Dokumentation av en experimentell biogasanläggning
Documentation of an experimental biogas plant
Authur: Kamaran Eliassi Date: 2012-06-01
Subject: Electrical Engineering Level: Bachelor
Course code: 2ED14E
Organisation/ Organization Författare/Author(s) Linnéuniversitetet Kamaran Eliassi Institutionen för teknik
Linnaeus University School of Engineering
Dokumenttyp/Type of Document Handledare/tutor Examinator/examiner Examensarbete/Diploma Work Göran Ewing Göran Ewing
Titel och undertitel/Title and subtitle
Dokumentation av en experimentell biogasanläggning Documentation of an experimental biogas plant Sammanfattning
Detta examensarbete är för en experimentell anläggning för biogasproduktion. Att identifiera och dokumentera all el utrustningar, apparater, elledningar/kablar, och kopplingar i anläggningen. En kort teknisk beskrivning av systemen kring reaktorerna ges och en del information om apparaterna/objekten i systemen visas. Utöver detta görs en kort beskrivning om USB-6009, LabVIEW som är ett grafiskt programmeringsspråk. Vilka apparater/element som är programmerade, samt hur de är programmerade. Jag vill påpeka att det inte är jag som har programmerat i labVIEW.
Anläggningen består av fyra reaktorer varav den tredje(lakbädden) och fjärde reaktorn(UASB) är sammankopplade då dessa samarbetar med varandra. Reaktor I och reaktor II är elektriskt kopplade till bland annat flödesmätare, temperaturmätare, frekvensomrikatare med mera. För att kunna kontrollera och styra de olika elektriska apparaterna/elementen används USB-6009 (DAQ) som programmeras med hjälp av LabVIEW, för att styra och kontrollera enheterna.
Reaktorlakbädden och reaktor UASB är också kopplade till flera olika elektriska apparater med skillnaden att man inte använder USB- 6009 (DAQ) utan PLC (Programmable Logic Controller) för att styra systemet. Båda reaktorerna är sammakopplade och samverkar med varandra.
Med hjälp av elschema, ritningar och bilder försöker jag att ge en översiktsbild och översyn av biogasanläggnigen. Vad som ingår elektriskt, och hur systemen fungerar och hänger ihop tekniskt.
Nyckelord Biogas reaktor, Objekt, Elektriskschema, USB-6009, LabVIEW Abstract
This thesis is focused on identifying and documenting all electrical equipment, such as devices, power lines / cables, and connectors in the facility and also on presenting a brief technical description and information of the systems around the reactors. Furthermore there will be a brief description of LabVIEW - which is a graphical programming language- and which devices / elements are programmed.
For further notification, I am not responsible for the programming of the devices in LabVIEW which I have only used as a tool in my work. The plant for production of biogas consists of four reactors of which the third reactor (Lakbädden) is connected to another reactor (UASB) where they cooperate with each other. The reactors are used for producing biogas in the form of methane gas.
The reactors I and II are connected to, various electrical devices as, flow meters, temperature sensors, frequency converter and more.
In order to control and manage the various electrical devices or elements, the USB-6009 (DAQ) is being used, which is programmed through the LabVIEW, to control and monitor the devices.
Reactor lakbädden and reactor UASB is also linked to various electrical devices, with the difference that you don’t use the USB-6009 (DAQ), only the voltage and current supply and PLC (Programmable Logic Controller) are used to control the system. Both reactors are connected together and interact with each other
The aim is to clarify an overview and review of the biogas plant plus to explain what mechanisms that are involved electrically and how the system works and relates technically, by using wiring diagrams, drawings and pictures.
Utgivningsår/Year of issue Språk/Language Antal sidor/Number of pages 2012 Svenska 51
Sammanfattning
Testanläggning för produktion av biogas
Detta examensarbete är för en experimentell anläggning för biogasproduktion. Att identifiera och dokumentera all elektrisk utrustning, som apparater, elledningar/kablar och kopplingar i anläggningen. En kort teknisk beskrivning av systemen kring reaktorerna ges och en del information om apparaterna/objekten i systemen visas. Utöver detta görs en kort beskrivning om USB-6009, LabVIEW som är ett grafiskt programmeringsspråk. Vilka apparater/element är programmerade. Jag vill påpeka att det inte är jag som har skrivit programmerat labVIEW.
Anläggningen för framställning av biogas, består av fyra reaktorer varav den
tredje(lakbädden) och fjärde reaktorn (UASB) är sammankopplade då dessa samarbetar med varandra. Reaktor I och reaktor II är kopplade till bland annat, flödesmätare,
temperaturmätare, frekvensomrikatare med mera. För att kunna kontrollera och styra de olika elektriska apparaterna/elementen används USB-6009 (DAQ) som programmeras med hjälp av LabVIEW, för att styra och kontrollera enheterna.
Reaktorlakbädden och reaktor UASB är också kopplade till flera olika elektriska apparater med skillnaden att man inte använder USB-6009 (DAQ) utan ett PLC (Programmable Logic Controller) för att styra systemet. Båda reaktorerna är sammakopplade och samverkar med varandra.
Med hjälp av elschema, ritningar och bilder försöker jag klargöra den elektriska funktionen för biogasanläggnigen. Vad som ingår elektriskt och hur systemen fungerar och hänger ihop tekniskt.
Abstract
This thesis is focused on identifying and documenting all electrical equipment, such as devices, power lines / cables, and connectors in the facility and also on presenting a brief technical description and information of the systems around the reactors. Furthermore there will be a brief description of LabVIEW - which is a graphical programming language- and which devices / elements are programmed. For further notification, I am not responsible for the programming of the devices in LabVIEW which I have only used as a tool in my work.
The plant for production of biogas consists of four reactors of which the third reactor (Lakbädden) is connected to another reactor (UASB) where they cooperate with each other.
The reactors are used for producing biogas in the form of methane gas.
The reactors I and II are connected to, various electrical devices as, flow meters, temperature sensors, frequency converter and more. In order to control and manage the various electrical devices or elements, the USB-6009 (DAQ) is being used, which is programmed through the LabVIEW, to control and monitor the devices.
Reactor lakbädden and reactor UASB is also linked to various electrical devices, with the difference that you don’t use the USB-6009 (DAQ), only the voltage and current supply and PLC (Programmable Logic Controller) are used to control the system. Both reactors are connected together and interact with each other
The aim is to clarify an overview and review of the biogas plant plus to explain what
mechanisms that are involved electrically and how the system works and relates technically, by using wiring diagrams, drawings and pictures.
Förord
Detta examensarbete har gjorts som avslutande kurs i Högskoleingenjörsutbildningen i Elektroteknik vid Linnéuniversitet i Växjö. Examensarbetet som är på 15 högskolepoäng har gjorts under vårterminen 2012. Idén till ämnet för examensarbetet kom från ämnet bioenergi vid teknikinstitutionen vid Linnéuniversitet.
Examensarbetet behandlar dokumentation av en experimentell biogasanläggning vid Linnéuniversitetet och består av en hel del bilder och ritningar, varför författaren rekommenderar att rapporten läses elektroniskt eller med färgutskrift.
Ett speciellt tack riktas till:
Handledare Göran Ewing (Linnéuniversitet) som hjälpt mig så gott som möjligt med vilka frågor och funderingar jag än haft.
Ulrika Welander (Linnéuniversitet) och Erik Gregerby(Linnéuniversitet) som hjälpt mig med frågor kring systemen.
Växjö, våren 2012 Kamaran Eliassi Sarzali
Innehållsförteckning
SAMMANFATTNING ... I SUMMERY ... II ABSTRAKT ... III FÖRORD ... IV INNEHÅLLSFÖRTECKNING ... V
1. Introduktion ... 1
1.1 Bakgrund... 1
1.2 Syfte ... 2
1.3 Mål ... 2
1.4 Metod ... 2
2. Uppbyggnad av System I ... 3
2.1 System I ... 3
2.1.1 System I med fler element ... 3
2.2 Ingående komponenter ... 4
2.2.1 Reaktor I ... 4
2.2.2 Reaktor II ... 5
2.2.3 Beskrivning av System I ... 6
2.3 Ingående utrustning ... 7
2.3.1 Cirkulationspump ... 8
2.3.2 Vattenpump ... 9
2.3.3 reaktionskärl Reaktor II ... 10
2.4 Elektrisk översiktsschema ... 11
2.4.1 Gruppcentral ... 13
2.4.2 Automatskåp (grp6) med frekvensomriktare F1, F2 ... 15
3. Instrument System I ... 16
3.1 DAQ-modul och USB-6009. ... 16
3.1.2 I/O anslutning ... 18
3.1.3 USB-6009(DAQ) ... 19
3.1.4 Reaktor I, med c-pump ... 20
3.1.5 Reaktor II, med omrörare. ... 21
3.2 LabVIEW. ... 22
3.2.1 Frontpanelen. ... 22
3.2.2 Blockschema. ... 22
3.2.3 Temperaturmätning med Pt-100 ... 23
3.2.4 Frontpanelen av processen. ... 26
3.2.5 Översikt ... 27
3.2.6 Cirkulationspump och vattenpump1. ... 28
3.2.7 Styrning reaktor II(omröraren) och vattenpump2... 31
3.2.8 Feedback reaktor I ... 33
3.2.9 Feedback reaktor II. ... 34
3.2.10 Flödesmätaren reaktor I och reaktor II ... 35
3.2.11 Loggar/sparar ... 37
3.2.12 Larm ... 39
4. Uppbyggnad av System II... 40
4.1 System II ... 40
4.2 Ingående komponenter ... 40
4.2.1 Beskrivning av System II ... 41
4.2.2 Reaktor lakbädden och UASB ... 43
4.2.3 Lakbäddspumpen ... 44
4.2.4 Belastningspump ... 45
4.2.5 Frekvensomriktare till belastningspumpen ... 46
5. Resultat ... 47
6. Sammanfattning ... 48
7. Slutsats och diskussion ... 49
8. Referenser ... 50
1
1 Introduktion 1.1 Bakgrund
Vid Linnéuniversitetet har det byggts en biogasanläggning i bänkskala. Anläggningen skall användas för forskning och undervisning.
Bild1. Biogasanläggningen då den var under pågående uppbyggnad
Biogas är ett biobränsle som produceras genom anaerob (syrefri) nedbrytning av organiskt material. Gasen består i huvudsak av metan och koldioxid.
En förenkling av den mikrobiologiska processen för biogasproduktion:
C6H12O 3CO2 + 3CH4
Mikroorganismerna bryter ner biologiskt nedbrytbart avfall i syrefri miljö och då bildas metangas(CH4) och koldioxid(CO2). Mikroorganismerna är temperaturberoende, beroende på att deras optimala temperatur varierar arbetar processen normalt vid ca 37 eller 55°C.
Biogasanläggningen är en experimentell anläggning som är i ständigt förändring. Det har lett till att nya utrustningar tillkommit, elinstallationen ändrats, systemen ändrats och även mjukvaruprogrammet korrigerats under/genom tiden. Anläggningen består av fyra reaktorer.
Till reaktorerna ingår olika apparater med in-och ur-kopplingar som fullbordar systemet.
2
1.2 Syfte
Med den här studien vill vi få anläggningen dokumenterad genom att identifiera alla objekt och elledningar. Bioenergiavdelningen kan sedan använda arbetet för att ta reda på vad som ingår i systemen kring reaktorerna och den elektriska och tekniska funktionen av
anläggningen.
1.3 Mål
Målet är att med hjälp av elschema, ritningar och bilder försöka klargöra den elektriska funktionen för biogasanläggnigen. Vidare belyses vilka mekanismer som är inblandad elektriskt sett och hur systemet fungerar och hänger ihop tekniskt sett.
1.4 Metod
För att klargöra funktionen av den elektriska delen för anläggningen har hänsyn tagits till vilka funktioner och enheter som ingår kring reaktorerna, samt identifierat allt från enheter till elledningar i anläggningen. Uppsatsen är gjord utifrån dokumentation, genomgång,
uppkoppling, mätning och testnig för att erhålla dokumentation av anläggningen.
3
2. Uppbyggnad av System I för biogasproduktion 2.1 Den tänkta uppbyggnaden av System I
Fig.1 System I
2.1.1 Den nuvarande uppbyggnaden av System I med fler komponenter
Fig.2 System I
4
Fig.1 visar uppbyggnaden av system I som man från början hade tänkt sig. Man hade idén om att bygga två reaktorer med samma motiv att tillverka biogas, men på olika sätt. Man satte igång projektet och insåg senare att det behövdes fler komponenter för att fullborda systemen.
I fig.2 ser vi den slutliga uppbyggnaden av systemen. Här kan vi se hur alla komponenter/objekt är förbundna (svart färg är elsladd).
2.2 Ingående komponenter
Här beskrivs de objekt som är involverade i systemen kring reaktor I och reaktor II.
2.2.1 Reaktor I
Objekt ID Data
1. Gasvarnaren Nexa G-3000 10V
2. Vattenpump Hagen Aqua Clear 230V
3. Vattenbad Grant OLS200 230V
4. Substrattillförsel Manuellt
5. Substrat/rötrestuttag Manuellt
6. Temperatursensor - kontroll vattenpump Pt-100 7. Temperatursensor - insidan av reaktorn Pt-100
8. Bortledning av gas Slang
9. Fläkt 230V
10. DAQ- enhet USB-6009 5V
12. Styrning C-pump MOSFET (IRF510) 24V 3A
13. Relästyrning(R1) av vattenpump 5V
14. Cirkulationspump Viking Power 16 24V 1A
18. Avfuktning av rågas Slang
19. Gasflödesmätare Alicat Scientific M-500SCCM_D 24V 1A
21. Dator/Reglerprogram LabVIEW 230 V 1.8A
22,23 Spänningsaggregat 2x30V 3A
Hyperlänkar finns för de understrukna objekten
5
2.2.2 Reaktor II
Objekt ID Data
2. Vattenpump Hagen Aqua Clear 230V
3. Vattenbad Grant 230V
4. Substrattillförsel Manuellt
5. Substrat/rötrestuttag Manuellt
6. Temperatursensor - kontroll vattenpump Pt-100 7. Temperatursensor - insidan av reaktorn Pt-100
8. Bortledning av gas Slang
9. Fläkt 230V
11. DAQ-enhet USB-6009 5V
13. Relästyrning(R2) av vattenpump Kolla upp det 5V
15. Frekvensomriktare till omrörarmotorn INE 230V
16. Omrörarmotor med tillhörande fläkt Sg/Sh 3x230V
17. DB9-mini DIN dropbox eller kopplingslåda
24V 3A
18. Avfuktning av rågas Slang
19. Gasflödesmätare Alicat Scientific M-500SCCM_D 24V 1A
20. GSM-larmenhet 10V Ontech GSM 9030 10V
21. Dator/Reglerprogram 230V 1.8A
24,25 Spänningsaggregat 2x30V 3A
Hyperlänkar finns för de understrukna objekten
6
2.2.3 Beskrivning av System I med reaktor I och reaktor II
Datorn (objekt 21) är huvudpunkten i systemen, eftersom man via datorn styr nästan alla enheter genom mjukvaruprogrammeringen LabVIEW, med hjälp av DAQ-enheterna.
Det självreglerande vattenbadet (objekt 3) ställs in på precis den temperatur där mikroorganismerna trivs bäst. Det varma vattnet i den förs vidare med hjälp av
vattenpumparna (objekt 2). Vattenpumparna pumpar varmvatten runt reaktorerna för att hålla temperaturen stabil för mikroorganismerna. Vattenpumparna styrs av reläer (R1, R2 Fig.12), som är anslutna till DAQ-enheten och slår av eller larmar vid låg och hög temperatur i reaktorerna. Vid låg temperatur slås relä (R1,R2) av och då stängs vattenpumparna av för att skydda pumparna vid läckage. Vattenpumparna är alltid i drift för att hålla temperaturen stabilt för mikroorganismerna.
Temperatursensorn (Pt100) mäter temperaturen i vattenbadet och inne i reaktortankarna. Man mäter temperaturen kontinuerligt, så att man har koll på temperaturen i processen.
Temperatursensorerna skickar hela tiden signal in till datorn.
Cirkulationspumpen (objekt 14) är inkopplad till DAQ-enheten och styrs av mjukvaran/datorn genom PWM(pulsbreddsmodulering)signal med hjälp av transistorn (Fig.6), som slår på/av snabbt. Cirkulationspumpen, som sitter vid reaktor I är till för omblandning av substratet, som cirkuleras runt reaktorn.
Frekvensomriktaren (objekt 15) är mjukvaruinställd och styrs från datorn. Den är inkopplad till omröraren, som rör om substratet i Reaktor II. Vid frekvensomriktaren är ett relä inkopplat till en kontaktor, som är till för kylfläkten i omrörarmotorn. Den går på lågt varvtal vilket medför att motorn blir varm och behöver kylas ner.
Kopplingslådan, eller DIN dropbox (objekt 17) är till för spänningsförsörjning för flödesmätarna. Den lägger ihop flödesmätarnas signaler på samma seriekommunikations ledning (RS232) till datorn. DIN dropbox är kopplad till spänningsaggregatet (objekt 12) och till datorn (objekt 13). Sedan loggar datorn mätvärden för flödet med avseende på tiden och då kan man beräkna det totala flödet.
Gaslarmet (objekt 1) är inkopplad till DAQ-enheten som vidarebefordrar ett SMS till de personer som har hand om anläggningen då larmet går. Gaslarmet varnar om att det finns för mycket metangas i anläggningen. Då ska man undvika att gå in i anläggningen tills gasen försvinner.
Larm (objekt 20) används för att varna om spänningen till datorn uteblir, eller att datorn inte får någon ström. Man får även ett SMS om strömavbrott inträffar.
7
2.3 Ingående utrustning i system I
Fig.3 Reaktionskärl Reaktor I
Fig.4 Reaktionskärl Reaktor I
8
2.3.1 Cirkulationspump objekt 14
Fig.5 cirkulationspump
Cirkulationspumpen som sitter vid reaktor I är till för omblandning. Pumpen som arbetar med låg frekvens och styrs genom DAQ-enheten och PWM med hjälp av MOSFET transistor (Fig.6).
Fig.6 Styrning c-pump objekt12
9
2.3.2 Vattenpump objekt 2 och vattenbad objekt 3
Fig.7 Vattenpump(A) och vattenbad(B)
Vattenpumpen används för att stabilisera processtemperaturen. Optimal temperatur för biogasprocessen är mellan ca 37°C och 55 °C om temperaturen kommer över eller under det satta gränsvärdet, så kommer vattenpumpen automatisk igång och pumpar varmt vatten och stabiliserar temperaturen i reaktorn.
10
2.3.3 Reaktionskärl Reaktor II
Fig.8 Reaktionskärl Reaktor II
Fig.9 Reaktionskärl Reaktor II
11
2.4 Elektrisköversiktschema System I
Fig.10a Elektrisköversiktschema
Fig.10b Elektrisköversiktschema
Gruppcentralen
Huvudledning 400/230 Volt
Grp1 Grp2 Grp3 Grp4 Grp5
Kopplingsplint
Belysning
Fläktbrytare
400/230 Volt
Omrörarebrytare
Grp2 Grp3 Grp4 Grp5 Grp6 Grp7 Grp8 Grp1
JFB
12
Fig10a och 10b visar en helhets bild för den elektriska översiktschemat av system I. Här utgår vi ifrån att strömmen går från gruppcentralen. Från gruppcentralen kopplas ledningarna vidare till de olika apparaterna i anläggningen.
På nästa sida beskrivs gruppcentralen med de olika grupperna i en mer detaljerad form och även automatskåpet beskrivs detaljerat.
13
2.4.1 Gruppcentral
Fig.11 Elektrisköversiktschema
Grupp Ledning/Anmärkning
1. 16Ampere uttag 400/230V Kabel till vägguttag för inkoppling av apparater, som dator, spänningsaggregat
2. 16Ampere uttag 400/230V Går till andra sidan av anläggningen till lådan vid reaktor UASB(Fig.41) till en omkopplare/vägguttag(Fig.39) där flera elektriska apparater är inkopplad, som belastningspumpen, frekvensomriktaren, elvärmarna
3. 10Ampere uttag 230V Värmeelement
4. 10Ampere uttag 230V Värmeelement och larmcentral 5. 10Ampere uttag 230V Belysning, fläkt
6. 10Ampere uttag 230V Automatskåp
7. 10Ampere uttag 230V Cirkulationspump reaktor I 8. 10Ampere uttag 230V Cirkulationspump reaktor II
14
Ovan i tabellen beskrivs gruppcentralen med säkringar och var ledningarna går till.
Vad gäller beteckningarna, förklaras nedan kortfattat vad de innebär beträffande färgkoder på kablar i låggspänningsanläggningar innebär:
Skyddsjord, betecknas PE (protective Earth): Grön gul Neutralledare eller nolla, betecknas N (Neutral): Blå Fasledare, betecknas L1 (Line), brun färg och är första fas Fasledare, betecknas L2, svart färg och är andra fas Fasledare, betecknas L3, grå färg och är tredje fas I många instalationer har de tre fasledarna samma färg
Lågspäningsanlägningar har i regel 400V(Volt) huvudspänning. Det är alltså 400V spänning mellan två fasledare. Om man kopplar ett objekt mellan två fasledaredet, tex fasledare L1 och L2 eller L1, L3 eller L2, L3 är spänningen 400V över objektet.
Fasspännigen ligger på 230V. Det är spänningen mellan enfas L1, L2, eller L3 och nollan.
√
Om vi har Uhuvudspänning= 400V då får vi Ufasspänning= 230V enligt formeln ovan. Vanlig vägguttag i lågspänningsanläggningar ligger på 230V.
400/230V betyder att vi har tre fasledare och nolla. Då får man huvudspänning på 400V om man kopplar mellan två fasledare(L1,L2,L3). Man får fasspänningen 230V om man kopplar mellan någon av fasledarna och nollan(N).
230V betyder att vi bara har fasspänning, alltså en fasledare och nolla.
3x230V betyder att vi har tre fasledare med huvudspänningen 230V i varje ledare, men ingen nolla. Då kan vi inte få ut någon fasspänning, utan bara huvudspänning. Detta fall finns som utspännig från en trefas frekvensomrikatare matad med 230V fasspänning.
15
2.4.2 Automatskåp (grp6) med frekvensomriktare F1, F2
Fig. 12 Automatskåp
Som vi ser i Fig.12 så är kablarna partnumrerade. De är nu märkta med kabelnummer och märkning.
Kabelnummer Plintnummer/Partnummer Anmärkning/ledning
1 201, 202, 203, 204 Två bruna kablar (Fig.10b) som går från DAQ-enheterna in till reläskydden (R1 och R2) som slår av kontaktorn
2 22, 23, 26, 27 Två vita kablar som går in till kontaktorn som sedan går bort till reaktor I och den andra till reaktor II och de används som vägguttag till vattenpumparna(Grp7 och Grp8).
3 20, 21, 24, 25 Från två av de tre vita kablarna(400/230V Fig.11) från gruppcentralen in till kontaktorn
4 Går inte via plint Från ena av de vita kablarna(400/230V Fig11) in till brytaren och vidare till övredelen av F2
5 L1, N Från gruppcentralen via omrörarbrytaren och in till överdelen
av F1
6 R, S, 1 Svarta kabeln(3x230V) via F2 som används till att styra
Lakbäddspumpen som ingår i System II.
7 U, V, W Från F1 som används till att styra omrörarmotorn och går bort till uttag/inkoppling för omrörarmotorn
8 Går inte via plint Från kontaktorn till uttag/inkoppling för omrörarmoton
9 Går inte via plint Från F1 ut till DAQ-enheten, används till att styra
frekvensomriktaren från DAQ-enheten (mjukvaruinställd)
16
3 Instrument System I
3.1 DAQ-modul och USB-6009
DAQ-modul tillverkas av företaget National Instruments. Termen ”DAQ” kommer ifrån engelskans ”data acquisition” vilket fritt kan översättas till svenska med ”datainhämtning”
Det är bro mellan mätningarnas fysiska del (kretskort, komponenter etcetera) och datorn, via en USB-buss, som möjliggör användningen av LabVIEW i mätningarna.
Termen ”DAQ” kan omfatta insamling av mätdata för många olika storheter, såsom kraft, tryck eller längd. Modulen omvandlar dem till en digital representation, varefter denna signal kan brukas i ett av de många program som finns tillgängliga. I fallet här behandlar modulen 6009 endast elektriska signaler.
Modulen USB-6009 kan hantera upp till 14 insignaler och två utsignaler samtidigt, med en mäthastighet på 48 kS/s (engelska: ”kilo-Samples per second”, på svenska ”48000 mätningar per sekund”) vid en ingångsimpedans på 144 kΩ.
De analoga utgångarna som används i mätningarna kan leverera som mest +5 V, då det är USB-bussens matningsspänning via en MOLEX-kontakts största spänning. Modulen kan här totalt leverera som mest 200 mA. Den har en utgångsimpedans på 50 Ω. De analoga
utgångarna har en upplösning på 12 bitar och kan varieras med som mest frekvensen 150 Hz.
Fig.13 USB-6008/6009
17
Fig.14 USB-6008/6009 backsida
Fig.15 USB-6008/6009 Block Diagram
18
3.1.2 I/O anslutning
USB-6009 levereras med en löstagbar skruvplint för analoga signaler och en löstagbar skruvplint för digitala signaler. Dessa plintar ger 16 anslutningar.
Tabell 1 visar den analoga terminaltilldelningen och tabell 2 visar den digitala terminaltilldelningen
Tabell1 digtal terminal tilldelning
Tabell2 digtal terminal tilldelning
19
3.1.3 USB-6009 (DAQ)
Det finns två DAQ- enheter, den ena används till reaktor I och den andra till reaktor II.
DAQ-enheten användas för att kontrollera och styra enheterna, bland annat temperaturen i reaktorerna, gasflödet, vattenpumpen med mera.
Fig.16 USB-6009
Fig.17 USB-6009
20
3.1.4 Reaktor I, med cirkulationspump
Nedan kan vi se vad som är inkopplat till DAQ- enhet 1 (Fig.16) och vilka ingångar och utgångar som används.
Analog I/O
Port/Koppling Terminal/Pin Funktion/Typ
AI0 2,3 Vattentemperatur1
AI1 5,6 Reaktor I temperatur
AI2 8,9 Ström cirkulationspump
AI3 11,12 Gaslarm
Övriga
GND 10 Jord Reaktor I temperatur
GND 13 Jord Vattentemperatur
GND 16 Jord cirkulationspump
Digital I/O
Port/Koppling Terminal/Pin Funktion/Typ
P1 (1.3) / out 28 Cirkulationspump
styrning
P1 (1.2) / out 27 Vattenpump styrning
Övriga
+5V 31 5V matning Vattentemperatur
+5V 31 5V matning Reaktor I temperatur
21
3.1.5 Reaktor II, med omrörare
Nedan kan vi se vad som är inkopplat till DAQ- enhet 2 (Fig.17) och vilka ingångar och utgångar som används.
Analog I/O
Port/Koppling Terminal/Pin Funktion/Typ
AI0 2,3 Vattentemperatur2
AI1 5,6 Reaktor II temperatur
AI2 8,9 Larm dator
AI3 12 Frekvensomriktare
Ao0 14 Styrning
frekvensomriktare Övriga
GND 7 Jord Reaktor II temperatur
GND 10 Jord Vatten temperatur1
GND 13 Jord Larm A
GND 16 Jord Larm B
GND 16 Jord Frekvensomriktaren
Digital I/O
Port/Koppling Terminal/Pin Funktion/Typ
P0 (0.6) / out 23 Larm A
P0 (0.7) / out 24 Larm B
P1 (1.3) / out 28 Vattenpump
Övriga
+5V 31 5V matning Vattentemperatur
+5V 31 5V matning Reaktor II temperatur1
GND 32 Jord Vattentemperatur
22
3.2 LabVIEW
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) är från National Instruments och är en plattform och utvecklingsmiljö för ett visuellt programmeringsspråk.
Programmet används till många olika saker, t.ex. att automatisera mätning och styrning för laboratorieutrustning
1986 släpptes ursprungligen det grafiska programmeringsspråket ”G” till Apple Macintosh.
LabVIEW Används i alla typer av tillkämpningar, alltifrån enkel temperaturmätning till styrning av världens största partikelaccelerator. LabVIEW används vanligen för
datainsamling, instrumentkontroll, instrumentstyrning, konstruktion av inbyggda system och industriell automation på en mängd olika plattformer.
Programmet används av ett stort antal ingenjörer och forskare världen över för att utveckla avancerade mät-, test och styrsystem med hjälp av grafiska ikoner och trådar som bildar ett flödesschema. Den har hög integration med många hårdvaror. Ett hundratal inbyggda
bibliotek för avancerad analys och datavisualisering finns. LabVIEW plattformen är skalbar i flera mål och operativsystem.
Programmet består av två delar: ”Frontpanel” och ”Blockdiagram”.
3.2.1 Frontpanelen (Operatörsidan)
När ett tom VI öppnas, visas ett namnlöst frontpanelsfönster. Detta fönster visar frontpanelen och är en av de två LabVIEW fönstren som används för att bygga ett VI.
Frontpanelen är det fönster som användaren interagerar med programmet. Ingångsparametrar till det verkställande programmet matas genom frontpanelen och utdata kan ses på
frontpanelen.
3.2.2 Blockschema (Programdelen)
Blockschemafönstret innehåller den grafiska källkoden för ett LabVIEW’s program. Det kan konstrueras med grundläggande block såsom:
Terminaler, noder och ledningar. Efter att frontpanelen är byggd, kan användaren lägga till kod genom att använda grafiska representationer av funktioner för att kontrollera
frontpanelsobjekt. Blockschemat innehåller denna grafiska källkod. Frontpanelsobjekt uppstår som terminaler på blockschemat.
23 3.2.3 Temperaturmätning med Pt100
Temperaturen i reaktorerna är den viktigaste huvudparametern då mikrobakteriernas
produktion är temperaturberoende. Pt100 är tillräckligt känsligt och effektivt för att detektera varierande temperatur. Pt100 är en slags motståndstermometer. Den är en temperaturgivare som utnyttjar förutsägbar förändring i elektrisk resistans av en platina tråd med varierad temperatur. Sensorn har en förändring av motståndet av 0.385Ω/ °C. En resistans på 100Ω vid 0°C där av namnet Pt100 och 138,5 vid 100°C.
Vi börjar med
Fig.18 kretskonstruktion för temperatursensor
Som vi ser i Fig.15 så sätter vi Pt100 tillsammans med en konstant motstånd R = 100Ω vid 5V utspänning i serie kopplingen och på så sätt kan vi enkelt få ut det spänning från Pt100 vid Ai0+ porten, genom spänningsdelning
24 Rx är det stigande värdet av Pt100 sensorns resistans.
Vi måste göra om spänning till temperatur och det gör vi genom LabVIEW frontpanel som visas nedan:
Med tanke på att temperaturen varierar mellan 37-55°C, så satte vi referensvärdet till 45°C, där Pt100 resistans är 117.47Ω. Efter experiment korrektion så satte vi resistansen R till 124.4Ω för att balansera resistansen hos Pt-100 vid 45°C plus DAQ- kortets resistans och den länkande kabelns resistans.
LabVIEW programmet visas nedan:
Fig.19 LabVIEW program för temperaturkontrollering
Data varierar mycket på kort tid på grund av mät brus, men förblir relativt stabilt under längre tid (processen är trög). Vi lägger till en tidsfördröjning, som mäter en gång var 30 sekund och väljer att visa mätvärdet med en decimal.
25
Fig.20 Frontpanel för temperaturkontrollering
26 3.2.4 Frontpanelen för processen
Frontpanelen är det fönster med vilket användaren interagerar med programmet. Indata till det verkställande programmet matas genom frontpanelen och utdata kan ses från frontpanelen.
Som vi ser på bilden (Fig.11), så kan man från frontpanelen styra och ställa alla enheter manuellt om man vill. Man kan hålla koll på alla enheter, temperaturen i processen vilket är det viktigaste för bakteriernas överlevnad. Den vänstra delen på bilden är indata från processen och det högra utdata från processen. I processen, eller i mjukvaruprogrammets blockdiagram är alla enheter sammankopplade till samma timer/klocka, som sätter igång alla sekvenser vid samma tidpunkt. Det är för att alla enheter skall jobba synkront. Alla enheter startar samtidigt så att man får koll på spänning och ström i processen, vid samma tidpunkt Längst upp på bilden visas temperaturen och flödet i processen för båda reaktorerna.
Fig.21 Frontpanelen för processen
27 3.2.5 Översikt
Här studerar man temperaturen och flödet i processen för båda reaktorerna.
Fig.22 Blockdiagram översikt
Fig.23 Frontpanel översikt
28 3.2.6 Cirkulationspumpen och vattenpump 1
Viking Power 16 är DC-pump, som sitter vid reaktor I är till för omblandning. Pumpen som arbetar med låg spänning styrs med en MOSFET transistor (Fig 24.), som är inkopplad till DAQ- assistenten.
MOSFETEN används som en elektrisk switch. Vi sammankopplar den analoga
utgången(Fig.24) mellan Gate(G) och Source(S) punkterna. När spänningen stiger till 5V, så blir MOSFETEN ledande och då startar motorn.
Optimal temperatur för biogasprocessen mellan ca 37°C och 55 °C om temperaturen kommer över eller under det satta gränsvärdet, så kommer vattenpumpen automatisk igång och pumpar vatten och stabiliserar temperaturen i reaktorn. Vi sätter gränsen till 40°C, om temperaturen understiger det värdet, så ger DAQ-enheten ut en spänning som sätter igång pumpen, när temperaturen stiger upp, så bryts utspänningen och pumpen stängs av.
Fig.24 Styrning cirkulationspump, MOSFET
29
Fig.25 Blockdiagram Styrning cirkulationspumpen
30
Fig.26 Frontpanel c-pump
Fig.27 Frontpanel vattenpump
31
3.2.7 Styrning Reaktor II (omröraren) och vattenpump 2
Omröraren består av en motor, en motorstyrenhet med frekvensomrikatare och en blandare.
Genom att ändra frekvens kan man kontrollera varvtal för mixern/blandaren. Frekvensen hos omröraren bestäms av inspänningen till motorregulatorn. Genom att ändra utspänningen från DAQ-kortet så kan vi ändra blandningsvarvtalet. Man vill göra utgången ändringsbar, därför finns en numerisk styrenhet framför varje DAQ-assistents utgång. Ändras styrvarvtalet på frontpanelen (Fig.29), så ändras utspänningen, vilket leder till att hastigheten eller frekvensen på motorn ändras.
Fig.28 Blockdiagram omröraren
32
Fig. 29 Frontpanel omröraren
33 3.2.8 Feedback reaktor I
Visar information kring reaktor I, datorn får respons från alla enheter genom signaler.
Fig.30 Blockdiagram Feedback
34 3.2.9 Feedback reaktor II
Visar information kring reaktor II, datorn får respons från alla enheter genom signaler.
Fig.31 Blockdiagram Feedback
35 3.2.10 Flödesmätaren reaktor I och reaktor II
Signaler skickas in till datorn, som registrerar mätvärden för flödet genom flödesmätarna via RS232, sedan loggar datorn mätvärden för flödet med avseende av tiden, då kan man se det totala flödet i processen.
Man kan även se och studera temperatur, tryck, gas, gastemperatur och volymflöde med hjälp av flödesmätaren
Fig.32 Blockdiagram flödesmätare
36
Fig.33 Frontpanel flödesmätaren
37 3.2.11 Loggar/sparar
Alla enheter i processen sänder signaler in till datorn och datorn loggar all information på en mapp, där kan man analysera informationen. När man analyserat och gått genom
informationen, kan man se vad och var i processen fel uppstår och åtgärda det.
Fig.34 Blockdiagram log
38
Fig.35 Blockdiagram log
Fig.36 Frontpanel Log
39 3.2.12 Larm
Fig.37 Blockdiagram Larm
Fig.38 Frontpanel Larm
40
4. Uppbyggnad av System II för biogasproduktion 4.1 System II
Fig.39 Översikt anläggningen
4.2 Ingående komponenter
Objekt ID Data
1. Substrattillförsel Manuellt
2. Vattenpump Hagen Aqua Clear 24V 1A
3. Vattenbad GrantOLS200 230V
4. Frekvensomriktare INE 230V
5. Elvärmare 230 V, 1.5kW
6. Lakbäddspump SK 80S/4 3x230 V
7. Belastningspump 71A-6 400V
8. Bortledning av gas Manuellt
9. Flödesmätare Lakbädd Alicat Scientific M-500SCCM_D 24V 1A
10. Avfuktning av rågas Slang
11. DB9-mini DIN dropbox 24V 1A
12. Spänningsaggregat 2x30V 3A
13. Dator/Reglerprogram 230V 1.8A
Hyperlänkar finns för de understrukna objekten
41
4.2.1Beskrivning av System II med reaktor lakbädd och reaktor UASB (Fig.39)
Fig.39 visar att lakbäddsreaktorn bland annat innehåller ett värmeelement som ligger i botten tillsammans med en doppvärmare och de används för att stabilisera temperaturen för
mikroorganismerna. Vid sidan av lakbäddsreaktorn är en termostart installerad som är kopplad till värmeelementet. Termostarten är inställd på ett temperaturgränsvärde vilket gör att värmeelementet går igång när temperaturen understiger det satta gränsvärdet och stängs av när temperaturen kommer upp i gränsvärdet igen.
Nivågivaren kontrollerar mängden substrat i lakbädden. Den skickar signaler till PLC:n för att avbryta processen vid för liten mängd substrat för att sedan återstartas när lakbädden är påfylld.
Flödet genom processen styrs av lakbäddspumpen (objekt 6) och belastningspumpen (objekt 7) som uppfyller olika funktioner i flödesprocessen. Båda pumparna är kopplade till separata frekvensomriktare. De är manuellt inställda, så att man kan styra varvtal för pumparna genom att variera frekvensen.
Vid lakbäddsreaktorn är lakbäddspumpen inkopplad. Den används till recirkulering kring lakbädden där substratet flödar genom den smala slangen med grå färg. Lakbädspumpen har enbart en uppgift, vilket är att cirkulera substratet runt lakbädden på grund av masstransport skäl. Efter att substratet har analyserats i lakbädden är det redo att föras vidare till den andra reaktorn. Belastningspumpen pumpar då substratet vidare till en tredje reaktor, metanreaktorn (UASB). När substratet förts vidare kopplas Lakbäddspumpen bort. Endast
belastningspumpen, som pumpar substratet runt reaktor UASB och Lakbäddsreaktorn genom ventilväxling av flödet, används.
Det går inte att använda belastningspumpen för att cirkulera flödet runt båda reaktorerna konstant då hydrolusen i lakbäddsreaktorn gör att löst organsikt material ökar. Detta gör att mikro-organismerna i metanreaktorn kan få för mycket mat.
De bakterier som finns i lakbäddsreaktorn utför förarbetet med nedbrytningen av substratet.
Sedan pumpas det vidare med belastningspumpen till metanreaktorn. Mikroorganismerna i metanreaktorn slutför nedbrytningen av substratet och biogas produceras.
42
Temperaturgivare (T1,T3,T4) Pt-100 mäter temperaturen på olika ställen av rören eller i processen. T4 mäter temperaturen från lakbäddsreaktorn, T3 mäter temperaturen innan reaktor UASB och T1 mäter temperaturen ut från reaktorn UASB. Temperaturen i reaktorn UASB är viktigt att hålla reda på eftersom slutproduktionen sker där.
Vidare finns det två el-värmare vid reaktorn UASB genom vilka flödet passerar på vägen in till reaktorn. El-värmarnas uppgift är att hålla värmen stabil för bakterierna i reaktorn. El- värmarna är insatta på ett temperaturvärde 40°C där T3 fungerar som en termostart. Signaler till PLC:n skcikas då temperaturen understiger det satta värdet. PLC:n i sin tur, aktiverar ett relä varvid el-värmarna sätts i gång och stängs av när temperaturen är återställd.
Vattenpumpen och vattenbadet vid sidan av reaktorn UASB är till för att cirkulera vatten i slangen som går runt hela reaktorn. Detta för att minska värmeflödet som uppstår när flödet passerar genom reaktorn och ger upphov till temperaturnedstigning i reaktorn UASB.
DIN dropbox (objekt11), kopplingslådan, är till för spänningsförsörjning för flödesmätarna (objekt9). DIN dropbox är kopplad till spänningsaggregatet (objekt12) och till datorn (objekt13) som registrerar mätvärden av flödet genom flödesmätarna via RS232 (seriell kommunikation). Sedan loggar datorn mätvärden av flödet med avseende av tiden vilket gör att man kan se det totala flödet i processen.
43
4.2.2 Reaktor lakbädden och metanreaktor UASB (Up-flow Anaerobic Sludge Blanket)
Fig.40 Lakbädden
Fig.41 UASB
44
4.2.3 Lakbäddspumpen
Fig.42 Lakbäddspumpen
Lakbäddspumpen med dubbelpump är en kortsluten asynkronmotor som används för att recirkulera substratet runt lakbäddsreakotorn. Pumpen är i drift bara när substratet cirkuleras runt lakbädden annars är den avstängd.
45
4.2.4 Belastningspumpen
Fig.43 Belastningspumpen
Belastningspumpen är alltid i drift och används dels för att pumpa substratet genom reaktor UASB och dels för att pumpa substratet genom båda reaktorerna vid ventilväxling.
46
4.2.5 Frekvensomriktaren till belastningspumpen
Fig.44 Frekvensomriktaren
Fig.45 Skåp
Frekvensomriktaren och skåpet som innehåller PLC:n, 24Volt AC/DC (växelspänning som omvandlas till likspänning) omvandlaren är monterade på baksidan av metanreaktorn UASB.
47
5. Resultat
Resultatet av denna studie som tagits upp i rapporten blev följande:
Ett nytt elektriskschema
Sedan projektet av biogasanläggningen sattes igång så har den förändrats bitvis. Från början hade man bara Lakbäddsreaktorn och UASB reaktorn men senare tillkom även Reaktor I och reaktor II. Det innebar att många nya apparater tillkomit med fler mätledningar och el-kablar vilket ledde till att ett nytt elektriskschema behövdes.
Uppbyggnadsritning av systemen
Det har tillkomit många nya apparater som fullbordade systemen. Det behövdes en ny
översiktsbild för att kunna se hur alla objekt hänger ihop och hur systemen är uppbyggt. Med identifiering av komponenter, utrustningar samt hur de är sammanfogade samt utförlig
information om dem med hjälp av hyperlänkarna Teknisk beskrivning av systemen
En kort beskrivning av systemen och dess funktion vilket saknades tidigare.
En ny mjukvaruprogrammeringsbeskrivning
Innan hade man bara förslag på hur man skulle gå tillväga för att programmera enheterna så att systemen skulle fungera. Man började programmera varje enskild enhet i systemen vilket ledde till att det blev många programmeringar på olika platser och mappar. Vissa av
programmeringarna var fel men under tiden åtgärdades det. Nu är alla enheter programmerade och finns på en och samma plats med en kortfattad beskrivning vilket underlättar förståelsen för hur enheterna samt systemen är programmerade.
Detaljerad dokumentation av biogasanläggningen
Inriktningen av min studie var att kartlägga och dokumentera biogasanläggningen vilket nu är genomfört.
48
6. Sammanfattning
Målet var att med hjälp av elscheman, ritningar och bilder försöka klargöra den elektriska funktionen för biogasanläggningen och på så sätt underlätta för de som deltar och arbetar med projektet. Arbetet beskriver även funktionen av den elektriska delen av anläggningen som kablage och inkoppling av trefasnätet.
Elinstallationen i anläggningen borde ha gjorts med bättre dokumentation från början.
Kabelledningarna saknade numering med tillhörande elektriska scheman. Ett flertal kablar borde läggas upp på en kabelstege i taket i stället för nere på golvet. Detta kommer förmodligen att ändras inom en snar framtid.
Biogasanläggningen är en experimentell anläggning som är i ständigt förändring. Det har lett till att nya utrustningar tillkommit, elinstallationen ändrats, systemen ändrats och även
mjukvaruprogrammet korrigerats under tiden. På grund av förändringarna har man ibland fått problem med system I eftersom apparaterna som ingår i systemen är mjukvaruprogrammerade och är känsliga för förändring. Det gör det svårt och krångligt för dem som inte har kunskaper inom programmering. Vilket leder till att, om något går fel under drift av processen så är det svårt att åtgärda det.
49
7. Slutsats och diskussion
Inriktningen av min studie var att kartlägga, dokumentera biogasanläggningen och komma med förslag på eventuella förbättringar och åtgärder för att underlätta arbetet med projektet.
Fokus låg först och främst på att kartlägga och dokumentera anläggningen.
Slutsatsen av min studie är att man kan förbättra den elektriska delen av biogasanläggningen så att man lättare kan få en inblick av det samt kvalitén av systemen.
Vid den andra sidan av anläggningen i närheten av system II finns det gott om plats till att montera ett nytt automatskåp. I det nya automatskåpet kan man flytta in några enheter som t.ex. frekvensomriktarna som är involverade i system II, skåpet(Fig.45) som innehåller PLC:n, AC/DC omvandlaren med mera. Det skulle underlätta projektet markant genom att man samlar ihop viktiga enheter som tillhör system II på en och samma plats/avdelning. I det gamla automatskåpet kan man ha kvar enheter som har med system I att göra och på så sätt får man bättre struktur som gör att man lättare kan analysera och observera systemen. Det blir mindre rörligt i anläggningen, man får en bättre översiktsbild av den elektriska delen
I nuläget använder man bara system II för produktion av biogas, medan system I där reaktor I och reaktor II ingår inte är driftsatt. Systemen är mjukvaru programmerade vilket kräver att man är insatt och kunnig på programmvaran. Det kan leda till att man får svårt att hantera problem som uppstår i processen under driftsättning .
Man kan även få problem med de apparater som ej är drifsatta vilket kan medföra att deras livslängd minskar samt att de eventuellt börjar fungera dåligt som i vid uppstart. Man kan undvika de här problemen om man underhåller apparaterna och driftsätter system I emellanåt så att apparaterna och mjukvaruprogrammet får arbeta. Det är viktigt för
mjukvaruprogrammet att man testkör emellanåt så att prestandan ökar och att man är insatt i programmet.
Överlag så är dokumentationen av biogasanläggningen genomförd och de inblandade på bioenergiavdelningen får nu ett bättre översiksbild av systemet kring reaktorerna och bättre inblick av anläggningen elektriskt och tekniskt sätt.
50
7. Referenser
[1]
http://www.bioenergiportalen.se/?p=3136&m=1640 http://sv.wikipedia.org/wiki/Biogas
http://lnu.diva-portal.org/smash/record.jsf?searchId=2&pid=diva2:323180
[2], [4]
http://bluesierraexotics.com/productdetail.asp?Item=01556110586&Category=1100&SubCate gory=1105
http://www.pahlen.com/download/manual/manual-electric-heater-spa.pdf http://www.watson-marlow.co.uk/wmb-gb/perfect.htm
http://www.instrumart.com/products/34581/alicat-scientific-mc-series-mass-flow-controllers http://www.poolspecialisten.se/valy.asp?prod_id=54&language=se&AntCol=3&avdelning=H ome
http://www.laskompaniet.se/gasvarnare-g-3000/505-0
http://boraselmotor.se/produkter/elmotorer/sg_elmotorer/SgSh.pdf http://www.omega.co.uk/Temperature/pdf/PR-11.pdf
http://www.tme.eu/dok/I/irf1324pbf.pdf
http://www.johnson-pump.com/jpmarine/products/lavatorysystem/vikingpower16.html http://sv.wikipedia.org/wiki/Starkstr%C3%B6m
http://www.grantinstruments.com/ols200-shaking-water-bath/
http://www.pentronic.se/Theory/Pt100sensor/tabid/188/language/sv-SE/Default.aspx
[3]
http://lnu.diva-portal.org/smash/record.jsf?searchId=2&pid=diva2:323180 http://www.ni.com/labview/whatis/
http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/201987 http://www.ni.com/dataacquisition/whatis/
http://en.wikipedia.org/wiki/Data_acquisition
51
Muntliga referenser [2]
2012-03-15 Erik Gregerby Linnéuniversitet [4]
2012-03-24 Joacim Augustsson (före detta student) Linnéuniversitet
