CN103305413A - 一种沼气发酵供气工程控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种沼气发酵供气工程控制系统，包括：主控子系统、可编程逻辑控制器PLC控制子系统、就地控制子系统和被控子系统，PLC控制子系统分别和主控子系统及就地控制子系统相连，被控子系统和就地控制子系统相连，被控子系统包括物料收集单元、除砂调配单元、沼气生产单元、储气单元、泥水分离单元和沼气发电单元，主控子系统用于通过PLC控制子系统对被控子系统进行自动控制，就地控制子系统用于对被控子系统处于就地手动控制状态和程控控制状态间进行切换。该系统显著提高了沼气发酵供气系统的实时性、稳定性和可靠性，方便进行信息化管理，降低运行成本，提高工作效率，预防安全事故的发生，具有很高的实际应用价值。

Description

一种沼气发酵供气工程控制系统

技术领域

本发明涉及沼气发酵控制领域，尤其是涉及一种沼气发酵供气工程控制系统。

背景技术

目前，沼气工程建设在我国农村正在逐步展开，兴办沼气工程不但可以解决农村能源问题，而且有利于改善农村卫生条件，有利于保护生态环境，因此沼气工程建设技术就极为重要。

但是，目前国内大多数沼气发酵供气工程大都采用继电器控制，这类系统方式单一，只能处理一些开关量问题，无法处理系统的模拟量，并且电气线路复杂，可靠性不高，不便维修。同时目前的沼气工程不能适时地记录一些较重要的数据，继而使得沼气工程的运行不能方便快捷，造成劳动力、原料等资源的浪费。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种沼气发酵供气工程控制系统，用于解决现有技术中控制方式单一，电气线路复杂，可靠性不高，不便维修以及重要数据不利记录的缺陷。

一方面，本发明实施例提供了一种沼气发酵供气工程控制系统，包括：主控子系统、可编程逻辑控制器PLC控制子系统、就地控制子系统和被控子系统，所述PLC控制子系统分别和主控子系统及就地控制子系统相连，所述被控子系统和所述就地控制子系统相连，所述被控子系统包括物料收集单元、除砂调配单元、沼气生产单元、储气单元、泥水分离单元和沼气发电单元，所述除砂调配单元分别和所述物料收集单元及所述沼气生产单元相连，所述沼气生产单元还和所述储气单元及所述泥水分离单元相连，所述沼气发电单元和所述储气单元相连，所述主控子系统用于通过PLC控制子系统对所述被控子系统进行自动控制，所述就地控制子系统用于对所述被控子系统处于就地手动控制状态和程控控制状态间进行切换。

优选的，本发明实施例中的物料收集单元包括：第一液位检测装置、搅拌器、粉碎机、输料泵和潜污泵，所述第一液位检测装置用于检测收集池内的液位高度；所述PLC控制子系统通过所述第一液位检测装置的检测结果，自动控制所述搅拌器进行物料搅拌、以及控制所述粉碎机进行物料粉碎、以及控制所述输料泵进行物料输送、以及控制所述潜污泵进行除砂操作。

优选的，本发明实施例中的除砂调配单元包括：螺旋输送机、第二液位检测装置和潜水搅拌器；所述第二液位检测装置用于检测调配池内的液位高度；所述PLC控制子系统通过所述第二液位检测装置的检测结果，启动潜水搅拌器进行搅拌，通过螺旋输送机把除砂池中的砂子送出。

优选的，本发明实施例中的沼气生产单元包括沼气发酵罐、温度调节单元、温度传感器和变送器，所述PLC控制子系统包括第一模数转换器、减法器、控制器和第二模数转换器，所述变送器分别和所述温度传感器及所述第一模数转换器相连，所述减法器分别和所述第一模数转换器和所述控制器相连，所述第二模数转换器分别和所述控制器及所述温度调节单元相连，所述温度传感器用于检测所述沼气发酵罐内的温度以产生一模拟温度信号；所述变送器用于将所述模拟温度信号转换为标准量程的直流电流信号或直流电压信号；所述第一模数转换器用于将所述直流电流信号或直流电压信号转换为数字信号；所述减法器用于计算设定温度和经过所述第一模数转换器转换所得到的反馈温度之间的差值；所述控制器用于根据比例-积分-微分PID控制算法对差值进行运算，输出一运算结果；所述第二模数转换器用于将所述运算结果转换为直流电流信号或直流电压信号以控制所述温度调节单元来调节所述沼气发酵罐的温度。

优选的，本发明实施例中的温度调节单元为热水循环温度闭环控制系统中的电动调节阀，通过调节所述电动调节阀的开度来控制加热中热水的流量。

优选的，本发明实施例中的PLC控制子系统还包括一温度显示单元，所述温度显示单元和所述变送器的输出端相连，用于实时显示所述沼气发酵罐的温度。

优选的，本发明实施例中的主控子系统还包括一预警单元，所述预警单元和所述温度显示单元相连，用于当温度达到一定阈值时进行预警。

优选的，本发明实施例中的泥水分离单元包括：泥水分离机和第三液位检测装置，所述第三液位检测装置用于检测沼液缓冲池内的液位高度；所述PLC控制子系统通过所述第三液位检测装置的检测结果，控制所述泥水分离机的启动和关闭。

优选的，本发明实施例中的沼气发电单元包括发电机组和沼气调节器；所述主控子系统通过所述监测所述发电机组的运行情况，利用所述PLC控制子系统来控制所述沼气调节器调节沼气流量和压力参数。

优选的，本发明实施例中的主控子系统包括一定时单元，用于分别为所述物料收集单元、除砂调配单元、沼气生产单元、储气单元、泥水分离单元和沼气发电单元设定运行时间。

本发明实施例将沼气工程和PLC系统、监控系统、网络技术相结合，显著提高了沼气发酵供气系统的实时性、稳定性和可靠性，另外可以方便的进行系统的信息化管理，降低了运行成本，提高工作效率，预防安全事故的发生，具有很高的实际应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种沼气发酵供气工程控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种物料收集单元的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种除砂调配单元的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种沼气生产单元的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种沼气发酵罐温度模拟量的闭环调节的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种泥水分离单元的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种沼气发电单元的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种沼气发酵供气工程控制系统的具体架构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示为本发明实施例提供的一种沼气发酵供气工程控制系统的结构示意图，该系统包括：主控子系统110、PLC控制子系统120、就地控制子系统130和被控子系统140，其中被控子系统140又可以包括物料收集单元141、除砂调配单元142、沼气生产单元143、储气单元144、泥水分离单元145和沼气发电单元146，其中除砂调配单元142分别和物料收集单元141及沼气生产单元143相连，沼气生产单元143还和储气单元144及泥水分离单元145相连，沼气发电单元146和储气单元144相连。

PLC控制子系统120分别和主控子系统110及就地控制子系统130相连，被控子系统140则和就地控制子系统130相连。在本实施例中，主控子系统可以通过PLC控制子系统120对被控子系统140内的各个单元进行自动控制，而就地控制子系统130则可以切换被控子系统140内各个单元的工作状态，包括在PLC控制子系统120的控制下进行程控控制以及由现场操作人员进行就地手动控制，其中就地手动控制具有最高的优先级，一般可以在设备调试和维护的时候进行选择。

在本发明实施例中，主控子系统110可以位于中心调度室内，其可以为一个或多个计算机，其可以通过PLC控制子系统120对被控子系统140内的各个单元进行控制，完成对沼气工程各工艺流程段的集中操作、监视和控制功能。比如，其可以和被控子系统140内的各个单元进行通信，收集这些单元上报的监测信息和运行状态，并进行汇总、运算、处理、报警、故障分析，从而最终完成对现场设备的优化控制。

作为本发明的一个实施例，主控子系统内110可以包括一报警单元，用于根据上报的监测信息和运行状态产生报警信息，通过现有的GSM或者GPRS等无线网络向管理者的手机进行短信报警。

PLC控制子系统120可以设置在变配电室，其可以接收主控子系统110所发送的控制指令，根据该控制指令对被控子系统140内的各个单元进行自动化控制，同时，PLC控制子系统120也可以将上述各个单元所收集的监控信息转发给主控子系统110。PLC控制子系统120和主控子系统110之间可以通过有线或者无线的方式进行通信。

被控子系统140内的各个单元(140～146)从PLC控制上来说可以看作是PLC下面的多个远程I/O站，其分别负责沼气生产过程中各个工艺阶段运行。

物料收集单元141在本发明实施例中具有物料收集，搅拌、输送和除砂的功能。作为本发明的一个实施例，如图2所示，物料收集单元141包括：第一液位检测装置1411、搅拌器1412、粉碎机1413、输料泵1414和潜污泵1415。其中，第一液位检测装置1411可以为一液位传感器，其可以收集收集池内的液位高度信息，并通过PLC控制子系统120传给主控子系统110内监控计算机予以显示。另外，PLC控制子系统120也可以根据该液位信息自动控制搅拌器1412、粉碎机1413、输料泵1414和潜污泵1415的运行。

搅拌器1412用于在物料液位达到一定高度的时候对物料进行搅拌；在搅拌器1412停止搅拌后，PLC控制子系统120启动潜污泵，将物料收集池中沉降的沙子送入低位除沙池；在搅拌器1412停止一段时间后，以及在进料阀关闭的条件下，PLC控制子系统120会依次启动粉碎机和输料泵进行物料粉碎和将物料输送至除砂调配单元。

上述搅拌器1412、粉碎机1413、输料泵1414和潜污泵1415的运行时间都可以由主控子系统110内的定时单元进行设定。而搅拌器1412、粉碎机1413、输料泵1414和潜污泵1415的就地手动控制和程控控制则可以在就地控制子系统130内选择控制，具体来说比如可以通过就地控制子系统130内的选择开关来进行选择。另外，搅拌器1412、粉碎机1413、输料泵1414和潜污泵1415在程控状态下的手动/自动控制模式则可以在主控子系统110内进行选择。

除砂调配单元142在本发明实施例中具有物料收集，搅拌、输送和除砂的功能。作为本发明的一个实施例，如图3所示，除砂调配单元142包括：螺旋输送机1421、第二液位检测装置1422和潜水搅拌器1423。第二液位检测装置1422可以检测调配池内的液位高度，并通过PLC控制子系统120传给主控子系统110内监控计算机予以显示。另外，PLC控制子系统120也可以根据该液位信息自动控制螺旋输送机1421和潜水搅拌器1423的运行。

螺旋输送机1421可以用于将除砂池中的砂子送出。

潜水搅拌器1423可以根据PLC控制子系统120的控制进行搅拌。

上述螺旋输送机1421和潜水搅拌器1423的运行时间都可以由主控子系统110内的定时单元进行设定，同时也可以通过就地控制子系统130控制它们的就地手动控制和程控控制模式，而在程控控制模式下又可以通过主控子系统110进行手动/自动控制模式的选择。

沼气生产单元143用于生产沼气，如图4所示，沼气生产单元143包括沼气发酵罐1431、温度调节单元1432、温度传感器1433和变送器1434，在本实施例中沼气生产单元143可以在PLC控制子系统120的控制下进行沼气生产，在本发明实施例中PLC控制子系统120可以和沼气生产单元143相配合以实现温度采集和温度模拟量的闭环调节，具体来说，是PLC控制子系统120内的第一模数转换器121、减法器122、控制器123和第二模数转换器124(如图5所示)配合沼气生产单元143以进行上述的温度采集和温度模拟量的闭环调节。下面对温度采集及温度模拟量的闭环调节的实现过程进行如下详细描述：

如图5所示为本发明实施例提供的一种沼气发酵罐温度模拟量的闭环调节示意图，其中，变送器1434分别和温度传感器1433及第一模数转换器121相连，减法器122分别和第一模数转换器121和控制器123相连，第二模数数转换器124分别和控制器123及温度调节单元1432相连，且由于温度传感器是检测沼气发酵罐1431的温度，且温度调节单元1432是用于调节沼气发酵罐1431的温度的，因此上述各个单元可以构成一个闭环调节过程。

温度传感器1433测得沼气发酵罐1431内的温度信息c(t)，c(t)是一个连续变化的模拟量，由于PLC的CPU只能处理数字量，因此，温度传感器1433所测得的c(t)会通过变送器1434转换为标准量程的直流电流信号或直流电压信号pv(t)，比如如4～20mA，1～5V，0～10V，等。第一模数转换器121在收到上述pv(t)后，会将其转换为数字量pv(n)，并输入给减法器122。

减法器122用于计算出用户输入的设定温度sp(n)和pv(n)的差值ev(n)，ev(n)＝sp(n)-pv(n)，并将该差值输出给控制器123，控制器用于根据比例-积分-微分(PID)控制算法对差值进行运算，输出一运算结果mv(n)给第二模数转换器124，第二模数转换器124将该输出结果转换为直流电流信号或直流电压信号mv(t)并传送给温度调节单元1432。温度调节单元1432比如可以为热水循环温度闭环控制系统中的电动调节阀，其可以根据该直流电流信号或直流电压信号来控制自身的开启程度，从而控制热水的流量，进而达到控制沼气发酵罐1431内温度的目的。

作为本发明的一个实施例，本发明实施例还可以在变送器1434或者第一模数转换器121的输出端连接一温度显示单元，从而可以实时显示沼气发酵罐内的温度，并可以将该温度传送至主控子系统110内的监控终端。另外，本发明实施例中的主控子系统还可以包括一预警单元，该预警单元和温度显示单元相连，用于当温度达到一定阈值时进行预警。

储气单元144可以为一沼气贮气柜，其可以实时地显示贮气容积、压力及内部贮存沼气的成分等信息。

如图6所示，泥水分离单元145包括泥水分离机1451和第三液位检测装置1452，第三液位检测装置1542用于检测沼液缓冲池内的液位高度，并通过PLC控制子系统120传给主控子系统110内监控计算机予以显示。另外，PLC控制子系统120也可以根据该液位信息自动控制水分离机1451的运行。比如当沼液缓冲池水位达到5～100cm时，分别开启1～3台泥水分离机；当沼液缓冲池水位低于0～5cm时，关闭所有泥水分离机；并设沼液缓冲池低液位停止信号。

如图7所示，沼气发电单元146包括发电机组1461和沼气调节器1462，主控子系统110通过监测发电机组1461的运行情况，利用PLC控制子系统120来控制沼气调节器1462调节沼气流量和压力参数。上述电机组1461的运行时间都可以由主控子系统110内的定时单元进行设定。

本发明实施例将沼气工程和PLC系统PLC、监控系统、网络技术相结合，显著提高了沼气发酵供气系统的实时性、稳定性和可靠性，另外可以方便的进行系统的信息化管理，降低了运行成本，提高工作效率，预防安全事故的发生，具有很高的实际应用价值。而且，本发明实施例中的沼气发酵罐的温度可以实现自动采集和调节，使得沼气发酵过程中的环境温度得到了更好的控制。

如图8所示为本发明实施例提供的一种沼气发酵供气工程控制系统的具体架构图，该系统包括位于中心调度室内的主控计算机801、位于现场的PLC控制器802以及各个受PLC控制器802所控制的远程I/O站803，远程I/O站803可连接沼气工程中各个设备的电机或阀门。从图中可见，远程I/O站803通过现场总线和各自的PLC控制器802相连，各个PLC控制器802又连接至主控计算机801。需要指出的是，在本架构图中并未绘示就地控制子系统，由于就地控制子系统可以是PLC控制器802和远程I/O站803之间的一个切换开关，用于切换就地手动控制和程控控制，因此就不再具体绘示了。

从图8还可以看出，本发明实施例的系统还可以通过无西线收发器和移动运行商的基站进行通信，从而实现短信报警的功能，而和激光打印机805相连则可以实现实时打印沼气运行过程中各种相关数据的功能。另外，主控计算机801还可以通过防火墙806以及因特网和远程监控终端807相连，从而实现超远程监控和控制。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种沼气发酵供气工程控制系统，其特征在于，所述系统包括：主控子系统、可编程逻辑控制器PLC控制子系统、就地控制子系统和被控子系统，所述PLC控制子系统分别和主控子系统及就地控制子系统相连，所述被控子系统和所述就地控制子系统相连，所述被控子系统包括物料收集单元、除砂调配单元、沼气生产单元、储气单元、泥水分离单元和沼气发电单元，所述除砂调配单元分别和所述物料收集单元及所述沼气生产单元相连，所述沼气生产单元还和所述储气单元及所述泥水分离单元相连，所述沼气发电单元和所述储气单元相连，所述主控子系统用于通过PLC控制子系统对所述被控子系统进行自动控制，所述就地控制子系统用于对所述被控子系统处于就地手动控制状态和程控控制状态间进行切换。

2.如权利要求1所述的沼气发酵供气工程控制系统，其特征在于，所述物料收集单元包括：第一液位检测装置、搅拌器、粉碎机、输料泵和潜污泵，

所述第一液位检测装置用于检测收集池内的液位高度；

所述PLC控制子系统通过所述第一液位检测装置的检测结果，自动控制所述搅拌器进行物料搅拌、以及控制所述粉碎机进行物料粉碎、以及控制所述输料泵进行物料输送、以及控制所述潜污泵进行除砂操作。

3.如权利要求1所述的沼气发酵供气工程控制系统，其特征在于，所述除砂调配单元包括：螺旋输送机、第二液位检测装置和潜水搅拌器；

所述第二液位检测装置用于检测调配池内的液位高度；

所述PLC控制子系统通过所述第二液位检测装置的检测结果，启动潜水搅拌器进行搅拌，通过螺旋输送机把除砂池中的砂子送出。

4.如权利要求1所述的沼气发酵供气工程控制系统，其特征在于，所述沼气生产单元包括沼气发酵罐、温度调节单元、温度传感器和变送器，所述PLC控制子系统包括第一模数转换器、减法器、控制器和第二模数转换器，所述变送器分别和所述温度传感器及所述第一模数转换器相连，所述减法器分别和所述第一模数转换器和所述控制器相连，所述第二模数转换器分别和所述控制器及所述温度调节单元相连，

所述温度传感器用于检测所述沼气发酵罐内的温度以产生一模拟温度信号；所述变送器用于将所述模拟温度信号转换为标准量程的直流电流信号或直流电压信号；所述第一模数转换器用于将所述直流电流信号或直流电压信号转换为数字信号；所述减法器用于计算设定温度和经过所述第一模数转换器转换所得到的反馈温度之间的差值；所述控制器用于根据PID(比例-积分-微分)控制算法对差值进行运算，输出一运算结果；所述第二模数转换器用于将所述运算结果转换为直流电流信号或直流电压信号以控制所述温度调节单元来调节所述沼气发酵罐的温度。

5.如权利要求4所述的沼气发酵供气工程控制系统，其特征在于，所述温度调节单元为热水循环温度闭环控制系统中的电动调节阀，通过调节所述电动调节阀的开度来控制加热器中热水的流量。

6.如权利要求4所述的沼气发酵供气工程控制系统，其特征在于，所述PLC控制子系统还包括一温度显示单元，所述温度显示单元和所述变送器的输出端相连，用于实时显示所述沼气发酵罐的温度。

7.如权利要求6所述的沼气发酵供气工程控制系统，其特征在于，所述主控子系统还包括一预警单元，所述预警单元和所述温度显示单元相连，用于当温度达到一定阈值时进行预警。

8.如权利要求1所述的沼气发酵供气工程控制系统，其特征在于，所述泥水分离单元包括：泥水分离机和第三液位检测装置，

所述第三液位检测装置用于检测沼液缓冲池内的液位高度；

所述PLC控制子系统通过所述第三液位检测装置的检测结果，控制所述泥水分离机的启动和关闭。

9.如权利要求1所述的沼气发酵供气工程控制系统，其特征在于，所述沼气发电单元包括发电机组和沼气调节器；所述主控子系统通过监测所述发电机组的运行情况，利用所述PLC控制子系统来控制所述沼气调节器调节沼气流量和压力参数。

10.如权利要求1-9任一所述的沼气发酵供气工程控制系统，其特征在于，所述主控子系统包括一定时单元，用于分别为所述物料收集单元、除砂调配单元、沼气生产单元、储气单元、泥水分离单元和沼气发电单元设定运行时间。

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