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摘 要

发酵罐智能控制系统是发酵流程工艺中必不可少的基础和手段，而控制系统的精度将直接影响能耗成本和产气质量。在当今新能源需求的不断增加下，由于低劣生物质产甲烷过程机理不明，现阶段无法获得整个流程的最佳动态发酵环境的前提下，对不同原料配比的发酵过程给予恒定的、但更加合适的温度、pH环境，可尽最大可能地提高原料容积产气率，这对我国现有甲烷产业具有非常有效的现实意义。

本课题旨在研究对于厌氧发酵生产甲烷过程采取单因素分析法对最佳工况进行测试，设计一套高精度的温度、pH值自动控制系统，同时对罐体压力、CH₄产量进行测量；附加搅拌、工况智能监视等功能。本发酵罐智能控制系统是基于西门子PLC的S7-1200设计实现的，在保证系统运行安全平稳的状态下，调整变量进行对比分析，最大效率进行沼气生产，并使得沼气中甲烷浓度尽可能的满足使用要求。利用本控制系统可对n*m个矩阵罐同时进行发酵，找出最佳温度，pH的组合工况。通过组态软件MCGS，设计了监控界面，考虑到实际测试过程的获取不足，采用MATLAB软件通过EXCEL互联，进行PID参数的整定，来测试系统的可用性。

关键词：发酵罐，控制系统，PLC，PID

Design and realization of an anaerobic fermentation tank intelligent control system

Abstract

The intelligent control system of fermentation tank is the essential foundation and means in the fermentation process, and the accuracy of the control system will directly affect the cost of energy consumption and the quality of gas production. With the increasing demand of new energy, due to the unknown mechanism of low-quality biomass methane production process, the best dynamic fermentation environment of the whole process can not be obtained at this stage. On the premise of constant but more suitable temperature and pH environment for the fermentation process with different raw material ratio, the volumetric gas production rate of raw material can be increased as much as possible, which is of great significance to the existing methane industry in China It has very effective practical significance.

The purpose of this project is to test the best working condition of methane production by single factor analysis, design a set of high-precision temperature and pH value automatic control system, measure the tank pressure and CH₄ at the same time, add agitation, intelligent monitoring of working condition and other functions. The intelligent control system of fermentation tank is designed based on S7-1200 of Siemens PLC. Under the condition of ensuring the safe and stable operation of the system, the variables are adjusted for comparative analysis, the maximum efficiency is used for biogas production, and the concentration of methane in biogas can meet the use requirements as much as possible. With this control system, n * m matrix tanks can be fermented at the same time to find out the best combination of temperature and pH. Through the configuration software MCGS, the monitoring interface is designed. Considering the lack of acquisition in the actual test process, the MATLAB software is used to set the PID parameters through the excel interconnection to test the availability of the system.

Key words: fermentation tank, control system, PLC, PID

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 国内外研究现状及发展趋势 2

1.2.1 国内外研究现状 2

1.2.2 发展趋势 3

1.3生物发酵罐控制系统目前存在的问题 3

1.4 文章组织结构 4

第二章 发酵罐控制系统的分析及设计 5

2.1 发酵罐智能控制系统的被控变量分析 5

2.1.1 温度控制 5

2.1.2 pH值控制 5

2.1.3 沼气测量 6

2.2 被控对象分析 6

2.3 PID控制系统分析 8

2.3.1 PID控制系统仿真 9

2.3.2 PID参数整定 12

2.4 复杂控制系统 14

2.5 单因素分析法 17

2.6 本章小结 20

第三章 发酵罐智能控制系统的硬件软件分析及实现 21

3.1 PLC概述 21

3.2 PLC选型 23

3.2.1 控制点数选择 24

3.2.2 传感器选型 27

3.3 程序设计与仿真 28

3.4 各项控制系统设计 33

3.5 本章小结 35

第四章 发酵罐智能控制系统组态软件设计及开发 37

4.1 MCGS组态界面 37

4.1.1 主界面设计 37

4.1.2 发酵罐液位控制界面设计 38

4.1.3 pH控制界面设计 39

4.1.4罐体温度控制界面设计 39

4.2 MATLAB与EXCEL通信的实现 40

4.3 MCGS与MATLAB通信的实现 42

4.4 本章小结 44

第五章 总结展望 45

5.1 总结 45

5.2 系统评价 45

5.3 展望 45

参考文献 47

致谢 50

第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

当今世界，能源对于经济社会快速发展的作用是独一无二的^[1]。随着生物技术的发展、化石燃料的减少以及其废料所产生大量有害物质的排放，直接或间接地促进了清洁能源和可持续能源在未来长期的发展^[2]。发展中的能源系统其主要挑战是确保可持续的能源供应，同时减少空气污染和温室气体的排放。而相比于自然清洁能源如太阳能，风能，潮汐能等，这些具有不可控性，所以生物废料作为再生能源就显得尤为重要^[3]。生物废物和生物质被认为是能够生产绿色生物燃料或沼气的可持续的和再生能源，有助于实现各国在能源和环境等可持续发展方面的目标^[4]。特别是生物废料，例如城市固体废物的有机部分，这些食物垃圾往往具有很高的生物能量，我们如果采取厌氧消化的方式，是完全有潜力可以将其转化为以甲烷形式存在的有用能源的^[5]。像这样将低劣的生物质转化为生物甲烷能堪称“化腐朽为神奇”，也是其资源化利用的最优方式^[6]。

在我国，广袤的地理资源以及人口基数，可为厌氧发酵制甲烷（俗称沼气）提供充足的原料，同时生物发酵所得的沼气能源又不会受天气、风况、潮汐时刻等带来的影响^[5]。另外，由于我国经济进入高速发展的全新阶段，居民的生活水平大幅提高，导致城市垃圾的产生量迅速增加。我国城市垃圾中，约70%为厨余垃圾，同时因我国居民饮食习惯的改变，厨余垃圾中有机质含量占比大幅上升^[6]。采用厌氧发酵方法来消化厨余垃圾中的有机质，可有效实现厨余垃圾的减量化，同时厌氧微生物可将有机质转化为沼气，为工业生产提供绿色能源，进一步实现垃圾的资源化^[7]。在中国,厌氧发酵产沼气技术以及沼气应用的开发已然获得了较为深入的研究。但是我国沼气发酵技术普遍自动化水平较低,因而产气效率低下,生产耗能大^[8]。目前我国厌氧发酵产生沼气普遍有“两低一高”问题，即产气速率低；甲烷浓度低；过程能耗和规模化成本高^[9]。这三大问题直接导致我国沼气新能源行业的经济效益提升困难，以沼气能源为导向的国家能源战略前进缓慢。

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