增量PID控制算法在沼气工程中的应用

0 引言

目前，国内外的沼气发酵技术有干法发酵和湿法发酵两种，不论是哪一种发酵技术，从化学工艺上来讲，产气问题不是太大。截至目前，城市的煤气、农村的沼气和生物质燃气等集中供气系统绝大多数都是采用以下方法:
1) 采用湿式钟罩储气柜。一是设备占地面积大，浪费土地;二是一次性投资多，湿式储气柜土建工程量大，建设时间长;三是北方地区每年越冬时都需要支付额外的采暖费用和人工工资，增加燃气成本;四是维修困难、维修费用大、停气时间长;五是储气柜中的水易受到污染。
2) 采用干式固定容积储气罐。虽然克服了湿式储气柜的诸多弊端，但由于干式固定容积储气罐压力大，供气压力时高时低，而且高低相差十分悬殊，因此在供气时需要人员值守，随时调压，既不安全也不方便，用户意见大。
3) 采用电触点式气体压力表配合时间继电器连接电磁阀供气装置。该方式存在供气压力不稳的问题。其原理是:气体压力表低于设定压力下限时，电磁阀开启能向供气系统供气，按照时间继电器设定的固定时间控制电磁阀供气，即达到一定时间后停止供气，不能稳定供气，同时极易造成供气管网压力过高，出现安全事故。
4) 采用压力继电器配合连接电磁阀供气装置。同样存在供气压力不稳、电和气不分离等安全问题。
5) 采用仪表配合接触器连接电磁阀供气装置。该方式虽然实现了电和气的分离，解决了安全问题，但也存在供气压力不稳的问题。
6) 采用仪表变频器配合连接电机供气装置。该方式虽然解决了电和气的分离解决了安全问题和压力不稳定问题，但由于电机在不停地转动，影响其使用寿命。
由此可见，没有理想的自动稳压供气装置，它直接关系到沼气工程的推广成败。为此，笔者根据多年工程实践积累的经验，探索出了一套合适的控制和供气方案。
河南省安阳县吕村镇洋泛村集中供气工程于2010 年 7 月投入使用，2013 年在原有基础上改建控制系统并使用，目前运行良好。该供气站原有400/m3发酵罐，2013 扩建为日产1 000m3沼气池工程，含1 个预调节池、2 个发酵池、2 个储气池;所产沼气可供周边800 多户农户集中使用，目前供户 400 余户，基本上解决了周边农户的炊事燃料问题，减少了秸秆做饭烟熏火燎的现象。

1 系统整体设计
当压力低于或高于额定压力时，导致热负荷的上升或下降;当压力过高时，热效率反而会下降。因此为了提高沼气灶的燃烧热效率，尽量使灶前压力和设计压力匹配，并保持稳定。从沼气灶使用效率的要求来看，沼气灶前压力与设计额定压力匹配时，使用效率最高。同时，使用时如果压力过低，反而做不成饭。目前，国家标准燃气灶设计额定压力为 800、1 600Pa，两个规格，加上管道和弯头三通等配件的压力损失，也就是说从储气罐出来的压力至少需要 2kPa的压力，才能满足要求。
另外，从集中供气商业化运行要求来讲，还有以下几点需求:
1) 储气袋的压力时刻都在变化且不稳定，如果没有稳定压力的装置，基本上不能商业化运行。
2) 居民用户距离有远有近，而且管道有粗有细，到用户的压力不一样，所以需在建设的不同时期从沼气站出来的压力可调。
3) 用户在在用气量是不均匀的，冬季需要取暖用气量比夏季要多，晚上用气量要比早晨用气量大。
4) 增压泵必须在用气的时候能够调节压力工作，晚上不用的时候能够关闭，以免形成空转。
5) 同一用户压力不能波动太大。经过测试，如果有2kPa 的压力差，火焰会从锅底传到锅沿上。这样会灼伤手臂，不安全，所以压力波动不能太大，不能超过0．5kPa。

2 系统硬件部分

上位机采用工业控制计算机，开发出一套沼气工程控制监控程序，作为实时监控和修改指令的中枢系统，可以修改输出压力及气模压力等参数。
下位机采用西门子 PLC 作为核心控制器，扩展 3个 EM235 模块，根据上位机的指令和规定的工艺要求对现场实时控制。现场传感器主要由液位计、流量计、浓度计、pH计、温度计、操作按钮及现场隔离开关等组成。
现场执行器主要由接触器、电动调节阀、变频器及鼓风机等组成。

3 软件设计

3． 1 PID 算法
针对沼气工程的工艺要求，在硬件组成部分的基础上，该系统整体设计思想是要求具有手动和自动控制功能。整个自动系统运行由现场经验和实际需求固化到程序里，自动运行流程图如图1 所示。

3． 2 PID 算法程序
采用 STL 方式，部分程序如下:
子程序1 (主要完成初始化和参数的设定工作，并且启用中断):


中断程序(主要完成参数的计算工作，并且输出结果达到压力稳定的目的)



3． 3 防干扰算法
由于 PID 在调节过程中会有不同的干扰出现，同时如果输出紧随输入调节的话，会出现不断调节的现象，而且不稳定，为此采用防干扰算法消除干扰，同时避免反复调节的情况出现。部分程序如下:




4 结论
1) 通过上位机和下位机的联合控制，实现了沼气工程的自动化管理和稳定有序工作。
2) 通过增量 PID 防干扰算法解决了压力不稳问题，实现了恒压稳压远距离供气。
3) 此套系统成本比上下限仪表控制要高些。考虑到成本问题，在一些小型的养殖场可以采用上下限仪表控制系统。
参考文献（略）