虚拟仪器在沼气发酵环境监控系统设计中的应用
2021-12-08李翠芹
李翠芹
摘 要：在目前农村环境污染中，大型养殖场所排放畜禽粪便为主要来源之一。石油等不可再生资源在环境污染加剧过程中越来越紧张，沼气发酵为新型保护环境、变废为宝的有效方法，备受国内外的重视。在沼气生产的过程中，如何使产气率得到提高，是对沼气工程检测的主要标准。为了使发酵工艺参数能精准控制，文章就对虚拟仪器在沼气发酵环境监控系统设计过程中的使用进行了分析。
关键词：虚拟仪器;沼气发酵;环境监控
中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）11-0053-03
Application of Virtual Instrument in the Design of Biogas Fermentation Environment Monitoring System
Li Cuiqin
（Agricultural and Rural Work Committee of Xinzheng， Henan Province， Zhengzhou 451100， China）
Abstract：In current rural environmental pollution， large breeding sites discharge livestock and poultry excrement is one of the main sources. Petroleum and other non-renewable resources are becoming more and more tense in the process of intensifying environmental pollution. Biogas fermentation is a new effective method to protect the environment and turn waste into treasure， which has attracted much attention at home and abroad. In the process of biogas production， how to improve the gas production rate is the main standard for biogas engineering testing. In order to accurately control the fermentation process parameters， this paper analyzes the use of virtual instrument in the design process of biogas fermentation environment monitoring system.
Key words：virtual instrument; biogas fermentation; environmental monitoring
在虚拟仪器不断发展的过程中，被广泛应用到测控领域中。为了对沼气发酵过程工艺参数监控进行改进，与仪器技术、传感器技术、计算机技术等实现虚拟仪器的创建，设计虚拟沼气发酵环境监控系统，此研究具有重要意义[1]。
1 系统总体设计
1.1 工艺流程
前处理为沼气发酵环境监控过程中首要工序，在配料罐中放入畜禽粪便，之后通过酸化罐调节料液pH值水解发酵。通过缓冲罐产生乙酸和氢气，将乙醇、脂肪酸等转变成为二氧化碳和氢气。最后的阶段为产甲烷，将甲烷菌通过乙酸、二氧化碳和氢气等利用产气罐能够产生甲烷，图1为系统总体设计工艺流程图。
1.2 設置参数
在沼气发酵的过程中对厌氧消化细菌进行培养，为细菌提供良好的生活条件，从而提高污水净化率与沼气的生产率。微生物对生命活动具有较高的要求，在特定条件下对发酵过程正常的运行进行控制，比如碳氮比、厌氧消化性污泥、沼气发酵原料等，所以主要的监控参数为pH值、温度、压力、液体等[2]。
2 系统的硬件设计
2.1 PC机设计
PC机使用工控机设计，通过抗干扰措施，使系统能够可靠的运行。通过双单片机结构设计数据采集卡结构，主要包括信号处理接口、USB通信电路、MCU最小系统、电源电路等。电源内部集成3～5 V的稳压芯片，以此实现USB总线供电。在采集卡系统设计时，通过单片机内部实现大部分外设的集成，利用软件配置I/O口交叉开关使USB采集卡扩展电路得到实现[3]。
2.2 测控参数确定
沼气发酵系统为密闭系统，系统压力与产气量具有密切关系，并且会影响到系统稳定性与安全性。对发酵系统压力观察，控制发酵系统压力为8 kPa左右。在进出料的过程中对压力表变化密切关注，如果在进料时压力比较大，气压超过12 kPa的时候要将导气管打开放气，并且使进料速度减缓。在出料的时候假如压力表存在负压，那么就要停止用气，在恢复正常之后才能够用气。
在中性条件下实现沼气发酵，不同于乳酸发酵，pH值降低就会终止沼气发酵，pH值改变会受到发酵液中挥发酸碱度与浓度影响。沼气发酵适宜的pH值为6.8～7.4，不在此值范围都会抑制产气。pH值在5.5以下会抑制产甲烷菌。pH值上升到8或者8.5的时候，其产气率也比较高[4]。
2.3 传感器
2.3.1 温度传感器
在沼气发酵过程中，温度会对产气量造成一定的影响。常用温度传感器包括集成电路型、热敏电阻型、热电偶型。文章在系统设计过程中使用WZP-231型热电阻温度传感器，感温元件使用PT-100铂电阻，具有良好的线性与较高的灵敏度。温度传感器测量范围为-200～420℃，保护管材料使用Cr1Ni18Ti9，热响应时间小于等于60 s。
2.3.2 壓力传感器
压力传感器具有多种类别，性能也各有不同。在实际使用过程中，以具体使用需求进行选择。本文在设计过程中使用CPS181陶瓷压阻压力传感器，其具有较高稳定性、精度与抗冲击性，供电电压为5～30 V（DC）、工作压力为1～60 MPa、桥臂电阻为（11±0.2）kΩ，工作温度为-40～135℃[5]。
2.4 液位传感器
与其他仪器仪表一样，对液位传感器要合理选择，要对实际使用的环境进行分析。一般使用的测量罐内液位具备体积信息，无法掌握液位信息。在选择液位传感器过程中，要对此流程特定需求进行全面掌握。液位测量指的是触点液位和连续液位，本文根据系统实际需求，使用UQZ-71LX型浮球触点式液位变送器，其方便安装，而且结构比较简单，主要特点为耐腐蚀、防爆等。
3 系统的软件设计
3.1 恒温控制模块
因为冬天寒冷，沼气发酵最佳温度需求无法得到满足。为了解决此问题，采取恒温发酵模块的设计。利用地热或者太阳能方式进行供热，这两种供热模式都能够在发酵罐中实现热水器供热，通过发酵罐外围保温管道系统使其能够恒温。为了更好使用地热能与太阳能，系统使用比例积分微分（PID）控制与模糊控制实现系统恒温控制。假如遇到阴雨雪天气，太阳能方式无法充足供热，比发酵罐温度要低。所以，系统设计在太阳能供热系统温度高于发酵罐温度的时候，才能够开启太阳能供热[6]。
在设计本系统的过程中，通过PID算法在发酵罐温度低时，恒温供水系统使用双路供热，系统温度和设定值比较接近，发酵罐温度在4℃以下时将太阳能供热阀门进行关闭，避免超调问题的出现;之后利用系统PID输出值对变频器频率进行控制，实现恒温控制。图2为模糊PID控制原理。
在系统运行过程中，首先将模糊规则打开进入到循环中，循环PC为现场测定值，SV为恒定温度。先实现程序差值，之后实现数据的设置，在模糊控制中实现量化数据的设置，并且对循环运行条件进行设置。设置不同PID参数对应太阳能水泵开关，用户修改PID参数，利用PID运算输出模拟电压，通过数据采集卡对变频器频率进行控制，通过地热泵对发酵罐保温层流量进行控制[7]。以下为恒温控制部分代码：
if（timecount==150）
{
timecount=0;
while（resetpulse（））;
writecommandtods18b20（0xcc）;
writecommandtods18b20（0xbe）;
readdata[0]=readdatafromds18b20（）;
readdata[1]=readdatafromds18b20（）;
for（x=0;x<8;x++）
{
displaybuf[x]=16;
}
sflag=0;
if（result>255）
{
readdata[1]++;
}
}
readdata[1]=readdata[1]<<4;
readdata[1]=readdata[1] & 0x70;
x=readdata[0];
x=x>>4;
x=x & 0x0f;
readdata[1]=readdata[1] | x;
x=2;
result=readdata[1];
while（result/10）
{
displaybuf[x]=result%10;
result=result/10;
x++;
}
displaybuf[x]=result;
if（sflag==1）
{
displaybuf[x+1]=17;
}
x=readdata[0] & 0x0f;
x=x<<1;
displaybuf[0]=（dotcode[x]）%10;
displaybuf[1]=（dotcode[x]）/10;
while（resetpulse（））;
writecommandtods18b20（0xcc）;
writecommandtods18b20（0x44）;
}
}
3.2 监控报警模块
用户要能够正确操作，才能够使系统稳定运行，并且实现监控报警模块的设计，主要内容包括数据监控与视频监控的报警。用户通过数据监控报警能够良好的进行判断，使其成为监控系统预警报警机制，此模块能够为传感器对数据的收集提供报警机制，用户通过上下限的设计对报警是否开启进行确定，监控重要阀门，对阀门开关情况进行检测。在开启视频监控的过程中，点击面板中的主面板视频监控按钮，打开视频监控程序，弹出摄像头选择表，利用实际需求对用户摄像头实时监控进行选择，对退出程序点击后就停机视频监控[8]。如图3所示为报警流程。
4 结语
本文设计了将虚拟仪器作为基础的沼气发酵环境监控系统，利用传感器收集环境参数，通过基于模糊控制方法对数据进行处理，实现系统的反馈。
通过计算机对已设置的参数时间处理，利用控制算法能够得出反馈结果;对执行电机、继电器与电子阀等传输控制，使沼气池工艺参数精准性得到提高，从而进一步的提高发酵效率。
参考文献
[1]张 锋. 基于LabVIEW的孵化环境监控系统设计与实现[J]. 工业控制计算机，2019，32（10）：50-51+53.
[2]刘 方. 基于虚拟仪器的温室环境监控系统研究与设计[J].自动化技术与应用，2019，38（09）：124-128.
[3]王 艳，陈惠英，乔记平，等. 基于LabVIEW的生猪养殖环境监控系统设计[J]. 黑龙江畜牧兽医，2020（09）： 64-67+168-169.
[4]龚燕飞，聂宏林. 基于农业物联网技术的农业种植环境监控系统设计与实现[J]. 电子设计工程，2016，24（13）：52-54+58.
[5]边海关. 基于LabVIEW的小型无人机地面监控系统设计与应用[J]. 电子测试，2019（23）：86-87.
[6]郑忠斌，孙繁荣. 大数据处理技术在智慧农业监控系统中的应用[J]. 粘接，2020，41（03）：103-106.
[7]杨 鹏，程 凯，陈 禹. 粘接技术在电动器具管理系统中的应用研究[J]. 粘接，2019，40（11）：38-42.
[8]潘磊磊，张桂青，田崇翼，等. 基于NB-IOT的农业环境监控系统设计[J]. 电子设计工程，2019，27（01）：25-30+36.
