基于PLC的沼气池自动控制系统设计本科生毕业设计.pdf

毕业论文声明 本人郑重声明：1 此毕业论文是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。除了特别加以标注地方外，本文不包含他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中作了明确标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。2本人完全了解学校、学院有关保留、使用学位论文的规定，同意学校与学院保留并向国家有关部门或机构送交此论文的复印件和电子版，允许此文被查阅和借阅。本人授权大学学院可以将此文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本文。3若在大学学院毕业论文审查小组复审中，发现本文有抄袭，一切后果均由本人承担，与毕业论文指导老师无关。4.本人所呈交的毕业论文，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。论文中凡引用他人已经发布或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。论文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中已明确的方式标明。学位论文作者（签名）：年 月 关于毕业论文使用授权的声明 本人在指导老师的指导下所完成的论文及相关的资料（包括图纸、实验记录、原始数据、实物照片、图片、录音带、设计手稿等），知识产权归属华北电力大学。本人完全了解大学有关保存，使用毕业论文的规定。同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版或电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权大学可以将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存或编汇本毕业论文。如果发表相关成果，一定征得指导教师同意，且第一署名单位为大学。本人毕业后使用毕业论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为大学。本人完全了解大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存或汇编本学位论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入学校有关数据库和收录到 中国学位论文全文数据库进行信息服务。在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。论文作者签名：日期：指导教师签名：日期：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 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 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 ABSTRACT This 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.1 1 系统总体设计.2 1.1 设计内容及要求.2 1.2 系统总体设计方案.2 1.3 系统主要部件组成.3 1.3.1 可编程控制器（PLC）.3 1.3.2 人机界面（HMI）.4 1.3.3 控制面板.4 2 PLC 控制器外围电路的设计.5 2.1 数字量输入模块.5 2.2 数字量输出模块.5 2.3 模拟量输入模块.6 3 控制系统软件设计.7 3.1 基于 STEP 7 的 PLC 控制器程序设计.7 3.2 基于 WinCC flexible 的 HMI 设计.15 4 沼气系统调试.18 4.1 离线仿真.18 4.2 项目的在线仿真.20 4.3 硬件系统调试.25 结论.27 参考文献.28 附录.1 致谢.2 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 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 2 1 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 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 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PH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。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：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（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 PROFIBUS DP 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作。在控制面板中，我采用了开关、按钮、指示灯，可以直观的显示系统中各执行机构的运行状态以及对各部分的控制。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 5 2 PLC 控制器外围电路的设计 控制器的设计是基于模型控制设计过程中最重要的一步。首先要根据受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。然后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值8。2.1 数字量输入模块 数字量输入模块采用 24V 直流供电，通过数字量输入模块将外部的开关量信号电平转换成 S7-300内部的信号电平输入到 PLC。此模块适合于连接开关或两线接近开关。此外，利用计算机可以进行与图形的编辑和复制等有关的图形数据加工工作9。图 3 是利用 AutoCAD绘制的数字量模块外部接线图。图 3 数字量输入模块接线 2.2 数字量输出模块 数字量输出模块将 S7-300 PLC的内部信号电平转换成过程所需的外部信号电平，通过输出开关量信号控制相应的执行机构，模块适合于连接电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电动机启动器等装置。西门子 PLC 的输出模块中有继电器输出、可控硅输出和晶体管输出形式。其中 晶体管输出速度快，带直流负载；继电器输出开关频率比晶体管低，可以带交流负载或直流负载；晶闸管输出只能带交流负载，响应速度在前两者之间。本系统的数字量输出模块采用晶体管输出形式。进出料口电机需要正反转，利用 PLC 数字量输出口控制继电器的通断，进而控制电机的接线方式，改变电机的正反转。利用 AutoCAD绘制的数字量输出模块外部接线图如图 4 所示。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 6 图 4 数字量输出模块接线 2.3 模拟量输入模块 模拟量输入模块将从过程来的模拟量信号转换成S7-300内部处理用的数字量信号。如图 5，是利用 AutoCAD绘制的传感器与模拟量输入模块的外部接线图。图 5 模拟量模块接线 对沼气池中温度、压力、PH 值的监控需要用到传感器。温度采集选择 Pt100铂电阻作为传感器。在此选用 SBWZ-PT100热电阻温度变送器，SBWZ-PT100可将热电阻信号转换成与温度信号成线性的 420mA 的输出信号10。本系统设计中，压力变送器采用湖南立升信息设备有限公司的型号为 LSYB变送器，其量程均为 080KPa，输出信号为 420mA的标准电流信号11。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 7 酸碱度采集选用酸碱度传感器采集模块。3 控制系统软件设计 3.1 基于 STEP 7 的 PLC 控制器程序设计 PLC 控制程序中包括主程序、手动控制程序、自动控制程序、电机正反转程序、温度采集功能、气压采集功能、PH 值采集功能。程序流程图如图 6。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 8 图 6 程序流程图 通过 PLC 实现对沼气池的自动化控制，运用温度、PH 传感器实现对沼气池内反应物的监控，必要时人为的进行调节，利用压力传感器监控反应室和集气室中压力的变化，再将采集到的信号以 010V 电压的形式输入到 PLC 的模拟量输入模块，经过转换，得到对应的数据与程序中设定的阈值进行比较，然后通过数字量输出模块对沼气池的各个执行机构进行控制。（1）编辑符号表，如图 7。图 7 符号表（2）创建功能(FC)，编写模拟量转换程序。在使用模拟量输入信号时，必须对其进行转换。信号有单极性信号和双极性信号之分。出于对控制的需要，本系统只需采用单极性信号12。模拟量输入信号中，模块设定及其地址对应关系，如图 8。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 9 图 8 创建功能 模拟量输入转换可以直接调用【库】中【Standard Library】里面【TI-S7 Converting Blocks】内的 FC105 即可，不需要自己编程12。例如，对于 420mV（PIW292）的信号，如果其变送器的实际工程量程范围为 060，其编程方式如图 9。图 9 温度采集程序 反应室压力采集程序如图 10。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 0 图 10 反应室压力采集程序 集气室压力采集程序如图 11。图 11 集气室压力采集程序 PH 值采集程序如图 12。图 12 PH 采集程序 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 1 （3）创建功能(FC)，编写电机正反转程序。当挡板既不在最低位置，也不在最高位置时，挡板下移，当挡板移动到最低位时，挡板上移，当挡板运动到最高位时，挡板下移，进行往复运动，达到进出料的效果。图 13 电机正反转程序一 图 14 电机正反转程序二 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 2 （4）编写 OB1 主程序，在 OB1 中调用模拟量转换功能，从而实现时刻监控沼气池和集气室内参数。当按下启动按钮，启动沼气系统时，直接调用各个模拟量采集程序。图 15 调用功能一 图 16 调用功能二 图 17 调用功能三 图 18 调用功能四 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 3 （5）创建 OB100 程序块，OB100 启动，当 CPU 从 STOP 到 RUN状态时启动，对系统进行复位。图 19 OB100 程序块（6）接着编写手动程序和自动程序，以实现手动控制和自动控制。自动控制程序使沼气控制系统按照程序设定自动执行各个执行机构，手动控制程序可以让用户根据自己的判断手动对沼气池控制系统进行控制。图 20 手动程序 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 4 图 21 自动程序（7）在 OB1 程序块中编写手自动切换程序。当不按下手自动按钮时，系统直接执行沼气自动控制程序，即调用功能 FC7；当按下手自动按钮时，系统执行沼气手动控制程序，即调用功能 FC5，这时可以根据自己的要求对系统进行控制。图 22 手自动切换程序 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 5 3.2 基于 WinCC flexible 的 HMI设计 人机界面用画面中可视化的画面元件来反映实际的工业生产过程，也可以在画面中修改工业现场的过程设定值。画面由静态元件和动态元件组成。静态元件用于静态显示，在运行时他们的状态不会变化，不需要变量与之连接，他们不能由 PLC 更新。动态元件的状态受变量的控制，需要设置与它连接的变量，用图形、字符、数字趋势图和棒图等画面元件来显示 PLC 或 HMI 设备存储器中的变量的当前状态或当前值，PLC 和 HMI 设备通过变量和动态元件交换过程值和操作员的输入数据。变量分为外部变量和内部变量，每个变量都有一个符号名和数据类型。外部变量是人机界面与 PLC 进行数据交换的桥梁，是 PLC 中定义的存储单元的映像，其值随PLC 程序的执行而改变。内部变量存储在 HMI 设备的存储器中，与 PLC 没有连接关系，只有 HMI 设备能访问内部变量。内部变量用于 HMI 设备内部的计算或执行其他任务。内部变量用名称来区分，没有地址。添加画面，在画面中组态指示灯和按钮、开关等元件。（1）沼气控制系统的初始画面如图 23 所示，通过按钮可以进入不同的控制画面。画面上设置了启动和停止按钮，可以直接对沼气池控制系统进行启动和停止，同时指示灯可以指示系统运行状态；报警、阀门开关和手动控制按钮分别对应着报警、阀门开关和手动控制界面，点击即可进入相应的画面，以便很好地实现人机交互。图 23 主画面 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 6（2）报警画面，显示沼气池内温度、PH 值、集气室和反应室气压的实时数据，进而判断这些参数是否超过设定的范围，用指示灯进行显示。指示灯可以指示沼气池内温度、压力和 PH 值的大小是否超过设定的上下限值；水封报警指示灯和反应室液位报警指示灯可以对液位过低进行报警，以警告用户需要采取措施。图 24 报警画面（3）阀门开关界面如图 25 所示。可以通过此界面对沼气出口阀门进行控制，并显示其阀门的实时状态。图 25 阀门开关界面 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 7（4）手动控制界面如图 26，是对系统进行手自动控制的切换，当按下手自动开关，系统切换至手动控制，按下该界面上的其他按钮，将对系统上的各个执行机构进行控制。图 26 手动控制界面（5）报警窗口的编辑 报警窗口只能在模板中进行编辑。报警窗口可显示温度、压力以及 PH 值的超上下限报警，实时监控沼气系统各参数，使用户即时了解沼气池的工作状态。图 27 报警窗口 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 8 4 沼气系统调试 4.1 离线仿真 在模拟项目之前，首先应创建、保存和编译项目。如果启动模拟器之前没有预先编译项目，则自动启动编译，编译成功后才能模拟运行。编译出现错误时，用输出视图中的红色文字显示，应改正错误。编译成功后，才能模拟运行13。（1）进入仿真界面。图 28 仿真界面（2）报警界面，界面上有报警指示灯和各参数显示的 IO 域。图 29 报警仿真 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 9（3）阀门开关界面。图 30 阀门仿真（4）手动控制界面。图 31 手动控制仿真 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 2 0 4.2 项目的在线仿真 在线模拟是一种半“真实”的系统，与实际的控制系统的性能非常接近。为了实现在线模拟，PLC 与运行WinCC flexible 的计算机之间应建立通信连接。计算机与S7-300的连接可以使用 PC-Adapter电缆。系统进入在线模拟模式，并用 STEP 7 编程软件监控 PLC 程序的执行状态。此时由于没有将传感器与模拟量输入模块连接，模拟量模块接收到的信号为 0，所以在人机界面上会出现许多报警。图 32 在线模拟（1）启动沼气控制系统，点击控制面板初始画面上的启动按钮。图 33 启动系统 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 2 1（2）点击报警按钮，可进入报警界面。点击 back按钮可返回初始界面。图 34 点击报警 图 35 报警界面 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 2 2（3）点击阀门开关按钮，可进入阀门开关界面。图 36 点击阀门开关 图 37 阀门开关界面 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 2 3（4）点击界面中的按钮可以控制沼气阀门的开启与关闭。沼气池控制系统中的阀门是由电磁阀组成的，可以实现对沼气使用的控制，每一个阀门开关都对应着一个沼气使用出口，并由指示灯显示该沼气出口电磁阀的工作状态，从而对沼气的使用情况了如指掌，有效的提高了沼气的使用效率，避免了普通阀门开关在关闭过程中对沼气的浪费，同时也减小了因忘记关闭阀门而造成的浪费。图 38 阀门操作（5）点击手动控制按钮进入该界面，点击手自动按钮后就可使沼气控制系统进行手动控制，并且可以直观的了解到各参数的具体大小。图 39 手动控制 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 2 4（6）在手动控制界面中，启动手动控制后，不仅可以直观的了解沼气池及其集气室内的各项参数，还可以根据用户的需求，对各个执行机构分别进行控制，从而实现手自动切换，对应于 PLC 程序，在手动控制系统时调用手动控制程序功能 FC5，在自动控制系统时，调用自动控制程序功能 FC7。图 40 手动操作系统（7）单击停止按钮后，沼气控制系统停止运行。图 41 系统停止运行 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 2 5 4.3 硬件系统调试 我们可以通过自动与手动按钮，实现手动、自动状态的切换，也就是手动和自动过程不能同时进行。当按下自动按钮，系统进入自动控制状态；当按下手动按钮，系统进入手动控制状态，这时，自动控制部分将停止工作。当系统进入自动控制状态，系统将根据检测装置反馈到控制器的信息，控制执行机构的动作，实现沼气发酵反应的正常进行。主要表现为控制本次设计的温度、PH值和压力自动控制。图 42 PLC 实物 图 43 控制面板 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 2 6 图 24 实物图 PLC 与人机界面进行通讯，通过 HMI 可以输入相应的控制信号，控制相应的执行机构。该系统结构足够简约，性能可靠，操作方便，能实现对沼气的自动控制，能有效解决沼气的生产和使用效率问题，提高沼气生产和使用效率。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 2 7 结论 设计的基于PLC 的沼气控制系统，利用了计算机组态软件的强大数据处理和图形表现能力、PLC 强抗干扰能力强等特点，融合了先进的自动化技术、计算机技术、通讯技术、故障诊断技术和软件技术，具有可靠性高、维护容易等特点。系统有良好的人际交互界面，在计算机上借助西门子WinCC 组态软件，编制实时监控软件，实现了对沼气池对象的测量、自动控制和实时监控，具有人机交互功能，从系统首页进入实时监控后，用户可以轻松点选，进入各个界面。监控软件界面美观，操作起来简单明了，程序使用方便灵活，可移植性较高，实现了课题的要求。现在可以得出以下结论：（1）可以通过自动与手动按钮，实现手动、自动状态的切换，也就是手动和自动过程不能同时进行。当按下自动按钮，系统进入自动控制状态；当按下手动按钮，系统进入手动控制状态，这时，自动控制部分将停止工作。（2）当系统进入自动控制状态，系统将根据检测装置反馈到控制器的信息，控制执行机构的动作，实现沼气发酵反应的正常进行。主要表现为控制本次设计的温度、PH 值和压力自动控制。（3）利用人机界面，可以显示组态画面，显示报警信息和沼气池、集气室内压力的变化，以及沼气池内温度、PH 值的变化，实现了人机交互。（4）利用控制面板，可以在一定程度上弥补人机界面的不足。（5）使用增压机。在沼气的使用过程中，用户可能会过量使用沼气，然而产气速度会跟不上，这样就会造成沼气燃烧的火焰越来越小，甚至熄灭，加上增压机后，就可以保证沼气燃烧火焰基本相同。基于PLC 的沼气自动控制系统达到了毕业设计的要求，但是由于时间的关系，还存在很多不足的地方。可以针对以下几点对系统进行完善，使其更适应工业控制现场，在过程控制领域得到更广泛的应用。（1）加入PID环节，对系统的传递函数进行修正，以进行快速的跟踪变化，消除稳态误差。（2）实现系统远程实时监控功能。可以考虑将PC 计算机和PLC 控制器挂接在以太网或局域网上，在PC 机上，将控制程序远程下载到PLC 控制器中，并远程调试和运行PLC。这样，操作人员可以在较远的地方对系统进行实时监控，系统可以适应恶劣的生产环境。对于这方面的研究还需考虑远程通讯的稳定性和抗干扰性等问题。（3）西门子控制器的编程软件的集成化程度非常高，可以利用全集成自动化实现控制程序的编写和人机界面的绘制。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 2 8 参考文献 1 王琰.基于 PLC 的沼气工程自动化监控系统设计与应用J.电工技术,2014,11(09):32-33.2 胡旭阳.基于西门子 PLC 的工业水处理装备管理J.可编程控制器与工厂自动化,2014,23(12):83-84.3 于福鑫,白小波,戴炬.西门子 PLC 在物流综合实验平台中的应用J.电子制作,2013,20(11):195-197.4 段冬琴.基于 PLC 的烟丝配比控制系统的研制J.河南科技,2014,12(24):122-124.5 黄瑞.基于西门子 S7-300PLC 的模糊控制的实现J.电子技术与软件工程,2014,13(15):120-122.6 叶森.西门子 PLC 在燃煤蒸汽锅炉中的应用J.科技风,2013,15(19):114-116.7 关云珲,黎步银.基于西门子 PLC 和触摸屏的喷漆烘干控制系统研究J.机电信息,2014,18(33):128-129.8 杨熠,尹林.现代传感器技术浅析J.电子测试,2013,25(09):100-101.9 赵磊.基于 AutoCAD的绘图思路培养与探讨J.电子技术与软件工程,2015,33(05):103-105.10 詹建徽,张代远.传感器应用、挑战与发展J.计算机技术与发展,2013,23(08):118-121.11 孙福强,邓丽华.传感器技术应用及发展趋势探析J.电子技术与软件工程,2014,27(12):127-129.12 连剑俏.基于西门子 PLC300 的控制系统在热电厂中的应用J.山东工业技术,2014,34(19):130-131.13 余春燕.西门子 PLC 故障实例分析和处理探讨J.电子技术与软件工程,2015,24(05):176-177.附录 表一 数字量模块输入输出分配表（一）表二 数字量模块输入输出分配表（二）输入地址 功能 输出地址 功能 I0.0 水封上液位 Q4.0 温度上限 I0.1 水封下液位 Q4.1 温度下限 I1.5 Q4.2 水封抽水 I0.2 进料上限位 Q5.0 反应室泄压口 I0.3 进料下限位 Q5.2 集气室泄压口 I0.4 Q4.3 进料控制口（继电器）I0.5 出料上限位 Q4.4 I0.6 出料下限位 Q4.5 出料控制口 I0.7 Q4.6 I1.3 反应室上液位 Q5.1 增压机 I1.4 反应室下液位 Q4.7 集气室气压上限报警 I1.0 反应室泄压 Q5.3 集气室气压下限报警 I1.1 增压机 Q6.6 PH 上限报警 I1.2 集气室泄压 Q6.7 PH 下限报警 I1.6 阀门 1 Q5.4 加热 I1.7 阀门 2 Q5.5 水泵 表三 模拟量模块输入分配表 致 谢 输入地址 功能 输出地址 功能 I2.0 阀门 3 Q5.6 阀门 1 I2.1 阀门 4 Q5.7 阀门 2 I2.2 阀门 5 Q6.0 阀门 3 I2.3 阀门 6 Q6.1 阀门 4 I2.4 阀门 7 Q6.2 阀门 5 I2.5 阀门 8 Q6.3 阀门 6 I2.6 加热 Q6.4 阀门 7 I2.7 搅拌 Q6.5 阀门 8 I3.0 启动 Q7.0 反应室气压上限报警 I3.1 停止 Q7.1 反应室气压下限报警 I3.2 手/自 Q7.2 搅拌 Q7.3 启动 Q7.4 停止 Q7.5 水封报警 Q7.6 反应室液位 报警 作用 功能块 存储地址 输入地址 温度 FC1 MD60 PIW288 反应室气压 FC2 MD64 PIW290 集气室气压 FC3 MD68 PIW292 PH 值 FC4 MD72 PIW294 本设计是在邵毅老师和来自天津威视同方科技有限公司的彭二飞工程师的悉心指导下完成的。在这次毕业设计完成的过程中，导师们不时给予我热情的鼓励和实验设施上的大力支持，给我搜集了充分的资料，这是我的课题顺利完成的保障。导师们认真负责的态度，深厚的理论水平都使我受益匪浅。在从设计最开始设计，到系统的最初规划，程序编写以及最后的论文撰写过程中都给予了我许多得建议和指正。在此，我非常感谢我的导师，感谢两位导师耐心的辅导。在此，特别感谢邵毅老师和彭二飞老师对我的精心指导！最后感谢所有关心和帮助我的同学、老师和朋友。谢谢大家！毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名：日 期：指导教师签名：日 期：使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日 期：学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已