李文超 赵锦一 刘 莹 何胜军

（北京市农业局，北京 100029）

1 引言

沼气是可再生的清洁能源，既可替代秸秆、薪柴等传统生物质能源，也可替代煤炭等商品能源，而且能源效率明显高于秸秆、薪柴、煤炭等。沼气工程可有效地综合利用农业有机物质，实现农业可持续发展。它既是解决农村燃料短缺，提高用能品质，促进农民增收节支的有效途径，又是保护生态、改善农村卫生环境的有效措施。

从国外来看，德国、意大利、丹麦等沼气产业经过十几年的实践与发展，沼气工程的工艺水平和技术装备已经趋于成熟，相关技术水平居于世界领先地位，沼气工程的自动化水平非常高，利用沼气（厌氧消化）系统专用的自动化控制系统，实现沼气工程的自动化管理和过程监控，在节省大量人力的同时又提高了沼气工程的生产效率。

从国内来看，截止到2010年底，据有关部门不完全统计，我国已有大中小型沼气工程7.3万多处，其中大型沼气工程4963处、中型沼气工程22795处、小型沼气工程45259处，年产沼气总量142.6亿立方米，折合标准煤2500万吨，可减排CO25000多万吨。

近年来，虽然沼气工程设备、沼气工程质量、沼气工程运行监测等方面的技术得到了很大的提高，但沼气工程可持续运行与发展方面也存在很多问题，尤其在沼气工程运行监测上存在很多问题，主要体现在：（1）沼气工程的预警手段不健全。沼气泄露、爆炸事故发生，均会产生环境污染或人员伤亡，需防患于未然；（2）沼气工程的监测方法相对落后，运行过程中的数据不能实时记录和统计，导致劳动力、原材料浪费；（3）沼气工作信息化流程不健全；（4）沼气工程的安全评估不完善。

沼气工程运行的监控与管理已成为发展沼气产业的必要措施。

2 系统建设现状

2.1 传统的沼气运行监管系统

辛睿德等将传统的沼气发酵测控系统[1]分为单片计算机的沼气发酵测控系统、工业控制计算机的沼气发酵测控系统、基于PLC的沼气发酵测控系统、集散控制系统的沼气发酵测控系统和现场总线技术的沼气发酵测控系统等5类，综观现有的沼气运行监管系统，也可以分为上述5类。

（1）单片计算机的沼气运行监管系统

单片计算机又称嵌入式微控制器，具有开发周期短、开发效率高、系统的实时性和可靠性高等优点。张意松等[2]将单片机应用于沼气压力自动监控，为解决沼气发酵容器因压力过大带来的诸多问题，开发设计了基于单片机的沼气压力自动监控系统。

（2）工业控制计算机的沼气运行监管系统

工业控制计算机可以通过输入/输出卡直接对沼气发酵过程进行控制，通过数据采集卡采集数据，并进行存储和处理；还可以将工业控制计算机和常规控制仪表组成二级控制系统，由常规控制仪表完成基础级自动控制，工业控制计算机作为上位机完成数据显示、存储和实现各种高级控制，如过程优化控制、储存式程序控制等。贾英新等[3]开发了智能采集卡与力控相结合的沼气生产控制系统，该系统利用研华的模拟量数据采集卡PCI-1713和数字量数据采集卡PCI-1730进行现场数据采集；采用力控组态软件作为上位机软件，实现实时监控、数据存储及报警等功能。

（3）基于PLC的沼气运行监管系统

可编程逻辑控制器（PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。王琰[4]对基于PLC的大中型沼气工程自动化监控系统进行了研究，经过研究，他认为采用PLC的沼气工程自动化监控系统提高了系统的信息化和自动化水平，改善了作业环境，降低了劳动强度，也为生产管理、设备维护和质量跟踪提供了便利。

（4）集散控制系统的沼气运行监管系统

集散控制系统是以微处理器为基础的新型控制系统，它结合计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术于一身，是能够实现过程控制和过程管理的一种新型现代化控制系统，同时该监控系统还能满足大型企业日常管理的要求，现已在大规模生化工程领域得到了广泛的应用。武东平等[5]介绍了一种基于虚拟仪器的大型秸秆沼气智能化控制和监测系统，结合厌氧发酵的工艺流程，确定秸秆厌氧发酵的主要控制参数，实现沼气可持续生产的自动化设计方案。

（5）现场总线技术的沼气运行监管系统

现场总线控制系统是用现场总线这一开放的、具有互操作性的网络将现场各个控制器和仪表及仪表设备互联构成的控制系统，同时控制功能下放到工作现场，降低了安装成本和维修费用。该测控系统通过网络传输信息完成传统的硬件连接才能实现的信号传递，并且完成各种设备的协调，来实现自动控制。

2.2 基于物联网的沼气运行智能监管系统

物联网（Internet of things）是一种新兴的信息技术，是在通信网和互联网的基础上，通过各种信息传感器设备，如射频识别装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等装置把物品和物联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监测和管理的一种网络，可以实现物与物、人与物之间的信息交互和通信[6]。随着监测技术朝着智能化和网络化的方向发展，应用物联网技术可以有效地推进农村沼气工程监测信息化的进程。当前基于物联网的沼气运行智能监管系统研究主要表现在三个方面：

（1）传感器的应用，如吴功平[7]等将传感器部署于调节池和发酵池，建设了大中型沼气工程计算机监控系统对沼气进行集中监控管理。该系统中除了对调节池和发酵池的料位(含其它池内的料位)和温度进行控制外,还对发酵池内料液的pH值、沼气的压力及流量，对硫化床内硫化氢的含量和曝气池内氯的含量进行监视。

（2）远程监控与通信。戴华兵等[8]开展了基于GSM开展了远程监控的研究，并根据实际工程需要，设计并实现在沼气工程中加装GSM的远程监控系统。马丽君等[9]研究远程监控过程中的通信问题，通过数据通讯的短帧格式、沼气站点编号校验，以及中断重连机制等措施解决通讯的稳定性；通过命令字、数据帧长度，以及校验码设计等字节设置解决通讯的可靠性；通过通讯软件的定时器设计、多重连接防止机制，以及心跳信号机制等措施解决通讯的效率问题。

（3）综合系统研究与建设。陈正涛、郑争兵[10]提出了一种基于物联网的农村沼气监测预警系统，该系统利用无线传感网络技术和GPRS技术实现沼气工程的智能监测预警功能。冉毅[11]等介绍了物联网的概念和结构，结合沼气工程运行管理特点，定义了沼气工程物联网并介绍其发展现状，完成了沼气工程物联网的构建，提出了系统组成，并选取一处沼气工程为实例进行应用分析，对应用效果进行评价。

通过分析现有的研究成果可以发现，基于物联网技术的沼气工程运行管理智能监控系统的建设和应用仍处于初期阶段，可用于沼气工程智能监控的应用系统建设仍需加强。本文基于物联网技术建设了沼气工程运行管理智能监控系统，并在北京市进行部署和应用，实践证明，该系统具有良好的应用效果。

3 总体框架

沼气工程运行管理智能监控需要及时了解沼气工程各环节的实时情况，如图1所示，我们采用仿真模拟技术，对沼气站点工艺流程进行了仿真模拟，并根据模拟结果，开展了沼气工程运行管理智能监控系统总体设计。

图1 沼气全过程管理示意图

如图2所示，沼气工程运行管理智能监控系统是由前端采集与传输平台、后端数据分析与监控平台组成。前端数据采集与传输平台利用在线监测设备采集数据、通过定义在线监测设备标准化的数据通讯协议，形成传输网络，将数据传输到后端的数据服务器上，存储到数据库中，通过数据分析与监控平台进行数据加工处理、分析和展示。沼气工程运行管理监测系统框架完全遵循分层设计理念，包括数据采集层、数据传输层、数据资源层、应用支撑层、系统应用系统层5个部分组成。

（1）数据采集层

数据采集层通过在沼气工程各个工艺流程中安装各类数据监测设备，获取各类实时监测数据，包括温度、流量、压力、液位、成分分析、浓度等,并通过现场的工业组态软件显示监测数据，并控制泵、阀等装置。

（2）数据传输层

数据传输层通过定义在线监测设备标准化的数据通讯协议，形成传输网络，利用现场的测控传输单元以GPRS模式向远程的数据采集服务器发送现场采集到的各类实时的监测数据，数据采集服务器接收监测数据，并将数据存储到数据库中。

图2 沼气工程运行管理监控系统总体架构

（3）数据资源层

数据资源层作为整个沼气工程运行管理监控系统的数据支撑，采用专业的数据库系统统一存储沼气站点的基本信息、系统基础信息数据、沼气站现场传送的监测数据、视频图像信息等。

（4）应用支撑层

应用支撑层包括开发平台和各类组件。其中开发平台是基于北京市农业局提供的“标准化开发平台”进行设计开发的；组件包括为沼气工程运行管理监控系统提供基础运行支撑的组件，主要有GIS组件、数据分析组件、数据交换组件等。

（5）应用系统层

应用系统层主要是指数据分析与监控平台，数据分析与监控平台包括数字化监控与管理和综合管理两个子系统。数字化监控与管理子系统主要有实时数据、状态报警、视频监控、数据分析、监控配置等功能模块；综合管理子系统主要包括站点管理、工艺流程管理、运维管理、短信平台、权限管理等。

（6）三大支撑体系

标准规范体系的建设是保障整个系统建设成功实施的软性因素，是各应用系统实现互联互通、信息共享、业务协同、安全可靠运行的前提和基础，本项目将按照北京市农业局相关标准规范进行项目建设。

4 具体设计

4.1 部署架构设计

根据项目建设单位的实际情况，结合沼气工程运行管理监控系统的实际需求，本项目涉及沼气站内各种监测仪器设备的部署，网络传输设备的部署，数据采集服务器部署、数据库服务器的部署、数据分析与监控平台的部署等。

遵循充分利用农业局现有网络环境和设备资源的原则，本项目所建系统部署在农业局信息中心机房，实现应用和数据集中管理，并且应用系统根据需要部署在外网上。外网面向北京市农业局、北京市各区县沼气管理部门、沼气企业、社会公众提供服务。

北京市农业局内外网采用物理隔离，通过安全隔离网闸进行数据交换。系统部署在农业局信息中心，外网与内网之间是隔离的，为保证系统与其它系统的信息交换和信息安全，内外网之间通过安全隔离网闸进行信息交换。

4.2 数据采集系统设计

沼气工程运行管理监控系统的集成任务涉及沼气站现场各类监控设备的集成、现场视频设备的集成、服务器集成、数据交换。系统集成的过程就是数据采集与传输平台搭建的过程。系统集成包括现场各类传感设备与现场测控传输单元（DTU）的集成；现场测控传输单元（DTU）与远程控制中心数据采集服务器的集成；数据采集服务器与数据库服务器的集成；高清视频摄像机与硬盘录像机的集成；硬盘录像机与远程数据采集服务器的集成；沼气工程运行管理监控系统与北京市相关职能部门之间的数据交换等。

（1）终端监测设备与数据采集控制器集成

在沼气站内每个生产工艺流程中安装不同监测设备，用来采集各个环节的数据，数据采集后要通过数据采集和控制器与远端数据采集服务器进行通讯，上传采集到的数据。针对沼气工程，我们选用了具有高性价比的数据采集和控制器，可以针对多路4-20mA模拟输入信号进行集中采集，兼容工业应用中4-20mA信号的多种接入方式；采用嵌入式硬、软件设计，低成本、低功耗，而且内核资源丰富、性能可靠，方便实现多路RS232和RS485等通讯信号接入。将各类监测设备按照采集数据的要求安装到沼气生产工艺流程的节点上，根据不同设备的技术规格参数，通过RS-232/RS-485或者4-20mA数据输出接口与数据采集和控制器（DTU）连接，将采集到的数据汇总到数据采集和控制器，以便后续实现数据上传到远程监控中心。本系统集成的传感设备主要包括超声波沼气流量计、压力变送器、温度变送器、沼气成分分析仪、红外甲烷泄露报警仪、沼气工程现场测控传输单元、在线PH计、视频监控设备等。

（2）数据采集控制器与远程数据服务器的集成

在沼气站内安装数据采集控制器，将各类监测数据汇总、显示，并通过GPRS模块将数据传输到远程数据服务器。数据采集控制器集成GPRS数据远程传输模块、传感器参数采集模块以及集成组态软件，支持至少32路RS232/RS485/4-20mA现场传感器信号输入、具有触摸屏实时显示、数据存储及远程传传输功能、技术先进、工作稳定可靠。数据采集控制器在实现将采集数据汇总、显示的同时，通过内置的GPRS模块将数据发送至远程数据采集服务器。通过测控传输单元与数据采集服务器之间进行通讯，实现数据的传输和接收。GPRS数据远程传输模块、传感器参数采集模块以及集成组态软件集成到一起，安装在配电箱内构成数据采集控制器。远程传输模块通过GPRS网络将数据上传到远程服务器端，数据服务器接收上传的数据。

（3）视频监控设备与数据采集服务器的集成

现场的高清视频摄像机将视频信息传输到磁盘录像机，通过磁盘录像机与远程数据采集服务器之间的通讯，通过配置TCP/IP协议，实现将视频监控数据上传到远程的数据采集服务。

（4）数据采集服务与数据库服务器的集成

通过Web Service接口标准服务接口对外提供数据。WEB服务交换接口可以将交换策略定制的数据集合按标准格式要求生成Web Service服务，在指定的服务器进行发布。同时也可以调用相关数据交换部门发布的Web Service服务，提交需交换的数据集合。

通过前置机数据库提供数据。通过在部署于北京市政府专网上前置机服务器，实现与北京市其他职能部门实现数据交换。

（5）与相关职能部门应用系统的集成

沼气工程运行管理监控系统可以通过数据交换与传输平台提供的服务接口，与北京市其他职能部门交互，实现数据的传输和交换，并确保了数据传输的安全性和可靠性。

4.3 数字化监控与管理子系统

各沼气站点的监测数据通过网络传输，通过平台的网络接口上传至平台数据采集服务器，之后接入数字化监控平台。在数字化平台上通过不同的形式展示监测数据，通过对各类数据的统计、分析，判断各类风险，识别隐患，评估各个站点的安全状态，进而为科学的监测和决策提供依据，为沼气工程的安全运行提供保障。主要功能包括：

（1）实时数据

系统以各种形式展现从沼气站点接收到的监测实时数据。具体包括GIS地图形式、列表形式和数据曲线形式。

（2）历史数据

历史信息管理模块提供的功能和实时信息管理功能相对应，包括：历史数据，历史告警数据，历史掉线数据，历史曲线数据等4个功能。提供按时间段查询功能。

（3）状态报警

包括报警策略，即对报警规则的管理。目前报警有4种方式：各种状态数据特殊显示；设备通信中断、掉线特殊显示；系统消息通知；短信通知。

（4）视频监控

在沼气站的各个关键区域安装视频监控探头，获取沼气站内关键区域的视频图像信息，前端设备通过网络将视频图像数据传输到监控平台，平台在“视频监控”模块展示沼气现场的图像画面。

（5）数据分析

系统提供了智能的分析工具，用户可以灵活选择每个沼气站点、时间范围、监测因子、数据格式、数据状态，系统会根据用户选择的内容生成相应维度的统计结果图表，图标类型包括折线图、柱状图等。通过图表可以直观地分析监测数据，为判断设备状态、生产环境、产气量提供科学的依据。

（6）监控配置

包括监测仪器管理、基本信息维护、监测因子维护、采用的监测标准、通讯协议管理、数据接入管理、信息发布配置等功能。

（7）数据管理

包括监控数据校准、关注企业管理、自动判定、数据报警、数据补遗、数据审核、缺失数据处理、确认管理等功能。

4.4 综合管理子系统

综合管理子系统实现站点管理、运维管理、短信管理和系统管理。

（1）站点管理完成全市沼气监测站点的信息维护，包括沼气站点的增加、删除、修改、查询，站点空间位置信息维护，站点各类监测设备维护。

（2）运维管理

包括设备维护单、停运运维单、启运运维单、维护查询等功能。

（3）短信平台

包括联系人管理、短信发送、短信日志等功能。

（4）系统管理

包括权限管理、用户管理、角色管理、授权管理、字典管理、系统日志等功能。

5 效果分析

为了加强沼气工程自动监控，北京市农业局依托北京市农业局信息化基础设施和全市沼气工程项目，对现行的气体传感技术、物联网技术、无线通信、GIS等技术进行研究，选择适合本区域的合理技术，成熟产品，搭建沼气工程运行管理监控系统，并在平谷区、顺义区、昌平区、大兴区、通州区和房山区的20个沼气站安装了监控设备，取得了良好的效果，主要表现在：

（1）实现了对全市沼气工程生产数据的实时采集、监控、预警，保障了沼气工程安全稳定运行，提升了北京市沼气工程整体管理水平。

（2）通过对实时监控、预警数据的分析、研究和处理，细化沼气工程运行模式，有效减少能源消耗，提升了沼气工程的综合效益，使沼气工程成为管理科学、资源节约、环境友好、效益显著的产业。

（3）实现精确统计沼气工程产气量、进一步为沼气工程科学监测提供依据，为政府宏观调控提供支撑服务。

[1]辛睿德.沼气发酵监控系统的发展现状与趋势[J].广东农业科学，2013(2)：182-184.

[2]张意松.单片机在沼气压力自动监控系统的应用[J].中国热带农业，2013(4).

[3]贾英新.智能采集卡与力控相结合的沼气生产控制系统[J].科技资讯，2013（4）：16.

[4]王琰.基于PLC的沼气工程自动化监控系统设计与应用[J].中国电工网，2014(9)：32-33.

[5]武东平.基于虚拟仪器的大型秸秆沼气智能化控制与监控系统[J].农产品加工（学刊），2013(8)：123-125，128.

[6]高峰.基于无线传感器网络的作物水分状况监测系统研究与设计[J].农业工程学报，2009，25（2）：107-112.

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[10]陈正涛，郑争兵.基于物联网的农村沼气监测预警系统设计[J].湖北农业科学，2014(10)：2424-2426.

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