论文部分内容阅读
[摘 要]根据秸秆沼气发电工艺系统的要求，提出了一种基于S7-300PLC的秸秆沼气发电控制系统。该系统可实现从进料到发酵、产生沼气、净化等，直至进入发电机组的全过程实时监控。系统采用西门子公司的S7-300PLC，通过MPI/DP方式实现PLC与可控设备及I/O的通讯，采用MPI方式实现PLC与上位机之间的通讯。通过现场电站的试验运行，该系统能够满足工艺的要求，对秸秆发电项目的推广，起到积极的推动作用。
[关键词]秸秆；沼气；发电；控制系统
中图分类号：TM619 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）05-0157-02
1 引言
随着经济的迅猛发展，世界经济一体化的即将来临，社会对能源的需求正变得越来越迫切。中国工程院的一份调查报告显示，我国农作物秸秆的年产量在7亿吨左右。除了用作工业原料、畜牧饲料以外，可以作为能源使用的在3.5亿吨左右。利用秸秆发酵产生的沼气进行发电，不但节约了标煤，变废为宝，而且沼气是一种清洁能源，可减少由于燃煤发电带来的污染，整体技术与功效达到了国际先进，国内领先水平，并能充分实现沼气发电工程的能源效益、生态效益和社会效益。同时本项目具有积极的示范效应，符合目前国家的农业产业政策[1]。
针对秸秆沼气发电的特殊性和工艺系统的要求，本文设计了一套从进料到产生沼气并进入发电机组的完整的自动控制方案，它可以实现整个秸秆发酵和发电整个过程的实时监控，提高资源利用率，节约运行成本。
2 工艺系统介绍
2.1 工艺系统简介
整个工艺系统主要分为进料、秸秆发酵、发酵配套部分、干燥净化、余热利用等几个子系统。图1所示为秸秆沼气发电系统的工藝系统流程图。系统主要工艺过程为：经过切割后的秸秆首先通过料仓和推料器进入一次发酵罐，该一次发酵罐设计有布水系统，保证秸秆与料液充分搅拌、混合，罐内料液温度保持在55℃左右；再通过换热系统进入二次发酵罐（含布水系统），罐内料液温度保持在35℃左右；秸秆发酵产生的沼气经过丝网过滤器、冷干机、干式阻火器等进入发电机组，发出洁净能源——电能。
2.2 工艺系统功能
该工艺系统可以分为以下几个部分，具体功能如下所示：
（1）进料部分
在料斗和进料管线中分别采用阻旋式料位开关（UZK-300）和磁感应接近开关（SJA01M-4002GK）实现一次发酵罐的进料自动化；
（2）厌氧发酵部分
厌氧发酵部分分为一次发酵和二次发酵。切割好的秸秆经推料器作用进入一次发酵罐，控制合适温度进行发酵。料液通过压力差从一次发酵罐自动流入二次发酵罐。该部分主要根据秸秆厌氧发酵的要求，精确控制料液的温度，使秸秆的产气量最大化。
（3）发酵配套部分
该部分主要包括水力循环系统和加热系统。根据料液的情况，调整水力循环系统和加热系统，使料液的温度保持在最佳状况，同时，使料液充分混合，利于发酵产气。
（4）干燥净化部分
采用丝网过滤器、冷干机、干式阻火器等设备，使产生的沼气在进入燃气发电机组前保持干燥、洁净，保证进气管路的安全和运行稳定性。
（5）余热利用部分
余热利用部分通过回收燃气发电机组排烟余热，用于加热厌氧发酵部分中的料液，使料液温度保持在最佳状态。
3 控制系统设计
3.1 监控系统设计
根据秸秆沼气发电工艺要求的特点，结合现场监测要求及现场气候等综合因素，设计本套秸秆沼气发电控制系统。该系统采用手动/自动相结合的控制方式，即在系统工控机上采用自动控制方式，在设备现场或监控现场设置控制按钮或操作柱等。
该系统工控机选用戴尔系列产品，双核，1.6G内存，160G硬盘，在WindowsXP操作系统下采用SIMATICWINCCRC256作为阻态软件。
阻态操作界面的开发按照系统各部分工艺流程图设计，具体结构见图2所示。
运行维护人员根据系统设置的权限不仅可以下发操作指令给PLC，而且能从PLC读取工艺系统运行状态信号和各种在线参数，在界面上对整个系统流程进行集中状态监控。所有操作及设备选择均通过鼠标和键盘在界面上动作，对于各泵、推料器、电动刀闸阀、风机等设备的起/停和运行状态均采用不同颜色的按钮或指示灯作为指示，对设备的故障放大/缩小报警，对一级设备的故障采用电铃报警，并自动显示故障或报警界面。在系统界面上对温度、压力、流量等相关参数进行显示、设置报警限值；同时设置数据存储及查询等功能。
3.2 硬件系统设计
CPU（中央处理器）采用西门子公司S7-300PLC系列产品，S7-300属于配置比较灵活、简便的PLC，主要由导轨、电源模块、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器及编程电缆等组成，
根据工艺系统的要求，该系统采用CPU314-DP、2个IM365接口模块、1个PS307-5A电源模块和信号采集模块，其中信号采集模块主要包括3个32通道的SM321开关量输入模块、2个32通道的SM322开关量输出模块、3个8通道的SM331模拟量输入模块。系统硬件阻态如图3所示。
PLC通过数字量输入模块采集系统中各设备的相关状态等进入CPU；并通过数字量输出模块控制各设备的启/停等动作；通过模拟量输入模块采集温度、压力和流量等信号，以4-20mA电流信号输入，进入CPU。PLC根据系统反馈的温度、压力、流量和液位及工艺要求等，发出控制信号，实现系统的自动控制。系统所有参数达到报警值，PLC对应的报警装置报警。
3.3 软件系统设计
对于控制程序，采用结构化编程方法，可以将复杂的自动化任务分解为能够反映过程的功能或可以反复使用的任务，这些任务由相应的程序块来表示；同时系统本身还提供了丰富的系统块，使编程更加方便、快捷。在这套系统中我们就调用了系统提供的时间模块、模拟量采集模块等多种系统提供的模块。在OB1主程序块中调用这些用户块和系统块来完成系统功能。在用户块中采用梯形图作为编程语言，程序直观、易于维护，控制程序利用西门子公司提供的STEP7V5.4SP3编程软件完成。利用该软件进行编程十分方便，可以将编写完成的程序利用编程电缆从电脑下载到控制器中，还可以进行在线监测程序的运行情况，对程序的调试比较方便。由于系统中部分较多，仅列出一次水力循环系统流程图，如图4所示。
4 通讯设计
由于本系统是针对临淄项目所设计，本系统中PLC工控机与PLC信号处理柜均设置于低压配电室内，因此PLC直接将CPU上的通讯接口采用MPI通讯方式与工控机相联。
在导轨上安装电源、CPU、I/O采集模块和接口模块等，不同的导轨上均设置IM365模块，做为通讯模块。S7-300CPU模块上设置有MPI接口，该接口既是编程接口又是数据通讯接口，通过此接口PLC和工控机之间可进行数据传输，从而构成MPI网络。运行的STEP7对工控机进行相应参数设置，主要包括：通信端口的设置、MPI地址设定、数据传输速率设置等；然后通过MPI端口对PLC进行硬件组态，即对S7-300的导轨、电源、CPU、I/O采集模块等按实际配置类型和物理地址进行组态，其中在CPU的组态中设置MPI地址，最后将组态程序下载到CPU中。在建立的WinCC项目的标签管理中选择添加PLC驱动程序，便可建立WinCC和PLC之间的通讯联接[2]。
5 结论
本系统是针对临淄项目所设计的一套特定的系统，由工控机和PLC组成的集中控制系统，利用PLC抗干扰能力强，适用于工业现场等特点，通过实现对整个秸秆沼气发电设备的控制和工艺参数的监控，基本满足了临淄项目发电的要求。
参考文献
[1] 祁永宏等.淄博市临淄区凤凰镇秸秆沼气发电可再生能源工程可行性研究报告，2008年9月.
[2] 高钦和.PLC可编程控制器应用技术实例.人民邮电出版社，2000年10月.
[关键词]秸秆；沼气；发电；控制系统
中图分类号：TM619 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）05-0157-02
1 引言
随着经济的迅猛发展，世界经济一体化的即将来临，社会对能源的需求正变得越来越迫切。中国工程院的一份调查报告显示，我国农作物秸秆的年产量在7亿吨左右。除了用作工业原料、畜牧饲料以外，可以作为能源使用的在3.5亿吨左右。利用秸秆发酵产生的沼气进行发电，不但节约了标煤，变废为宝，而且沼气是一种清洁能源，可减少由于燃煤发电带来的污染，整体技术与功效达到了国际先进，国内领先水平，并能充分实现沼气发电工程的能源效益、生态效益和社会效益。同时本项目具有积极的示范效应，符合目前国家的农业产业政策[1]。
针对秸秆沼气发电的特殊性和工艺系统的要求，本文设计了一套从进料到产生沼气并进入发电机组的完整的自动控制方案，它可以实现整个秸秆发酵和发电整个过程的实时监控，提高资源利用率，节约运行成本。
2 工艺系统介绍
2.1 工艺系统简介
整个工艺系统主要分为进料、秸秆发酵、发酵配套部分、干燥净化、余热利用等几个子系统。图1所示为秸秆沼气发电系统的工藝系统流程图。系统主要工艺过程为：经过切割后的秸秆首先通过料仓和推料器进入一次发酵罐，该一次发酵罐设计有布水系统，保证秸秆与料液充分搅拌、混合，罐内料液温度保持在55℃左右；再通过换热系统进入二次发酵罐（含布水系统），罐内料液温度保持在35℃左右；秸秆发酵产生的沼气经过丝网过滤器、冷干机、干式阻火器等进入发电机组，发出洁净能源——电能。
2.2 工艺系统功能
该工艺系统可以分为以下几个部分，具体功能如下所示：
（1）进料部分
在料斗和进料管线中分别采用阻旋式料位开关（UZK-300）和磁感应接近开关（SJA01M-4002GK）实现一次发酵罐的进料自动化；
（2）厌氧发酵部分
厌氧发酵部分分为一次发酵和二次发酵。切割好的秸秆经推料器作用进入一次发酵罐，控制合适温度进行发酵。料液通过压力差从一次发酵罐自动流入二次发酵罐。该部分主要根据秸秆厌氧发酵的要求，精确控制料液的温度，使秸秆的产气量最大化。
（3）发酵配套部分
该部分主要包括水力循环系统和加热系统。根据料液的情况，调整水力循环系统和加热系统，使料液的温度保持在最佳状况，同时，使料液充分混合，利于发酵产气。
（4）干燥净化部分
采用丝网过滤器、冷干机、干式阻火器等设备，使产生的沼气在进入燃气发电机组前保持干燥、洁净，保证进气管路的安全和运行稳定性。
（5）余热利用部分
余热利用部分通过回收燃气发电机组排烟余热，用于加热厌氧发酵部分中的料液，使料液温度保持在最佳状态。
3 控制系统设计
3.1 监控系统设计
根据秸秆沼气发电工艺要求的特点，结合现场监测要求及现场气候等综合因素，设计本套秸秆沼气发电控制系统。该系统采用手动/自动相结合的控制方式，即在系统工控机上采用自动控制方式，在设备现场或监控现场设置控制按钮或操作柱等。
该系统工控机选用戴尔系列产品，双核，1.6G内存，160G硬盘，在WindowsXP操作系统下采用SIMATICWINCCRC256作为阻态软件。
阻态操作界面的开发按照系统各部分工艺流程图设计，具体结构见图2所示。
运行维护人员根据系统设置的权限不仅可以下发操作指令给PLC，而且能从PLC读取工艺系统运行状态信号和各种在线参数，在界面上对整个系统流程进行集中状态监控。所有操作及设备选择均通过鼠标和键盘在界面上动作，对于各泵、推料器、电动刀闸阀、风机等设备的起/停和运行状态均采用不同颜色的按钮或指示灯作为指示，对设备的故障放大/缩小报警，对一级设备的故障采用电铃报警，并自动显示故障或报警界面。在系统界面上对温度、压力、流量等相关参数进行显示、设置报警限值；同时设置数据存储及查询等功能。
3.2 硬件系统设计
CPU（中央处理器）采用西门子公司S7-300PLC系列产品，S7-300属于配置比较灵活、简便的PLC，主要由导轨、电源模块、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器及编程电缆等组成，
根据工艺系统的要求，该系统采用CPU314-DP、2个IM365接口模块、1个PS307-5A电源模块和信号采集模块，其中信号采集模块主要包括3个32通道的SM321开关量输入模块、2个32通道的SM322开关量输出模块、3个8通道的SM331模拟量输入模块。系统硬件阻态如图3所示。
PLC通过数字量输入模块采集系统中各设备的相关状态等进入CPU；并通过数字量输出模块控制各设备的启/停等动作；通过模拟量输入模块采集温度、压力和流量等信号，以4-20mA电流信号输入，进入CPU。PLC根据系统反馈的温度、压力、流量和液位及工艺要求等，发出控制信号，实现系统的自动控制。系统所有参数达到报警值，PLC对应的报警装置报警。
3.3 软件系统设计
对于控制程序，采用结构化编程方法，可以将复杂的自动化任务分解为能够反映过程的功能或可以反复使用的任务，这些任务由相应的程序块来表示；同时系统本身还提供了丰富的系统块，使编程更加方便、快捷。在这套系统中我们就调用了系统提供的时间模块、模拟量采集模块等多种系统提供的模块。在OB1主程序块中调用这些用户块和系统块来完成系统功能。在用户块中采用梯形图作为编程语言，程序直观、易于维护，控制程序利用西门子公司提供的STEP7V5.4SP3编程软件完成。利用该软件进行编程十分方便，可以将编写完成的程序利用编程电缆从电脑下载到控制器中，还可以进行在线监测程序的运行情况，对程序的调试比较方便。由于系统中部分较多，仅列出一次水力循环系统流程图，如图4所示。
4 通讯设计
由于本系统是针对临淄项目所设计，本系统中PLC工控机与PLC信号处理柜均设置于低压配电室内，因此PLC直接将CPU上的通讯接口采用MPI通讯方式与工控机相联。
在导轨上安装电源、CPU、I/O采集模块和接口模块等，不同的导轨上均设置IM365模块，做为通讯模块。S7-300CPU模块上设置有MPI接口，该接口既是编程接口又是数据通讯接口，通过此接口PLC和工控机之间可进行数据传输，从而构成MPI网络。运行的STEP7对工控机进行相应参数设置，主要包括：通信端口的设置、MPI地址设定、数据传输速率设置等；然后通过MPI端口对PLC进行硬件组态，即对S7-300的导轨、电源、CPU、I/O采集模块等按实际配置类型和物理地址进行组态，其中在CPU的组态中设置MPI地址，最后将组态程序下载到CPU中。在建立的WinCC项目的标签管理中选择添加PLC驱动程序，便可建立WinCC和PLC之间的通讯联接[2]。
5 结论
本系统是针对临淄项目所设计的一套特定的系统，由工控机和PLC组成的集中控制系统，利用PLC抗干扰能力强，适用于工业现场等特点，通过实现对整个秸秆沼气发电设备的控制和工艺参数的监控，基本满足了临淄项目发电的要求。
参考文献
[1] 祁永宏等.淄博市临淄区凤凰镇秸秆沼气发电可再生能源工程可行性研究报告，2008年9月.
[2] 高钦和.PLC可编程控制器应用技术实例.人民邮电出版社，2000年10月.