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摘 要：针对沼气工程由于控制水平低，导致劳动强度大，数据无法自动统计，发酵过程不稳定，产气率不高等问题。开发了一套以MCGS组态运行系统作为上位机监控和测试计算平台，以西门子PLC作为下位机实现数据的采集和系统各部分的控制，该系统具备手动，半自动功能，全自动功能。上位机通过PPI协议与下位机通讯，通过MODBUS协议与现场流量计通讯。降低了劳动强度，自动统计产气量和供气量的功能有助于优化工艺参数，稳压供气功能提高了燃气灶的燃烧效率。整个系统实现了农村大中型秸秆沼气工程的安全稳定有序生产。
关键词：MCGS；PLC；沼气工程；控制；大中型
引言
能源危机、环境恶化是困扰人类生存与发展的两大突出问题。为了缓解能源的供需矛盾以及化石能源消耗带来的环境污染问题，世界各国正在积极研究开发新能源。厌氧发酵产沼气是一条非常有潜力的废弃物资源化利用途径，得到了我国政府的高度重视。中央一号文件自2004年起连续7年对发展沼气建设提出明确要求。特别是十八大报告中明确提出“大力推进生态文明建设”的战略决策，充分体现我国对改善能源消费结构、加大环境保护力度、推动低碳经济发展等工作的重视程度[1]。
近年来，尽管我国沼气工程建设成效显著，但还存在许多问题，尤其是沼气工程在生产运行中的控制问题，主要表现在控制水平低、控制精度差等方面。[2]多采用人工手动控制，导致发酵过程不稳定，产气率不高。目前，多数沼气工程仍采用继电器作为主控装置来搭建控制系统，多为手动控制，系统的控制参数由人来判断，不但劳动强度大还会由于操作失误或时间掌握不准确等因素而影响发酵过程的顺利进行，甚至使发酵类型发生改变，致使产气率下降或产气停滞。因此，采用工艺流程自动控制显得尤为重要。[3]
随着科学技术的进步和工业自动化水平的不断提高，利用传感器对发酵参数进行自动检测、利用PLC和工控机构建厌氧发酵工艺自动控制系统，对于优化工艺设计，提高控制精度、提高池容产气率，降低劳动强度具有重要意义，也是未来大型沼气工程技术的发展趋势。将会极大提高厌氧发酵工艺自动控制水平，提高沼气工程厌氧发酵效果。[4]
作者根据多年的工程实践积累了一定的经验，基本上探索出一套合适的控制和管理方案。在产气方面，即根据工艺需求，通过上位机和下位机和现场执行机构的联合动作，使整个沼气工程自动有序的工作。使沼气工程的自动化水平得到大幅度的提高，劳动强度大大较低。
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立方米发酵罐，2013扩建日产1000立方米沼气池工程，含一个预调节池，两个发酵池，两个储气池。所产沼气，可供周边八百多户农户集中使用，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。
MCGS是一套上位机监控系统的组态软件系统，它为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作工具。MCGS组态软件具有多任务、多线程功能，其系统框架采用VC 语言编程，通过OLE技术向用户提供VB编程接口，提供丰富的设备驱动构件、动画构件、策略构件，用户可随时方便地扩充系统的功能。
因此，考虑到沼气工程运行系统的需求和特点，本系统采用采用MCGS作为上位机监控和计算平台，采用S7-200作为下位机运算控制核心配合其他传感器和执行机构开发了一套沼气工程控制系统，于2013年12月在河南省安阳县吕村镇洋泛村集中供气工程投入使用。目前运行平稳，能检测温度，沼气流量，压力控制在5%范围内，实现了恒压稳压供气，能手动自动上料放料，能自动统计打印每日供气量，产气量，能自动统计打印每月供气量，产气量。下面对整个工程的产供气控制情况做一介绍。
1系统整体设计
1.1工艺结构
1.2硬件设计
系统整个硬件部分分为三层，如图2所示：
第一层为信息管理层。在MCGS开发环境下，开发出一套沼气工程系统程序，作为实时监控和发出指令的中枢。完成发酵液位、供气压力等关键技术数据的设定、实时数据和运行状态的监视、历史数据的查看、数据报表的记录与打印等功能。主要由现场工控机1、会议室工控机2、MCGS组态开发软件、MCGS运行应用程序、通讯模块，打印机等组成。
第二层为现场控制层。主要完成各种控制动作命令、实时数据的采样与处理、控制算法的实现、异常现象的自动处理等功能。主要由可编程逻辑控制器的开关量模块、模拟量模块等组成。
考虑到现场有近6个温度输入，3个电流模拟量输入，2个电流模拟量输入和近10个开关量输入输出点。现场控制层采用西门子214 xp作为控制核心，扩展2个是EM235模块。根据集中控制台的指令、规定的工艺要求对现场实时控制。
考虑到工控机和积算仪与西门子S7-214采用不同的通讯协议，采用扩展串口的方案来实现。流量计采用RS485总线的方式实现硬件的连接。通讯上采用MODBUS-RTU协议的形式来采集流量计的温度、压力、瞬时流量和累计流量。工控机和S7-214采用RS232-485电缆实现硬件连接，通讯采用西门子公司内部的PPI协议实现数据的交换。
第三层为现场传感器和执行器，主要接受来自PLC和工控机的控制命令，执行相应的动作或提供相应的检测数据。主要由断路器、交流接触器、压力变送器、温度传感器、流量计、电动执行阀、变频器等组成。
1.3软件设计
1.3.1整体设计思想
针对沼气工程控制系统的工艺要求，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控制要求固化到程序里。手动控制系统分为上位机手动系统和操作台手动系统，上位机手动系统可以通过上位机的控制对现场进行控制；操作台手动系统主要通过操作台上的按钮实现现场的控制，主要用于现场调试或紧急情况。同时自动控制系统的运行不会影响到手动系统控制，即使自动控制系统有故障，原手动控制仍可使用。 1.3.2.MCGS开发
在MCGS开发环境下，本能效测控系统有5部分组成即设备窗口、用户窗口、主控窗口、实时数据库、运行策略等。
（1）设备窗口
本窗口是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，添加设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。
首先在本系统的设备窗口内添加通用串口父设备，然后在通用串口父设备下添加标准的MODBUS设备1，MODBUS设备2驱动。同时完成设备站点的设置和通讯协议的约定，该驱动完成通道数据和内部数据的连接，以及采集数据的前期处理。
在通用串口父设备驱动下添加S7-200通讯驱动，同时完成设备站点的设置和通讯协议的约定，该驱动完成通道数据和内部数据的连接，以及采集数据的前期处理。
（2）实时数据库
本窗口是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。
本系统中需要添加的数据量比较大，需要添加14个开关量，主要在上位控制设备的起停和检测的起停。如放料，搅拌，上料，增压起停等。122个数值型变量，主要用于温度压力流量的采集以及统计。如南发酵罐高位温度，南发酵罐中位温度，南发酵罐低位温度，北发酵罐高位温度，北发酵罐中位温度，北发酵罐低位温度，供气实时压力，供气瞬时流量，供气累计流量等。3个组对象，主要用于供气累计和实时流量数据的存盘和导出。如供气存盘数据组，产气存盘数据组等。
（3）运行策略窗口
本窗口主要完成工程运行流程的控制。主要完成6个用户策略的建立，主要控制数据报表的存储、测试、打印、导出以及单位的选择。2个循环策略主要负责参数的检测和计算以及数据的实时更新。启动策略主要完成系统的初始化，各状态初始值的确定。
（4）主控窗口
本窗口是工程的主窗口。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要定义工程的名称、编制工程菜单、设计封面图形、确定自动启动的窗口、设定动画刷新周期、指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。
本系统在菜单组态中完成系统控制、用户管理、实时压力曲线、实时温度曲线、历史数据、每月供气量表格、每天供气量表格等几个下拉菜单组态以及对应的子菜单的建立。
（5）用户窗口
本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，本系统需要建立1个主控窗口和6个用户子窗口，主窗口主要完成系统的运行。用户窗口主要完成实时流量压力温度的在线显示，历史数据的显示，每月每天数据的自动计算统计等。
整体运行如图4所示
1.4结论
完成了秸秆沼气工程控制系统的开发，能够实时在线控制沼气工程系统的稳定运行，能够实时显示沼气工程的压力温度曲线。
能够把监测数据保存起来以备后期调用，能自动计算每天每月的供气量和产气量，和每天的投料量联系起来以便确定合适的工艺参数。
该系统实现了沼气工程的多地控制，可以在现场控制，也可以在会议室或其他地方控制。
该系统实现了供气压力恒定供应，且不影响电机使用寿命。目前运行平稳，不足的是调浆池液位无法实现全自动运行，需要进一步改进。
参考文献：
[1] 孙静 沼气自动控制与监测系统的设计 西安工业大学.硕士学位论文[D]. 2009.7
[2] 吴功平 钟毓宁 杨仲林 大中型沼气工程计算机监控系统湖北工学院学报[J]. 2000年第15卷：56～59
[3] 林斌，徐庆贤，官雪芳等 智能化沼气工程技术及其优势分析[J]. 福建农业学报[J]. 2012.27（4）：427～431
[4] 田苗，王海阔 沼气工程的自动化应用 中国环保产业[J]. 2008. （9）：28～29
关键词：MCGS；PLC；沼气工程；控制；大中型
引言
能源危机、环境恶化是困扰人类生存与发展的两大突出问题。为了缓解能源的供需矛盾以及化石能源消耗带来的环境污染问题，世界各国正在积极研究开发新能源。厌氧发酵产沼气是一条非常有潜力的废弃物资源化利用途径，得到了我国政府的高度重视。中央一号文件自2004年起连续7年对发展沼气建设提出明确要求。特别是十八大报告中明确提出“大力推进生态文明建设”的战略决策，充分体现我国对改善能源消费结构、加大环境保护力度、推动低碳经济发展等工作的重视程度[1]。
近年来，尽管我国沼气工程建设成效显著，但还存在许多问题，尤其是沼气工程在生产运行中的控制问题，主要表现在控制水平低、控制精度差等方面。[2]多采用人工手动控制，导致发酵过程不稳定，产气率不高。目前，多数沼气工程仍采用继电器作为主控装置来搭建控制系统，多为手动控制，系统的控制参数由人来判断，不但劳动强度大还会由于操作失误或时间掌握不准确等因素而影响发酵过程的顺利进行，甚至使发酵类型发生改变，致使产气率下降或产气停滞。因此，采用工艺流程自动控制显得尤为重要。[3]
随着科学技术的进步和工业自动化水平的不断提高，利用传感器对发酵参数进行自动检测、利用PLC和工控机构建厌氧发酵工艺自动控制系统，对于优化工艺设计，提高控制精度、提高池容产气率，降低劳动强度具有重要意义，也是未来大型沼气工程技术的发展趋势。将会极大提高厌氧发酵工艺自动控制水平，提高沼气工程厌氧发酵效果。[4]
作者根据多年的工程实践积累了一定的经验，基本上探索出一套合适的控制和管理方案。在产气方面，即根据工艺需求，通过上位机和下位机和现场执行机构的联合动作，使整个沼气工程自动有序的工作。使沼气工程的自动化水平得到大幅度的提高，劳动强度大大较低。
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立方米发酵罐，2013扩建日产1000立方米沼气池工程，含一个预调节池，两个发酵池，两个储气池。所产沼气，可供周边八百多户农户集中使用，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。
MCGS是一套上位机监控系统的组态软件系统，它为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作工具。MCGS组态软件具有多任务、多线程功能，其系统框架采用VC 语言编程，通过OLE技术向用户提供VB编程接口，提供丰富的设备驱动构件、动画构件、策略构件，用户可随时方便地扩充系统的功能。
因此，考虑到沼气工程运行系统的需求和特点，本系统采用采用MCGS作为上位机监控和计算平台，采用S7-200作为下位机运算控制核心配合其他传感器和执行机构开发了一套沼气工程控制系统，于2013年12月在河南省安阳县吕村镇洋泛村集中供气工程投入使用。目前运行平稳，能检测温度，沼气流量，压力控制在5%范围内，实现了恒压稳压供气，能手动自动上料放料，能自动统计打印每日供气量，产气量，能自动统计打印每月供气量，产气量。下面对整个工程的产供气控制情况做一介绍。
1系统整体设计
1.1工艺结构
1.2硬件设计
系统整个硬件部分分为三层，如图2所示：
第一层为信息管理层。在MCGS开发环境下，开发出一套沼气工程系统程序，作为实时监控和发出指令的中枢。完成发酵液位、供气压力等关键技术数据的设定、实时数据和运行状态的监视、历史数据的查看、数据报表的记录与打印等功能。主要由现场工控机1、会议室工控机2、MCGS组态开发软件、MCGS运行应用程序、通讯模块，打印机等组成。
第二层为现场控制层。主要完成各种控制动作命令、实时数据的采样与处理、控制算法的实现、异常现象的自动处理等功能。主要由可编程逻辑控制器的开关量模块、模拟量模块等组成。
考虑到现场有近6个温度输入，3个电流模拟量输入，2个电流模拟量输入和近10个开关量输入输出点。现场控制层采用西门子214 xp作为控制核心，扩展2个是EM235模块。根据集中控制台的指令、规定的工艺要求对现场实时控制。
考虑到工控机和积算仪与西门子S7-214采用不同的通讯协议，采用扩展串口的方案来实现。流量计采用RS485总线的方式实现硬件的连接。通讯上采用MODBUS-RTU协议的形式来采集流量计的温度、压力、瞬时流量和累计流量。工控机和S7-214采用RS232-485电缆实现硬件连接，通讯采用西门子公司内部的PPI协议实现数据的交换。
第三层为现场传感器和执行器，主要接受来自PLC和工控机的控制命令，执行相应的动作或提供相应的检测数据。主要由断路器、交流接触器、压力变送器、温度传感器、流量计、电动执行阀、变频器等组成。
1.3软件设计
1.3.1整体设计思想
针对沼气工程控制系统的工艺要求，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控制要求固化到程序里。手动控制系统分为上位机手动系统和操作台手动系统，上位机手动系统可以通过上位机的控制对现场进行控制；操作台手动系统主要通过操作台上的按钮实现现场的控制，主要用于现场调试或紧急情况。同时自动控制系统的运行不会影响到手动系统控制，即使自动控制系统有故障，原手动控制仍可使用。 1.3.2.MCGS开发
在MCGS开发环境下，本能效测控系统有5部分组成即设备窗口、用户窗口、主控窗口、实时数据库、运行策略等。
（1）设备窗口
本窗口是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，添加设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。
首先在本系统的设备窗口内添加通用串口父设备，然后在通用串口父设备下添加标准的MODBUS设备1，MODBUS设备2驱动。同时完成设备站点的设置和通讯协议的约定，该驱动完成通道数据和内部数据的连接，以及采集数据的前期处理。
在通用串口父设备驱动下添加S7-200通讯驱动，同时完成设备站点的设置和通讯协议的约定，该驱动完成通道数据和内部数据的连接，以及采集数据的前期处理。
（2）实时数据库
本窗口是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。
本系统中需要添加的数据量比较大，需要添加14个开关量，主要在上位控制设备的起停和检测的起停。如放料，搅拌，上料，增压起停等。122个数值型变量，主要用于温度压力流量的采集以及统计。如南发酵罐高位温度，南发酵罐中位温度，南发酵罐低位温度，北发酵罐高位温度，北发酵罐中位温度，北发酵罐低位温度，供气实时压力，供气瞬时流量，供气累计流量等。3个组对象，主要用于供气累计和实时流量数据的存盘和导出。如供气存盘数据组，产气存盘数据组等。
（3）运行策略窗口
本窗口主要完成工程运行流程的控制。主要完成6个用户策略的建立，主要控制数据报表的存储、测试、打印、导出以及单位的选择。2个循环策略主要负责参数的检测和计算以及数据的实时更新。启动策略主要完成系统的初始化，各状态初始值的确定。
（4）主控窗口
本窗口是工程的主窗口。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要定义工程的名称、编制工程菜单、设计封面图形、确定自动启动的窗口、设定动画刷新周期、指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。
本系统在菜单组态中完成系统控制、用户管理、实时压力曲线、实时温度曲线、历史数据、每月供气量表格、每天供气量表格等几个下拉菜单组态以及对应的子菜单的建立。
（5）用户窗口
本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，本系统需要建立1个主控窗口和6个用户子窗口，主窗口主要完成系统的运行。用户窗口主要完成实时流量压力温度的在线显示，历史数据的显示，每月每天数据的自动计算统计等。
整体运行如图4所示
1.4结论
完成了秸秆沼气工程控制系统的开发，能够实时在线控制沼气工程系统的稳定运行，能够实时显示沼气工程的压力温度曲线。
能够把监测数据保存起来以备后期调用，能自动计算每天每月的供气量和产气量，和每天的投料量联系起来以便确定合适的工艺参数。
该系统实现了沼气工程的多地控制，可以在现场控制，也可以在会议室或其他地方控制。
该系统实现了供气压力恒定供应，且不影响电机使用寿命。目前运行平稳，不足的是调浆池液位无法实现全自动运行，需要进一步改进。
参考文献：
[1] 孙静 沼气自动控制与监测系统的设计 西安工业大学.硕士学位论文[D]. 2009.7
[2] 吴功平 钟毓宁 杨仲林 大中型沼气工程计算机监控系统湖北工学院学报[J]. 2000年第15卷：56～59
[3] 林斌，徐庆贤，官雪芳等 智能化沼气工程技术及其优势分析[J]. 福建农业学报[J]. 2012.27（4）：427～431
[4] 田苗，王海阔 沼气工程的自动化应用 中国环保产业[J]. 2008. （9）：28～29