基于PLC的沼气发电控制系统设计
摘要：根据网络调查了解，随着时代的快速发展，各国对能源需求也在不停增长，这导致不可再生能源的储量急剧减少，而且不可再生能源对环境的污染性极强，因此可持续发展变得重中之重，环保能源得到了各国的广泛关注，其中沼气发电便是极其重要的一部分。近年来，我国的沼气生产量显著增长，促进了沼气发电的快速发展。然而，与国外相比，目前国内的沼气产业仍以农村地区的使用为主，沼气产量较低，清理发酵底物需要更多的时间和精力，虽然表面上看起来规模很大，但实际上利用率很低。
通过采用西门子S7-1200PLC控制器，我们不仅大大提升了沼气发电的效率，而且还满足了控制系统的各项要求，从而使得我们的控制系统更加稳定、更加节约。并采用了液位、温度、压力三种传感器以模拟量的形式进行重要信息的采集与传输，用PID控制进行温度的准确测定和保持，同时选用了一个沼气发电机组以及用于加热和搅拌的两台电机。利用TIA Portal软件编程，我们可以对各种硬件进行集中控制，并利用HMI功能实现对工作流程的监测和系统模拟，从而使沼气从开始生产到最终发出电能的整个过程，可以实现从启动到稳定运行的全过程管理。通过HMI功能的监控界面，我们发现系统能够实现对沼气的智能控制，而且在调试和运行过程中，各个部分表现出色，界面操作简单易懂，可靠性和实用性极高，完全满足了现场控制的需求，达到了设计的最终目标，实现了整体设计的要求。
关键词：沼气发电；传感器；HMI；可编程控制器；PID
Design of control system of biogas power
generation based on PLC
Abstract: According to the network survey, with the rapid development of The Times, the demand for energy is also growing, which leads to a sharp reduction in the reserves of non-renewable energy, and non-renewable energy pollution of the environment is very strong, so the sustainable development has become the top priority, environmental protection energy has been widely concerned by the countries, among which biogas power generation is an extremely important part. In recent years, our biogas production has increased significantly, promoting the rapid development of biogas power generation, but at present, compared with foreign countries, the domestic biogas industry is mainly based on rural users of biogas, biogas production rate is low, fermentation substrate cleaning time consumption, on the surface of a large scale, in fact, low utilization rate.
On the basis of improving the efficiency of biogas power generation, according to the requirements of biogas power generation control system, the PLC controller of Siemens S7-1200, which has high reliability and low energy consumption, is selected as the core controller. According to the production technology and production requirements, the control scheme is designed. And the use of liquid level, temperature, pressure three kinds of sensors in the form of analog quantity for important information acquisition and transmission, PID control for accurate temperature measurement and maintenance, at the same time the selection of a biogas generator set and two motors for heating and stirring. The TIA Portal software programming, centralized control of the hardware, and the HMI function, monitoring of the working process and system simulation, enable the entire biogas production-power generation process to be realized. This includes from start to steady state and smooth operation, allowing for intelligent control of biogas in the actual operation process.Observing the HMI function through the monitoring interface, debugging and operation of the system reveals that all components operate optimally, with interface operation being uncomplicated, reliability and practicality strong, meeting field control requirements, achieving the design's ultimate goal, and fulfilling the overall design's requirements.
Key words: biogas power generation;Sensor;HMI; Programmable controller; PID
目 录
第1章 绪论 4
1.1 课题背景 4
1.2 课题发展状况 4
1.3 课题的意义和价值 6
第2章 总体方案及选型设计 7
2.1 系统整体设计 7
2.2 沼气生产系统设计 7
2.3 沼气发电系统设计 9
2.4 生产过程总流程 9
第3章 硬件设计 10
3.1 控制器的选择 11
3.2 电机的电气控制 12
3.3 传感器的连接 13
3.3.1 阀门选型 13
3.3.2 液位传感器选型 14
3.3.3 温度传感器选型 15
3.3.4 压力传感器选型 15
3.4 I/O分配表及接线图 17
第4章 软件设计 20
4.1 软件开发环境 20
4.2 程序流程 20
4.3 程序设计 22
4.3.1 被控设备的程序设计 22
4.3.2 模拟量的程序设计 22
4.4 系统温度PID控制分析 23
第5章 系统调试与仿真 23
5.1 仿真平台 25
5.2 项目的在线仿真 25
结论 30
致谢 31
参考文献 32
附录Ⅰ 33
附录Ⅱ 36
第1章 绪论
1.1 课题背景
随着经济全球化的持续发展，各种能源资源的需求量也在不断增长。但是，不可再生能源的存储量有限，长期使用对环境的影响也越来越明显，因此，新能源的开发和使用成为了重中之重。
我国是世界上人口最多、地域很广的发展中国家，由于人口的基数庞大，以至于人口不断增长，对能源的消耗量也相当庞大并在持续增加。为了可以解决能源短缺问题，中国政府在新能源领域投入了大量的资金和人力，用来鼓励新能源的开发和应用。目前，我国已成为全球新能源的主要生产国和消费国之一。在全球范围内，我国新能源的投资和应用规模都处于领先地位。随着新能源技术的不断提升和成本的逐渐降低，越来越多的国家开始重视起新能源的发展。太阳能、风能、水能等可再生能源已成为新的热门话题，它们对环境的影响很小，可以替代传统的不可再生能源，使能源利用更加环保和可持续。新能源的开发和使用不仅可以减少环境污染，也可以降低能源成本，进一步提高社会的生产力。此外，新能源还可以为社会带来更多的就业机会，帮助到许多没有工作的人找到谋生的路，同时也促进经济的发展。例如，我国的太阳能光伏发电产业已经成为一个新的经济增长点，引入了大量的公司投资，也吸引了大量技术性人才。放眼未来，新能源的开发和使用将会是全球共同关注的话题。我们应该加强对新能源技术的研究和开发，加大对新能源的投资和应用，推动新能源产业的蓬勃发展，实现经济、环保和可持续的协调发展。
1.2 课题发展状况
沼气是一种可再生能源，其生产过程是通过将有机物质在缺氧条件下进行发酵，进而产生甲烷等气体，从而得到沼气。沼气的生产和利用可以提高农村群众的生活质量，减少温室气体排放，促进农村经济的可持续发展。然而，在实际的应用中，沼气发电装置相关知识的普及面临一些问题。一方面，沼气发电装置的建设周期比较长，需要选择合适地段、挖土、打基础、装车、生产沼气等一系列工序，时间较长，增加了农民们的投入成本。随着技术的发展，沼气的生产已经从仅仅提供做饭和照明的简单功能转变为提供更多的可再生资源，而且，它的性价比也得到极大的提升，因为它可以有效的控制和调节周围的空间，从而使得它可以更加有效的被人们使用。目前，由于技术的发展，许多农村地区的沼气发酵反应已经可以通过自动化的技术来实现，从而有效地提高了农村地区的农业经济效益。自动化技术的应用可以有效地减少农村地区的环境污染，同时也可以提高农村地区的农业经济效益。由于这个原因，人们对于拥有高水平技能的沼气管理人员的需求巨大。为了解决这些问题，需要加强对沼气技术的研究和推广。因此，在沼气生产装置的材料选择上，可以采用新型材料，如塑料、玻璃钢等，降低成本，提高生产效率。在沼气的应用上，可以探索沼气的综合利用方式，如沼液的肥料利用、沼气的发电利用等，提高能源利用效率的同时也影响着经济效益。同时，应该加强对农民的培训和指导，提高他们对沼气技术的认识和运营能力，减少沼气发电装置的维护难度和维护成本。此外，政府可以出台相关的优惠政策，鼓励农民使用沼气发电装置，推动沼气技术的发展，推广可持续发展的理念。
沼气作为一种清洁能源，具有广阔的发展前景，但是沼气生产的自动化程度低，是制约沼气发展的重要原因。针对当前沼气发电装置普及率低的问题，需要提高其自动化程度，加强发酵反应控制技术，提高原材料处理速度，保障环境安全。沼气生产装置的建设周期长，这是影响其普及的一个重要原因。为了提高其建设效率，可以采用现代化的建设方法，如采用预制混凝土搭建沼气池的方法，大大缩短了建设周期，提高了生产效率。同时，沼气生产装置的材料生产也需要在温度、湿度等方面进行科学控制，确保原材料质量。为了解决目前沼气生产的自动化水平较低的问题，我们建议使用PLC来进行控制。PLC的优势在于它的高可靠性、良好的抗干扰能力、易操作、实现快速、成本合理、体积紧凑、节省能量。这些优势使得它在沼气生产设备上的使用更加普遍，从而极大地提升了生产的效率与安全。此外，要加强沼气发酵反应控制技术，以确保生产过程的稳定性。通过对发酵反应过程的实时监测和控制，可以调节温度、PH值、搅拌速度等参数，提高沼气产量和质量。同时，需要加强原材料处理速度，减少污染，保障环境安全。
沼气生产装置的自动化程度低、原材料处理速度慢、环境污染等问题是影响其普及的重要原因。通过采用现代化的建设方法，引入PLC控制技术，加强发酵反应控制技术，提高原材料处理速度等措施，可以提高沼气生产的自动化程度，保障生产安全和生产效率，促进沼气发电技术的蓬勃发展。
1.3 课题的意义和价值
这个设计的主要目的是针对沼气发酵过程中的智能监测控制进行研究和开发。沼气发酵是一种重要的生物发酵过程，通过微生物的作用将有机物质转化为可燃性气体，用于能源生产和环境治理。随着温度、压力等参数的变化，沼气发酵的效率也会受到影响，因此，必须密切关注并及时调整这些参数，以确保发酵过程的可靠性、稳定性和高效性。
随着工业自动化技术的飞速发展，对监测系统的需求日益增加。因此，设计者采取措施，把HMI技术融入其中，达到了对监测数据的可视化处理与展现。该操作系统具备多种功能，包括：人与计算机的交流、信息传输、网络调度、参数调整、信息存储，让操纵者更加轻松、舒适，让用户更加热衷。
随着技术的进步，自动控制领域的监控系统变得更加精细化，并且在不同行业中发挥着越来越重要的作用。它们被广泛地用于监控生产过程，使生产过程更加准确、简洁和快速。同时，监控系统也可以帮助工程师们快速地识别和解决生产过程中的问题，从而提高生产效率和品质。
在这个沼气发酵监控系统中，使用了一些高级技术和软件工具，PLC（可编程逻辑控制器）、传感器、数据采集卡等。这些工具帮助系统可以快速地获取和处理监控数据，以实现对发酵过程的实时监控和调整。同时，设计师们还对系统进行了人机交互界面的设计，以便工作人员可以方便地获取和处理监控数据，并对系统进行操作和维护。
这个沼气发酵监控系统是一个集成化、高效、稳定的监控系统，它可以帮助工程师们实现对生产过程的快速监控和调整，提高生产效率和品质。同时，这个系统还具有易于操作和维护的特点，能够为工作人员提供良好的使用体验和工作环境。
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