基于 PLC 的农村户用光沼联合发电控制系统的研究(设计源文件+万字报告+讲解)（支持资料、图片参考_降重降ai）_文章底部可以扫码

目 录

摘 要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1选题的背景及其意义 1
1.2国内外发展现状及研究现状 2
1.2.1太阳光热国外发展现状 2
1.2.2光热发电国内发展现状 4
1.2.3沼气发电技术国内外发展现状 5
1.2.4自动控制系统 7
1.3光热与沼气联合发电的研究现状 7
1.4本文主要研究内容 8
1.5本章小结 9
第二章 住宅用光热沼气联合发电系统构成 10
2.1系统基本组成 10
2.2工作原理介绍 11
2.2.1PLC 自动控制系统 11
2.2.2太阳能光热发电 12
2.2.3沼气辅助热源 18
2.2.4余热利用控制系统 19
2.3设备选型及性能 19
2.3.1PLC 选型 19
2.3.2变频器选型 20
2.3.3温度传感器选型 21
2.4本章小结 21
第三章 系统的控制策略 22
3.1控制系统的软件设计的基本步骤 22
3.2I/O 节点分配 23
3.3控制系统结构设计 24
3.4系统控制功能流程图 25
3.5硬件组态 27
3.6系统控制软件的模块设计 28
3.7控制系统程序设计 29
3.7.1主程序设计 29
3.7.2光热发电子系统程序设计 31
3.7.3沼气发电子系统程序设计 32
3.7.4余热利用控制系统程序设计 33
3.8本章小结 34
第四章 上位机监控系统的设计与实现 35
4.1SIMATIC WinCC 软件介绍 35
4.2上位机监控界面总体方案设计 35
4.2.1监控系统功能设计 35
4.2.2监控系统界面设计 36
4.3人机交互界面组态 36
4.3.1登录系统界面 36
4.3.2主界面 39
4.3.3各子系统分界面 40
4.3.4报警界面 44
4.4仿真测试 44
4.5本章小结 47
第五章 结论与展望 48
5.1 结论 48
5.2 研究展望 48
参考文献 50
CONTENTS
Chinese Abstract I
Abstract II
CHAPTER1 Introduction 1
1.1Background and significance of the study 1
1.2Domestic and international development status and research status 2
1.2.1The status quo of solar thermal development abroad 2
1.2.2Domestic development of photothermal power generation 4
1.2.3Development status of biogas power generation technology at home and abroad 5
1.2.4Development status of Automatic control system 7
1.3Research status of combined heat and biogas power generation 7
1.4Main content of the paper 8
1.5Summary 9
CHAPTER 2 The Introduction of the combined solar thermal biogas system for residential buildings 10
2.1Basic structure of the system 10
2.2Work principle and equipment performance introduction 11
2.2.1PLC automatic control system 11
2.2.2Disc (disk type) condensing collector 12
2.2.3Biogas auxiliary heat source 18
2.2.4Residual heat utilization control system 19
2.3The selection of Equipment and performance introduction 19
2.3.1The selection of PLC 19
2.3.2The selection of inverter 20
2.3.3The selection of temperature sensor 21
2.4Summary 21
CHAPTER3 The control strategy of the system 22
3.1Basic steps of software design for control systems 22
3.2I/O node allocation 23
3.3Control system structure design 24
3.4Flow chart of system control function 25
3.5The configuiation of the hardware 27
3.6System control software module design 28
3.7Control system programming 29
3.7.1Main program design 29
3.7.2Program design of photovoltaic power generation subsystem 31
3.7.3Program design of biogas power generation subsystem 32
3.7.4Control system program design for residual heat 33
3.8Summary 34
CHAPTER4 Human-computer interaction interface configuration 35
4.1The introduction of SIMATIC WinCC software 35
4.2Overall scheme design of upper computer monitoring interface 35
4.2.1Monitoring system function design 35
4.2.2Monitor system interface design 36
4.3human-computer interaction interface configuration 36
4.3.1Login system interface 36
4.3.2Main interface 39
4.3.3Interface of each subsystem 40
4.3.4Alarm interface 44
4.4The test of simulation 44
4.5Summary 47
CHAPTER5 Conclusion and future work 48
5.1Summary of the paper 48
5.2Future work 48
Acknowledgements 50

摘 要
利用多种清洁能源的小型联合发电控制系统是一种及具推广前景的技术。其在解决零散能源利用，电网末端供电质量和提高能源利用率等方面效果显著。现有的研究思路多从整体的角度出发，或单一利用某一种清洁能源，实用效果不理想，推广起来难度大。在这样的背景下，小型联合发电控制系统既能有针对性的利用各种清洁能源，又能充分利用系统中转化的终端能源和中间能源，实现能源的最大化利用，提高能源转化率，减少环境污染，对社会的可持续发展具有非凡意义。
本文设计了一套光热与沼气互补联合发电控制系统，并对系统进行了仿真分析。首先，设计了联合发电控制系统的结构。系统主要由 PLC 控制系统、碟式光热发电系统、沼气发电系统、余热利用系统构成。其主要特点是能够利用发电之后产生的余热进行用户供暖、厌氧池温度保持，减少能量损失，提高能源利用率。
其次，根据系统机构制定了控制策略，设计了系统的 PLC 程序设计。控制系统主要包含了主程序、光热发电子程序、沼气发电子程序和余热利用控制程序四个部分。对软件进行仿真、检测，对错误的部分行了修改。
最后在 WinCC 软件中进行模型搭建及测试。通过对系统的分析可知，当全系统的额定发电功率能够达到 2KW 时，模拟出一天中各个子系统通过自动控制进行配合的工作方式及工作时间，验证本文提出的农村户用光热沼气联合发电系统的工作可能性。根据各子系统装置的参数，构建农村户用光热沼气联合发电系统实验平台。结果表明该系统能够达到农户家用光热沼气联合供电的同时利用余热对室温进行控制的目的，在农村住宅使用太阳能、沼气等清洁能源供电方面理论依据。
综上所述，基于 PLC 的农村户用光沼联合发电控制系统能够减少能源转化过程中中间能源的流失，提高能源利用率；系统能够为用户提供电能及热能两种能源，应用的一次能源为常见的太阳能和沼气，适用范围广，易于推广。此外，系统在考虑利用转化过程中的中间能源，实现提高能源利用率，多种能源互补的思路为未来研究能源应用提供了新的研究方向。
关键字：光热发电，沼气发电，余热利用，PLC，WinCC

Abstract

Abstract
A small combined power generation control system that utilizes a variety of clean energy sources is a promising technology. It has significant effects in solving the problems of scattered energy utilization, power supply quality at the end of the grid and improvement of energy efficiency. The existing research ideas mostly start from a view of overall aspects or use a certain kind of clean energy. However, the practical effect is not ideal and it is difficult to be applied widely. Under such background, the small-scale integrated power generation control system can not only use targeted clean energy sources, but also take full advantage of the terminal and intermediate energy converted in the system to maximize the use of energy. It can increase the rate of energy conversion and reduce environmental pollution, which has extraordinary significance to the sustainable development of society.
In this paper, a set of complementary power generation control system combining solar- thermal with biogas is designed to make simulated analysis for the system. First, the structure of the combined power generation control system was designed. The system is mainly composed of a PLC control system, a disc type solar thermal power generation system, a biogas power generation system and a waste heat utilization system. It is characterized by supplying heat and maintaining temperature of anaerobic tank utilizing the waste heat generated after power generation. As a result, the system can reduce energy loss and improve energy efficiency. Secondly, the control strategy was formulated and the system’s PLC program design was designed according to the system organization. The control system mainly consists of four parts: the main program, the solar-thermal emitting electronic program, the biogas emission electronic program and the waste heat utilization control program. The software was simulated and tested
and the wrong parts were modified.
Finally, model building and test was processed in WinCC software. According to the analysis of the system, we learnt that when the rated power of the whole system reach 2KW, the working methods and time of each subsystem in the day through the automatic control can be simulated to verify the system’s working possibility of proposed rural household power generation combining solar-thermal with biogas. According to the parameters of each sub- system device, an experimental platform for the rural household power generation system combining solar-thermal with biogas was constructed. The results showed that the system can achieve the purpose of controlling the room temperature by utilizing the residual heat while supplying electricity produced by solar-thermal with biogas for the households. The study provided theoretical basis for utilization of clean energy sources such as solar energy and biogas

to supply power in rural houses.
In summary, the PLC-based rural power generation control system combining solar- thermal with biogas can reduce the loss of intermediate energy in the process of energy conversion and improve energy efficiency. The system can provide users with both electricity and heat. The applied energy is common solar energy and biogas which can be applied widely and easy to promote. In addition, the system is considering utilizing intermediate energy in the conversion process to achieve the idea of improving energy efficiency and using complementary energy sources, which provides new research direction for future energy application research.
Keywords: Photo-thermal power generation, Biogas power generation, Waste heat
utilization, PLC, WinCC

第一章 绪论

1.1选题的背景及其意义

雾霾是 2013 年的年度关键词，在此之后，雾霾就被被各大媒体和我国民众频繁提起和讨论。秋冬季节，在我国北方雾霾现象尤其严重，雾霾已经作为一种 灾害性天气现象进行预警预报。雾霾的波及范围之广、持续时间之长，严重影响 着工业生产和人民的生活。出现雾霾天气的情况时，由于能见度低，对民众出行 造成不便，还会造成空气质量下降，影响生态环境并给人体健康带来较大的危害。造成雾霾天气的因素有很多，这其中既包括了气象因素也有包含了人为因素在内。人为因素包括有正常的工业生产、冬季取暖烧煤、机动车尾气排放、秸秆燃烧等 多种因素。
中国作为世界上的农业大国之一，每年都会产生 7 亿吨以上的秸秆，除去部分用于造纸、饲料、造肥还田之外，其余部分皆作为农村取暖和炊事或者以就地焚烧等方式处理，这些秸秆甚至超过 1 亿吨。近年来因为焚烧秸秆导致的雾霾等空气污染日益严重，国家也出台了《中华人民共和国大气污染防治法》来遏制这种违法行为，在 2015 年 11 月 25 日，中华人民共和国国家发展和改革委员会、中华人民共和国财政部、中华人民共和国农业部、中华人民共和国环境保护部等政府部门共同颁布规定，规定要求全国各地进一步的加强对秸秆的综合利用与禁烧工作。对于秸秆禁烧，国家相关部门也制定政策要求各地加强卫星遥感，加大秸秆焚烧火点的监测力度。故而秸秆的处理以及找到代替秸秆为农户提供供暖的材料是目前研究的重中之重。同时目前农村供暖主要方式依然是燃煤，而这种燃煤占散煤的比例很高，相关统计结果表明，我国每年的燃煤用量超过了好几亿吨， 其中农村用户的燃煤用量占的 66%左右。改变传统的取暖方式，减少污染较大的燃煤取暖，采用其他清洁能源供暖和集中供暖可以有效的解决传统取暖方式带来的大气污染和能源浪费。
对于当今世界各国政府除了污染尚待解决以外，能源问题也是必须要解决的
问题之一。历史上的前三次工业革命分别是蒸汽时代、电气时代、科技时代，那么新能源引领的能源革命就将是启动第四次工业革命的关键。从 1960 年起，一直以来化石能源都是推动经济发展的主要动力和人类生活所需的主要能源。随着人口数量的快速增长以及能源需求的不断提升，能源消耗也在急剧增大，因为化石能源是不可再生能源，化石能源储备不足，造成了能源需求增加和能源不断减少的矛盾。因为能源决定着人类的发展未来，能源不足的问题将带来其他的矛盾，

甚至影响世界的和平。开发清洁能源和可再生能源等新能源来代替化石能源是目前世界各国的首要目标。
新能源的定义是在 1980 年召开的“联合国新能源和可再生能源会议”提出， 指的是用以新技术和新材料使得传统的可再生能源得到现代化的开发和利用，使 得相应的可再生能源开始大量的取代化石能源。新能源主要包括了太阳能、风能、生物质能，此外还有地热能、海洋能、潮汐能、核子能、氢能等。可再生能源发 电技术开始成熟，且得到广泛的应用。在不断的发展改进基础上，风能和太阳能 等可再生能源开发利用力度也明显的增大，新能源的开发利用技术已经日趋成熟， 初步形成了欧洲、亚太和北美三大新能源领域。在发展新能源用以代替传统能源 这一发展动机上，中国同发达国家有着同样的出发点。我国目前的形势是急需利 用新能源来填补能源供应短缺和发展的需要，并为了减少因为传统能源燃烧带来 的 CO2 等温室气体的排放。伴随着全球经济发展规模日益壮大的是世界能源消费总量的不断增长。光伏产业、风电产业的大规模发展使得新能源产业在能源产 业供给中的地位明显上升，如果一直利用传统能源进行发展，那么到了 2020 年， 能源问题将严重影响社会、经济发展，此时新能源就将承担补足能源供应缺口的 重担；生物质能液体燃料与煤化工的飞速发展既使中国当下的能源结构得到优化， 又可能解决长期以来石油供应严重短缺所导致的能源供给紧张的矛盾。因此，清 洁的、可持续发展的新能源对巩固中国的能源安全基础起到了重要的作用，使中 国能源的根基扎得更加安稳，降低了中国对外国能源的依赖度，为传统的能源产 业供应新的生命力，为中国全面建设小康社会注入新鲜血液。

1.2国内外发展现状及研究现状

1.2.1太阳光热国外发展现状

光热发电始于上世纪 80 年代，美国在 1984 年建设了全球第一座光热示范电站 SEGSI，SEGSI 位于美国加州。但从 1991 之后全球光热发展却一直停滞不前，世界各国都没有继续再研究光热技术，全球光热发电工程的复苏是 2006 年西班牙建设了欧洲首个商业化的光热电站 Andasol 槽式光热电站。2012 年 5 月西班牙在此建设了全球首座 24 小时发电的太阳能发电站Gemasolar 塔式光热发电站。全球光热装机总量在近 5 年里复合增速为 23.3%。全球光热装机量受 2014 年以后西班牙光热发电市场增长速度的放缓，全球光热市场增长点就逐渐从西班牙和美国市场转向摩洛哥、南非及中国等新兴市场。全球光热发电装机总规模发展趋

势如图 1.1 所示（陈旭鹏，2017）。

图 1.1 全球光热发电装机总规模发展趋势
Fig.1.1 Global Light Power Generation Capacity Development Trend
根据 CSPPLAZA 研究中心的统计报告可知，2017 年全球光热发电已建成的装机容量新增115.76MW，以2016 年装机容量5017MW 为基数新增至5133MW，增幅为 2.3%，如图 1.2 所示。2017 年全球光热电站装机容量只有小幅度的增长， 这是由于多个在建项目未能在 2017 年投运，包括摩纳哥的 NOOR2&3 项目，以色列的 Ashalim1&2 电站以及南非和中国等多个市场的在建项目。南非光热发电市场在过去一年再度引领了新装机容量的增长，其于 2017 年 8 月 16 日投运的XinSolarOne 槽式光热发电项目，为该国新增 100MW 装机。XinaSolarOne 是南非第四座投运的商业化光热电站，加上 2016 年 2 月 5 日投运的 50MW 的KhiSolarOne 塔式光热电站，2015 年 3 月 2 日并网投运的装机 100MW 的KaXuSolarOne 槽式光热电站，2015 年 12 月正式投运的装机 50MW 的 Bokpoort 槽式光热电站，截至 2017 年底，南非光热发电建成总装机增至 300.56MWe。阿曼在阿拉伯半岛上于 2017 年 11 月成功投运了全球上最大的太阳能 EOR 项目—
—总装机达 1GWth 的Miraah 项目的第一期项目，实现了近 28MWth 的装机，折合 9.24MWe。丹麦新增装机 16.6MWth，这是一个生物质能 ORC 系统联合运行的光热项目。项目已经并入区域热网，以向当地提供持续稳定的热能。意大利Soltigua 公司与 IRIS 技术公司于 2017 年 9 月底宣布，双方成功地完成了在沙特阿拉伯联合开发的 124kWt 菲涅尔式光热系统的调试工作，为该国新增 124kWth 的光热装机，折合 0.04MWe。菲涅尔系统主要为沙特 kingfaha 石油矿产大学
（KFUPM）的空气除湿干燥装置提供热源，工作时将空