西门子S7-300 PLC在沼气发酵自动监控系统中的应用

1、本科毕业设计（论文）题目 西门子s7-300 plc在沼气发酵自动监控系统中的应用电气与自动化项学院年级 2014级 专业电气工程及其自动化 班 级 1607142 学 号 160714237学生姓名 指导教师邹萍职称论文提交日期2018.05.14常熟理工学院本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计（论文），是本人在导师的指导下, 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担"。本

2、人签名：日期:常熟理工学院本科毕业设计（论文）使用授权说明本人完全了解常熟理工学院有关收集、保留和使用毕业设计（论文）的 规定，即：本科生在校期间进行毕业设计（论文）工作的知识产权单位属常 熟理工学院。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许毕业设计（论文）被查阅和借阅；学校可以将毕业设计（论文） 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编毕业设计（论文），并且本人电子文档和纸质论文 的内容相致。保密的毕业设计（论文）在解密后遵守此规定。日期:日期:本人签名:导师签名:西门子s7-300 plc在沼气发酵自动监控系统中的应用

3、摘要现在的能源稀缺以及环境污染问题越来越严重，我们需要立即寻找新能源。生物质历经转 19化再利用可以得到的一种清洁能源，这种能源叫做沼气。沼气发酵技术是我国当前重点发展的iip可再生能源项目之一。对沼气发酵过程进行监控可以给沼气发酵提供一个良好的环境，从而提 高沼气的质量和产气效率。本文通过分析影响沼气发酵的主要因素，用温度传感器、压力传感器、流量传感器、ph 值传感器、气体传感器分别检测沼气发酵过程中的温度、压力、流量、ph值及主要气体成份 （甲烷、硫化氢、二氧化碳、氧气），运用西门子s7-300型号为315-2pn/dp的plc和西门子 触摸屏及计算机等硬件设计沼气发酵自动监控系统,来实现

4、小型沼气用户对发酵过程参数的实 时在线记录与监控。关键词：沼气发酵触摸屏plc自动监控application of siemens s7-300 plc in automatic monitoring system ofbiogas fermentationabstractnowadays, energy scarcity and environmental pollution are becoming more and more serious. we need to find new energy immediately.a clean energy that can be obtaine

5、d through transformation and reuse of biomass is called biogas.biogas fermentation technology is one of the most important renewable energy projects in china.monitoring biogas fermentation process can provide a good environment for biogas fermentation, thereby improving the quality and efficiency of

6、 biogas production.by analyzing the main factors affecting the biogas fermentation, this paper uses temperature sensor, pressure sensor, flow sensor, ph sensor and gas sensor to detect the temperature, pressure, flow rate, ph value and main gas components in the process of biogas fermentation.key wo

7、rd： biogas fermentation;touch screen;plc ;automatic monitoring目录1. 绪论11.1研究目的和意义11. 2沼气发酵监控与数据采集系统的研究现状11. 2. 1监测系统与传感器技术11. 2. 2基于plc的沼气发酵监控系统21.2.3沼气发酵的监控界面21.3沼气发酵及工艺条件简介21. 3. 1沼气发酵原理21.3.2沼气厌氧发酵影响因素31. 3. 3沼气工程规模分类31.4主要研究内容41. 5本章|、仑吉52. 监控系统的总体方案设计62. 1系统设计概述62. 2系统设计原则62. 3 系统设计与开发步骤62. 4系统设

8、计目标72. 5系统方案介绍72. 6本章小结83. 沼气发酵控制系统的硬件设计与选型93.1传感器的选型93. 2执行机构选型103. 3下位机主控制器选型103.4 i/o点数的确定113.5 plc外部接线图123.6触摸屏的选型123. 7本章小结134. 沼气发酵控制系统的软件设计与实现144. 1下位机控制程序开发144. 1. 1硬件组态144. 1. 2通讯介绍154. 1. 3变量表建立164. 1.4程序设计164.2触摸屏上位机软件设计214. 3本章小结265. 系统的调试与运行275. 1硬件调试275. 2 plc程序调试275. 3触摸屏与plc的仿真调试275.

9、3. 1报警功能的仿真275.3.2系统实时数据曲线图295. 3. 3手动控制功能305.4本章小结316.结论与展望326. 1结论326. 2展望32参考文献33致谢341.绪论1.1研究目的和意义沼气是一种不排放污染物的能源。可以通过用动物粪便、有机废物、农作物剩下来的藤蔓 厌氧发酵来获取，沼气含有很多种类的气体，甲烷气体的含量比较多，甲烷是一种可以燃烧的 气体。沼气有很多方面的用途给我们生活和农业生产带来了很多便利。沼气可以用作燃料，给地 球节约能源。沼气还可以用来当做肥料培育农作物。开发利用沼气是现今利用生物质能最科学、 最现实的方法，在农村也较为方便实现。它能很大程度上解决农村生

10、活、生产方面利用能源的 问题、并且降低能源消耗。开发利用沼气可以产生四大效益：(1) 能源效益：通过厌氧发酵将人们生活、生产所产生的废弃物变成以甲烷为主的可燃 性气体。由于价格比较便宜、本身比较清洁不会排放污染物受到了人们的喜爱，所以对其他燃 料的需求就变少了。(2) 生态效益：一口 5立方米的沼气池能够提供农村2-4 口家庭以年生活方面所需要用 的能源，能够减少燃烧至少2. 5吨的秸秆或薪柴，薪柴的数量变少了导致树木的砍伐也变少了, 对封山育林和天然林地起到了良好的保护作用，有益于退耕还林。(3) 经济效益：一口 5立方米沼气池，能够减少薪柴的使用从而能够减少雇佣工人砍伐 树木，大概可以减少

11、25个工人。而这些节省下来的砍柴工就可以投入其他行业，如果每个砍 柴工每天17. 5元，就可以增加875元的收入，还可以节省300元的燃料费。这样开源节流可以给人们带了很多的利益。(4) 社会效益：能够比较合理的利用土地资源，给农村人民带来便利；实现了农业 的可持续发展，节省下来的劳动力可以用于其它产业的发展，加快调整产业结构降低劳动强 度，使农村妇女原理烟熏火燎可以使土壤受到的污染程度变小，将农作物秸秆作为肥料在用 到土壤中，动物粪便的需求使农村的养殖业得到发展，农民的收入有所增加，农村经济发展的速度变快了；给农村人民带来比较好的生活环境。1. 2沼气发酵监控与数据采集系统的研究现状iii1

12、. 2. 1监测系统与传感器技术数据采集，也可以称为数据获取。顾名思义就是我们可以运用这个技术来采集想要获取的 数据。但是采集到的东西并不一定能输出并显示出来，所以需要将采集到的信息转化成要求的 形式，这个功能可以实现。沼气发酵过程中涉及到的参数有生理参数和物化参数，目前的沼气 发酵监控技术可以监测ph值和温度，并且监测技术比较好，然而目前还不能实现对生物量和vfas的在线监测。1. 2. 2基于plc的沼气发酵监控系统发达国家的沼气发酵系统比我国的要先进很多。我国沼气自动化工程的工作人员借鉴国外 的先进技术和经验，试着在我们自己国家的沼气发酵监控系统中运用。1. 2. 3沼气发酵的监控界面有

13、些控制人员不具备丰富的人机界面开发技术与经验，这一问题组态软件可以解决。很大 程度上使自动化工程的开发效率得以提高。可以用西门子触摸屏设计人与机器交流的界面，在 这个界面中可以设置主界面、报警界面、历史曲线界面等。通过读取这些界面传递给我们的信 息来实现对沼气发酵的实时监测。1. 3沼气发酵及工艺条件简介1. 3. 1沼气发酵原理 ip沼气发酵的过程比较的复杂，也可以把它叫做厌氧发酵。就是各类厌氧微生物在厌氧的条 件下将各种有机物分解成有机物，最后转化为如4、h2s.。2、。2、n%、h2oo动物粪 便废水的厌氧发酵过程如图1-1所示。当中参与了沼气发酵活动的细菌有五大类群。它们分别 是产氢产

14、乙酸菌、发酵性细菌、耗氢产乙酸菌、食乙酸产甲烷菌、食氢产甲烷菌。沼气是混合 气体，它主要由甲烷和二氧化碳构成，基本上甲烷的含量为百分之六十，二氧化碳的含量为百分之四十，除了甲烷和二氧化碳还含有少量硫化氢、氢气、一氧化碳、氨和氮气等。图1-1沼气发酵过程中五类细菌的作用和碳素转化!1!1.3.2沼气厌氧发酵影响因素人类会有生长会繁殖会有新城代谢，微生物也是有生命的物体它们也会进行这些活动从而 就会产生厌氧发酵。人类在逆境中难以生存，微生物也是。我们必须给微生物提供一个优良的 环境，微生物才会回馈给我们较高的沼气生产率。所以总的来说我们要通过分析控制影响沼气 发酵的因素来给它们提供好的环境。厌氧发

15、酵的影响因素有厌氧发酵的原料、消化器负荷、发 酵温度、厌氧消化活性污泥、碳氮比、ph值、有害物的控制及搅拌等。1. 3. 3沼气工程规模分类我国ny/t667-2003沼气工程将沼气工程的规模根据择用指标和必要指标来分类（见表1-1）。择用指标是日产沼气量和总体装置容积，必要指标是单体装置容积和配套系统的配置。一个工程的规模可以通过一个必要指标和两个则用指标来确定。表1-1沼气工程规模分类指标工程规模单体装置容积(m3)总体装置容积(m3)沼气产量(mid )配套系统的配置大型n300n1000大于或等于300可以综合的利用沼 渣和沼液，可以存 储、输配和利用沼 气，原料的预处理 系统比较完整

16、。中型300v350looovloo大于或等于50可以综合的利用沼 渣和沼液，可以存 储、输配和利用沼 气，有原料的预处 理系统，但不够完 整。小型50>v20100>vn50大于或等于20可以综合的利用沼 渣和沼液，可以存 储、输配和利用沼 气，有可以计量和 进出原料的系统。1.4主要研究内容本次毕设把动物粪便放在沼气发酵罐中进行研究，选择沼气发酵过程中的温度、流量、压 力、ph值及主要气体成份(胡4、。2、。2、土5)为监控对象，用相关传感器、plc、触摸 屏及计算机等来设计沼气发酵自动监控系统,可以实时的监控沼气发酵过程中的参数并把它们 记录下来。本次毕设需要完成的任务有：(

17、1) 运用西门子s7-300对整个系统进行控制，主要实现沼气发酵罐内的主要气体、发酵 罐温度、压力、ph值等参数的在线监控与记录；根据不同的工作状态和不同的温度、压力设定 值，对各电磁阀、加热开关的自动/手动控制。(2) 设计监控界面来监控发酵罐里的参量，这个可以通过触摸屏来设计。通过从设计的界面上读取的信息，可以知道系统目前的工作状态，并且记录各个数据以及报警信息。1. 5本章小结本章根据查找资料介绍了沼气发酵自动监控系统目前的研究状态，在下面的章节中首先根 据要实现的功能介绍本次毕设的设计方案，然后从硬件选型及设计、软件设计、系统调试几个 方面来介绍。2. 监控系统的总体方案设计2. 1系

18、统设计概述沼气发酵系统的设计分为4个步骤：系统总体设计、硬件设计、软件设计、人机界面设计。 如果在设计过程中出现了问题或者设计有些不足之处，都要到前面的步骤进行整改和改善。2. 2系统设计原则（1）设计沼气发酵系统首先要符合当地的总体的规划，不同的地方需要制定的办法也是 不一样的。合理的处理当地的养殖、种植的利用与处理的关系，互相取长补短，获得更好的成（2）把降低垃圾对环境的危害；生产符合一定规范、产品符合一定标准、认证符合一定程序；循环经济作为目标，首先要做的是实行清洁生产，从源头上减少粪便排放量，这一目标 开一通过改进养殖场的生产工艺来实现。（3）畜禽养殖场污染物特有的性质和它的技术参数要

19、以看实际测到的数据。（4）提高自动化水平，降低花费在投资以及运营上的费用，降低劳动者的劳动强度。这就要求我们在建设沼气发酵工程的时候考虑当地的社会经济水平和主要的原料和辅料的价格。2. 3系统设计与开发步骤沼气发酵监控系统设计主要包括：选择硬件的型号、设计上位机触摸屏的监控界面、设计 下位机的程序设计。该系统方案见图2-1。pc上位机本地人机界面发酵罐ph值发酵罐ch.浓度. 发酵罐h,s浓度. 发酵罐co,浓度卜 发酵罐6浓度 . 发酵罐压力值 发酵罐温度值 . 沼气管路流量值”变 送 电 路传送d转换器传送plc控制器下位机输出ph值报警 罐压调节控制 发酵温度控制2. 4系统设计目标沼气

20、发酵可以用手动和自动两种方式来控制，可以免去一部分的人工劳动量，提高沼气发酵效率，本次系统设计需要实现的目标：(1) 实现实时监测沼气发酵罐内主要气体(如4、h2s.。2、。2)的浓度以及沼气流量，在线监测和控制沼气发酵罐中的压力、ph值、温度；(2) 设计人机界面，包括实时监测主界面、报警数据记录界面、历史曲线界面。(3) 实现手/自动控制发酵罐内温度的功能，并且能够对压力温度的上下限进行设定。2. 5系统方案介绍(1) 对沼气发酵罐内主要气体(甲烷、硫化氢、二氧化碳、氧气)和沼气流量的进行监测并且将监测到的结果记录下来。发酵过程中需要采集的数据用如4传感器、丑2$传感器、c0传感器、0传感

21、器采集；然后将采集到的信息传入plc中进行处理，这一功能采用变送器实现。(2) 监测与控制发酵罐内的压力。压力的数据可以用压力传感器采集然后送到plc进行 处理，这一过程用变送器实现；手动控制压力的大小可以通过打开或关闭电磁阀来实现，自 动控制压力的大小可以通过pid来调节。(3) 监测与控制发酵罐内的温度。温度的数据可以用温度传感器采集然后送到plc进行 处理，这一过程用变送器实现；手动控制温度的大小可以通过打开或关闭加热器来实现，自 动控制温度的大小可以通过pid来调节。(4) 监测发酵罐内的ph值。ph值可以用ph值传感器采集然后传送到plc进行处理，这一过程用变送器实现。(5) 报警设

22、计：当压力、温度、ph值高于设置的上限或者低于设置的下限时，报警信号灯就会亮。(6) 上位机人与机器的界面。人与机器的界面用西门子触摸屏来设计，从触摸屏设计的 界面中我们可以读取各参数的值，也可以对温度、压力进行手动控制。(1) 下位机控制程序。用传感器监测个参量的程序设计、设计手动控制的程序、设计 自动控制的程序、设计报警程序；利用profinet设计上下位机通信。2. 6本章小结本章主要介绍了本次毕设沼气发酵监控系统的设计原则、需要实现的目标、总体的设计方案。在设计的过程中一旦发现有错误或者与设计目标不符都要停下来查看直到把问题解决为 止，不能忽略任何一个问题。3. 沼气发酵控制系统的硬件

23、设计与选型3.1传感器的选型用传感器对影响沼气发酵过程的参量进行监控,在沼气发酵自动监控系统中传感器有很重 要的作用，会影响到检测的结果，所以要重视传感器的选择。结合传感器选型的各个指标，在 考虑到经济耐用的原则来选择合适的传感器。本次毕设中用到的各个传感器的见表3-1 o表3-1各类传感器参数表传感器名称量程输出信号供电电压工作环境精度产品信息温度o-ioo°c4-20madc24v-200450°c0. 25%f. s北京汇金祥 科技有限公 司的gb200 一体化温度 变送器压力0-100kpa4-20madc24vt070°c0. 25%f. s山西华涵自

24、控仪表有限 公司的 hh-k10k 型扩 散硅压力变 送器硫化氢0-2000ppm420madc24v-407(tc±0. 3%f. s上海盛太克 仪表有限公 司的sen系 列智能气体 变送器氧气0-30%v0l4_20madc24v-4070°c±0. 3%f. s甲烷o-1oo%lel4-20madc24v-4070°c±0. 3%f. s二氧化碳0-49%v0l420madc24v-4070°c±0. 3%f. sph0. 0-14. oph420madc24v545 °c0. 05 级南京卓玛机 电有限公司

25、 的ph-18系 列盘装式ph 传感器上海华信流流量0-7100m7h4_20madc24v-3080°c0. 5%f. s量仪表有限 公司的 ty-luge-230 2型涡街流量 计3. 2执行机构选型本系统主要实现对压力及温度的调节。对于压力的控制，西门子s7-300plc通过对avp100i!定位器的控制调整气动阀门的开度。当压力偏低时，减小阀门开度，减少出气量；当压力偏大时，增大阀门开度，增加出气量。对于温度的控制，这里采用控制冷却水的进出量的方式来保证温度的恒定。同样当温度偏低时，减小阀门开度，减少进水量；当温度偏高时，增大阀门开度，增加进水量。执行机构参数如表3-2所示。

26、表3-2执行机构参数表名称范围输入信号供电电压工作环境精度产品信息智能定位器0-90°4-20madc24v-4080°c± 1%f. s上海阿自倍尔控制仪表有限公司的avp100智能 定位器气动调节阀0-1004_20madc24v-40 85 °c0. 5%f. s上海民达阀 门的zjhp16 气动调节阀3. 3下位机主控制器选型选用plc作为本次毕设的下位机。plc具有很多优点例如它的性能很稳定、质量比较好而且 可以被很广泛的使用。plc经常会被作为主控制器用在小型的监控系统中。随着plc技术的发展, plc产品的种类也越来越多。不同的plc差异很

27、大，能给系统带来的便利和效益也千差万别，所 以在使用plc的时候要合理的选择能给系统带来最大效益的plc型号。选择plc的型号可以从plc 的结构、安装方式、需要实现的功能、运行速度等角度出发。(1)选择合理的结构型式，对于结构型式plc分为模块式和整体式。模块式plc种类丰富、 可供选择的范围比较广、有很强的扩展功能，出了问题的时候也比较容易维修，当控制工程比 较复杂的时候可以选用模块式plc；整体式的plc体积比较小、价格也比较低，在小型控制系统 中可以选用整体式plc o(2) plc安装方式选择。若想要节约成本、要求响应速度快的时候可以采用集中式安装 plc；大型的控制系统适合采用远程

28、i/o式，可以在现场附近分散的安装远程i/o；但系统中用 到多台plc,这些plc之间又需要互相通信的时候可以采用多台plc联网分布式(3) 满足需求的功能，在一些需求不高只需要开关量来控制的设备中可以选用具有逻辑 运算、定时等功能的比较小型的plc。在比较复杂的控制系统中可以选用中高档的plc,这种plc 具有模数/数模转换、pid运算等功能。(4) 尽量统一plc的机型。企业应该尽可能的选择统一的plc的机型，当一台plc的配件出 现问题的时候可以用另一台的代替，而且也方便企业采购和管理。结合本次毕设项目的要求以及plc的机型，选择西门子s7-300型号为315-2pn/dp其订货 号为：

29、6es7315-2eh14-0ab0o3. 4 i/o点数的确定西门子s7-300系列plc适用于中低端性能要求的编程需要，其附带的模块可以很好地满 足和适应自动化控制任务。plc与工业生产过程的联系是通过i/o接口模块来实现的。本系统 中，需要对温度、压力、h2s.。2、ch、co2、ph、流量传感器的模拟量信号进行采集，并且使 用模拟量输出的方式控制气动阀开度。根据控制系统的要求确定所需的i/o点数时，所以选择 sm323数字量输入输出模块，订货号为6es7 323-1bh01-0aa0； sm331模拟量输入模块，订货 号为6es7 331-7kf02-0ab0； sm332模拟量输出模

30、块，订货号为6es7 332-5hb01-0ab0,以便 控制系统改变时增加控制功能。本项目的模拟量i/o和数字量i/o如表3-3所示。表3-3模拟量i/o和数字量i/o控制点模拟量输入/输出数字量输入/输出piw272温度值10.0打开电磁阀按钮piw274压力值10. 1关闭电磁阀按钮piw276h2s气体浓度10.2打开加热器按钮piw27802气体浓度10.3关闭加热器按钮piw280cw4气体浓度10.4系统启动按钮piw282co2气体浓度10. 5系统停止按钮piw284ph值q0. 0电磁阀piw286流量q0. 1温度继电器pqw272控制压力气动阀q0. 2报警指示灯pqw

31、274控制进水气动阀3. 5 plc外部接线图plc外部接线主要有电源、信号（输入和输出）。电源、信号的输入输出都米用直流24v。 如图3-1为plc外部接线图。ktp1000profinet?4v315-2pn/dpiobo0-2sm323q0.2.伸10.524vpiw272+pe- cilo 04piv27o vwivw ip1v274-pi"76+p1v27apiv2&ch piv280- fiv 己 623 piv282-piv278+piv278-piv286*piv286- piu2944 ptv284-phwpwa74+ e .c on pou”jp0w274

32、- omo jz pov272-?4v图3-1 plc外部接线图3. 6触摸屏的选型对于触摸屏的选择，本系统考虑使用西门子触摸屏ktp1000 basic color pn,订货号为6av6 647-0afll-3ax0o相比台达、mcgs这类触摸屏，它有一个profinet接口，只需要在硬 件组态时，将其与西门子300plc的profinet接口相连就可以实现直接进行通信，而且plc 编程部分的变量可以直接链接到触摸屏，无需再对触摸屏的变量进行参数设定，编程及设置更为方便。如表3-4所示为西门子触摸屏ktp1000 basic color pn的参数。表3-4西门子触摸屏ktp1ooo ba

33、sic color pn的参数屏幕尺寸10.4寸tft显示屏输入电压dc 24v像素640 x 480成色256色接口1 x profinet3. 7本章小结本章主要介绍了系统硬件的选型：包括温度、压力、h2s、02、ch4、c02、ph、流量传感器；定位器+气动阀的执行机构；cpu315-2 pn/dp的plc及其附带模块的选择，并列出本系统的模拟量i/o和数字i/o控制点，最后对触摸屏的选型进行介绍。4. 沼气发酵控制系统的软件设计与实现本项目软件系统主要包括上位机触摸屏设计人机界面，下位机plc控制程序两个方面。下 位机plc控制程序采用tia portal professional v

34、14软件，实现系统控制要求，主要包括模 拟信号、数字信号的输入输出，上位pc机与下位plc的网络通信等。随着plc应用技术的不断进步，西门子公司s7-300系列plc编程软件的功能也在不断完善，目前的tia软件不仅兼容了以前的step7编程软件，而且在pid、运动控制等方面开发出 在线调试诊断，很多指令也相对于之前更加灵活，功能更为强大。本项目使用tia portalprofessional v14版本软件进行西门子s7-300plc及西门子ktp1000触摸屏进行编程设计和仿真调试。4. 1下位机控制程序开发4. 1. 1硬件组态对于所有西门子型号的plc,包括西门子200plc、300pl

35、c、400plc、1200plc或者是1500plc 的编程，第一步总是硬件组态，根据系统硬件的设计要求，这里建立如图4-1所示的硬件组态。12456789导轨_0图4-1西门子s7-300硬件组态图其中根据西门子的硬件设计要求，最左边必须是西门子电源模块，输出的24v为其右边的 cpu和各类模块供电。向右依次插入cpu 315-2 pn/dp> sm323、sm331以及sm332模块。通过 点击各模块，可以在下拉菜单的属性栏里修改各模块的硬件参数。按照上章节传感器的硬件要 求，这里需要将模拟量输入以及输出模块所有通道改成如图4-2所示的4-20ma的电流信号。常规输入通道0到1 诊断

36、常规通道0到1通道2到3通道4到5通道6到7i/o地址测量电流(2线制变送器)4 至 1 20 mad50hz 20ms组诊断 口检查断路测里类型删里范围选择模块的位置干扰频率抑制图4-2模拟量输入通道0硬件配置图在实际硬件操作过程中，由于sm331模块有4个量程通道为pt10080/250/500/1000mv. 2. 5/5/1. 5/10v.两线制电流和四线制电流,分别对应a,b,c,d。这里因为是4-20ma的两线制 变送器所以在sm331模块右侧的量程卡选择量程d。如果这里选择不正确，每次下载完成后诊 断缓冲区里总会提示组态错误，sf红灯亮。4. 1. 2通讯介绍西门子s7-300

37、cpu 315-2pn/dp plc在通信网络中，有mpi网络通信、pr0fibus网络通 信、as-i网络通信、工业以太网通信四种方式。(1) mpi网络通信:mpi是一种使用西门子公司专用协议的、专用于simatic s7、m7和 c7系列plc设备链接的现场总线系统。通过mpi实现plc之间通信有3种方式：gd通信方式、 无组态连接通信方式和组态连接通信方式。(2) pr0fibus网络通信:prof i bus是属于单元级和现场级的simatic网络，它是不依赖 生产厂家的、开放式的工业现场总线，可用于分布式i/o设备、传动装置、plc和基于计算机 的自动化系统。从用户的角度看，pro

38、fibus通信协议大致分为3类：profibus dp> profibus pa 和 profibus fmso(3) as-i网络通信：as-1总线是一种开放式的、符合en 50295标准的设备层现场总线。 ast总线属于单主站系统，在一个系统中，只能有1个主站，最多31个从站，每个从站有4 为i/o可以利用。如果还需要更多的从站，就要安装另一个as-1系统，通过增加一个主站的 方式来扩展系统。as-i网络系统由不同功能的模块组成，主要可以分为主站、从站、供电电 源和网络元件。(4) 工业以太网通信：工业以太网技术具有连接简单、稳定可靠、灵活性高、软硬件产 品丰富、应用广泛等优点，已成

39、为最受欢迎的通信网络之一。典型的simatic i业以太网由连接部件、通信介质、pg/pc工业以太网处理器和simatic plc工业以太网处理器等部分组成。本系统中，plc与触摸屏之间的连接方式选择profinet通信。第一步，选择完plc与触 摸屏的型号后，将tia portal professional v14软件的画面切换至“设备和网络”网络视图 界面，如图4-3所示，这里通过左击cpu 315-2 pn/dp左边的profinet通信口并拖至触摸屏 ktp1000的profinet通信口上，即完成了第一步组态。第二步则分别点击图中两个绿色的 profinet通信口，将它们的以太网地址

40、设定在同一个网关下，这里我将cpu 315-2 pn/dp的 地址设为192. 168. 0. 15,子网掩码默认、将触摸屏ktp1000的ip地址设为192. 168. 0. 16,子 网掩码默认。这样就完成了 plc与触摸屏直接的profinet通信组态。plc_1cpu 315-2 pnj'dphmmktp1000 basic c.pn/ie 1图4-3 plc与触摸屏直接的profinet通信组态图4. 1.3变量表建立!硬件组态是西门子编程的第一步，下面就可以进行程序编写。而建立变量表是编写程序的第一步，这样可以避免大量的未知变量而增加了程序的可读性，方便了后期的修改和维护。

41、根据系统的设计要求，建立如图4-4所示的变量表。名称数据类型地址1电磁阀bool%q0.02-2温度继电器bool%q0.13报警指示灯bool%q0.24触摸屏温度值real%md3005触摸屏压力值real%md3046触摸屏h2sreal%md3082触摸屏。2real%md3128触摸屏ch4real%md3169触摸屏co2real%md32010触摸屏phreal%md32411触摸屏流里real%md328122压力下限real%md33213压力上限real%md33614温度下限real%md34015温度上限real%md34416打开电磁阀按钮iiiibool%io.o2

42、关闭电磁阀按钮ihibool%l0.118打开加热器按钮iiiibool%io.219关闭加热器按钮iiiibool%io.30000000000000000000s1sj0sjs1sj00名称数据类型地址19关闭加焦器按钮illibool%io.320打开电磁阀按钮llll(l)bool%m5.021关闭电磁阀按钮1111(1)bool%m5.122打开加热器按钮1111(1)bool%m5.223关闭加热器按钮1111(1)bool%m5.324系统启动停止按钮bool%m5.425系统运行bool%m5.526压力设定值real%md40027温度设定值real言 %md40428压力手

43、动控制按钮bool%m5.629温度手动控制按钮bool%m5.7302压力手动值real%md40831温度手动值real%md41232pid压力输出值real%md41633pid温度输出值real%md42034输出气动阀word%qw28835输出加热器word%qw29036压力手自动bool%m6.037温度手自动bool%m6.138添加 在图4-4建立变量表4. 1.4程序设计(1)按下启动按钮，系统开始运行。进入自动控制阶段，pid调节模块对检测到的温度、压力的值进行自动调节。若ph值不在限定的范围内，ph值报警灯亮。按下手动控制按钮，进 入手动控制模式，当温度、压力、ph

44、值超过上下限时，温度、压力、ph值报警灯亮。当温度、 压力的值超过上限时，手动打开压力气动阀和进水气动阀；当温度、压力的值低于下限时，关 闭压力气动阀和进水气动阀。系统流程图如图4-4所示。.； 开始 !目功控制打开三力,吏水气动阀图4-4系统流程图(2)系统启停程序设计建立变量表后可以编写程序了，西门子的程序一般编写在主程序main 0b1内。plc在启 动后会根据从左到右，从上到下的方式逐行扫描，循环执行0b1内的程序。根据沼气发酵系统 的设计要求，第一步是编写系统的启停控制系统。程序图4-5所示。由于i输入点为硬件输入 点，所以在触摸屏上使用i输入点是无效的，这里设计m5.4为触摸屏上系

45、统启动停止按钮， 10.4为硬件接入数字量输入模块按钮。程序图的解释为：当触摸屏上点下启动停止按钮或者 按下硬件按钮10. 4接通时，系统运行并立即进入自动控制状态。如果按下触摸屏上的手动按钮，对应压力或温度将变为手动控制。程序段1 ：注释心5.5系统运行'心5.4系统启动停止按迥5钮-系统停止按钮=i i1/1w.4系统启动按钮.心5.6压力手动控制按钮.h汕6.0压力手自动(汕5.7温度手动控制按钮.m汕6.温度手自动()图4-5系统启停程序图(3) 手动控制程序设计对于输出点连接的压力电磁阀和温度加热器，它们的接通和断开原理是相同的。这里使用置位和复位线圈，当压力或温度切换到手动

46、状态时，m6.0恢复常闭按钮，此时m5.0打开电磁 阀按钮或者m5. 2打开加热器按钮接通时，对应电磁阀或加热器将被置位而打开。而系统恢复自动控制或按下关闭按钮操作时，对应电磁阀或加热器将被复位而关闭。如图4-6。注释汕5.5系统运行.汕5.0汕6.0.打开电磁阀按钮iii压力手自动.ki)-m1 i%q0 0,电磁阀ts)-程序段3:注释汕5.5系统运行.心5.汕6.0.关闭电磁阀按钮iii压力手自动.ki)-m1 i%00.0电磁阀(r汕6.0,压力手自动图4-6打开和关闭电磁阀程序图(4) 模拟量输入程序设计到这里系统的数字量输入和输出点介绍完毕，下面介绍系统的模拟量输入程序。模拟量输入

47、程序的作用是主要是将外部的4-20ma电流信号转换成0-27648的数值供plc内部处理，而本系统中用了 8个传感器，它们之间的处理过程是相同的，不同之处在于各类传感器的量程不 同。所以选择建立一个fb功能块做为模拟量输入转换的处理程序，将各类传感器的量程作用 fb功能块调用进主函数0b1的入口参数。具体程序图4-7和4-8所示。图4-8为温度传感器 的转换程序。图中的入口参数分别是“输入”、“输出”和“下限”。“输入”为对应传感器 接入plc模拟量输入模块的地址；“输出”为对应传感器的实际数值；“下限”为对应传感器 的最大量程，这里的量程都由0开始，所以只需要对最大量程进行标定即可。图中列举

48、了温度 传感器的转换程序，其余传感器原理相同，只需继续调用fb功能块并将对应传感器的参数填 至相应的入口参数。注释divrealeneno1#temp|n1out #temp_1100.0 in2#temp#word注暮mul real#temp_1 写下限一in2eno0u7 不输出图4-7 fb功能块程序图程序段6 :采集来自温度传感器模概输入.转换并显示到触摸注释%db2通用_db汕5.5系统运行.wb1重用模拟重转换块eneno%w272心。300温度值一100.0 输入下限输出一 触摸屏温度值图4-8温度值传感器的转换程序（5）模拟量输出程序设计在本系统中，通过调用pid程序块实现对

49、压力和温度的控制。第一步添加一个系统中断组 织块，将中断时间设为100ms,其作用在于程序在0b里循环扫描，当系统计时到达100ms及 100ms的倍数时，plc将打断0b1主程序里的操作转到系统中断组织块中的操作。第二步，在 系统中断组织块中调用cont_c程序块，此块用于pid计算。块中主要用到的参数为“man_on”, “sp_int”，"pv_in”以及“lmn”。“man_on”为手动使能端，“sp_int”为设定的控制值, “pv_in”为模拟量输入转换后的压力或温度值，“lmn”为pid计算出来的输出值。如图4-9 压力pid控制程序所示，该块实现的功能为，在m5. 6

50、未被置位时，启动pid自动控制，根据 md400,使得md304和md416尽量接近于md400。温度pid控制的程序将使用的四个参数值换 成对应的温度控制变量即可。wb1obcon1lc_db"falsetrue truefa l:e fs l:efd l;e t#1s 汕 d416- pid压力输出值.汕 d4oo压力设定值.-"xmd3o4触摸屏压力值.一16#0 汕5.6压力手动控制技钮.fa i s c图4-9压力控制pid程序图（6）报警程序设计根据系统设计的要求，通过触摸屏可以设置压力、温度的上下限值，当压力、温度的实际值大于设定的上限值和小于设定的下限值、p

51、h实际值大于7.4或小于6. 8时，系统报警灯、触摸屏报警显示灯会点亮提示操作人员去排查故障。压力报警程序图如4-10所示。图中的m601. 0为触摸屏报警记录的触发位。当发生报警时，触摸屏会记录发生报警的时间以及对应的报警情况。温度以及ph报警程序与压力报警程序类似。 程序段14 :当压力超出设定的上下限.报警m601.0是显示在触摸屏上的压力报警汕5.5系统运行.wd332压力下限.心。304触摸屏压力值real0.0real汕d332压力下限<xdb1.dbx24.7数据块触摸屏压力报警灯（）%00.2报警指示灯'（%45.5系统运行.汕 d336压力上限.汕 d3o4触摸

52、屏压力值.汕601.0tagji4real0.0real汕。336压力上限.s4-10压力报警程序图4- 2触摸屏上位机软件设计监控界面设计是数据采集系统的一个重要组成部分、触摸屏提供各种工业设备图元。利用图形工具可以方便的对各种监控设备进行编辑，如设置位置、大小、颜色以及复制、粘贴、缩 放、旋转等。沼气发酵监控与数据采集系统的设计主要有人机界面的设计、i/o驱动程序的配 置。人机界面设计: 通过触摸屏组态软件的画面组态工具，方便、快捷的开发视图界面。该系统有实时监控界面：根据沼气发酵工艺过程设计结构，在该界面可以直接读取流量、压力、温度、甲烷、氧气、 二氧化碳、硫化氢、ph值参数。还可以设置温度和压力的上下值达到柔性控制的目的。也可 以通过界面对电磁阀和加热带开关进行开闭操作，实现手动控制。以及报警灯的画面报警功能。（1）实时监控主界面：主界面根据沼气发酵工艺过程设计结构，在该界面可以直接读取流量、压力、温度、甲烷、氧气、二氧化碳、硫化氢、ph值参数。还可以通过界面对电磁阀 和加热带开关进行开闭操作，实现手动控制。以及报警灯的画面报警功能。如图4-11所示。系统off沼气发酵自动监控系统;关关芽圭暨£mil00. ot压力工0. 0 kpaph值00. 0历史曲线画面2000/1:2/31：:压力值设置4 0. 0 kpa