应用案例 | 控制技术和数据监测在集装箱式沼气发电机组中的应用

Reverion 公司通过创新的沼气发电机组轻松实现气候友好型能源供应，真正做到“手到擒来”。如果说安装在移动式集装箱内的紧凑型设计还不足以简化这种能源技术的使用，那么高达 80% 的发电效率、可逆利用选项以及通过倍福基于 PC 的控制进行的无缝数据监测都是实现高度自动化的先决条件。

Reverion 公司成立于 2022 年，总部位于埃雷辛，由 Stephan Herrmann 博士与慕尼黑工业大学的工程师和科学家组成的团队共同创立，如今已经拥有 80 多名员工。据 Reverion 公司的应用工程师 Sven Bettendorf 介绍，公司的目标是解决当今人类面临的两大问题，即建立真正可持续发展的能源体系和从大气中去除数十亿吨的二氧化碳。新一代沼气发电厂不仅能够最大限度地发挥沼气能源的潜力，同时还可以利用多余的太阳能和风能，否则这些能源会被浪费。

高效、可逆的利用

Reverion 沼气发电机组的技术亮点包括高效率和可逆利用，它们不仅能用于发电，还能用来在电网饱和时储存沼气或绿色氢气。关于系统效率，Sven Bettendorf 解释道：“目前，沼气主要用于热电联产电厂，但其发电效率只能达到 40% 左右。基于燃料电池技术的替代系统（如我们的沼气发电机组）发电效率可以达到 60% 左右，而我们系统的发电效率则高达 80%。”效率大幅提升的主要原因是系统的高度集成以及由此充分利用了优化潜力，再加上很多不同的工艺流程之间的交互作用。Reverion 公司高级软件开发人员 Julian Schauseil 强调了能源供应的潜在重要性：“这涉及到相当大的能源量。如果德国的所有沼气发电厂都改用我们的技术，就可以取代目前所有的火力发电厂。”

Reverion 的沼气发电机组具有可逆运行能力，为实现灵活储能提供了巨大潜力。“例如，当太阳能和风能达到最佳条件，使得能源供给网络饱和时，可用的电力可用于沼气生产和储存。”Julian Schauseil 解释道。德国目前可用的天然气管网的储气量相当于电力储存设施存储能力的约 10 万倍。因此，沼气发电厂不仅可以作为本地发电厂，将沼气电并入电网，而且还可以反向运行，起到缓冲作用。例如在电价较低或风能或太阳能丰富时生产沼气或绿色氢气，然后在电网需求较高或电价较高时再次将电并入电网。因此，发电厂能够实现二氧化碳负排放。因为在热电联产电厂中，沼气中的二氧化碳通过废气无控制地释放到环境中，而通过这个方法则可以将二氧化碳储存在系统中，在达到食品级后装瓶，用于某些特定应用。

Reverion 沼气发电机组安装在一个高度紧凑的集装箱内，发电效率高达 80%，并且支持可逆运行

基于 PC 的控制技术助力实现复杂流程的自动化

考虑到高度集成和可逆利用，底层工艺技术被分为多个子过程，并需要使用大量传感器。因此，高性能的自动化技术是可靠、优化控制所有不同的过程以及实现无缝数据监测的有力保障。Reverion 公司在成立之前就已经在慕尼黑工业大学的研究工作中使用了倍福基于 PC 的控制技术，并延续使用至今。Sven Bettendorf 解释道：“在一开始，TwinCAT 软件的易用性对我们来说非常重要，这样我们就可以在不购买软件的情况下进行全面测试。此外，TwinCAT 可视化软件的易扩展性以及倍福专家提供的出色的技术支持也具有重要意义。对于像我们的沼气发电机组这样的新开发项目，基于 PC 的控制技术的灵活性和可扩展性是项目成功实施的决定性因素。毕竟，在从样机到量产的过程中，结构和工艺都会发生很大的变化。”

Julian Schauseil 补充道：

“另外值得一提的是，我们认为倍福全面的硬件产品系列具有出色的性价比。”

除了确保可靠和安全的系统运行之外，自动化技术的主要目标是从操作人员的角度实现即插即用功能。简化为简单的开/关操作不仅为最终用户提供了极大的灵活性，而且还能够用最小的工作量更换现有的能源供应系统。集装箱式设计简化了寻找合适安装地点的过程，只需要一根合适的电源线以及与天然气管网连接，而热电联产电厂的运营商已经具备了这两个条件。

在硬件方面，自动化技术是通过两台计算机实现的：

一台 CX2043 嵌入式控制器（主控计算机）和一台 C6930 控制柜式工业 PC，未来可能会使用 C6030 超紧凑型工业 PC。Sven Bettendorf 解释了这样做的原因：“在系统开发过程中，由于复杂性不断增加，我们决定使用两台相互通信的工业 PC。这样可以轻松提升将控制技术的性能并根据各种平台进行调整。由此产生的冗余还可以提高系统运行的可靠性。”硬件方面的配置还包括 450 多个 EtherCAT 端子模块，用于连接约 1200 个传感器和 300 个执行器。其中包括 220 多个模拟量端子模块，如 EL3024（4...20 mA）、EL3064（0...10 V）、EL3208（Pt100）、EL3255（电位计）和 EL3318（热电偶）模拟量输入端子模块。

所有这些 I/O 数据都通过倍福 TwinCAT 软件进行分析评估。据 Julian Schauseil 介绍，该软件还可用于映射此类复杂系统：“TwinCAT 支持的面向对象的编程、自动单化元测试和模块化软件架构在处理复杂且持续开发的控制程序时非常有优势，可以简化修改，并且不会在程序的其余部分产生错误。这样也可以很好地实现必要的抽象化，通过封装控制器和模拟量值处理等功能简化结构。”此外，TwinCAT 中的通信功能是另一个重要因素。使用 TwinCAT 3 IoT Communication (TF6701) 和 MQTT 协议可以轻松、灵活地将大量传感器数据传输给上一级数据库。

高效、集成的可视化

这种全面的数据监测不仅可用于过程控制，还可作为技术进一步发展以及生成所需的证据和与计费相关的指标的基础。为此，Reverion 基于 TwinCAT 开发了自己的用于数据监测的 HMI 扩展，Sven Bettendorf 表示道：“TwinCAT 3 HMI Engineering（TF2000）总体上实现了应用的快速开发，并且提供了一个易于扩展的 HMI。此外，TwinCAT PLC 的开放性和倍福专家提供的培训也非常有帮助。”

TwinCAT 内部强大的通信机制对于提高可视化性能至关重要。Sven Bettendorf 认为，高效的数据处理对于该应用来说尤为重要，特别是由于数据种类繁多、数量庞大，并且需要大量的 HMI 控件。HMI 和 HMI 扩展的另一个要求是操作简易性，无论是短期还是长期记录。倍福工业 PC 提供了足够的计算能力和主内存来处理和显示大量数据，并可根据需要在不同的 HMI 屏幕（四分屏）之间快速切换。

控制架构采用了两台计算机：一台 CX2043 嵌入式控制器（底部）和一台 C6930 控制柜式工业 PC（顶部，未来将由一台 C6030 超紧凑型工业 PC 取代）

持续推动公司的高质量发展

这种全面的数据监测不仅可用于过程控制，还可作为技术进一步发展以及生成所需的证据和与计费相关的指标的基础。为此，Reverion 基于 TwinCAT 开发了自己的用于数据监测的 HMI 扩展，Sven Bettendorf 表示道：“TwinCAT 3 HMI Engineering（TF2000）总体上实现了应用的快速开发，并且提供了一个易于扩展的 HMI。此外，TwinCAT PLC 的开放性和倍福专家提供的培训也非常有帮助。”

TwinCAT 内部强大的通信机制对于提高可视化性能至关重要。Sven Bettendorf 认为，高效的数据处理对于该应用来说尤为重要，特别是由于数据种类繁多、数量庞大，并且需要大量的 HMI 控件。HMI 和 HMI 扩展的另一个要求是操作简易性，无论是短期还是长期记录。倍福工业 PC 提供了足够的计算能力和主内存来处理和显示大量数据，并可根据需要在不同的 HMI 屏幕（四分屏）之间快速切换。