基于PLC的沼气池自动控制系统设计

南州竽院

2023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：___________________

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：

2023年5月10日

摘要

本设计是基于PLC的沼气自动控制系统。系统的控制关键采用西门子S7-3OOPLC

控制器。控制程序采用STEP7软件编写。运用WinCCflexible软件设计人机界面实现

系统日勺实时监控。通过人机界面输入对应的控制信号对沼气池日勺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。在试验室调试过程中，控制器运行良好。触摸屏操作简便，具有较强H勺可靠

性和实用性，满足现场控制的规定，到达了设计目的。

关键词：沼气控制；可编程控制器；人机界面

ABSTRACT

ThisdesignisaPLC-basedautomaticmethanecontrolsystem.TheSiemensS7-300

PLCcontrolleristhecoreofthesystem.Thecontrolprogramiscompiledbyusingthe

STEP7software.Thehuman-machineinterfaceisdesignedwiththeWinCCflexible

softwaretorealizethereal-limemonitoringofthesystem.Byinputtingthecorresponding

controlsignalthroughthehuman-machineinterface,eachactuatingmechanismofthe

methanetankcanbecontrolled.Thesystemisabletoconvertthedataitcollected.

Comparisonbetweentheactualvalueandsetvaluecanbeperformed,torealizethe

intelligentcontrolofthemethanetank.Thecontrollerrunswellduringdebugginginthe

laboratory.Thetouchscreeniseasytooperateandhighlyreliableandpractical,meeting

therequirementofon-sitecontrolandrealizingthedesigntarget.

Keywords:Methanecontrol;Programmablecontroller;Human-machineinterface

目录

绪论.....................................................................0

1系统总体设计..........................................................2

1.1设计内容及规定....................................................2

1.2系统总体设计方案..................................................2

1.3系统重要部件构成..................................................4

1.3.1可编程控制器（PLC）.........................................................................................4

1.3.2人机界面（HMD................................................................................................5

1.3.3控制面板.....................................................6

2PLC控制器外围电路的设计.............................................6

2.1数字量输入模块.....................................................6

2.2数字量输出模块....................................................7

2.3模拟量输入模块....................................................8

3控制系统软件设计......................................................9

3.1基于STEP7日勺PLC控制潜程序设计..................................9

3.2基于WinCCflexible日勺HMI设计.....................................19

4沼气系统调试.........................................................23

4.1离线仿真..........................................................23

4.2项目时在线仿真...................................................26

4.3硬件系统调试.....................................................32

结论....................................................................35

参照文献................................................................37

附录....................................................................38

道谢....................................................................40

绪论

能源的发展，是全世界、全人类共同关怀的问题，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

'亚，高新技术产'也，都是处在人类历史上空前发展最快的一种阶段川。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，同步对能源（如煤，石油）啊需求和

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⑵。

通过实地调查分析，理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、产气约一种月时间。另一方面，沼气池的产料受环境温

度啊影响很大，普遍状况是在夏季产气量大，用不了；冬季又由于环境温度低而产气

局限性，不能正常使用。更重要的是诸多人不懂沼气池的维护和保养，往往由于某一

种小环节而影响产气、用气。假如出现漏气，就要清池，重新修补，诸多人甚至就是

在清池时失去了生命。老式沼气的生产模式经济效益较低，通过调查得知，目前农户

对沼气口勺认识还停留在处理农民生活用能（炊煮、照明）等单首先，在探索沼气综合

运用方面缺乏系统、科学的引导。对于沼气发酵反应全过程的控制，目前大部分顾客

完全依托操作人员通过手动操作实现。因此，需要操作人员每日完毕的工作量很大，

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，导致了对废弃物处理速度过慢，对环境问题改善效果不明显，也使得生产出口勺

沼气产量低且质量较差，同步由于其控制生产过程口勺自动化水平不高，进而存在一定

的生产过程中的安全隐患，基于以上原因，怎样提高系统自动化程度，并旦保证系统

安全、稳定、持续高效的运行是一种需要及时处理的实际问题。

目前一般智能控制所采用的方式分别有微机控制，单片机控制，尚有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、编程简朴、功能强大、

性价比高、体积小、能耗低等明显特点广泛应用于现代工业日勺自动控制之中网。

一般来说，沼气发酵细菌最合适的PH为6.8〜7.5,6.4如下7.6以上都对产气有

克制作用。假如PH在5.5如下，就是料液酸化的标志，其产甲烷菌的活动完全受到

克制。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。计划重要是对沼气发酵过程中温度、气压、PH值的监

控与调整。此外，伴随工'业自动化水平的迅速提高，顾客对控制系统的过程监控规定

越来越高，人机界面(HMD的出现恰好满足了顾客这一需求。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、报警提醒、数据记录等功

能，从而使控制系统变得简朴易懂、操作人性化，深受广大顾客的喜欢用。人机界面

(HMD在自动控制领域的作用日益明显。HMI正在成为引导工业生产制造走向成

功的重要原因，由于这些系统越来越多的用于监控生产过程，让过程变得愈加精确、

简洁和迅速⑸。

1系统总体设计

1.1设计内容及规定

本设计对影响沼气生产过程的重要原因进行了分析，提出了以温度、压力、PH

值作为沼气生产过程日勺重要控制参数，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S7-300PLC和人机界面（HMD构成的自动控制与监测系

统，完毕数据采集、执行机构动作的程序编写，实现对应功能，从而提高沼气的生产

及使用效率，处理我国农村目前能源运用效率低、应用不合理的问题，并在此基础上

处理沼气在北方冬天因温度低而影响使用的问题。该系统能实现的详细功能如F：

（1）运用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）运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措施对沼气池进行密封，在水封部位A处，设有水位开关,

能时刻监控水封水位与否能满足水封规定，该水位要一直高于下限位，否则会出现漏

气状况；B处是送料机构，同步也起到搅拌的作用，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，有助于丝杠向上运动；C处是进料口；D部位是

反应池向集气池输气日勺管道；E部分是出料口（可根据沼气池日勺大小进行选择出料方

式），如图1中所示与进料□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=1。如图1是沼气控制简图。

图1沼气池控制图

沼气池出料日勺难易程度取决于所进料液，下整料是导致出料难的重要原因。为了

使沼气池便于出料，我们在进料时采用了两项措施，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，重要采用了两种措施：一是采用液下潜入式软轴污泥泵抽料法，重要

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，电动机日勺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。运用该泵具有省工、出料快等特点，一般

15立方米日勺池子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

传感器人机界面

可

编

气压

程

传感器■/

逻

辑执行机构

控

PH值制

传感器器

控制面板

开关量

图2系统整体设计框图

1.3系统重要部件构成

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S7-300PLC。S7-300PLC是德国

西门子企业生产日勺可编程序控制器（PLC）系列产品之」其模块化构造、易于实现分

布式口勺配置以及性价比高、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处理方案。

PLC采用循环执行顾客程序的方式。0B1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。在启动完毕后，不停地循环

调用0B1,在0B1中G以调用其他逻辑块（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）⑹。

S7-300系列『'JPLC有CPU312、CPU314、CPU315-2DP、CPU315-2DP、CPU3

15-2PN/DP、CPU317-2DP等类型⑺。

本设计重要用到了西门子S7-300PLC,选用S7-300CPU312,采用24V直流供

电。重要包括如下模块：

(1)电源模块(PS)

将市电电压(AC12O/23OV)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

多种CPU有不一样的性能，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(HumanMachineInteraction,简称HMI),又称顾客界面或使用者界

面，是人与计算机之间传递、互换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要构成

部分⑺。

HMI其实广义的解释就是“使用者与机器间沟通、传达及接受信息的一种接口”。

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MJ状态等的信息透过一台主控器监视并记录这些参数，并在某些意外状况发生啊

时候可以加以处理。

人机界面产品由硬件和软件两部分构成，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产品的性能高下,

是HM1口勺关键单元。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，简朴的辨别为“输入"（Input）与“输出"（Output）两种，输入指日勺是由

人来进行机械或设备日勺操作，如把手、开关、门、指令（命令）的下达等，而输出指

日勺是由机械或设备发出来日勺告知，如故障、警告、操作阐明提醒等，人机接口会协助

使用者更简朴、改对欧I、更迅速日勺操作机械，也能使机械发挥最大日勺效能并延长使用

寿命⑺。

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也许出现的问题，例如触摸屏触屏精度不高，控制信号通

过通信□会有延时等，比时控制面板就可以完全替代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。

2PLC控制器外围电路的设计

控制器口勺设计是基于模型控制设计过程中最重要口勺一步。首先要根据受控对象口勺

数学模型和它的各特性以及设计规定，确定控制器的构造以及和受控对象的连接方

式。然后根据所规定口勺性能指标确定控制器口勺参数值⑻。

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PLCo此模块适合于连接开关或两线靠近

开关。此外，运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⑼。

图3是运用AutoCAD绘制的数字量模块外部接线图。

图3数字量输入模块凄线

2.2数字量输出模块

数字量输出模块将S7-300PLC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对应的执行机构，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/、J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，运用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，变化电机的正反转。

运用AutoCAD绘制的数字量输出模块外部接线图如图4所示。

DC24V

L+

口

白OO

温度上限04.0Q6.0阀门3

OO。

领

温度F限Q4.1Q6.1淘D4

0O仆

水封抽水<141,0Q4.2Q6.2O阀门5

OQ4.3Q6.3O-D-阀门6

进料校制廿

OQ4.4Q6.4O-Q-阀门7

Q4.5Q6.5-n0-阀厅

出料控制0O

-D-0Q46Q6.6O0PH1限

4J-

箧压上限®OQ47Q6.7OP耶限

OM<)MODC2W

DC24VOL+L+OT

OQ5.0Q7.0O反压上限

0Q5.1Q7.1O反压下限

0Q5.2Q7.23损并

UQ5.3Q7.3O—0T库力

信止

UQ5.4Q7.4O—

0Q5.5Q7.5O7水封报警

0Q5.6Q7.6Q反物建

OQ5.7Q7.7O

OMMO—0T

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日勺模拟量信号转换成S7-300内部处理用的数字量信

号。如图5,是运用AutoCAD绘制的传感器与模拟量输入模块的外部接线图。

图5模拟量模块接坡

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销

电阻作为传感器。在此选用SBWZ-PT1()()热电阻温度变送器，SBW乙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”叫

本系统设计中，压力变送器采用湖南立升信息设备有限企业的型号为LSYB变送

器，其量程均为0〜80KPa,输出信号为4〜20mAH勺原则电流信号“L

酸碱度采集选用酸诚度传感器采集模块。

3控制系统软件设计

3.1基于STEP7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。

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整，运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，通过

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。

底的那681-S7程序⑴信号)

««(E)购入(I)a®(O)BD(W)««5(H)

■HI❷x>%e.壬汨衿-Zl号”

6S7用序（D（的）--沼rm沼气控1见CPU312

状态5号:Jfl址___________Lifi________________________________________*

1OB100OB100ConpleleRertart

2PHKD72REAL

3PH值PIW294IWT

4PH值上跟按等Q6.6&X»L三

5PH0卜阳投售Q6.7BDOL

6SCALEFC105FC105ScalingValues

?家H2.3EKXJL

8出H3.0&X»L

9出1H3.2&XL

\出口I0.?KOL

1出料按切口】47?~BOOL

1出行控制口^Q4.6&X>L

1出H上限位I0.5RX)L

1出料下限位I0.6KX)L

1派1n1.1K)OL

1通2ni.2BX»L

1S53M1.3K)0L

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2设6Hi.6&XL

2设？HL?&OOL

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2I1.6BX»L

2Q5.6BOOL

2Q5.7KX)L

2_HHi_3Q6・0&X»L•

图7符号表

（2）创立功能（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。出于对控制日勺需要，本系统只需

采用单极性信号1⑵。模拟量输入信号中，模块设定及其地址对应关系，如图8。

图8创立功能

模拟量输入转换可以直接调用【库】中(StandardLibrary］里面［TI-S7Converting

Blocks］内及JFC105即可，不需要自己编程【⑵。例如，对于4〜20mV(PIW292)H勺

信号，假如其变送器的实际工程量程范围为0〜60C,其编程方式如图9。

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ffijd字漫言

(3我FB埃

⑷£HFC埃

(S0SFB块

(50SFC块

图9温度采集程序

反应室压力采集程序如图10。

版LAD/STl/FBD-(FC2-沼/?$布沼Ft9\CPU312]

O文件(F)舜B⑻嫣入(I)PLC谓试(D)现图(V)选项(O)®0(W)WRJ(H)

口后的。身尉虺R」，小曲D口纾！！（□国［TI+Y）F1L＞」r

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K2：反应变沼气压力采集

程序段1：标题:

FC1O5

ScalingValues

"SCALE'

EW0

PHF290

■反应室气

压、RET.VAL-HV32

2・000000。+■D64

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0.000000©+

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MO.OMO.O

DIPOLE

即程序元去隆耀用结司TI--J/I——

4|

图10反应室压力采集程序

集气室压力采集程序如图11。

版LAD/STL/FBD-[FC3-滔飞$制\沼气拄制\CPU312)

Q文件旧痛5⑹»A(1)PLC调试(D)WS(V)3J0(O)BD(W)ttSj(H)

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BIPOLAR

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图ii集气室压力采集程序

PH值采集程序如图12。

口霭LAD/STL/FBD-[FC4-沼@氨星气控利\CPU312]

Q文件(F)9MKE)插入(I)PLCi■试(D)«B(V)gg(O)BDCW)iMb(H)

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—1/1——BIPOLAR

曜）程序元紊里调用结构I

图12PH采集程序

（3）创立功能（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，到达进出料的效果。

掂LAD/STL/FBD-[FC6-沼气+«气母H\CPU312]

Q文件(F)«»(E)插入(I)PLCW«(D)视S(V)则(O)©Q(W)WS>(H)

口j挈口|后上吆|cJ，曲口Ji|!!nss£dh-M-OB9

内容:•环旗'接口,

日。格口名称

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庄•④位逐由

FC6：电机正反转

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程序段1：标地:

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