(段名輝)基于PLC的沼氣池自動控制系統(tǒng)設(shè)計(定稿)

2015屆本科生畢業(yè)設(shè)計分類號：TP911題目：基于PLC的沼氣池自動控制系統(tǒng)設(shè)計作者姓名：段名輝學(xué)號：2011080416學(xué)院：機械與電子工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動化指導(dǎo)教師姓名：邵毅彭二飛指導(dǎo)教師職稱：講師工程師2015年5月10日摘要本設(shè)計是基于PLC的沼氣自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的控制核心采用西門子S7-300PLC控制器?？刂瞥绦虿捎肧TEP7軟件編寫。利用WinCCflexible軟件設(shè)計人機界面實現(xiàn)系統(tǒng)的實時監(jiān)控。通過人機界面輸入相應(yīng)的控制信號對沼氣池的各個執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行控制。該系統(tǒng)可以對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。實際值與設(shè)定值進(jìn)行比較實現(xiàn)對沼氣的智能控制。在實驗室調(diào)試過程中，控制器運行良好。觸摸屏操作簡便，具有較強的可靠性和實用性，滿足現(xiàn)場控制的要求，達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。關(guān)鍵詞：沼氣控制；可編程控制器；人機界面宿州學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計基于PLC的沼氣池自動控制系統(tǒng)設(shè)計緒論能源的發(fā)展，是全世界、全人類共同關(guān)心的問題，也是我國社會經(jīng)濟發(fā)展的重要問題。當(dāng)今世界，人類社會發(fā)展日益加速，無論是在工業(yè)、農(nóng)業(yè)，還是第三產(chǎn)業(yè)服務(wù)業(yè)，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，都是處于人類歷史上空前發(fā)展最快的一個階段[1]。社會的發(fā)展提高了人類的生活水平，大大加強了社會生產(chǎn)力，同時對能源（如煤，石油）的需求和使用也大幅提高，從汽車內(nèi)燃機到家用電器，無不需要能源去運作[2]。通過實地調(diào)查分析，了解到導(dǎo)致沼氣池目前推廣不普遍的原因首先是建設(shè)周期長，每家挖坑、壘池、裝料、產(chǎn)氣約一個月時間。其次，沼氣池的產(chǎn)料受環(huán)境溫度的影響很大，普遍情況是在夏季產(chǎn)氣量大，用不了；冬季又因為環(huán)境溫度低而產(chǎn)氣不足，不能正常使用。更重要的是很多人不懂沼氣池的維護(hù)和保養(yǎng)，往往由于某一個小環(huán)節(jié)而影響產(chǎn)氣、用氣。如果出現(xiàn)漏氣，就要清池，重新修補，很多人甚至就是在清池時失去了生命。傳統(tǒng)沼氣的生產(chǎn)模式經(jīng)濟效益較低，通過調(diào)查得知，目前農(nóng)戶對沼氣的認(rèn)識還停留在解決農(nóng)民生活用能（炊煮、照明）等單一方面，在探索沼氣綜合利用方面缺乏系統(tǒng)、科學(xué)的引導(dǎo)。對于沼氣發(fā)酵反應(yīng)全過程的控制，目前大部分用戶完全依靠操作人員通過手動操作實現(xiàn)。因此，需要操作人員每日完成的工作量很大，對于操作人員的數(shù)量需求也很大。由于其自動化程度低，使發(fā)酵反應(yīng)的控制技術(shù)比較粗糙，造成了對廢棄物處理速度過慢，對環(huán)境問題改善效果不明顯，也使得生產(chǎn)出的沼氣產(chǎn)量低且質(zhì)量較差，同時由于其控制生產(chǎn)過程的自動化水平不高，進(jìn)而存在一定的生產(chǎn)過程中的安全隱患，基于以上原因，如何提高系統(tǒng)自動化程度，并且保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、持續(xù)高效的運行是一個需要及時解決的實際問題?，F(xiàn)在一般智能控制所采用的方式分別有微機控制，單片機控制，還有PLC控制。但在工業(yè)自動化領(lǐng)域內(nèi)，PLC以其可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、功能強大、性價比高、體積小、能耗低等顯著特點廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的自動控制之中[3]。一般來說，沼氣發(fā)酵細(xì)菌最適宜的PH為6.8~7.5，6.4以下7.6以上都對產(chǎn)氣有抑制作用。如果PH在5.5以下，就是料液酸化的標(biāo)志，其產(chǎn)甲烷菌的活動完全受到抑制。沼氣細(xì)菌在8~60℃范圍內(nèi)都能進(jìn)行發(fā)酵。本次設(shè)計的目的是為了實現(xiàn)對沼氣發(fā)酵過程的智能監(jiān)控與控制。計劃主要是對沼氣發(fā)酵過程中溫度、氣壓、PH值的監(jiān)控與調(diào)整。此外，隨著工業(yè)自動化水平的迅速提高，用戶對控制系統(tǒng)的過程監(jiān)控要求越來越高，人機界面（HMI）的出現(xiàn)正好滿足了用戶這一需求。人機界面可以對控制系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，包括參數(shù)監(jiān)測、信息處理、在線優(yōu)化、報警提示、數(shù)據(jù)記錄等功能，從而使控制系統(tǒng)變得簡單易懂、操作人性化，深受廣大用戶的喜歡[4]。人機界面（HMI）在自動控制領(lǐng)域的作用日益顯著。HMI正在成為引導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)制造走向成功的重要因素，因為這些系統(tǒng)越來越多的用于監(jiān)控生產(chǎn)過程，讓過程變得更加準(zhǔn)確、簡潔和快速[5]。系統(tǒng)總體設(shè)計設(shè)計內(nèi)容及要求本設(shè)計對影響沼氣生產(chǎn)過程的主要因素進(jìn)行了分析，提出了以溫度、壓力、PH值作為沼氣生產(chǎn)過程的主要控制參數(shù)，從而實現(xiàn)沼氣生產(chǎn)過程的自動控制。根據(jù)該工程的實際工況，設(shè)計了由S7-300PLC和人機界面（HMI）構(gòu)成的自動控制與監(jiān)測系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行機構(gòu)動作的程序編寫，實現(xiàn)相應(yīng)功能，從而提高沼氣的生產(chǎn)及使用效率，解決我國農(nóng)村目前能源利用效率低、應(yīng)用不合理的問題，并在此基礎(chǔ)上解決沼氣在北方冬天因溫度低而影響使用的問題。該系統(tǒng)能實現(xiàn)的具體功能如下：利用PLC對各個輸入信號進(jìn)行處理；通過溫度、氣壓、PH值傳感器監(jiān)控沼氣池、集氣室內(nèi)各個參數(shù)；通過人機界面將采集的沼氣池、集氣室參數(shù)顯示出來；利用組態(tài)畫面和控制面板對沼氣池、集氣室的各執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行控制。系統(tǒng)總體設(shè)計方案該沼氣池采用水封的方法對沼氣池進(jìn)行密封，在水封部位A處，設(shè)有水位開關(guān)，能時刻監(jiān)控水封水位是否能滿足水封要求，該水位要始終高于下限位，否則會出現(xiàn)漏氣情況；B處是送料機構(gòu)，同時也起到攪拌的作用，該部分采用絲杠進(jìn)行傳動，并設(shè)有限位開關(guān)，末端采用傘狀推板，當(dāng)向下送料時，擋板撐開，增大作用面積，當(dāng)擋板收回時，收攏擋板，減小作用面積，有利于絲杠向上運動；C處是進(jìn)料口；D部位是反應(yīng)池向集氣池輸氣的管道；E部分是出料口（可根據(jù)沼氣池的大小進(jìn)行選擇出料方式），如圖1中所示與進(jìn)料口類似，只是絲杠末端的擋板安裝方向相反；F是反應(yīng)池；G是集氣室；H是出氣口。如圖1是沼氣控制簡圖。圖SEQ圖\*ARABIC1沼氣池控制圖沼氣池出料的難易程度取決于所進(jìn)料液，下整料是造成出料難的主要原因。為了使沼氣池便于出料，我們在進(jìn)料時采取了兩項措施，一是改下整料為碎料，以畜禽糞便為主，杜絕下整料；二是下料時在進(jìn)料口設(shè)置鐵篦子，以防雜物或過粗、過長的料進(jìn)入池內(nèi)。在出料時，主要采取了兩種方法：一是采用液下潛入式軟軸污泥泵抽料法，主要用于10立方米以上的沼氣池。該泵泵體為螺旋形，葉輪為半開式。作業(yè)時，將泵體直接潛入液面下，置于池底30公分以上，電動機的支力通過軟軸傳遞給泵軸，帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，從而使料液由泵進(jìn)入軟軸排出。利用該泵具有省工、出料快等特點，一般15立方米的池子1小時左右即可出完。二是活塞抽料法。系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖2所示。圖2系統(tǒng)整體設(shè)計框圖系統(tǒng)主要部件組成可編程控制器（PLC）西門子產(chǎn)品豐富，根據(jù)設(shè)計需要，選擇西門子S7-300PLC。S7-300PLC是德國西門子公司生產(chǎn)的可編程序控制器(PLC)系列產(chǎn)品之一。其模塊化結(jié)構(gòu)、易于實現(xiàn)分布式的配置以及性價比高、電磁兼容性強、抗震動沖擊性能好，使其在廣泛的工業(yè)控制領(lǐng)域中，成為一種既經(jīng)濟又切合實際的解決方案。PLC采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式。OB1是用于循環(huán)處理的組織塊（主程序），它可以調(diào)用別的邏輯塊，或被中斷程序（組織塊）中斷。在啟動完成后，不斷地循環(huán)調(diào)用OB1，在OB1中可以調(diào)用其它邏輯塊(FB、SFB、FC或SFC)。在循環(huán)程序處理過程中，CPU并不直接訪問I/O模塊中的輸入地址區(qū)和輸出地址區(qū)，而是訪問CPU內(nèi)部的輸入/輸出過程映像區(qū)（在CPU的系統(tǒng)存儲區(qū)）[6]。S7-300系列的PLC有CPU312、CPU314、CPU315-2DP、CPU315-2DP、CPU315-2PN/DP、CPU317-2DP等類型[7]。本設(shè)計主要用到了西門子S7-300PLC，選用S7-300CPU312，采用24V直流供電。主要包括以下模塊：電源模塊（PS）將市電電壓（AC120/230V）轉(zhuǎn)換為DC24V，為CPU和24V直流負(fù)載電路（信號模塊、傳感器、執(zhí)行器等）提供直流電源。CPU模塊各種CPU有不同的性能，例如有的CPU集成有數(shù)字量和模擬量輸入/輸出點，有的CPU集成有PROFIBUS－DP等通信接口。CPU前面板上有狀態(tài)故障指示燈、模式開關(guān)、24V電源端子、電池盒與存儲器模塊盒（有的CPU沒有）。其中有數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊等。人機界面（HMI）人機界面（HumanMachineInteraction，簡稱HMI），又稱用戶界面或使用者界面，是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是計算機系統(tǒng)的重要組成部分[7]。HMI其實廣義的解釋就是“使用者與機器間溝通、傳達(dá)及接收信息的一個接口”。舉個例子來說，在一座工廠里頭，我們要搜集工廠各個區(qū)域的溫度、濕度以及工廠中機器的狀態(tài)等的信息透過一臺主控器監(jiān)視并記錄這些參數(shù)，并在一些意外狀況發(fā)生的時候能夠加以處理。人機界面產(chǎn)品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通訊接口、數(shù)據(jù)存貯單元等，其中處理器的性能決定了HMI產(chǎn)品的性能高低，是HMI的核心單元。凡參與人機信息交流的領(lǐng)域都存在著人機界面。大量運用在工業(yè)與商業(yè)上，簡單的區(qū)分為“輸入”（Input）與“輸出”（Output）兩種，輸入指的是由人來進(jìn)行機械或設(shè)備的操作，如把手、開關(guān)、門、指令（命令）的下達(dá)等，而輸出指的是由機械或設(shè)備發(fā)出來的通知，如故障、警告、操作說明提示等，人機接口會幫助使用者更簡單、更正確、更迅速的操作機械，也能使機械發(fā)揮最大的效能并延長使用壽命[7]?？刂泼姘鍨楦玫啬M實際的沼氣控制系統(tǒng)，展示沼氣系統(tǒng)運行時的現(xiàn)象，我自制了控制面板，是為了彌補人機界面可能出現(xiàn)的問題，比如觸摸屏觸屏精度不高，控制信號通過通信口會有延時等，此時控制面板就可以完全代替人機界面對沼氣系統(tǒng)進(jìn)行操作。在控制面板中，我采用了開關(guān)、按鈕、指示燈，可以直觀的顯示系統(tǒng)中各執(zhí)行機構(gòu)的運行狀態(tài)以及對各部分的控制。PLC控制器外圍電路的設(shè)計控制器的設(shè)計是基于模型控制設(shè)計過程中最重要的一步。首先要根據(jù)受控對象的數(shù)學(xué)模型和它的各特性以及設(shè)計要求，確定控制器的結(jié)構(gòu)以及和受控對象的連接方式。然后根據(jù)所要求的性能指標(biāo)確定控制器的參數(shù)值[8]。數(shù)字量輸入模塊數(shù)字量輸入模塊采用24V直流供電，通過數(shù)字量輸入模塊將外部的開關(guān)量信號電平轉(zhuǎn)換成S7-300內(nèi)部的信號電平輸入到PLC。此模塊適合于連接開關(guān)或兩線接近開關(guān)。此外，利用計算機可以進(jìn)行與圖形的編輯和復(fù)制等有關(guān)的圖形數(shù)據(jù)加工工作[9]。圖3是利用AutoCAD繪制的數(shù)字量模塊外部接線圖。圖3數(shù)字量輸入模塊接線數(shù)字量輸出模塊數(shù)字量輸出模塊將S7-300PLC的內(nèi)部信號電平轉(zhuǎn)換成過程所需的外部信號電平，通過輸出開關(guān)量信號控制相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，模塊適合于連接電磁閥、接觸器、小型電動機、燈和電動機啟動器等裝置。西門子PLC的輸出模塊中有繼電器輸出、可控硅輸出和晶體管輸出形式。其中晶體管輸出速度快，帶直流負(fù)載；繼電器輸出開關(guān)頻率比晶體管低，可以帶交流負(fù)載或直流負(fù)載；晶閘管輸出只能帶交流負(fù)載，響應(yīng)速度在前兩者之間。本系統(tǒng)的數(shù)字量輸出模塊采用晶體管輸出形式。進(jìn)出料口電機需要正反轉(zhuǎn)，利用PLC數(shù)字量輸出口控制繼電器的通斷，進(jìn)而控制電機的接線方式，改變電機的正反轉(zhuǎn)。利用AutoCAD繪制的數(shù)字量輸出模塊外部接線圖如圖4所示。圖4數(shù)字量輸出模塊接線模擬量輸入模塊模擬量輸入模塊將從過程來的模擬量信號轉(zhuǎn)換成S7-300內(nèi)部處理用的數(shù)字量信號。如圖5，是利用AutoCAD繪制的傳感器與模擬量輸入模塊的外部接線圖。圖5模擬量模塊接線對沼氣池中溫度、壓力、PH值的監(jiān)控需要用到傳感器。溫度采集選擇Pt100鉑電阻作為傳感器。在此選用SBWZ-PT100熱電阻溫度變送器，SBWZ-PT100可將熱電阻信號轉(zhuǎn)換成與溫度信號成線性的4~20mA的輸出信號[10]。本系統(tǒng)設(shè)計中，壓力變送器采用湖南立升信息設(shè)備有限公司的型號為LSYB變送器，其量程均為0~80KPa，輸出信號為4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號[11]。酸堿度采集選用酸堿度傳感器采集模塊?？刂葡到y(tǒng)軟件設(shè)計基于STEP7的PLC控制器程序設(shè)計PLC控制程序中包括主程序、手動控制程序、自動控制程序、電機正反轉(zhuǎn)程序、溫度采集功能、氣壓采集功能、PH值采集功能。程序流程圖如圖6。圖6程序流程圖通過PLC實現(xiàn)對沼氣池的自動化控制，運用溫度、PH傳感器實現(xiàn)對沼氣池內(nèi)反應(yīng)物的監(jiān)控，必要時人為的進(jìn)行調(diào)節(jié)，利用壓力傳感器監(jiān)控反應(yīng)室和集氣室中壓力的變化，再將采集到的信號以0~10V電壓的形式輸入到PLC的模擬量輸入模塊，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，得到對應(yīng)的數(shù)據(jù)與程序中設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，然后通過數(shù)字量輸出模塊對沼氣池的各個執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行控制。編輯符號表，如圖7。圖7符號表創(chuàng)建功能(FC)，編寫模擬量轉(zhuǎn)換程序。在使用模擬量輸入信號時，必須對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換。信號有單極性信號和雙極性信號之分。出于對控制的需要，本系統(tǒng)只需采用單極性信號[12]。模擬量輸入信號中，模塊設(shè)定及其地址對應(yīng)關(guān)系，如圖8。圖8創(chuàng)建功能模擬量輸入轉(zhuǎn)換可以直接調(diào)用【庫】中【StandardLibrary】里面【TI-S7ConvertingBlocks】內(nèi)的FC105即可，不需要自己編程[12]。例如，對于4~20mV（PIW292）的信號，如果其變送器的實際工程量程范圍為0~60℃，其編程方式如圖9。圖9溫度采集程序反應(yīng)室壓力采集程序如圖10。圖10反應(yīng)室壓力采集程序集氣室壓力采集程序如圖11。圖11集氣室壓力采集程序PH值采集程序如圖12。圖12PH采集程序創(chuàng)建功能(FC)，編寫電機正反轉(zhuǎn)程序。當(dāng)擋板既不在最低位置，也不在最高位置時，擋板下移，當(dāng)擋板移動到最低位時，擋板上移，當(dāng)擋板運動到最高位時，擋板下移，進(jìn)行往復(fù)運動，達(dá)到進(jìn)出料的效果。圖13電機正反轉(zhuǎn)程序一圖14電機正反轉(zhuǎn)程序二編寫OB1主程序，在OB1中調(diào)用模擬量轉(zhuǎn)換功能，從而實現(xiàn)時刻監(jiān)控沼氣池和集氣室內(nèi)參數(shù)。當(dāng)按下啟動按鈕，啟動沼氣系統(tǒng)時，直接調(diào)用各個模擬量采集程序。圖15調(diào)用功能一圖16調(diào)用功能二圖17調(diào)用功能三圖18調(diào)用功能四創(chuàng)建OB100程序塊，OB100啟動，當(dāng)CPU從STOP到RUN狀態(tài)時啟動，對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。圖19OB100程序塊接著編寫手動程序和自動程序，以實現(xiàn)手動控制和自動控制。自動控制程序使沼氣控制系統(tǒng)按照程序設(shè)定自動執(zhí)行各個執(zhí)行機構(gòu)，手動控制程序可以讓用戶根據(jù)自己的判斷手動對沼氣池控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。圖20手動程序圖21自動程序在OB1程序塊中編寫手自動切換程序。當(dāng)不按下手自動按鈕時，系統(tǒng)直接執(zhí)行沼氣自動控制程序，即調(diào)用功能FC7；當(dāng)按下手自動按鈕時，系統(tǒng)執(zhí)行沼氣手動控制程序，即調(diào)用功能FC5，這時可以根據(jù)自己的要求對系統(tǒng)進(jìn)行控制。圖22手自動切換程序基于WinCCflexible的HMI設(shè)計人機界面用畫面中可視化的畫面元件來反映實際的工業(yè)生產(chǎn)過程，也可以在畫面中修改工業(yè)現(xiàn)場的過程設(shè)定值。畫面由靜態(tài)元件和動態(tài)元件組成。靜態(tài)元件用于靜態(tài)顯示，在運行時他們的狀態(tài)不會變化，不需要變量與之連接，他們不能由PLC更新。動態(tài)元件的狀態(tài)受變量的控制，需要設(shè)置與它連接的變量，用圖形、字符、數(shù)字趨勢圖和棒圖等畫面元件來顯示PLC或HMI設(shè)備存儲器中的變量的當(dāng)前狀態(tài)或當(dāng)前值，PLC和HMI設(shè)備通過變量和動態(tài)元件交換過程值和操作員的輸入數(shù)據(jù)。變量分為外部變量和內(nèi)部變量，每個變量都有一個符號名和數(shù)據(jù)類型。外部變量是人機界面與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的橋梁，是PLC中定義的存儲單元的映像，其值隨PLC程序的執(zhí)行而改變。內(nèi)部變量存儲在HMI設(shè)備的存儲器中，與PLC沒有連接關(guān)系，只有HMI設(shè)備能訪問內(nèi)部變量。內(nèi)部變量用于HMI設(shè)備內(nèi)部的計算或執(zhí)行其他任務(wù)。內(nèi)部變量用名稱來區(qū)分，沒有地址。添加畫面，在畫面中組態(tài)指示燈和按鈕、開關(guān)等元件。沼氣控制系統(tǒng)的初始畫面如圖23所示，通過按鈕可以進(jìn)入不同的控制畫面。畫面上設(shè)置了啟動和停止按鈕，可以直接對沼氣池控制系統(tǒng)進(jìn)行啟動和停止，同時指示燈可以指示系統(tǒng)運行狀態(tài)；報警、閥門開關(guān)和手動控制按鈕分別對應(yīng)著報警、閥門開關(guān)和手動控制界面，點擊即可進(jìn)入相應(yīng)的畫面，以便很好地實現(xiàn)人機交互。圖23主畫面報警畫面，顯示沼氣池內(nèi)溫度、PH值、集氣室和反應(yīng)室氣壓的實時數(shù)據(jù)，進(jìn)而判斷這些參數(shù)是否超過設(shè)定的范圍，用指示燈進(jìn)行顯示。指示燈可以指示沼氣池內(nèi)溫度、壓力和PH值的大小是否超過設(shè)定的上下限值；水封報警指示燈和反應(yīng)室液位報警指示燈可以對液位過低進(jìn)行報警，以警告用戶需要采取措施。圖24報警畫面閥門開關(guān)界面如圖25所示?？梢酝ㄟ^此界面對沼氣出口閥門進(jìn)行控制，并顯示其閥門的實時狀態(tài)。圖25閥門開關(guān)界面手動控制界面如圖26，是對系統(tǒng)進(jìn)行手自動控制的切換，當(dāng)按下手自動開關(guān)，系統(tǒng)切換至手動控制，按下該界面上的其他按鈕，將對系統(tǒng)上的各個執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行控制。圖26手動控制界面報警窗口的編輯報警窗口只能在模板中進(jìn)行編輯。報警窗口可顯示溫度、壓力以及PH值的超上下限報警，實時監(jiān)控沼氣系統(tǒng)各參數(shù)，使用戶即時了解沼氣池的工作狀態(tài)。圖27報警窗口沼氣系統(tǒng)調(diào)試離線仿真在模擬項目之前，首先應(yīng)創(chuàng)建、保存和編譯項目。如果啟動模擬器之前沒有預(yù)先編譯項目，則自動啟動編譯，編譯成功后才能模擬運行。編譯出現(xiàn)錯誤時，用輸出視圖中的紅色文字顯示，應(yīng)改正錯誤。編譯成功后，才能模擬運行[13]。進(jìn)入仿真界面。圖28仿真界面報警界面，界面上有報警指示燈和各參數(shù)顯示的IO域。圖29報警仿真閥門開關(guān)界面。圖30閥門仿真手動控制界面。圖31手動控制仿真項目的在線仿真在線模擬是一種半“真實”的系統(tǒng)，與實際的控制系統(tǒng)的性能非常接近。為了實現(xiàn)在線模擬，PLC與運行WinCCflexible的計算機之間應(yīng)建立通信連接。計算機與S7-300的連接可以使用PC-Adapter電纜。系統(tǒng)進(jìn)入在線模擬模式，并用STEP7編程軟件監(jiān)控PLC程序的執(zhí)行狀態(tài)。此時由于沒有將傳感器與模擬量輸入模塊連接，模擬量模塊接收到的信號為0，所以在人機界面上會出現(xiàn)許多報警。圖32在線模擬啟動沼氣控制系統(tǒng)，點擊控制面板初始畫面上的啟動按鈕。圖33啟動系統(tǒng)點擊報警按鈕，可進(jìn)入報警界面。點擊back按鈕可返回初始界面。圖34點擊報警圖35報警界面點擊閥門開關(guān)按鈕，可進(jìn)入閥門開關(guān)界面。圖36點擊閥門開關(guān)圖37閥門開關(guān)界面點擊界面中的按鈕可以控制沼氣閥門的開啟與關(guān)閉。沼氣池控制系統(tǒng)中的閥門是由電磁閥組成的，可以實現(xiàn)對沼氣使用的控制，每一個閥門開關(guān)都對應(yīng)著一個沼氣使用出口，并由指示燈顯示該沼氣出口電磁閥的工作狀態(tài)，從而對沼氣的使用情況了如指掌，有效的提高了沼氣的使用效率，避免了普通閥門開關(guān)在關(guān)閉過程中對沼氣的浪費，同時也減小了因忘記關(guān)閉閥門而造成的浪費。圖38閥門操作點擊手動控制按鈕進(jìn)入該界面，點擊手自動按鈕后就可使沼氣控制系統(tǒng)進(jìn)行手動控制，并且可以直觀的了解到各參數(shù)的具體大小。圖39手動控制在手動控制界面中，啟動手動控制后，不僅可以直觀的了解沼氣池及其集氣室內(nèi)的各項參數(shù)，還可以根據(jù)用戶的需求，對各個執(zhí)行機構(gòu)分別進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)手自動切換，對應(yīng)于PLC程序，在手動控制系統(tǒng)時調(diào)用手動控制程序功能FC5，在自動控制系統(tǒng)時，調(diào)用自動控制程序功能FC7。圖40手動操作系統(tǒng)單擊停止按鈕后，沼氣控制系統(tǒng)停止運行。圖41系統(tǒng)停止運行硬件系統(tǒng)調(diào)試我們可以通過自動與手動按鈕，實現(xiàn)手動、自動狀態(tài)的切換，也就是手動和自動過程不能同時進(jìn)行。當(dāng)按下自動按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入自動控制狀態(tài)；當(dāng)按下手動按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入手動控制狀態(tài)，這時，自動控制部分將停止工作。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入自動控制狀態(tài)，系統(tǒng)將根據(jù)檢測裝置反饋到控制器的信息，控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，實現(xiàn)沼氣發(fā)酵反應(yīng)的正常進(jìn)行。主要表現(xiàn)為控制本次設(shè)計的溫度、PH值和壓力自動控制。圖42PLC實物圖43控制面板圖SEQ圖\*ARABIC24實物圖PLC與人機界面進(jìn)行通訊，通過HMI可以輸入相應(yīng)的控制信號，控制相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)足夠簡約，性能可靠，操作方便，能實現(xiàn)對沼氣的自動控制，能有效解決沼氣的生產(chǎn)和使用效率問題，提高沼氣生產(chǎn)和使用效率。結(jié)論設(shè)計的基于PLC的沼氣控制系統(tǒng)，利用了計算機組態(tài)軟件的強大數(shù)據(jù)處理和圖形表現(xiàn)能力、PLC強抗干擾能力強等特點，融合了先進(jìn)的自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、故障診斷技術(shù)和軟件技術(shù)，具有可靠性高、維護(hù)容易等特點。系統(tǒng)有良好的人際交互界面，在計算機上借助西門子WinCC組態(tài)軟件，編制實時監(jiān)控軟件，實現(xiàn)了對沼氣池對象的測量、自動控制和實時監(jiān)控，具有人機交互功能，從系統(tǒng)首頁進(jìn)入實時監(jiān)控后，用戶可以輕松點選，進(jìn)入各個界面。監(jiān)控軟件界面美觀，操作起來簡單明了，程序使用方便靈活，可移植性較高，實現(xiàn)了課題的要求?，F(xiàn)在可以得出以下結(jié)論：可以通過自動與手動按鈕，實現(xiàn)手動、自動狀態(tài)的切換，也就是手動和自動過程不能同時進(jìn)行。當(dāng)按下自動按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入自動控制狀態(tài)；當(dāng)按下手動按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入手動控制狀態(tài)，這時，自動控制部分將停止工作。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入自動控制狀態(tài)，系統(tǒng)將根據(jù)檢測裝置反饋到控制器的信息，控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，實現(xiàn)沼氣發(fā)酵反應(yīng)的正常進(jìn)行。主要表現(xiàn)為控制本次設(shè)計的溫度、PH值和壓力自動控制。利用人機界面，可以顯示組態(tài)畫面，顯示報警信息和沼氣池、集氣室內(nèi)壓力的變化，以及沼氣池內(nèi)溫度、PH值的變化，實現(xiàn)了人機交互。利用控制面板，可以在一定程度上彌補人機界面的不足。使用增壓機。在沼氣的使用過程中，用戶可能會過量使用沼氣，然而產(chǎn)氣速度會跟不上，這樣就會造成沼氣燃燒的火焰越來越小，甚至熄滅，加上增壓機后，就可以保證沼氣燃燒火焰基本相同?；赑LC的沼氣自動控制系統(tǒng)達(dá)到了畢業(yè)設(shè)計的要求，但是由于時間的關(guān)系，還存在很多不足的地方?？梢葬槍σ韵聨c對系統(tǒng)進(jìn)行完善，使其更適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場，在過程控制領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。加入PID環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)的傳遞函數(shù)進(jìn)行修正，以進(jìn)行快速的跟蹤變化，消除穩(wěn)態(tài)誤差。實現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程實時監(jiān)控功能。可以考慮將PC計算機和PLC控制器掛接在以太網(wǎng)或局域網(wǎng)上，在PC機上，將控制程序遠(yuǎn)程下載到PLC控制器中，并遠(yuǎn)程調(diào)試和運行PLC。這樣，操作人員可以在較遠(yuǎn)的地方對系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控，系統(tǒng)可以適應(yīng)惡劣的生產(chǎn)環(huán)境。對于這方面的研究還需考慮遠(yuǎn)程通訊的穩(wěn)定性和抗干擾性等問題。西門子控制器的編程軟件的集成化程度非常高，可以利用全集成自動化實現(xiàn)控制程序的編寫和人機界面的繪制。參考文獻(xiàn)[1]王琰.基于PLC的沼氣工程自動化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].電工技術(shù),2014,11(09):32-33.[2]胡旭陽.基于西門子PLC的工業(yè)水處理裝備管理[J].可編程控制器與工廠自動化,2014,23(12):83-84.[3]于福鑫,白小波,戴炬.西門子PLC在物流綜合實驗平臺中的應(yīng)用[J].電子制作,2013,20(11):195-197.[4]段冬琴.基于PLC的煙絲配比控制系統(tǒng)的研制[J].河南科技,2014,12(24):122-124.[5]黃瑞.基于西門子S7-300PLC的模糊控制的實現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2014,13(15):120-122.[6]葉森.西門子PLC在燃煤蒸汽鍋爐中的應(yīng)用[J].科技風(fēng),2013,15(19):114-116.[7]關(guān)云琿,黎步銀.基于西門子PLC和觸摸屏的噴漆烘干控制系統(tǒng)研究[J].機電信息,2014,18(33):128-129.[8]楊熠,尹林.現(xiàn)代傳感器技術(shù)淺析[J].電子測試,2013,25(09):100-101.[9]趙磊.基于AutoCAD的繪圖思路培養(yǎng)與探討[J].電子技術(shù)與軟件工程,2015,33(05):103-105.[10]詹建徽,張代遠(yuǎn).傳感器應(yīng)用、挑戰(zhàn)與發(fā)展[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2013,23(08):118-121.[11]孫福強,鄧麗華.傳感器技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢探析[J].電子技術(shù)與軟件工程,2014,27(12):127-129.[12]連劍俏.基于西門子PLC300的控制系統(tǒng)在熱電廠中的