基于PLC的沼气池自动控制系统设计生毕业设计

2015 届本科生毕业设计 分类号：TP911题目： 基于 PLC 的沼气池自动控制系统设计 作 者 姓 名： 学 号： 2011080416 学 院： 机械与电子工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师姓名： 指导教师职称： 2015 年 5 月 10 日摘 要本设计是基于PLC 的沼气自动控制系统。系统的控制核心采用西门子S7-300 PLC控制器。控制程序采用STEP 7软件编写。利用WinCC flexible软件设计人机界面实现系统的实时监控。通过人机界面输入相应的控制信号对沼气池的各个执行机构进行控制。该系统可以对采集到的数据进行转换。实际值与设定值进行比较实现对沼气的智能控制。在实验室调试过程中，控制器运行良好。触摸屏操作简便，具有较强的可靠性和实用性，满足现场控制的要求，达到了设计目标。关键词：沼气控制；可编程控制器；人机界面 ABSTRACTThis design is a PLC-based automatic methane control system. The Siemens S7-300 PLC controller is the core of the system. The control program is compiled by using the STEP 7 software. The human-machine interface is designed with the WinCC flexible software to realize the real-time monitoring of the system. By inputting the corresponding control signal through the human-machine interface, each actuating mechanism of the methane tank can be controlled. The system is able to convert the data it collected. Comparison between the actual value and set value can be performed, to realize the intelligent control of the methane tank. The controller runs well during debugging in the laboratory. The touch screen is easy to operate and highly reliable and practical, meeting the requirement of on-site control and realizing the design target.Keywords: Methane control; Programmable controller; Human-machine interface目 录绪论 .11 系统总体设计 .21.1 设计内容及要求 .21.2 系统总体设计方案 .21.3 系统主要部件组成 .31.3.1 可编程控制器（PLC） .31.3.2 人机界面（HMI） .41.3.3 控制面板 .42 PLC 控制器外围电路的设计 .52.1 数字量输入模块 .52.2 数字量输出模块 .52.3 模拟量输入模块 .63 控制系统软件设计 .73.1 基于 STEP 7 的 PLC 控制器程序设计 .73.2 基于 WinCC flexible 的 HMI 设计 .154 沼气系统调试 .184.1 离线仿真 .184.2 项目的在线仿真 .204.3 硬件系统调试 .25结论 .27参考文献 .28附录 .29致谢 .31宿州学院本科生毕业设计 基于 PLC 的沼气池自动控制系统设计0绪论能源的发展，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。当今世界，人类社会发展日益加速，无论是在工业、农业，还是第三产业服务业，高新技术产业，都是处于人类历史上空前发展最快的一个阶段 1。社会的发展提高了人类的生活水平，大大加强了社会生产力，同时对能源（如煤，石油）的需求和使用也大幅提高，从汽车内燃机到家用电器，无不需要能源去运作 2。通过实地调查分析，了解到导致沼气池目前推广不普遍的原因首先是建设周期长，每家挖坑、垒池、装料、产气约一个月时间。其次，沼气池的产料受环境温度的影响很大，普遍情况是在夏季产气量大，用不了；冬季又因为环境温度低而产气不足，不能正常使用。更重要的是很多人不懂沼气池的维护和保养，往往由于某一个小环节而影响产气、用气。如果出现漏气，就要清池，重新修补，很多人甚至就是在清池时失去了生命。传统沼气的生产模式经济效益较低，通过调查得知，目前农户对沼气的认识还停留在解决农民生活用能（炊煮、照明）等单一方面，在探索沼气综合利用方面缺乏系统、科学的引导。对于沼气发酵反应全过程的控制，目前大部分用户完全依靠操作人员通过手动操作实现。因此，需要操作人员每日完成的工作量很大，对于操作人员的数量需求也很大。由于其自动化程度低，使发酵反应的控制技术比较粗糙，造成了对废弃物处理速度过慢，对环境问题改善效果不明显，也使得生产出的沼气产量低且质量较差，同时由于其控制生产过程的自动化水平不高，进而存在一定的生产过程中的安全隐患，基于以上原因，如何提高系统自动化程度，并且保证系统安全、稳定、持续高效的运行是一个需要及时解决的实际问题。现在一般智能控制所采用的方式分别有微机控制，单片机控制，还有 PLC 控制。但在工业自动化领域内，PLC 以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中 3。一般来说，沼气发酵细菌最适宜的 PH 为 6.87.5，6.4 以下 7.6 以上都对产气有抑制作用。如果 PH 在 5.5 以下，就是料液酸化的标志，其产甲烷菌的活动完全受到抑制。沼气细菌在 860范围内都能进行发酵。本次设计的目的是为了实现对沼气发酵过程的智能监控与控制。计划主要是对沼气发酵过程中温度、气压、PH 值的监控与调整。此外，随着工业自动化水平的迅速提高，用户对控制系统的过程监控要求越来越高，人机界面（HMI）的出现正好满足了用户这一需求。人机界面可以对控制系统进行全面监控，包括参数监测、信息处理、在线优化、报警提示、数据记录等功能，从而使控制系统变得简单易懂、操作人性化，深受广大用户的喜欢 4。人机界面（HMI）在自动控制领域的作用日益显著。HMI 正在成为引导工业生产制造走向成功的重要因素，因为这些系统越来越多的用于监控生产过程，让过程变得宿州学院本科生毕业设计 基于 PLC 的沼气池自动控制系统设计1更加准确、简洁和快速 5。宿州学院本科生毕业设计 基于 PLC 的沼气池自动控制系统设计21 系统总体设计1.1 设计内容及要求本设计对影响沼气生产过程的主要因素进行了分析，提出了以温度、压力、PH值作为沼气生产过程的主要控制参数，从而实现沼气生产过程的自动控制。根据该工程的实际工况，设计了由 S7-300 PLC 和人机界面（ HMI）构成的自动控制与监测系统，完成数据采集、执行机构动作的程序编写，实现相应功能，从而提高沼气的生产及使用效率，解决我国农村目前能源利用效率低、应用不合理的问题，并在此基础上解决沼气在北方冬天因温度低而影响使用的问题。该系统能实现的具体功能如下：（1）利用 PLC 对各个输入信号进行处理；（2）通过温度、气压、PH 值传感器监控沼气池、集气室内各个参数；（3）通过人机界面将采集的沼气池、集气室参数显示出来；（4）利用组态画面和控制面板对沼气池、集气室的各执行机构进行控制。1.2 系统总体设计方案 该沼气池采用水封的方法对沼气池进行密封，在水封部位 A 处，设有水位开关，能时刻监控水封水位是否能满足水封要求，该水位要始终高于下限位，否则会出现漏气情况；B 处是送料机构，同时也起到搅拌的作用，该部分采用丝杠进行传动，并设有限位开关，末端采用伞状推板，当向下送料时，挡板撑开，增大作用面积，当挡板收回时，收拢挡板，减小作用面积，有利于丝杠向上运动；C 处是进料口；D 部位是反应池向集气池输气的管道；E 部分是出料口（可根据沼气池的大小进行选择出料方式），如图 1 中所示与进料口类似，只是丝杠末端的挡板安装方向相反；F 是反应池； G 是集气室；H 是出气口。如图 1 是沼气控制简图。图 1 沼气池控制图宿州学院本科生毕业设计 基于 PLC 的沼气池自动控制系统设计3沼气池出料的难易程度取决于所进料液，下整料是造成出料难的主要原因。为了使沼气池便于出料，我们在进料时采取了两项措施，一是改下整料为碎料，以畜禽粪便为主，杜绝下整料；二是下料时在进料口设置铁篦子，以防杂物或过粗、过长的料进入池内。在出料时，主要采取了两种方法：一是采用液下潜入式软轴污泥泵抽料法，主要用于 10 立方米以上的沼气池。该泵泵体为螺旋形，叶轮为半开式。作业时，将泵体直接潜入液面下，置于池底 30 公分以上，电动机的支力通过软轴传递给泵轴，带动叶轮旋转，从而使料液由泵进入软轴排出。利用该泵具有省工、出料快等特点，一般 15 立方米的池子 1 小时左右即可出完。二是活塞抽料法。系统整体设计框图如图 2 所示。可编程逻辑控制器人机界面气压传感器P H 值传感器温度传感器开关量控制面板执行机构图 2 系统整体设计框图1.3 系统主要部件组成1.3.1 可编程控制器（PLC）西门子产品丰富，根据设计需要，选择西门子 S7-300 PLC。S7-300 PLC 是德国西门子公司生产的可编程序控制器(PLC)系列产品之一。其模块化结构、易于实现分布式的配置以及性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好，使其在广泛的工业控制领域中，成为一种既经济又切合实际的解决方案。PLC 采用循环执行用户程序的方式。OB1 是用于循环处理的组织块（主程序），它可以调用别的逻辑块，或被中断程序（组织块）中断。在启动完成后，不断地循环调用 OB1，在 OB1 中可以调用其它逻辑块(FB 、SFB、FC 或 SFC)。在循环程序处理过程中，CPU 并不直接访问 I/O 模块中的输入地址区和输出地址区，而是访问 CPU 内部的输入/输出过程映像区（在 CPU 的系统存储区） 6。S7-300 系列的 PLC 有 CPU312、CPU314、CPU 315-2DP、CPU315-2DP、CPU315-2PN/DP、 CPU 317-2DP 等类型 7。宿州学院本科生毕业设计 基于 PLC 的沼气池自动控制系统设计4本设计主要用到了西门子 S7-300 PLC，选用 S7-300 CPU312，采用 24V 直流供电。主要包括以下模块：（1）电源模块（PS）将市电电压（AC120/230V）转换为 DC24V，为 CPU 和 24V 直流负载电路（信号模块、传感器、执行器等）提供直流电源。（2）CPU 模块各种 CPU 有不同的性能，例如有的 CPU 集成有数字量和模拟量输入/输出点，有的 CPU 集成有 PROFIBUSDP 等通信接口。CPU 前面板上有状态故障指示灯、模式开关、24V 电源端子、电池盒与存储器模块盒（有的 CPU 没有）。其中有数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块等。1.3.2 人机界面（HMI）人机界面（Human Machine Interaction，简称 HMI），又称用户界面或使用者界面，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分 7。HMI其实广义的解释就是“使用者与机器间沟通、传达及接收信息的一个接口”。举个例子来说，在一座工厂里头，我们要搜集工厂各个区域的温度、湿度以及工厂中机器的状态等的信息透过一台主控器监视并记录这些参数，并在一些意外状况发生的时候能够加以处理。 人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存贮单元等，其中处理器的性能决定了 HMI 产品的性能高低，是 HMI 的核心单元。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。大量运用在工业与商业上，简单的区分为“输入” （Input）与“ 输出”（Output ）两种，输入指的是由人来进行机械或设备的操作，如把手、开关、门、指令（命令）的下达等，而输出指的是由机械或设备发出来的通知，如故障、警告、操作说明提示等，人机接口会帮助使用者更简单、更正确、更迅速的操作机械，也能使机械发挥最大的效能并延长使用寿命 7。 1.3.3 控制面板为更好地模拟实际的沼气控制系统，展示沼气系统运行时的现象，我自制了控制面板，是为了弥补人机界面可能出现的问题，比如触摸屏触屏精度不高，控制信号通过通信口会有延时等，此时控制面板就可以完全代替人机界面对沼气系统进行操