2015届本科生毕业设计 分类号：TP911
题目：
学 学 专 基于PLC的沼气池自动控制系统设计
号： 2011080416
院： 机械与电子工程学院
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
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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6.8~7.5，6.4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8~60℃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]。
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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
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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。
温度传感器可编程逻辑控制器人机界面气压传感器执行机构PH值传感器控制面板开关量 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：
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（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。
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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。
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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4~20mA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0~80KPa，输出信号为4~20mA的标准电流信号[11]。
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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。
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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0~10V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。
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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4~20mV（PIW292）的信号，如果其变送器的实际工程量程范围为0~60℃，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。
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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
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（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
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（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
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（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
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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
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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
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（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
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