一種沼氣發酵過程狀態控制系統及該系統的沼氣發酵過程狀態控制方法
【專利摘要】一種沼氣發酵過程狀態控制系統及該系統的沼氣發酵過程狀態控制方法，涉及沼氣發酵過程中各狀態的監控技術。檢測單元中的各個傳感器設置在沼氣發酵池的相應位置，以檢測沼氣發酵池的各個狀態參數，現場故障檢測單元根據檢測單元的檢測結果判斷沼氣發酵池的溫度、氣壓、PH值等狀態參數是否正常，如果長時間不在正常范圍內，則發出報警信號；如果在正常范圍內，則將上述數據與相應的目標值進行對比，并計算出相應的修正值，將修正值發送給加熱保溫單元、進出料單元和攪拌單元，以修正其工作狀態。上述過程不斷循環，實現對沼氣發酵過程狀態的監測和控制，提高了發酵生產過程的可重復性和產品質量一致性。本發明適用于沼氣發酵過程的監測。
【專利說明】一種沼氣發酵過程狀態控制系統及該系統的沼氣發酵過程狀態控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及沼氣發酵過程中各狀態的監控技術。
【背景技術】
[0002]隨著社會的進步，人類生活水平的提高，發酵工程對人類生活的作用越來越重要，其中沼氣發酵工程在整個生物工程中發展相對較為成熟，它是將固定在生物質內的能量轉化為甲烷氣能，特別適應于牛糞便、污水、有機垃圾的處理，因此沼氣發酵工程是一種既具有環保作用，又能開發生物質能的技術手段，是生物工程和現代生物技術及其產業化的基礎。
[0003]發酵過程生產的主要特點為“有限生產”和“無現實穩態性”，所謂“有限生產”指發酵過程生產的每個批次持續時間是有限的，而“無現實穩態性”是指發酵生產過程不同與連續生產過程，屬于非穩態生產操作，即無穩定工作點，反應器內物料的濃度及反應速率等均隨時間變化，過程的重要變量如溫度、壓力、原料濃度等均有工藝曲線作為參考，生產方案的目的在于提高發酵生產過程的可重復性，盡量保證批次間產品質量的一致性，但是由于過程本身的復雜性以及干擾的影響，實際操作條件往往會和生產方案有所區別，微生物的生長對環境變化極為敏感，生產條件偏離了預先設定的最佳條件，就會影響其內部的代謝過程，降低菌體的質量和數量；更有甚者，如果發酵過程感染雜菌，不僅多消耗培養基中的營養成分，而且還會產生某些不利于微生物生長和代謝的物質，降低產率，甚至得不到目標產物。另外，由于發酵異常是一個緩慢的變化過程，在過程出現異常的初期，通常難以察覺，等到工藝人員發現時，往往已經造成了較大的經濟損失。如果能夠在出現異常的初期，及時給出預警信息，并針對不同情況采取適當的措施，就可以有效地減少經濟損失。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是為了解決沼氣發酵過程中溫度、壓力和PH值等參數難以控制，導致發酵生產過程的可重復性差、產品質量一致性差的問題，提供一種沼氣發酵過程狀態控制系統及該系統的沼氣發酵過程狀態控制方法。
[0005]本發明所述的一種沼氣發酵過程狀態控制系統包括檢測單元、現場監測單元和運行參數調整單元；
[0006]所述的檢測單元包括溫度傳感器、壓力傳感器和PH傳感器，所述分別用于檢測沼氣發酵池的溫度、壓力、PH值和沼氣產量；
[0007]檢測單元將采集到的數據發送至現場監測單元，現場監測單元將所述的數據發送至運行參數調整單元，運行參數調整單元根據所述的數據以及加沼氣發酵池的熱保溫單元、進出料單元和攪拌單元的運行參數極值,分別向加熱保溫單元、進出料單元和攪拌單元發送控制信號，加熱保溫單元、進出料單元和攪拌單元的工作狀態進行修正。
[0008]上述控制系統的沼氣發酵過程狀態控制方法包括以下步驟:
[0009]步驟一、檢測單元將采集到數據發送給現場監測單元，所述的數據包括沼氣發酵池內的溫度、氣壓、PH值和沼氣產量；
[0010]步驟二、現場監測單元將檢測單元發來的數據同時發送給運行參數調整單元和遠程數據存儲單元7 ；
[0011]步驟三、遠程數據存儲單元7將接收到的數據同時發送給數據分析處理單元8和遠程發酵監測單元9 ；
[0012]步驟四、數據分析處理單元8對接收到的數據進行分析計算，分別得到加熱保溫單元、進出料單元和攪拌單元的新的運行參數極值，并將該新的運行參數極值發送給運行參數調整單元；
[0013]步驟五、運行參數調整單元將接受到的加熱保溫單元、進出料單元和攪拌單元的新的運行參數極值分別發送給加熱保溫單元、進出料單元和攪拌單元，控制加熱保溫單元、進出料單元和攪拌單元按照新的運行參數極值來運行；同時，運行參數調整單元對現場監測單元發來的數據進行分析，并結合所述的新的運行參數極值計算出加熱保溫單元、進出料單元和攪拌單元的修正參數,并將該修正參數分別發送給加熱保溫單元、進出料單元和攪拌單元。
[0014]本發明所述的一種沼氣發酵過程狀態控制系統及該系統的沼氣發酵過程狀態控制方法，將檢測單元中的各個傳感器設置在沼氣發酵池的相應位置，以檢測沼氣發酵池的各個狀態參數，并且預先設定好加熱保溫單元、進出料單元和攪拌單元的運行參數極值以及溫度、氣壓、PH的目標值。發酵過程中，檢測單元不斷地將各個狀態參數(即所述的數據)發送給現場監測單元，現場監測單元再將各個狀態參數發送給運行參數調整單元，運行參數調整單元根據現場監測單元發來的數據判斷沼氣發酵池的溫度、氣壓、PH值等狀態參數是否正常，如果長時間不在正常范圍內，則需要發出報警信號，以提示工作人員；如果在正常范圍內，則將上述數據與相應的目標值進行對比，并計算出相應的修正值，將修正值發送給加熱保溫單元、進出料單元和攪拌單元，以修正其工作狀態。上述過程不斷循環，實現對沼氣發酵過程狀態的監測和控制，提高了發酵生產過程的可重復性和產品質量一致性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明所述的一種沼氣發酵過程狀態控制系統的原理框圖；
[0016]圖2為實施方式四中的運行參數調整單元的原理框圖。
【具體實施方式】
[0017]【具體實施方式】一:結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的一種沼氣發酵過程狀態控制系統包括檢測單元1、現場監測單元5和運行參數調整單元6 ；
[0018]所述的檢測單元I包括溫度傳感器、壓力傳感器和PH傳感器；
[0019]檢測單元I將采集到的數據發送至現場監測單元5，現場監測單元5將所述的數據發送至運行參數調整單元6，運行參數調整單元6根據所述的數據以及沼氣發酵池的加熱保溫單元2、進出料單元3和攪拌單元4的運行參數極值，分別向加熱保溫單元2、進出料單元3和攪拌單元4發送控制信號，加熱保溫單元2、進出料單元3和攪拌單元4的工作狀態進行修正。
[0020]【具體實施方式】二:結合圖1說明本實施方式，本實施方式是對實施方式一所述的一種沼氣發酵過程狀態控制系統的進一步限定，本實施方式中，該控制系統還包括遠程數據存儲單元7和數據分析處理單元8 ；
[0021]現場監測單元5將檢測單元I發來的數據通過有線或無線方式發送至遠程數據存儲單元7，該遠程數據存儲單元7將所述的數據發送至數據分析處理單元8，該數據分析處理單元8對接收到的數據進行分析計算，得到加熱保溫單元2、進出料單元3和攪拌單元4的新的運行參數極值，并將該新的運行參數極值發送至運行參數調整單元6。
[0022]本實施方式中，數據分析處理單元8根據檢測單元I采集到的各個狀態參數給出加熱保溫單元2、進出料單元3和攪拌單元4的新的運行參數極值，使所述控制系統能夠根據實際情況來不斷調整加熱保溫單元2、進出料單元3和攪拌單元4的工作狀態。
[0023]【具體實施方式】三:結合圖1說明本實施方式，本實施方式是對實施方式一所述的一種沼氣發酵過程狀態控制系統的進一步限定，本實施方式中，所述的控制系統還包括遠程發酵監測單元9，遠程數據存儲單元7將現場監測單元5發來的數據發送給遠程發酵監測單元9。
[0024]遠程發酵監測單元9可以采用計算機實現。該遠程發酵監測單元9接收遠程數據存儲單元7發來的各種數據，并存儲這些數據，用于實現沼氣發酵過程狀態的遠程監測。
[0025]【具體實施方式】四:結合圖2說明本實施方式，本實施方式是對實施方式一所述的一種沼氣發酵過程狀態控制系統的進一步限定，本實施方式中，所述的運行參數調整單元6包括三個比較電路6-1、緩存芯片6-2、數據處理芯片6-3和報警電路6-4 ；
[0026]所述的三個比較電路6-1的采集信號輸入端分別連接現場監測單元5的溫度檢測信號輸出端、壓力檢測信號輸出端和PH值檢測信號輸出端；
[0027]三個比較電路6-1的基準信號輸入端分別連接緩存芯片6-2的目標溫度信號輸出端、目標壓力信號輸出端和目標PH值信號輸出端；
[0028]緩存芯片6-2存儲的目標溫度、目標壓力和目標PH值、以及加熱保溫單元2、進出料單元3和攪拌單元4的運行參數極值來自接數據分析處理單元8 ；目標溫度、目標壓力和目標PH值均為預先設定的值；
[0029]緩存芯片6-2的三個運行狀態極值信號輸出端分別連接數據處理芯片6-3的三個運行狀態極值信號輸入端；
[0030]三個比較電路6-1的輸出端分別連接數據處理芯片6-3的溫度檢測信號輸入端、壓力檢測信號輸入出端和PH值檢測信號輸入出端；
[0031]報警電路6-4包括三個LED燈；所述三個LED燈分別代表沼氣發酵池內的溫度、壓力和PH值;
[0032]數據處理芯片6-3的溫度報警信號輸出端、壓力報警信號輸出端和PH值報警信號輸出端分別連接報警電路6-4的三個控制信號輸入端；
[0033]數據處理芯片6-3的三個修正信號輸出端分別連接加熱保溫單元2、進出料單元3和攪拌單元4的修正信號輸入端。
[0034]本實施方式中，三個比較電路6-1將沼氣發酵池內的溫度、壓力以及PH值與緩存芯片6-2存儲的目標溫度、目標壓力以及目標PH值進行對比，判斷沼氣發酵內的溫度、壓力以及PH值是否在正常范圍之內，如果沼氣發酵內的溫度、壓力以及PH值與目標溫度、目標壓力以及目標PH值相等，則數據處理芯片6-3不需要發出控制信號；如果在正常范圍之內但與目標溫度、目標壓力以及目標PH值有一定偏差，則數據處理芯片6-3所述的偏差來計算得到對加熱保溫單元2、進出料單元3和攪拌單元4的工作狀態的修改量，并分別向加熱保溫單元2、進出料單元3和攪拌單元4發送信號，使對加熱保溫單元2、進出料單元3和攪拌單元4按照各自的修正量調整工作狀態；如果沼氣發酵內的溫度、壓力以及PH值不在正常范圍之內，則數據處理芯片6-3將數據分析處理單元8計算得到的加熱保溫單元2、進出料單元3和攪拌單元4的運行參數極值分別發送給加熱保溫單元2、進出料單元3和攪拌單元4，使加熱保溫單元2、進出料單元3和攪拌單元4按照新的運行參數極值來工作。數據處理芯片6-3發送完新的運行極值后開始計時，如果在一定時間范圍內(該時間范圍是預先設定好的)沼氣發酵池內的溫度、氣壓和PH值仍然不在正常范圍內，則說明加熱保溫單元2、進出料單元3和攪拌單元4出現故障，此時，數據處理芯片6-3向報警電路6-4發出報警信號，控制相應的LED燈閃亮，提示工作人員及時檢查維修。
[0035]【具體實施方式】五:本實施方式是實施方式三所述的一種沼氣發酵過程狀態控制系統的沼氣發酵過程狀態控制方法，該方法包括以下步驟:
[0036]步驟一、檢測單元I將采集到數據發送給現場監測單元5，所述的數據包括沼氣發酵池內的溫度、氣壓、PH值和沼氣產量；
[0037]步驟二、現場監測單元5將檢測單元I發來的數據同時發送給運行參數調整單元6和遠程數據存儲單元7 ；
[0038]步驟三、遠程數據存儲單元7將接收到的數據同時發送給數據分析處理單元8和遠程發酵監測單元9 ；
[0039]步驟四、數據分析處理單元8對接收到的數據進行分析計算，分別得到加熱保溫單元2、進出料單元3和攪拌單元4的新的運行參數極值，并將該新的運行參數極值發送給運行參數調整單元6 ；
[0040]步驟五、運行參數調整單元6將接受到的加熱保溫單元2、進出料單元3和攪拌單元4的新的運行參數極值分別發送給加熱保溫單元2、進出料單元3和攪拌單元4，控制加熱保溫單元2、進出料單元3和攪拌單元4按照新的運行參數極值來運行；同時，運行參數調整單元6對現場監測單元5發來的數據進行分析，并結合所述的新的運行參數極值計算出加熱保溫單元2、進出料單元3和攪拌單元4的修正參數,并將該修正參數分別發送給加熱保溫單元2、進出料單元3和攪拌單元4。
[0041]上述方法不僅能夠實時監測沼氣發酵池內的各狀態參數，并能能夠通過控制加熱保溫單元2、進出料單元3和攪拌單元4的運行參數來對各狀態參數進行修正，使各狀態參數接近目標值。如果各狀態參數長時間不在正常范圍內，則控制系統會發出報警信號，提示工作人員進行檢修。
【權利要求】
1.一種沼氣發酵過程狀態控制系統，其特征在于:它包括檢測單元(I)、現場監測單元(5)和運行參數調整單元(6)； 所述的檢測單元(I)包括溫度傳感器、壓力傳感器和PH傳感器； 檢測單元(I)將采集到的數據發送至現場監測單元(5)，現場監測單元(5)將所述的數據發送至運行參數調整單元￠)，運行參數調整單元(6)根據所述的數據以及加熱保溫單元(2)、進出料單元(3)和攪拌單元(4)的運行參數極值，分別向沼氣發酵池的加熱保溫單元(2)、進出料單元(3)和攪拌單元⑷發送控制信號，加熱保溫單元(2)、進出料單元(3)和攪拌單元(4)的工作狀態進行修正。
2.根據權利要求1所述的一種沼氣發酵過程狀態控制系統，其特征在于:它還包括遠程數據存儲單元(7)和數據分析處理單元(8)； 現場監測單元(5)將檢測單元(I)發來的數據通過有線或無線方式發送至遠程數據存儲單元(7)，該遠程數據存儲單元(7)將所述的數據發送至數據分析處理單元(8)，該數據分析處理單元(8)對接收到的數據進行分析計算，得到加熱保溫單元(2)、進出料單元(3)和攪拌單元(4)的新的運行參數極值，并將該新的運行參數極值發送至運行參數調整單元(6)。
3.根據權利要求2所述的一種沼氣發酵過程狀態控制系統，其特征在于:它還包括遠程發酵監測單元(9)，遠程數據存儲單元(7)將現場監測單元(5)發來的數據發送給遠程發酵監測單元(9)。
4.根據權利要求1所述的一種沼氣發酵過程狀態控制系統，其特征在于:所述的運行參數調整單元(6)包括三個比較電路(6-1)、緩存芯片(6-2)、數據處理芯片(6-3)和報警電路(6-4)； 所述的三個比較電路(6-1)的采集信號輸入端分別連接現場監測單元(5)的溫度檢測信號輸出端、壓力檢測信號輸出端和PH值檢測信號輸出端； 三個比較電路(6-1)的基準信號輸入端分別連接緩存芯片(6-2)的目標溫度信號輸出端、目標壓力信號輸出端和目標PH值信號輸出端； 緩存芯片(6-2)存儲的目標溫度、目標壓力和目標PH值、以及加熱保溫單元(2)、進出料單元(3)和攪拌單元(4)的運行參數極值來自接數據分析處理單元(8);目標溫度、目標壓力和目標PH值均為預先設定的值； 緩存芯片(6-2)的三個運行狀態極值信號輸出端分別連接數據處理芯片(6-3)的三個運行狀態極值信號輸入端； 三個比較電路(6-1)的輸出端分別連接數據處理芯片(6-3)的溫度檢測信號輸入端、壓力檢測信號輸入出端和PH值檢測信號輸入出端； 報警電路(6-4)包括三個LED燈；所述三個LED燈分別代表沼氣發酵池內的溫度、壓力和PH值的狀態； 數據處理芯片(6-3)的溫度報警信號輸出端、壓力報警信號輸出端和PH值報警信號輸出端分別連接報警電路￠-4)的三個控制信號輸入端； 數據處理芯片￠-3)的三個修正信號輸出端分別連接加熱保溫單元(2)、進出料單元(3)和攪拌單元(4)的修正信號輸入端。
5.權利要求3所述的一種沼氣發酵過程狀態控制系統的沼氣發酵過程狀態控制方法，其特征在于:該方法包括以下步驟: 步驟一、檢測單元(I)將采集到數據發送給現場監測單元(5)，所述的數據包括沼氣發酵池內的溫度、氣壓、PH值和沼氣產量； 步驟二、現場監測單元(5)將檢測單元(I)發來的數據同時發送給運行參數調整單元(6)和遠程數據存儲單元(7)； 步驟三、遠程數據存儲單元(7)將接收到的數據同時發送給數據分析處理單元(8)和遠程發酵監測單元(9)； 步驟四、數據分析處理單元(8)對接收到的數據進行分析計算，分別得到加熱保溫單元(2)、進出料單元(3)和攪拌單元(4)的新的運行參數極值，并將該新的運行參數極值發送給運行參數調整單元(6)； 步驟五、運行參數調整單元(6)將接受到的加熱保溫單元(2)、進出料單元(3)和攪拌單元(4)的新的運行參數極值分別發送給加熱保溫單元(2)、進出料單元(3)和攪拌單元(4)，控制加熱保溫單元(2)、進出料單元(3)和攪拌單元(4)按照新的運行參數極值來運行；同時，運行參數調整單元(6)對現場監測單元(5)發來的數據進行分析，并結合所述的新的運行參數極值計算出加熱保溫單元(2)、進出料單元(3)和攪拌單元⑷的修正參數，并將該修正參數分別發送給加熱保溫單元(2)、進出料單元(3)和攪拌單元(4)。
【文檔編號】G05B19/418GK104407587SQ201410680884
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月24日 優先權日:2014年11月24日
【發明者】李福裿, 秦國輝, 王玉鵬, 周闖, 羅向東, 徐曉秋 申請人:黑龍江省能源環境研究院