保温工艺在沼气工程中显得非常重要，适宜的温度可以帮助提高农业废弃物发酵中的活性，提高不同生物种群生物的新陈代谢，提高沼气的产气率和产气量。

（2）“物联网+PLC”控制模式和关键技术的引入，帮助提高沼气工程系统的智能化程度，提高系统运行的经济性。通过PLC接口，与沼气工程系统中温度、液位、电流等传感器和执行器进行连接，可以进行开关量逻辑控制、定时计数控制、模拟量控制、数据分析处理、数字通讯控制等，同时通过物联网多传感器和网络云平台的搭建，进行沼气工程系统动态数据采集、传输、分析与控制动作。减少人力成本，增加系统的智能化程度和运行的经济性。

（3）云触摸屏和APP关键技术的应用，帮助系统实现远程可视与准确控制，推动系统运行的安全性和可靠性。云触摸屏作为一种高性能嵌入式一体化的人机界面，具有功能齐全、操作简单、可视化控制等特点，为物联网化组态编程提供平台，且可以自动傻瓜式生成APP。通过建立的网络和云平台，可以实现远程可视化操作，增加沼气工程控制系统的操作的安全距离，且系统会主动推送系统异常信息，能够进行故障自动诊断，避免人为的误操作，对系统管控的地点较为灵活，有网络通讯支持的地方，均可以通过智能终端实现对系统的管控。

（4）采用空气能热泵和太阳能热水器进行系统增温，较节能，且空气能和太阳能都是因地制宜的清洁能源，也是国家沼气发展规划的重要要求之一。由太阳能增温模块、空气能增温模块、反应器增温模块、储热水箱等4大模块组成的多能互补型水循环增温装置，能够为沼气发酵厌氧菌群提供一个稳定适宜的温度环境，既节约能源，又能帮助系统高效运行。

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