《自动灌溉系统的设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动灌溉系统的设计.doc（19页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、 自动灌溉系统的设计 电子与信息工程学院 本 科 毕 业 论 文 论文题目 基于PLC控制的自动灌溉系统的 学生姓名学 号 103521008 专 业 电气工程及其自动化 班 级指导教师 2014年5月 摘 要摘 要水资源的合理利用具有十分重要的意义。相比发达国家，目前我国灌溉方式还存在一定差距。因此农业灌溉自动化成为一个重要的研究方向。PLC具有优良的技术性能，利用PLC控制的灌溉系统更加智能化、运行的可靠性更高。该设计介绍了可编程控制器（PLC）在自动节水灌溉控制系统中的应用，能根据不同类型的土地进行分类灌溉。系统按照A、B、C三种不同类型的作物的需水量分别采用不同灌溉模式，系统包括执行机
2、构和控制机构两部分，执行机构主要是电动机作为驱动源，通过控制各电机的启动和停止来控制水泵工作，从而给作物进行灌溉。控制机构主要是可编程控制器。为了减少水泵电机的启动电流，减轻对电网形成的冲击，减少能耗，系统采用Y-启动。 关 键 词：PLC；自动灌溉；Y-启动 I 湖北科技学院学士学位论文ABSTRACTRational use of water resources is of great significance. Compared to developed countries, Chinas irrigation methods are still some gaps. Therefore
3、, irrigation automation has become an important research direction. PLC has excellent technical performance, the use of irrigation systems more intelligent PLC control, higher reliability. This design describes the programmable controller (PLC) in the automatic control system of water-saving irrigat
4、ion, irrigation can be classified according to the different types of land. System according to water demand A, B, C are three different types of crops were irrigated using different modes, the system consists of two parts actuators and control bodies, executive agencies are mainly motor as a drivin
5、g source, by controlling the start and stop of the motors to control the pump to work, giving the crop irrigation. The main control mechanism is programmable controllers. In order to reduce the pump motor starting current, to reduce the impact on the grid formation, reduce energy consumption, the sy
6、stem uses Y- start. KEY WORDS: PLC ; Automatic irrigation; Y- start II目 录 目 录1 绪论 . 11.1 课题背景及目的 . 11.2 课题研究现状 . 11.2.1 国外研究现状 . 11.2.2 国内发展现状 . 21.3 目的和意义 . 21.3.1 研究目的 . 21.3.2 研究意义 . 22 灌溉系统总体方案 . 32.1 总体设计 . 32.1.1 灌溉综述 . 32.1.2 系统主要功能 . 32.2 系统运行结构图 . 32.3 系统运行方式 . 43 硬件设计 . 53.1 系统硬件的设计原则 . 53
7、.2 控制器的确定 . 63.3 系统的组成 . 73.3.1 设备确定 . 73.3.2 PLC输入/输出点分配. 83.3.3 电机启动 . 94 软件设计 . 114.1 设计方法 . 114.2 设计原则 . 114.3 系统功能的设计 . 124.3.1 灌溉流程设计 . 124.3.2 电机启动设计 . 205 PLC的调试与程序的仿真 . 215.1 PLC控制的安装与布线 . 215.2 程序的仿真 . 226 结论与展望 . 25III 湖北科技学院学士学位论文致 谢 . 27参考文献 . 29附录 . 31IV绪论1 绪论1.1 课题背景及目的我国水资源短缺，利用率低，水浪
8、费严重，供需矛盾突出。传统灌溉设备单一，灌溉难度大，费时费力，严重制约我国社会经济的发展。因此需要合理灌溉，发展自动灌溉系统。发展自动灌溉系统对于缓解水资源紧缺矛盾、节约劳动力，扩大灌溉面积、实现“两个转变”、可持续发展战略、提高农业综合生产能力具有十分重要的意义。合理的灌溉是农作物正常生长发育并获得高产的重要保证，可取得良好的生理效应和生态效应，增产效果显著。国外一些喷灌系统设备结构复杂、成本较高，其安装和维护过程都很复杂，不适合在我国使用。我国制造的喷灌设备成本相对低廉，但是由于绝大多数采用的是普通继电器控制系统，调试与维护困难，灵敏度不够高，不能实现定时定量喷灌，其产品市场占有率很低。P
9、LC 具有体积小、功能强、编程简单、可靠性高和组装灵活等优点，广泛应用于国防、电力和通讯等领域，但在农业领域很少应用。可编程控制器( PLC) 应用在节水灌溉控制工程设计中能够简化硬件结构，具有提高可靠性、增加灵活性和适用于各种环境条件下运行等优点，并且在系统硬件组成不变的情况下，通过更改软件设置来适应多种运行方式的需要，是传统继电器控制的理想替代品，尤其在农田水利系统的小型泵站中可实现无人值或半无人值守，具有广阔的应用前景和使用价值。1.2 课题研究现状1.2.1 国外研究现状目前世界上灌溉技术比较先进的国家主要是西欧的荷兰、法国、英国、意大利、西班牙，美国，中东的以色列，亚洲的日本等。这些
10、国家自动灌溉的研究起步早，发展快，综合环境技术水平高。一些技术先进的国家在自动灌溉控制发展的基础上，更不断研究各种最新的灌溉控制技术及不同作物的不同营养液配方及营养液自动混合技术，并及一步发展成灌溉专家系统。同时不断的把先进的控制技术应用于灌溉系统中。世界上灌溉技术的发展最具有代表性的国家首推以色列。以色列拥有像耐特费姆、普拉斯托、美滋一雷鸥等多家世界著名灌溉公司。并已经出现了在家罩利用电脑对灌溉过程进行全部控制(无线、有线)的农场主。以色列开发出多个系列的农业自动灌溉的配套阀门，如电动和水动遥控电磁阀、减压阀、调压阀、安全或止回阀、逆止阀和流量控制阀等。1 湖北科技学院学士学位论文1.2.2
11、 国内发展现状目前我国现代自动灌溉技术的发展主要是在引进、消化技术的基础上，从无到有，逐步被人们认识和接受。1985年福建省龙溪地区引进安装了当时达世界先进水平的美国整套微喷灌设备，大大促进了我国微喷灌技术和设备的发展。到1991年，我国微灌使用面积已有2万多公顷，过去的20多年里，在设备研制和经验积累等方面都为我国微灌的进一步发展打下了一定的基础。最近几年，由于国家的重视和实际的需要，各地大力发展节水灌溉，微灌在我国进入了快速增长阶段。尽管设旎栽培灌溉技术近十几年来在我国得到了较快的发展，但是综合环境控制水平还很低，自动灌溉及施肥控制技术的发展目前还只限于引进吸收阶段。目前，我国的自动灌溉系
12、统相对于先进国家所存在的差距是：1.还不能实现营养液自动混合控制。营养液混合还停留在使用施肥器完成液体肥和水的混合，然后通过管网送到作物周围的阶段。2.自动灌溉控制系统，除个别引进国外成套设备以外，国内还没有成型的产品，生产中使用的基本上还是人工操作阀门的设备。3.灌溉停留在单个因子的调节上，不能实现与其他环境因子的综合控制。4.不能实现灌溉专家系统。灌溉控制主要还是依照人的经验去进行，离技术先进的国家还有差距。总之，在现代灌溉的开发与技术方面，我国还落后于国外先进国家，根据我国现代灌溉的现状，需要解决的关键技术问题还很多，尤其是自动控制系统。这些技术在我国还处于研究和待开发阶段，不能满足灌溉
13、的需要。1.3 目的和意义1.3.1 研究目的农业是人类社会最古老的行业，是各行各业的基础，也是人类赖以生存的最重要的行业。农业的根本出路在科技，在教育。由传统农业向现代化农业转变，由粗放经营向集约经营转变，必须要求农业科技有一个大的发展，进行一次新的农业技术革命。农业与工业、交通等行业相比仍然比较落后，农业灌溉技术尤其落后。灌溉系统自动化水平较低是制约我国高效农业发展的主要原因。传统的灌溉模式自动化程度极低，基本上属粗放的人工操作，即便对于给定的量，在操作中也无法进行有效的控制，为了提高灌溉效率，缩短劳动时间和节约水资源，必须发展节自动溉控制技术。1.3.2 研究意义现代智能型控制器是进行灌
14、溉系统田间管理的有效手段和工具，它可提高操作准确性，有利于灌溉过程的科学管理，降低对操作者本身素质的要求。除了能大大减少劳动量，更重要的是它能准确、定时、定量、高效地给作物自动补充水分，以提高产量、质量，节水、节能。2灌溉系统总体方案2 灌溉系统总体方案2.1 总体设计2.1.1 灌溉综述灌溉是弥补自然降水在数量上的不足与时空上的不均、保证适时适量地满足农作物生长所需水分的重要措施。以往的灌溉工程，很多没有配套完整的灌溉系统，灌水时只能采用大水漫灌或人工洒水。不但造成水的浪费，而且往往由于不能及时灌水、过量灌水或灌水不足，难以控制灌水均匀度，对作物的正常生长产生不良影响。传统的地面大水漫灌已不
15、能满足现代灌溉的要求，采用高效的灌水方式势在必行。喷灌，以其节水、节能、省工和灌水质量高等优点，越来越被人们所认识。近年来喷灌发展很快，有逐步取代人工地面灌溉的趋势。 2.1.2 系统主要功能用PLC控制植物的灌溉。A类植物是水生植物，要求通过液位开关控制液位在最小值和最大值之间。B类植物需要定时灌溉，要求6:00-6:30之间，23:00-23:30之间打开喷灌系统。C类植物需要每隔一天的晚上23:00灌溉一次，每次10分钟。2.2 系统运行结构图根据灌溉植物的特点，对其控制应满足植物的需要，因此选用PLC作为灌溉控制系统的核心。系统由PLC控制器FX2N-32MR-001，220V交流电源
16、供电，启停按钮，数据采集器件包括液位开关，实时钟，执行器包括电磁阀，带动水泵的电机。控制器的结构图2-1.液位开关图2-1 系统结构图3 湖北科技学院学士学位论文2.3 系统运行方式A类水生植物：在不同水位，水压不同，当水位位于最低点时液位开关输出信号给PLC，控制X002闭合，一号电磁阀得电开启，一号电磁阀指示灯亮，一号电机先星形连接。2秒后电机三角形连接，一号电机打动水泵1工作，往水池里注水。当水位位于最高点时，液位开关输出信号给PLC，控制X003闭合，同时1号电磁阀断电，1号电磁阀指示灯熄灭，一号电机停止工作，从而水泵1停止运转，往水池里注水停止。B类植物：通过实时钟来实现灌溉系统在规
17、定时间段的启动或断开，在每天23:00二号电磁阀开启，二号电磁阀指示灯亮，2号电机启动，带动水泵2工作，到了23:30，二号电磁阀断开。二号电机停止运转，从而水泵2停止工作，停止对B类植物浇灌。在每天6：00二号电磁阀开启，二号电机转动带动水泵2工作，延续到6:30，二号电磁阀断开，二号电机停止运转。控制喷头1在6:00-6:30喷水。C类植物：通过实时钟来实现灌溉系统在规定时间段启动或断开，每隔一天的晚上23:00灌溉一次，这里用两个计数器达到延时10分钟的目的，这样就达到了每次浇灌10分钟的目的。每隔一天即隔48小时候的23:00喷头2在此喷水。三号点击运转带动水泵3工作，控制喷头2，浇灌
18、C类植物。这里关键是把计数器作为时间继电器用。4硬件设计3 硬件设计3.1 系统硬件的设计原则系统设计时应遵循以下几条原则：1完整性原则从系统论的观点来看，若要使系统发挥其应有的作用，系统必须完整。因此在对本系统进行设计时，首先要考虑系统的完整性，否则在安装和使用时就会出现这样或那样的问题，并带来许多不必要的麻烦。最好使设计好的系统的性能略高于实际要求，按这样设计的系统扩展性较好。2可靠性原则可靠性原则考虑的是设计好的系统能否可靠地工作，即系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定任务的能力。能否满足重要场合下的可靠性要求、是否进行冗余配置。对计算机测控系统来说，无论其在原理上如何先进、功能如何
19、全面、精度如何高级，但如果可靠性差，故障频繁，不能长期可靠的正常运行，则该系统就没有使用价值。因此系统的可靠性设计应该贯穿整个设计和制造过程中。3发展性原则发展性原则有两个重要内涵：一个就是留有发展余地，在作系统配置时，要考虑系统的规模增大了怎么办。第二个就是要选择技术寿命长，维修及部件的补充比较方便的系统。4经济性原则为了获得较高的性能价格比，在进行系统设计时并不是一味的追求复杂的高级方案，在满足性能指标的前提下，尽可能采用简单实用的方案。由于本系统是专用的测控系统，决定系统造价的主要是研制成本，所以尽可能选用成熟的测控方法和设备，降低研制成本。5开发周期短对于这个发展速度越来越快的社会，时
20、间就是金钱，所以要尽量缩短开发周期，尽早让系统投入正常运行，以期获得较高的经济效益和社会效益。6操作维护方便在系统总体设计时应考虑到操作维护方便，使系统易学易用。监控系统不仅要求可靠，而且一旦出现故障必须能维护方便，保证测控系统连续运行。 5 湖北科技学院学士学位论文3.2 控制器的确定1.PLC控制灌溉系统的优点（1）编程方便，现场可修改程序（2）维修方便，才有模块化结构（3）可靠性高于继电器控制装置（4）体积小于继电器控制装置（5）数据可以直接送入管理计算机（6）成本可与继电器控制装置竞争（7）输入可以是交流115V（8）能直接驱动电磁阀，接触器等（9）在扩展时，原系统只要很小变更（10）
21、用户程序存储器容量至少能扩展到4K（11）在灌溉控制系统中采用了PLC，用软件实现对灌溉系统的控制，提高可靠性（12）去除了大部分继电器，控制系统机构简单，外部线路简化（13）PLC可实现各种复杂的控制系统，方便的增加或改变控制功能（14）PLC可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修（15）用于群控调配和管理，并提高灌溉系统运行效率（16）更改控制方案时不需要改动硬件接线 2.输入和输出模块可编程控制器输入模块是检测并转换来自现场设备（按钮，限位开关，接近开关等）的高电平信号，模型类型分直流5V、12V、48V、60V几种；交流115V和220V两种。模块输出的任务是将机器内
22、部信号电平转换为外部过程的控制信号。输出模块同时接通点数的电流累计值必须小于公共端所允许通过的电流值，输出模块的电流必须大于负载电流的额定值。3.电源小型整体式可编程控制器内部设有一个开关电源，可为机内电路扩展单元供电，另一方面还可为外部输入元件及扩展模块提供24V的DC电源。4.响应时间分析可编程控制器顺序扫描的工作方式使它不能可靠的接收持续时间小于扫描周期的输入信号。系统响应时间是指输入信号产生时刻与由此而使输出信号状态发生变化时刻的时间间隔。系统响应时间=输入滤波时间+输出滤波时间+扫描周期。因本系统输入为数字量，输出为模拟量。编程控制器本身的抗干扰能力能满足要求。PLC的容量包括I0点
23、数、用户存储器的容量。故本系统采用三菱FX系列可编程控制器。6硬件设计PLC的运行方式如图3-1. 图3-1 PLC运行方式3.3 系统的组成系统主要由PLC部分，液位传感器，执行器件等组成。控制系统结构示意图如图3-2.图3-2 系统结构示意图3.3.1 设备确定（1）灌溉设备：确定选用3台IS单级单吸离心泵作为灌水泵，其型号确定为IS200-150-250.同时分析计算，确定选用3台型号为Y225S-4的三相鼠笼型异步电动机作为水泵的原动机。并确定摇臂式喷头作为系统的灌水器。（2）外围设备：确定选用CJ10交流接触器作为系统的自动控制的电路，电动机的过载保护由热继电器实现。CJ10交流接触
24、器中间的是三相电源线，侧边的分别是一对常开触点和一对常闭触电，是用作自锁和连锁的。7 湖北科技学院学士学位论文选用液位开关作为系统液位测量的输入模块，液位开关是根据液位传感器的信号输出开启放水或者进水的阀门而使水位保持恒定的一种控制器。液位开关首先要确定液位的高度，依据这个高度来输出开关量信号。而液位传感器是将液位的高度转化为电信号的形式进行输出。我们可以对电信号进行处理比如和PLC、数据采集器或者专业显示器相连进而输出液位的高度。还有就是液位开关和液位传感器的原理虽然相同。但是液位开关是开关控制电路，而液位传感器是相当于变压，变流用的电路元件。3.3.2 PLC输入/输出点分配此设计PLC选
25、型时关键，根据灌溉系统控制的要求，选用三菱FX2N-64MR-001，32点输入，32点输出，带有RS232口及日历/时钟功能，供电电源为24V直流或100240V交流，同时可以控制4路A/D、4路D/A。系统可以方便地扩展入，出口，系统中输入输出信号均为开关量。PLC输入/输出点分配如表3-1、3-2.表3-1 输入点分配输入设备名称 电机启动按钮 停机按钮 液位开关（下） 液位开关（上） 初始化脉冲 运行监视器 二号电磁阀置位开关输入点X000X001 X002 X003 M8002 M8000 X004表3-2 输出点分配 输出设备名称 一号电机星形接通 一号电机三角形接通 二号电机星形
26、接通 二号电机三角形接通 三号电机星形接通 三号电机三角形接通一号电磁阀 二号电磁阀 三号电磁阀 一号电磁阀指示灯 二号电磁阀指示灯 三号电磁阀指示灯输出点Y000 Y001 Y010 Y011 Y020 Y021 Y002 Y003 Y004 Y005 Y006 Y007 8 硬件设计系统梯形图如图3-3所示。 图3-3 PLC外部连接图3.3.3 电机启动三相异步电动机在起动过程中，会产生很大的启动电流（通常选额定电流的倍进行计算）。为了避免电网产生较大的压降，要求启动电流不能太大，同时希望产生足够大的启动转矩。为了降低电压，减小电流，我们采用Y启动，这种启动是最常见也是最常用的一种降压启
27、动电路。Y启动降压启动电路是指电动机启动时，把定子绕组接成星形，以降低启动电压，达到减小启动电流的目的；待电动机启动后，再把定子绕组改接成三角形，使电动机全压运行。故本系统采用降压启动方式，主电路图如图3-4. 图3-4 电机启动主电路图9 湖北科技学院学士学位论文 10软件设计4 软件设计4.1 设计方法根据对自动灌溉控制系统的分析、研究及考虑本人的实际情况，本论文采用了顺序控制设计法。所谓顺序控制，就是按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，在生产过程中各个执行机构自动地有秩序地进行操作。顺序控制设计法又称步进控制设计法。顺序控制设计法最基本的思想是将
28、系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段，这些阶段称为步。步是根据输出量的状态变化来划分的，在任何一步之内，各输出量的ON/OFF状态不变，但是相邻两步的输出量发生了变化。用顺序控制设计法编程的基本步骤是:1分析控制要求。将控制过程分成若干个工作步，明确每个工作步的功能，弄清步的转换是单向进行(单序列)还是多向进行(选择或并行序列)的，确定步的转换条件(可能是多个信号的“与”、“或”等逻辑组合)，必要时可画一个工作流程图。2为每个步设定控制位。控制位最好使用同一个内存单元的若干连续位。若用定时器/计数器的输出作为转换条件，则应确定各定时器/计数器的编号和设定值。3确定所需输入和输出点的点数
29、。确定所需输入和输出点的个数，选择PLC机型，做出I/O分析。4在前两步的基础上画出功能表图、画梯形图5添加某些特殊要求的程序4.2 设计原则自动灌溉系统软件设计应当做到以下几点：精准性：自动化控制不仅可以实现整个系统每组灌水单元精确的启闭时间控制，从时间上保证了整个区域的灌水均匀性和时间的准确控制。高效性：采用自动化控制，让灌水单元在设定好的程序下自动运行，大大节省了人力的开支。节水性：体现在时间的精准控制上自动停止灌溉，避免长时灌溉所造成水的浪费。 方便性：田间控制器管理一定区域下的灌水操作，只需进行简单的编程或是一键开启操作等等就可以完成这个区域的日常灌水。安全性：自动控制系统，所有管路
30、设施以及控制设施全部安装隐蔽在地下，而且不会有什么人工的管理活动。11 湖北科技学院学士学位论文4.3 系统功能的设计4.3.1 灌溉流程设计A类水生植物：在不同水位，水压不同，当水位位于最低点时液位开关输出信号给PLC，控制X002闭合，一号电磁阀得电开启，一号电磁阀指示灯亮，一号电机先星形连接。2秒后电机三角形连接，一号电机打动水泵1工作，往水池里注水。当水位位于最高点时，液位开关输入信号给PLC，控制X003闭合，同时1号电磁阀断电，1号电磁阀指示灯熄灭，一号电机停止工作，从而水泵1停止运转，往水池里注水停止。A类植物灌溉程序流程如图4-1. 图4-1 A类灌溉流程图 12软件设计梯形图
31、如图4-2. 图4-2 A类灌溉梯形图 13 湖北科技学院学士学位论文B类植物：通过实时钟来实现灌溉系统在规定时间段的启动或断开，在每天23:00二号电磁阀开启，二号电磁阀指示灯亮，2号电机启动，带动水泵2工作，到了23:30，二号电磁阀断开。二号电机停止运转，从而水泵2停止工作，停止对B类植物浇灌。在每天6：00二号电磁阀开启，二号电机转动带动水泵2工作，延续到6:30，二号电磁阀断开，二号电机停止运转。控制喷头1在6:00-6:30喷水。B类植物灌溉流程如图4-3. 14 图4-3 B类灌溉流程图软件设计因早上和晚上的的模式相同，故只列举23:00-23:30之间的的梯形图，梯形图如4-4
32、.图4-4 B类灌溉梯形图（23:00-23:30） 15 图湖北科技学院学士学位论文C类植物：通过实时钟来实现灌溉系统在规定时间段的启动或断开，每隔一天的晚上23:00灌溉一次，这里用两个计数器已达到延时10分钟的目的，这样就达到了每次浇灌10分钟的目的。每隔一天即隔48小时候的23:00喷头2在此喷水。三号点击运转带动水泵3工作，控制喷头2，浇灌C类植物。这里关键是把计数器作为时间继电器用。C类植物灌溉程序流程如图4-5. 16 图4-5 C类灌溉流程图软件设计C类灌溉梯形图如图4-6所示。 17 湖北科技学院学士学位论文 图4-6 C类灌溉梯形图图中M8012 为特殊辅助继电器。M801
33、2为100ms 时钟脉冲继电器。由计数器C0与M8012的组合，使计数器产生计时功能。 18软件设计 采用1号，2号，3号水泵分别控制水管，喷头1，喷头2，以控制浇灌三种植物，实时钟信号和液位传感器信号输入PLC，通过继电器控制水泵1，水泵2，水泵3在设定时间的启停，从而控制灌溉三种不同的植物。总体程序流程图如图4-7. 图4-7 自动灌溉系统流程19 湖北科技学院学士学位论文4.3.2 电机启动设计电机按照要求执行Y启动，启动梯形图如图4-8.图4-8 电机启动梯形图20PLC的调试与程序的仿真5 PLC的调试与程序的仿真由于PLC是专门为工业生产环境设计的控制装置，因此一般不需要采取什么特
34、殊措施，就可以直接在工业环境中使用。但环境过于恶劣、电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，都将不能保证PLC正常、安全、可靠的运行。因此，讨论PLC设计调试就具有十分重要的意义。本设计在对采取先分部模拟仿真然后将总程序进行模拟仿真度的方法。仿真软件为GX Simulator仿真软件。5.1 PLC控制的安装与布线1、 输入接线（1）输入接线一般不要超过30m。但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。（2）输入、输出线不能用同一根电缆，输入、输出线要分开。（3）利用普通二极管恰当的串接在PLC输入回路中，防止信号干扰，使PLC输入信号大大增强。2、电源接线电源是PLC引入干扰的主要途径之一，PLC应尽可能取用电压波动较小、波形畸变较小的电源，这对提高PLC的可靠性有很大帮助。PLC的供电线路应与其他大功率用电设备或强干扰设备（如高频炉、弧焊机等）分开
