太阳能沼气池智能检测与控制系统

曲弘扬 刘晓琴 李慧文 张文照

摘 要：为维持沼气池内各种菌群的适宜生存环境，解决北方地区冬季温度低而导致沼气池产氧率低、使用率低问题，设计太阳能沼气检测与控制系统。设计上下两级微机，功能主要有智能恒温部分，智能减压部分，防结壳部分和远程监控部分。制作了硬件系统，实验证明系统可实时监控各个模拟设备的运行状态，实现了参数记录，临界值预警等预设功能，运行稳定。

关键词：太阳能沼气池；智能；检测

0 引言

发展沼气是开发替代能源的重要途径之一，推广沼气是建设生态型生活和生产的关键环节[1-2]。将太阳能更为有效的转化为发酵装置可获取的能量，使其较好地稳定在沼气发酵的理想温度范围内。太阳能沼气池运用智能控制实现恒温加热，定时搅拌，智能控制，远程控制，达到对清洁能源的高效利用[3-4]。系统以太阳能电池板吸收太阳光产生的电能为主，电网电能为辅，通过沼气罐内置的电加热片来维持罐内的恒温环境，来提高罐内的发酵温度。

1 沼气发酵的基本条件

厌氧环境是沼气发酵的必备条件，沼气微生物的核心菌群是甲烷菌群，对氧气特别敏感，在其生长、发育、繁殖、代谢等生命过程中都不需要氧气，空气中的氧气会抑制其生长发育。发酵原料的碳氮比一般要制在25～30：1之间，通过调整以上两种原料比例来控制，沼气适宜酸碱度为6.5～7.5之间[5]。

2 太阳能沼气池智能监控系统方案设计

系统选用S7-200系列PLC作下位机，选用模拟模块实现对现场模拟量数据的采集，通过数字量接口控制相应设备来修正沼气池内各种参数范围。系统加入手动调节和远程监控环节，实现远程控制现场各种操作，完成现场参数实时记录，临界值预警等功能，如图1所示。

设计有4个数字量输出，8个数字量输入和2个模拟量输入，选取CPU222，模拟模块选用EM231， RS485总线通讯方式实现设备连接。

2.1 智能恒温模块

智能恒温模块是实时纠正池内温度与预设温度的偏差，采用双金属片控温加热棒，PT100作为温度测量元件。PT100信号经温度变送器转变成4～20ma标准电流送入模拟量输入模块。系统有温度显示模块，实时显示沼气池内温度。

2.2 防涨池模块

农村小型沼气池内正常工作气压以≤8个大气压，池内最大气压限值≤12个大气压。压力仪表选用量程在0～0.6MP的数字压力远传表BD-801Y，变送输出为4～20ma标准电流信号。智能减压环节主要靠沼气池内压力检测值与设定值比较来决定电动阀的开启关闭时刻，电动阀选择防爆系列电动阀。

2.3 智能节能系统

智能节能系统是利用自动恒温模块和压强检测模块相互配合来实现减少能源损失的。当沼气池内压强在8大气压强以下时，池内加热器将维持30℃左右的温度，保证池内菌群保持较高的产气率；当池内压强在8～11个大气压强之间时，温度保持在15℃左右，使池内菌群保持较低的产气率，维持池内气压稳定，保护沼气池壁的作用；当池内压强在11～12个大气压之间时，维持温度在5～10℃左右，能使产甲烷菌群几乎不产气，达到控制沼气压强，减少能量的损失；若沼气池内压强高于12个大气压强，处理器启动排气管的上的电动阀，将一部分沼气排除沼气罐。

2.4 防结壳系统

考虑池内存在大量可燃性气体，对于大中型沼气池，采用增安型防爆电机置于沼气池外部提供动力；小型农用沼气池，因沼气储量不大，采用防爆等级低的微型隔爆型直流电机。

3 太阳能沼气池智能控制系统软件设计

控制部分由上位机和下位机构成。下位机实现程序设置、端口功能和I/O接线设置。上位机完成对下位机采集的现场参数实时显示、记录保存、临界值预警、远程操作，如图2所示。

采用组态王实现监控功能。组态画面包含池内温度记录的实时趋势曲线、历史温度曲线。为保证系统的运行稳定和安全，设计报警记录，并在一定时间内保存报警事件发生的时间、类型等相应的信息。

4 结论

对设计的主要功能部分，进行了实物的连接，程序制作。包含有智能恒温部分，防结壳部分，和远程监控部分的实物制作。经过软硬件结合的实物模型制作，验证了本系统能够可靠稳定运行。

参考文献

[1]王丽颖，林丽华，高虹，贾玲，田瑞.太阳能沼气池热性能实验研究[J]，中国沼气，2013，31（2）：26-29，33

[2]胡万里，刘荣厚，杜章永.基于S7-200的大中型软体沼气工程控制系统设计[J].农机化研究，2013，（11）：215-217

[3]李莉. 太阳能沼气池远程测控系统研究[J].鸡西大学学报.2014，14（11）：32-34

[4]李丽丽，施伟. 太阳能沼气池自动控制系统设计与仿真[J].传感器与微系统.2011，30（9）：109-111，114

[5]秦国栋，吴湘莲，张征宇，楼平. 太阳能辅助加热沼气池自动控制系统设计[J].农机化研究.2013，（9）：231-233，242