plc和组态软件理念之厌氧发酵管控系统研究

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1、PLC和组态软件理念之厌氧发酵管控系统研究1引言1.1课题研究背景能源危机、环境恶化是困扰人类生存与发展的两大突出问题。为了缓解能源的供需矛盾以及化石能源消耗带来的环境污染问题，世界各国正在积极研究开发新能源。厌氧发酵产沼气是一条非常有潜力的废弃物资源化利用途径，得到了我国政府的高度重视。中央一号文件自2004年起连续7年对发展沼气建设提出明确要求[1]。特别是十八大报告中明确提出大力推进生态文明建设的战略决策，充分体现我国对改善能源消费结构、加大环境保护力度、推动低碳经济发展等工作的重视程度。尽管大型沼气工程在我国发展迅猛，但还存在许多问题。尤其是沼

2、气工程在生产运行中的控制问题，主要表现在控制水平低、控制精度差等方面。目前，多数沼气工程仍采用继电器作为主控装置来搭建控制系统，多为手动控制，系统的控制参数由人来判断，不但劳动强度大还会由于操作失误或时间掌握不准确等因素而影响发酵过程的顺利进行，甚至使发酵类型发生改变，致使产气率下降或产气停滞。因此，采用工艺流程自动控制显得尤为重要。随着科学技术的进步和工业自动化水平的不断提到，利用传感器对发酵参数进行自动检测、利用PLC和计算机构建厌氧发酵工艺自动控制系统，对于提高控制精度、提高池容产气率，降低劳动强度具有重要意义，也是未来大型沼气工程技术的发展趋势

3、。1.2厌氧发酵工艺自动控制研究的意义生物质厌氧发酵生产沼气是一个非常复杂的生物反应过程，特别是两相厌氧发酵涉及到相分离、沼液回流菌种富集等工序，仅靠生物自然发酵难以实现快速、高效、稳定的沼气生产与供应。因此，必须对厌氧发酵过程进行监测与控制，为优势发酵菌系提供良好的生长与繁殖环境，使发酵过程正常进行，产气量维持在一个较高水平。解决途径就是对关键发酵参数（如物料液位、温度、pH值、氧化还原电位等）进行合理设定，利用计算机及软件平台对其进行实时监测与控制，使所有发酵参数都满足最佳工艺要求[2]。在保证发酵参数满足最佳工艺要求的同时，提高发酵装置及执行机构

4、的控制精度，精确把握控制时机也是提高产气率的重要手段。厌氧发酵工艺自动控制系统在大型沼气工程中的现实意义有三点。两相厌氧发酵工艺中，产酸菌和产甲烷菌分别被置于两个串联的反应器内，并提供各自所需的最佳条件及工艺参数，以避免不同种群生物间的相互干扰和代谢产物转化不均衡而造成的抑制作用，使产酸菌和产甲烷菌都能够发挥各自最大的活性，大大提高系统的处理效率和运行稳定性[3][4]。利用厌氧发酵工艺自动控制系统可以通过工程手段使酸化罐和产甲烷罐的不同发酵参数得到精确控制，从而满足两相厌氧发酵工艺要求，实现准确的相分离，大幅提高池容产气率。提高厌氧发酵系统运行的可靠

5、性、稳定性与安全性通过厌氧发酵工艺自动控制系统对发酵过程进行调控可简化操作步骤、减少操作频次、避免误操作等，达到提高发酵过程稳定性的目的；系统运行过程中，当设备发生异常、运行参数超调时，报警装置会发出声光报警信号，起动保护装置或停止系统运行等应急措施，提高系统运行的可靠性与安全性。可提高厌氧发酵系统运行的经济性厌氧发酵工艺自动控制系统通过计算机检测各罐体发酵参数，控制各执行机构按照工艺要求准确动作，可提高产气率，减少操作人员，减轻劳动强度，降低生产成本，提高发酵系统运行经济性。利用现代控制技术与方法为大型沼气工程提供精确控制，提高发酵过程管理水平，实现

6、最优控制。对于加快大型沼气工程建设步伐，推动我国大力推进生态文明建设战略决策实施具有重要现实意义。2厌氧发酵控制系统总体方案设计沼气生产的厌氧发酵过程是一个非常复杂的生物反应过程，因此实现发酵工艺精确自动控制难度很大。为满足控制要求必将在其控制过程中引入现代控制方法、工业自动化设备与工业组态软件平台。本章将重点论述厌氧发酵工艺自动控制系统的总体方案设计。2.1厌氧发酵控制系统分析2.1.1厌氧发酵工艺厌氧发酵生产沼气是在无氧条件下多种微生物共同作用的复杂生化过程，是物料中的有机物由厌氧微生物进行降解和稳定的过程。两相厌氧发酵工艺中，产酸菌和产甲烷菌分别

7、被置于两个串联的反应器内，并提供各自所需的最佳条件及工艺参数，以避免不同种群生物间的相互干扰和代谢产物转化不均衡而造成的抑制作用，使产酸菌和产甲烷菌都能够发挥各自最大的活性[16][17]。发酵条件的控制精度将直接影响厌氧发酵产气率的高与低，因此，必须严格按照厌氧发酵工艺控制发酵条件，包括发酵料液配比、发酵罐体内物料的温度、液位、pH值、氧化还原电位等参数。实践证明，经常会由于某一发酵参数没有控制好而引起整个系统的运行失败。严格按照厌氧发酵生产工艺精确控制发酵参数是维持快速、高效、稳定产气的关键。本系统以两相厌氧发酵过程为控制对象，工艺流程如图2-1所

8、示。首先将牛粪通过螺旋推进器送至配料罐，加水搅拌使料液TS浓度达到10%；其次，通过浓浆泵1将