苏ICP备112451047180号-6
MSW厌氧发酵温度自动控制系统的设计与应用
摘 要
近年来，随着我国人口数量的不断增加和国民生活水平的稳步提高；我国城镇生活垃圾的产生量正在逐年增大。同时，人们对环境健康和垃圾无害化处理的关切也在逐年提高。在国家环境保护“十二五”规划中，明确指出要提高生活垃圾处理水平，鼓励垃圾厌氧制气 [1]等相关产业的成长。MSW-LBP厌氧发酵产可燃性气体工艺即为垃圾厌氧制气的工艺之一。MSW-LBP可生化有机质厌氧发酵需要一定的环境条件，发酵的温度控制则是关键因素之一。本设计目的在于寻求有效可行的温度控制方法来保证MSW-LBP厌氧发酵过程中，小型发酵罐内温度的相对恒定和可控，以实现产气效率的稳定与相对增长。
本文首先阐述了生活垃圾LBP厌氧发酵研究的总体思路和技术路线。并对生活垃圾处理的基本技术特点、设备组成、工艺流程等进行对比论述。在考虑完以上因素之后，温度控制系统剩下的，关键还有温控算法的选择。
控制算法可以分为精确控制算法和模糊控制算法。传统的自动控制控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型的基础上。但在有些情况下，被控对象的数学模型并不容易建立，所以就需要运用模糊控制技术。PID算法就是一种被广泛运用的控制技术。通过PID算法，可以有效地协调好各方面的外部影响因素，从而获得较为精准，可靠、而且拥有很强执行能力的控制系统。在文中，作者会从综合温控系统中四个关键的因素——成本、可靠性、精度、稳定度；并以此出发，对比相关的硬件系统、软件算法并选择出最合适的组成办法。
本文给出了一个基于1.5T生活垃圾LBP厌氧发酵温度控制系统的初步设计。通过温控系统的小型模型设计，最后作者得出：以51单片机兼容内核MCU为主控的控制系统已经能将小型发酵罐（1.5T）的发酵温度控制在1℃的误差范围以内。控制系统能够满足小型发酵设施温控系统的需要。
关键词：固体废弃物；厌氧发酵；PID算法；自动控制；温度
Abstract
In recent years，China's population is growing rapidly. And people's living standard Raising very quickly in our country。But the discharge of urban living garbage is increasing year by year in our country. People now focus on environmental issues than ever at any time. Garbage disposal is attention too. In the state environmental protection "twelfth five-year" plan, Living garbage processing technology was raised, and anaerobic fermentation industries growth was encouraged by the government. MSW-LBP anaerobic fermentation to produce flammable gas is one of the processes for Waste anaerobic fermentation. MSW-LBP anaerobic fermentation process need some necessary conditions, temperature is the key of the whole process. In this paper, the purpose of this design is finding an effective and feasible method to circulation system can guarantee invariance temperature. The design process of the open circulating cooling water system which is in the service of an MSW-LBP anaerobic fermentation engineering experiment.
First of all, it set forth the background and significance of the selected subject, the ideas and methods used in this paper. After considering the above factors, the rest of the temperature control system, is the algorithm of the system. Control algorithm can be divided into precise control algorithm and fuzzy control algorithm. Most of the classic control theories are based on the exact and clear math model. It is no doubtful that a mathematical model is very important. But in some cases, the mathematical model of controlled object is not easy to build, so you need to use the fuzzy control technology. PID is one of the widely used control method in industrial processing control. In this paper, the author considered the four key factors in the comprehensive temperature control system----- cost, reliability, accuracy and stability. With these issues in mind, the Author finally gets the idea of the design. The author also compared the hardware system and software algorithm, and gives some reasons for choose.
This paper gives a preliminary design of anaerobic fermentation temperature control system. Its capacity is 1.5 T. The author made a small model of the temperature control system. Through it, the author gets the following conclusion: The control system can be made by 51 series single chip, The Temperature control system can control the temperature error within the error range of 1 ℃(The fermentation tank capacity is 1.5 T). This show: the control system can meet the needs of the small fermentation temperature control systems.
Key words: Municipal Solid Waste; Anaerobic fermentation; PID algorithm; automatic control; the temperature
参考文献：
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摘 要
近年来，随着我国人口数量的不断增加和国民生活水平的稳步提高；我国城镇生活垃圾的产生量正在逐年增大。同时，人们对环境健康和垃圾无害化处理的关切也在逐年提高。在国家环境保护“十二五”规划中，明确指出要提高生活垃圾处理水平，鼓励垃圾厌氧制气 [1]等相关产业的成长。MSW-LBP厌氧发酵产可燃性气体工艺即为垃圾厌氧制气的工艺之一。MSW-LBP可生化有机质厌氧发酵需要一定的环境条件，发酵的温度控制则是关键因素之一。本设计目的在于寻求有效可行的温度控制方法来保证MSW-LBP厌氧发酵过程中，小型发酵罐内温度的相对恒定和可控，以实现产气效率的稳定与相对增长。
本文首先阐述了生活垃圾LBP厌氧发酵研究的总体思路和技术路线。并对生活垃圾处理的基本技术特点、设备组成、工艺流程等进行对比论述。在考虑完以上因素之后，温度控制系统剩下的，关键还有温控算法的选择。
控制算法可以分为精确控制算法和模糊控制算法。传统的自动控制控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型的基础上。但在有些情况下，被控对象的数学模型并不容易建立，所以就需要运用模糊控制技术。PID算法就是一种被广泛运用的控制技术。通过PID算法，可以有效地协调好各方面的外部影响因素，从而获得较为精准，可靠、而且拥有很强执行能力的控制系统。在文中，作者会从综合温控系统中四个关键的因素——成本、可靠性、精度、稳定度；并以此出发，对比相关的硬件系统、软件算法并选择出最合适的组成办法。
本文给出了一个基于1.5T生活垃圾LBP厌氧发酵温度控制系统的初步设计。通过温控系统的小型模型设计，最后作者得出：以51单片机兼容内核MCU为主控的控制系统已经能将小型发酵罐（1.5T）的发酵温度控制在1℃的误差范围以内。控制系统能够满足小型发酵设施温控系统的需要。
关键词：固体废弃物；厌氧发酵；PID算法；自动控制；温度
Abstract
In recent years，China's population is growing rapidly. And people's living standard Raising very quickly in our country。But the discharge of urban living garbage is increasing year by year in our country. People now focus on environmental issues than ever at any time. Garbage disposal is attention too. In the state environmental protection "twelfth five-year" plan, Living garbage processing technology was raised, and anaerobic fermentation industries growth was encouraged by the government. MSW-LBP anaerobic fermentation to produce flammable gas is one of the processes for Waste anaerobic fermentation. MSW-LBP anaerobic fermentation process need some necessary conditions, temperature is the key of the whole process. In this paper, the purpose of this design is finding an effective and feasible method to circulation system can guarantee invariance temperature. The design process of the open circulating cooling water system which is in the service of an MSW-LBP anaerobic fermentation engineering experiment.
First of all, it set forth the background and significance of the selected subject, the ideas and methods used in this paper. After considering the above factors, the rest of the temperature control system, is the algorithm of the system. Control algorithm can be divided into precise control algorithm and fuzzy control algorithm. Most of the classic control theories are based on the exact and clear math model. It is no doubtful that a mathematical model is very important. But in some cases, the mathematical model of controlled object is not easy to build, so you need to use the fuzzy control technology. PID is one of the widely used control method in industrial processing control. In this paper, the author considered the four key factors in the comprehensive temperature control system----- cost, reliability, accuracy and stability. With these issues in mind, the Author finally gets the idea of the design. The author also compared the hardware system and software algorithm, and gives some reasons for choose.
This paper gives a preliminary design of anaerobic fermentation temperature control system. Its capacity is 1.5 T. The author made a small model of the temperature control system. Through it, the author gets the following conclusion: The control system can be made by 51 series single chip, The Temperature control system can control the temperature error within the error range of 1 ℃(The fermentation tank capacity is 1.5 T). This show: the control system can meet the needs of the small fermentation temperature control systems.
Key words: Municipal Solid Waste; Anaerobic fermentation; PID algorithm; automatic control; the temperature
目录
引言 1
1 MSW厌氧发酵的现状 1
1.1 城市生活垃圾中物质的组成 1
1.1.1生活垃圾的主要成分 1
1.2 当前生活垃圾的处理工艺与处理现状 2
1.2.1 常用的处理工艺 2
1.2.2 常规工艺的局限性 3
1.3 生活垃圾有机质液化发酵技术 3
1.3.1生活垃圾中的有机质 3
1.3.2发酵有机质的预处理 4
1.3.3厌氧发酵的四阶段 4
1.3.4温度对发酵的影响以及温度控制的重要性 5
1.4 发酵后所得产物的利用 6
1.4.1可燃气体的提纯 6
1.4.2发酵后废渣的再利用 6
2 MSW厌氧发酵温控系统设计的研究思路 7
2.1 研究背景 7
2.1.1 原料来源 7
2.1.2经济性分析 7
2.2 MSW厌氧发酵及控制技术的应用进展与现状 8
2.3 发酵温控系统的制作思路 8
3 温度控制算法选择 8
3.1 直接控制算法与PID算法的比较 8
3.2 PID算法 8
3.2.1 PID算法的特点 9
3.2.2 比例控制器 9
3.2.3积分控制器 9
3.2.4 微分控制器 9
3.3 增量式PID算法 10
3.3.1 模拟PID算法的数字表达 10
3.3.2 增量式PID算法的实现 11
4 温度控制系统模型设计 12
4.1 主控硬件的选择 12
4.1.1常见的几种硬件控制方案对比 12
4.1.2 AT89S52应用于温控系统 13
4.2 温度采集的方案 14
4.2.1常见温度采集方案 14
4.2.2 18B20温度采集芯片的应用 15
4.3 继电器电路 17
4.4 显示设备 17
4.4.1显示设备的选择 17
4.4.2 LCD液晶的驱动与显示 18
5 温控设备在发酵系统中的应用 20
5.1 加热设备和接线 20
5.1.1加热设备 20
5.1.2接线和控制 20
5.2发酵罐的设计 21
5.3 其它 22
6 相关数据 23
6.1 加热片的温度曲线 23
6.2 温控模型的温控曲线 23
6.2.1曲线图 23
6.2.2实验模型分析 24
7 技术分析和总结 24
7.1 总结 24
7.2 建议 25
8 谢辞 26
附 录Ⅰ 28
附 录Ⅱ 29
附 录Ⅲ 30
引言
如今，我国正在向城镇化飞速迈进；以往的许多农村已经转化和发展成了小型城镇。而以往的小型城镇如今都发展成了大中型的城镇规模。但是，同城镇化进程呈现鲜明对比的是：很多人口密集区的废物处理水平的发展却相对滞后，有的甚至停滞不前。
上述现象在我国不得不说还是一种挑战，也正是因为此，已经导致了许多城镇发生了垃圾围城的现象。显然，这与我国的可持续性发展政策，与走人与自然和谐发展的大背景格格不入。同时，随着生活质量和生活水平的提高，人们对改善生存质量，环境质量的呼声也已经是今非昔比。可见，社会对将垃圾减量化、再利用的技术是急切渴望的；也是上和政策，下顺民意的。
传统的生活垃圾处理一般有以下几种：填埋、焚烧、堆肥[2]。在这几个工艺中：垃圾填埋工艺所要求的技术含量比较低，整个工程项目的投资相对而言也不算高。但是垃圾填埋场的使用年限是有限的，特别在增长迅速的城镇；很容易遇到运行年限缩短的问题。另外，在有些地方，由于人民群众的科学普及工作没有到位，垃圾填埋场的设计和建设会遇到很大阻力。垃圾焚烧技术是我国近年来从国外引进的一项新技术，其垃圾减容效果显著运行能源上也能在一定程度上自给一部分；但其相对高昂的造价阻碍了它的发展。城市垃圾的堆肥在我国发展的比较少。究其原因，一部分是因为垃圾堆肥必定会产生一些影响环境质量的有毒有害，并伴有异味的气体，但垃圾堆肥的技术特征又导致其很难完全的控制这些废气不外泄。另一部分原因是垃圾堆肥其实是需要较高技术水平的，特别是相对不稳定环境下对于微生物生长繁殖的控制，以及有益微生物优势菌种的培养；都要很强的操作经验、理论基础。
近年来，很多新的城市生活垃圾处理技术凭借各方面的优势和特性逐渐发展起来，MSW厌氧发酵便是其中之一。通过对城市有机生活垃圾的分选，然后进行液化发酵产生可燃气体的方法；不存在前期很大的资金投入。而且在运行稳定后可以变废为宝，产生可观的燃气产量是一个不但不需要很多运营成本，反而有一定经济效益的好技术。
虽然厌氧生物处理过程是本身是一个复杂的连续的微生物学过程，但是在客观上只要控制好关键的几个参数，再加上有优良的菌种；而且能不断补充液化有机废物的情况下，便能持续不断地产生可燃气体。本文将在文中逐步讨论MSW厌氧发酵系统中设计和应用中的各个关键参数；本文作者将针对发酵系统的温度控制提出自己的设计思路和设计方案。
引言
如今，我国正在向城镇化飞速迈进；以往的许多农村已经转化和发展成了小型城镇。而以往的小型城镇如今都发展成了大中型的城镇规模。但是，同城镇化进程呈现鲜明对比的是：很多人口密集区的废物处理水平的发展却相对滞后，有的甚至停滞不前。
上述现象在我国不得不说还是一种挑战，也正是因为此，已经导致了许多城镇发生了垃圾围城的现象。显然，这与我国的可持续性发展政策，与走人与自然和谐发展的大背景格格不入。同时，随着生活质量和生活水平的提高，人们对改善生存质量，环境质量的呼声也已经是今非昔比。可见，社会对将垃圾减量化、再利用的技术是急切渴望的；也是上和政策，下顺民意的。
传统的生活垃圾处理一般有以下几种：填埋、焚烧、堆肥[2]。在这几个工艺中：垃圾填埋工艺所要求的技术含量比较低，整个工程项目的投资相对而言也不算高。但是垃圾填埋场的使用年限是有限的，特别在增长迅速的城镇；很容易遇到运行年限缩短的问题。另外，在有些地方，由于人民群众的科学普及工作没有到位，垃圾填埋场的设计和建设会遇到很大阻力。垃圾焚烧技术是我国近年来从国外引进的一项新技术，其垃圾减容效果显著运行能源上也能在一定程度上自给一部分；但其相对高昂的造价阻碍了它的发展。城市垃圾的堆肥在我国发展的比较少。究其原因，一部分是因为垃圾堆肥必定会产生一些影响环境质量的有毒有害，并伴有异味的气体，但垃圾堆肥的技术特征又导致其很难完全的控制这些废气不外泄。另一部分原因是垃圾堆肥其实是需要较高技术水平的，特别是相对不稳定环境下对于微生物生长繁殖的控制，以及有益微生物优势菌种的培养；都要很强的操作经验、理论基础。
近年来，很多新的城市生活垃圾处理技术凭借各方面的优势和特性逐渐发展起来，MSW厌氧发酵便是其中之一。通过对城市有机生活垃圾的分选，然后进行液化发酵产生可燃气体的方法；不存在前期很大的资金投入。而且在运行稳定后可以变废为宝，产生可观的燃气产量是一个不但不需要很多运营成本，反而有一定经济效益的好技术。
虽然厌氧生物处理过程是本身是一个复杂的连续的微生物学过程，但是在客观上只要控制好关键的几个参数，再加上有优良的菌种；而且能不断补充液化有机废物的情况下，便能持续不断地产生可燃气体。本文将在文中逐步讨论MSW厌氧发酵系统中设计和应用中的各个关键参数；本文作者将针对发酵系统的温度控制提出自己的设计思路和设计方案。
参考文献：
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