應(yīng)用案例 | 控制技術(shù)和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)在集裝箱式沼氣發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用

Reverion 沼氣發(fā)電機(jī)組的技術(shù)亮點(diǎn)包括高效率和可逆利用，它們不僅能用于發(fā)電，還能用來在電網(wǎng)飽和時(shí)儲(chǔ)存沼氣或綠色氫氣。關(guān)于系統(tǒng)效率，Sven Bettendorf 解釋道：“目前，沼氣主要用于熱電聯(lián)產(chǎn)電廠，但其發(fā)電效率只能達(dá)到 40% 左右。基于燃料電池技術(shù)的替代系統(tǒng)（如我們的沼氣發(fā)電機(jī)組）發(fā)電效率可以達(dá)到 60% 左右，而我們系統(tǒng)的發(fā)電效率則高達(dá) 80%。”效率大幅提升的主要原因是系統(tǒng)的高度集成以及由此充分利用了優(yōu)化潛力，再加上很多不同的工藝流程之間的交互作用。Reverion 公司高級(jí)軟件開發(fā)人員 Julian Schauseil 強(qiáng)調(diào)了能源供應(yīng)的潛在重要性：“這涉及到相當(dāng)大的能源量。如果德國的所有沼氣發(fā)電廠都改用我們的技術(shù)，就可以取代目前所有的火力發(fā)電廠。”

Reverion 的沼氣發(fā)電機(jī)組具有可逆運(yùn)行能力，為實(shí)現(xiàn)靈活儲(chǔ)能提供了巨大潛力。“例如，當(dāng)太陽能和風(fēng)能達(dá)到最佳條件，使得能源供給網(wǎng)絡(luò)飽和時(shí)，可用的電力可用于沼氣生產(chǎn)和儲(chǔ)存。”Julian Schauseil 解釋道。德國目前可用的天然氣管網(wǎng)的儲(chǔ)氣量相當(dāng)于電力儲(chǔ)存設(shè)施存儲(chǔ)能力的約 10 萬倍。因此，沼氣發(fā)電廠不僅可以作為本地發(fā)電廠，將沼氣電并入電網(wǎng)，而且還可以反向運(yùn)行，起到緩沖作用。例如在電價(jià)較低或風(fēng)能或太陽能豐富時(shí)生產(chǎn)沼氣或綠色氫氣，然后在電網(wǎng)需求較高或電價(jià)較高時(shí)再次將電并入電網(wǎng)。因此，發(fā)電廠能夠?qū)崿F(xiàn)二氧化碳負(fù)排放。因?yàn)樵跓犭娐?lián)產(chǎn)電廠中，沼氣中的二氧化碳通過廢氣無控制地釋放到環(huán)境中，而通過這個(gè)方法則可以將二氧化碳儲(chǔ)存在系統(tǒng)中，在達(dá)到食品級(jí)后裝瓶，用于某些特定應(yīng)用。

Reverion 沼氣發(fā)電機(jī)組安裝在一個(gè)高度緊湊的集裝箱內(nèi)，發(fā)電效率高達(dá) 80%，并且支持可逆運(yùn)行

考慮到高度集成和可逆利用，底層工藝技術(shù)被分為多個(gè)子過程，并需要使用大量傳感器。因此，高性能的自動(dòng)化技術(shù)是可靠、優(yōu)化控制所有不同的過程以及實(shí)現(xiàn)無縫數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的有力保障。Reverion 公司在成立之前就已經(jīng)在慕尼黑工業(yè)大學(xué)的研究工作中使用了倍福基于 PC 的控制技術(shù)，并延續(xù)使用至今。Sven Bettendorf 解釋道：“在一開始，TwinCAT 軟件的易用性對(duì)我們來說非常重要，這樣我們就可以在不購買軟件的情況下進(jìn)行全面測(cè)試。此外，TwinCAT 可視化軟件的易擴(kuò)展性以及倍福專家提供的出色的技術(shù)支持也具有重要意義。對(duì)于像我們的沼氣發(fā)電機(jī)組這樣的新開發(fā)項(xiàng)目，基于 PC 的控制技術(shù)的靈活性和可擴(kuò)展性是項(xiàng)目成功實(shí)施的決定性因素。畢竟，在從樣機(jī)到量產(chǎn)的過程中，結(jié)構(gòu)和工藝都會(huì)發(fā)生很大的變化。”

除了確保可靠和安全的系統(tǒng)運(yùn)行之外，自動(dòng)化技術(shù)的主要目標(biāo)是從操作人員的角度實(shí)現(xiàn)即插即用功能。簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的開/關(guān)操作不僅為最終用戶提供了極大的靈活性，而且還能夠用最小的工作量更換現(xiàn)有的能源供應(yīng)系統(tǒng)。集裝箱式設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了尋找合適安裝地點(diǎn)的過程，只需要一根合適的電源線以及與天然氣管網(wǎng)連接，而熱電聯(lián)產(chǎn)電廠的運(yùn)營商已經(jīng)具備了這兩個(gè)條件。

所有這些 I/O 數(shù)據(jù)都通過倍福 TwinCAT 軟件進(jìn)行分析評(píng)估。據(jù) Julian Schauseil 介紹，該軟件還可用于映射此類復(fù)雜系統(tǒng)：“TwinCAT 支持的面向?qū)ο蟮木幊獭⒆詣?dòng)單化元測(cè)試和模塊化軟件架構(gòu)在處理復(fù)雜且持續(xù)開發(fā)的控制程序時(shí)非常有優(yōu)勢(shì)，可以簡(jiǎn)化修改，并且不會(huì)在程序的其余部分產(chǎn)生錯(cuò)誤。這樣也可以很好地實(shí)現(xiàn)必要的抽象化，通過封裝控制器和模擬量值處理等功能簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。”此外，TwinCAT 中的通信功能是另一個(gè)重要因素。使用 TwinCAT 3 IoT Communication (TF6701) 和 MQTT 協(xié)議可以輕松、靈活地將大量傳感器數(shù)據(jù)傳輸給上一級(jí)數(shù)據(jù)庫。

這種全面的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)不僅可用于過程控制，還可作為技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展以及生成所需的證據(jù)和與計(jì)費(fèi)相關(guān)的指標(biāo)的基礎(chǔ)。為此，Reverion 基于 TwinCAT 開發(fā)了自己的用于數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的 HMI 擴(kuò)展，Sven Bettendorf 表示道：“TwinCAT 3 HMI Engineering（TF2000）總體上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用的快速開發(fā)，并且提供了一個(gè)易于擴(kuò)展的 HMI。此外，TwinCAT PLC 的開放性和倍福專家提供的培訓(xùn)也非常有幫助。”

TwinCAT 內(nèi)部強(qiáng)大的通信機(jī)制對(duì)于提高可視化性能至關(guān)重要。Sven Bettendorf 認(rèn)為，高效的數(shù)據(jù)處理對(duì)于該應(yīng)用來說尤為重要，特別是由于數(shù)據(jù)種類繁多、數(shù)量龐大，并且需要大量的 HMI 控件。HMI 和 HMI 擴(kuò)展的另一個(gè)要求是操作簡(jiǎn)易性，無論是短期還是長期記錄。倍福工業(yè) PC 提供了足夠的計(jì)算能力和主內(nèi)存來處理和顯示大量數(shù)據(jù)，并可根據(jù)需要在不同的 HMI 屏幕（四分屏）之間快速切換。

控制架構(gòu)采用了兩臺(tái)計(jì)算機(jī)：一臺(tái) CX2043 嵌入式控制器（底部）和一臺(tái) C6930 控制柜式工業(yè) PC（頂部，未來將由一臺(tái) C6030 超緊湊型工業(yè) PC 取代）

這種全面的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)不僅可用于過程控制，還可作為技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展以及生成所需的證據(jù)和與計(jì)費(fèi)相關(guān)的指標(biāo)的基礎(chǔ)。為此，Reverion 基于 TwinCAT 開發(fā)了自己的用于數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的 HMI 擴(kuò)展，Sven Bettendorf 表示道：“TwinCAT 3 HMI Engineering（TF2000）總體上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用的快速開發(fā)，并且提供了一個(gè)易于擴(kuò)展的 HMI。此外，TwinCAT PLC 的開放性和倍福專家提供的培訓(xùn)也非常有幫助。”

TwinCAT 內(nèi)部強(qiáng)大的通信機(jī)制對(duì)于提高可視化性能至關(guān)重要。Sven Bettendorf 認(rèn)為，高效的數(shù)據(jù)處理對(duì)于該應(yīng)用來說尤為重要，特別是由于數(shù)據(jù)種類繁多、數(shù)量龐大，并且需要大量的 HMI 控件。HMI 和 HMI 擴(kuò)展的另一個(gè)要求是操作簡(jiǎn)易性，無論是短期還是長期記錄。倍福工業(yè) PC 提供了足夠的計(jì)算能力和主內(nèi)存來處理和顯示大量數(shù)據(jù)，并可根據(jù)需要在不同的 HMI 屏幕（四分屏）之間快速切換。