基于虚拟仪器的沼气发酵环境监控系统的研究
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摘要
大型养殖场排放的畜禽粪便已成为环境污染的主要来源之一。在环境污染加剧,煤、石油等不可再生资源日益紧张的今天,沼气发酵作为一种新型的变废为宝、保护环境的方法,意义重大,越来越受到国内外的广泛重视。发酵过程中,如何始终维持较高的产气率,是检验一个沼气工程成功与否的标准,而对发酵工艺参数的实时监测与调控是提高产气率的关键技术。当前黑龙江省实施沼气工业化生产技术基本成熟,但其发酵环境自动控制水平相对较低,生产效率比较低下。
沼气发酵就是培养厌氧消化菌,由于过程复杂,且黑龙江省地处高寒区,仅靠自然发酵难以实现工业化生产,必须对发酵过程的生物环境进行调控,为优势发酵菌提供良好的生长与繁殖环境,才能维持较高的产气率。其中发酵温度、消化器负荷、pH值、压力等工艺参数是沼气发酵微生物繁殖环境的关键因素。
本文通过对发酵工艺原理及发酵过程的分析研究,确定温度、压力、液位、pH值等发酵工艺参数为研究对象。以传感器技术、仪器技术和计算机技术相结合的虚拟仪器技术为开发平台,充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能对沼气发酵环境监控系统进行研究。以NI公司M系列数据采集(DAQ)卡PCI-6221为核心,结合相应传感器及信号调理电路,完成系统硬件设计;在虚拟仪器软件LabVIEW开发环境下,通过编程,对发酵过程中的上述关键工艺参数进行实时监控与显示,同时对历史数据实时存储,以便日常管理和日后分析。温度监控子系统采用模糊控制算法,实现了自动监控。对DAQ采集信号中的干扰成分采用无限冲击响应滤波器(IIR)——椭圆滤波器进行滤波。
本系统利用现代先进的虚拟仪器技术,对沼气发酵环境监控系统进行研究,实验表明,系统满足监控要求,管理人员可通过计算机大屏幕实时掌握现场的各种工况,对各种生产数据进行分析,使控制和管理相结合,提高控制精度及管理水平。系统采用开放式结构,具有很好的可扩充性,为沼气工业化生产提供了高效可靠的调控手段。
Manure of large farms has been one kind of the main environmental pollution sources. With the aggravated environmental pollution and non-renewable resources like coal, oil becoming increasingly tense, as one methods of turning waste into gold and protecting environment, methane fermentation is significant, and captures more and more extensive attention at home abroad. In fermentation process, how to maintain a higher gas production rate all the time is the standard to test if a biogas project is successful, and then monitoring the fermentation process parameters becomes the key technology. Now industrialization of biogas production in Heilongjiang province is ripe, but the automatic control level of fermentation and production efficiency is relatively low.
Methane fermentation is cultivating anaerobic digestion bacteria. For the process is complicated and Heilongjiang is in alpine region, only relying on natural fermentation is difficult to realize industrialization. Monitoring the biological environment of fermentation process is necessary. Then it can provide for fermentation bacteria with a good growth and propagation environment, so as to maintain a higher gas production rate. Of all the factors, temperature, digestion load, pH, pressure are the key factors in the breeding environment of methane fermentation microbial.
Through analysis and research of principle of the fermentation technology and fermentation process, temperature, pressure, liquid level and pH are determined for study. The system based on PC, using virtual instrumentation which is the technology combination of sensor, instrumentation and computer, as the development platform, making full use of its intelligent functions like operation, storage, playback, call, display and document management to research the methane fermentation monitoring system. Use M-series multiple data acquisition card (DAQ) PCI-6221 of NI as the core, with the corresponding sensors and signal conditioning circuits to complete the system hardware design; In the development environment of virtual instrumentation software-LabVIEW-through programming, the key process parameters can be real-time monitored and displayed, historical data is stored, which is to be day-to-day managed and analyzed in the future, at the same time. The temperature monitoring subsystem uses the fuzzy control algorithm to realize monitoring; the infinite impulse response digital filter-elliptic filter-is for the interfering factors in DAQ acquisition signal.
The system uses advanced virtual instrumentation nowadays to research methane fermentation monitoring system. The experiments show that the system meets the monitoring requirements, and through computer large-screen, managers can real-time master all kinds of conditions in scene, analyze production data, combine control and management, so as to improve control precision and has a excellent scalability. It provides a highly efficient and reliable mean for methane industrialization production.
沼气发酵就是培养厌氧消化菌,由于过程复杂,且黑龙江省地处高寒区,仅靠自然发酵难以实现工业化生产,必须对发酵过程的生物环境进行调控,为优势发酵菌提供良好的生长与繁殖环境,才能维持较高的产气率。其中发酵温度、消化器负荷、pH值、压力等工艺参数是沼气发酵微生物繁殖环境的关键因素。
本文通过对发酵工艺原理及发酵过程的分析研究,确定温度、压力、液位、pH值等发酵工艺参数为研究对象。以传感器技术、仪器技术和计算机技术相结合的虚拟仪器技术为开发平台,充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能对沼气发酵环境监控系统进行研究。以NI公司M系列数据采集(DAQ)卡PCI-6221为核心,结合相应传感器及信号调理电路,完成系统硬件设计;在虚拟仪器软件LabVIEW开发环境下,通过编程,对发酵过程中的上述关键工艺参数进行实时监控与显示,同时对历史数据实时存储,以便日常管理和日后分析。温度监控子系统采用模糊控制算法,实现了自动监控。对DAQ采集信号中的干扰成分采用无限冲击响应滤波器(IIR)——椭圆滤波器进行滤波。
本系统利用现代先进的虚拟仪器技术,对沼气发酵环境监控系统进行研究,实验表明,系统满足监控要求,管理人员可通过计算机大屏幕实时掌握现场的各种工况,对各种生产数据进行分析,使控制和管理相结合,提高控制精度及管理水平。系统采用开放式结构,具有很好的可扩充性,为沼气工业化生产提供了高效可靠的调控手段。
Manure of large farms has been one kind of the main environmental pollution sources. With the aggravated environmental pollution and non-renewable resources like coal, oil becoming increasingly tense, as one methods of turning waste into gold and protecting environment, methane fermentation is significant, and captures more and more extensive attention at home abroad. In fermentation process, how to maintain a higher gas production rate all the time is the standard to test if a biogas project is successful, and then monitoring the fermentation process parameters becomes the key technology. Now industrialization of biogas production in Heilongjiang province is ripe, but the automatic control level of fermentation and production efficiency is relatively low.
Methane fermentation is cultivating anaerobic digestion bacteria. For the process is complicated and Heilongjiang is in alpine region, only relying on natural fermentation is difficult to realize industrialization. Monitoring the biological environment of fermentation process is necessary. Then it can provide for fermentation bacteria with a good growth and propagation environment, so as to maintain a higher gas production rate. Of all the factors, temperature, digestion load, pH, pressure are the key factors in the breeding environment of methane fermentation microbial.
Through analysis and research of principle of the fermentation technology and fermentation process, temperature, pressure, liquid level and pH are determined for study. The system based on PC, using virtual instrumentation which is the technology combination of sensor, instrumentation and computer, as the development platform, making full use of its intelligent functions like operation, storage, playback, call, display and document management to research the methane fermentation monitoring system. Use M-series multiple data acquisition card (DAQ) PCI-6221 of NI as the core, with the corresponding sensors and signal conditioning circuits to complete the system hardware design; In the development environment of virtual instrumentation software-LabVIEW-through programming, the key process parameters can be real-time monitored and displayed, historical data is stored, which is to be day-to-day managed and analyzed in the future, at the same time. The temperature monitoring subsystem uses the fuzzy control algorithm to realize monitoring; the infinite impulse response digital filter-elliptic filter-is for the interfering factors in DAQ acquisition signal.
The system uses advanced virtual instrumentation nowadays to research methane fermentation monitoring system. The experiments show that the system meets the monitoring requirements, and through computer large-screen, managers can real-time master all kinds of conditions in scene, analyze production data, combine control and management, so as to improve control precision and has a excellent scalability. It provides a highly efficient and reliable mean for methane industrialization production.
引文
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