智能采集卡与力控相结合的沼气生产控制系统

摘 要：本文利用研华的模拟量数据采集卡PCI-1713和数字量数据采集卡PCI-1730进行现场数据采集；采用力控组态软件作为上位机软件，实现实时监控、数据存储及报警等功能。两者相结合组成沼气生产的自动控制系统。

关键词：智能采集卡 力控 控制系统

中图分类号：S216.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）02（a）-0016-01

沼气是一种高热值可再生的洁净生物质能源，沼气的生产不仅使物质资源得到深度开发和循环利用，在缓解能源危机、保护环境、改善生态等方面具有一定的意义。沼气生产工程建设处于起步阶段，缺乏沼气生产过程自动监控与管理手段，使得工艺参数很难保证工作在最佳状态，生产效率低下，难以维持长期稳定的生产。

1 系统设计

在沼气工程中，实时性要求不高，但对安全性要求较高，要求建立一个中心控制室，对各个工艺环节的设备和生产状况进行实时测控，实现所有电气设备的远程管理、监测、控制，并对生产过程中的各个参数进行采集，提高系统的运行效率，保证沼气生产的安全。

需要控制的电机类设备主要包括预处理设备、进料设备、搅拌设备、出料设备及电磁阀、空压机等，需要采集的参数包括温度、压力、流量、液位等。一般选用带有标准信号输出的智能仪表，作为I/O模板的信号源，实现现场数据采集。选用标准I/O模板，配合继电器箱和执行机构，完成关键参数的自动控制。

控制系统分为上位机和下位机，上位机采用三维力控作为组态软件，对生产过程中的数据进行显示、记录、报警等方便用户操作，下位机采用智能模块进行现场控制，两者相结合以达到合理、有效地控制沼气的生产，相对于其它控制方式要经济一些。

另外，本系统加入了太阳能和锅炉，利用循环热水，使发酵罐内一直保持发酵温度，即使在气温低的情况下，也不影响沼气的生产，提高原材料的利用率，保证沼气的质量。

2 系统功能

对一个沼气站来说，连续的温度、酸碱度、压力等监控点的监测十分重要。操作员需保证从中央控制室综合监测系统的运行状态，保护整个系统处在较高的安全水平上，当相关参数偏离正常范围时，系统发送信号通知操作员采取纠正措施。

本系统根据仪表及工艺专业所提供的资料与要求制定了适用于沼气站工程自动化系统。以标准的工业计算机软、硬件平台及网络所构成的集成系统取代传统的封闭式系统，使得系统具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等鲜明优点。系统可划分为现场控制层、监控层、远程监控与管理层三个层次结构。

现场控制层可由数据采集卡和控制输出卡实现对现场的设备进行数据采集、报警、控制、联锁等功能。

监控层采用组态软件，对下连接控制层，对上连接管理层，实现对现场的实时监测与控制，在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的作用。若设备层采用的是仪表控制，则现场数据和状态的采集通过PCI板卡完成，采集到的数据送入组态软件的实时数据库，经过适当数据处理，完成合适的画面和组态设置。

在远程监控和管理层中，利用数据采集系统得到的生产数据直接参与核算，消除繁琐的人工计算过程和工作强度，提高管理水平。通过班组核算制，把实际生产中的有关参数从数据库中提取出来，然后按企业确定的核算公式进行计算，从而得到班组一定时间内的经济效益及各岗位的费用支出，用户可以根据需要定时打印班组核算表，并利用数据库把相关参数保存起来，也可以通过WEB服务器上传，实现远程监控与管理功能。

3 硬件设计

整套系统硬件部分有工控机、智能模块、检测仪表组成。工控机一般选用研华原装工控机IPC-610MB AIMB E5300/1G/160G就可确保得到高质量的图形；智能模块分为：模拟量智能采集卡、数字量智能采集卡。

3.1 模拟量数据采集卡（AI）选用研华PCI-1713

PCI-1713是一款PCI总线的隔离高速模拟量输入卡。它提供了32个模拟量输入通道，采样频率可达100KS/s、12位分辨率及2500V（DC）的直流隔离保护。可以接受外部触发，允许与外部设备进行同步采样。

3.2 数字量输入（DI）输出（DO）选用研华PCI-1730

PCI-1730是一款能够提供32路隔离数字量输入/输出卡（16DI，16DO），隔离保护电压可达到2500V（DC）。它是要求采取高电压隔离工业应用的理想选择。当系统热重启动（不关闭系统电源）时，PCI-1730根据卡上的跳线设置，能够保持每个通道的输出值，返回到它们打开状态的默认配置。该功能能够避免在系统意外重启动过程中的误操作对系统带来的危险。

3.3 检测仪表

检测仪表是现场采集工艺参数的主要仪器设备，在本系统中仪表选型中遵循以下原则。

（1）可靠性。为了保证沼气产生过程的安全、可靠的进行，在选择仪表时选用符合工业级标准的、防爆的、成熟定型的产品。户外安装的仪表变送器保护等级应达到IP65。对在易爆地点使用的仪表，必须符合防爆要求。

（2）先进性。在系统可靠性的前提下，先进性也至关重要。仪表全部采用智能型测量仪表，便于计算机系统连接和维护管理的方便。

（3）方便性。仪表在使用时应安装操作方便、简单易学。维护人员可以很方便的对仪表进行维护、检修等操作。仪表采用4～20 mA的输出信号输出，并附带专用电缆和安装附件。

4 软件设计

中心控制系统的组态软件是数据采集与过程控制的专用软件，本系统采用的是力控ForceControl作为控制体统的组态软件，对现场信号进行实时监测，保证安全生产。

4.1 力控和采集卡的通讯

力控和智能采集卡的通讯是整个监控系统的关键。一般情况下，各个采集卡要采用统一的通讯协议，否则会出现数据采集错误。本系统采用的是标准modbus协议进行通讯，经试验，通讯正常，数据采集流畅，达到了实时监控的目的。

4.2 实时数据库

数据库是监控系统的核心，实时数据库由管理系统和运行系统组成，实时数据库将组态软件、实时数据库、历史数据库等以一定的组织方式存储在介质上，方便用户查找。本系统把压力、温度、流量、气体含量存储于数据库中，有利于对各个参数进行分析，随时掌握生产动态，保证安全生产同时，提高沼气的质量。

5 结语

本系统本着安全可靠、经济实惠的目标选用了智能模块，降低了成本，沼气生产工程一般都是建立在农村，更利于大面积推广。沼气工程利用农村产生的秸秆、垃圾生产沼气，不仅产生新能源，而且还减少环境污染，再有沼渣沼液的循环利用，对改善农业生态环境和生态效益起到积极促进作用。

参考文献

[1]研华自动化解决方案[Z].产品选型手册，9-08.

[2]马国华.监控组态软件及其应用[M].北京：清华大学出版社，2001：6-11.