畢業(yè)設(shè)計采用PLC控制方式來實(shí)現(xiàn)智能化施肥灌溉

1、 1 緒 論 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，各種各樣的農(nóng)產(chǎn)業(yè)、蔬菜瓜果在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了很多不便和浪費(fèi)，而智能化施肥灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計通過實(shí)際應(yīng)用帶動生產(chǎn)。通過智能化施肥灌溉不僅能節(jié)水、節(jié)肥，還可以提高肥料利用率，同時智能化的作用讓其更方便簡單，減少不必要的勞動力損耗，和傳統(tǒng)的施肥灌溉有很大的變化，綜合作用更強(qiáng)、更可靠。施肥灌溉是將施肥與灌溉結(jié)合在一起的一種先進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù)，它是通過壓力灌溉系統(tǒng)，配合使用固體或液體肥料，從而產(chǎn)生含有作物營養(yǎng)需求的灌溉水進(jìn)行施肥灌溉。1.1 智能化施肥灌溉的提出在當(dāng)今社會中，農(nóng)業(yè)的發(fā)展必不可少，所以降低損失提高產(chǎn)物量是迫在眉睫的。由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平落后，很多農(nóng)民澆地一般都采用大水漫灌，這

2、是一種落后的、粗放的灌溉方式，其缺點(diǎn)較多。一是浪費(fèi)水嚴(yán)重；二是大量多余水滲入地下，導(dǎo)致地下水位升高，水蒸發(fā)量增大，作物產(chǎn)量下降；三是肥料流失嚴(yán)重。漫溉會使水累積在田地里面，不僅浪費(fèi)水源還會導(dǎo)致作物窒息，許多供作物生長的有機(jī)成分溶入水中，滲入地下，造成肥料深層滲漏，讓作物不能吸收所需原料。灌水量較多，致使灌溉成本升高，使有機(jī)肥料不被吸收浪費(fèi)肥料，特別是在蓄水灌溉區(qū)域，浪費(fèi)電力、人力更為突出，現(xiàn)在農(nóng)業(yè)發(fā)展水平對施肥灌溉管理的要求,進(jìn)一步證明農(nóng)作物自動化控制施肥灌溉的必要性。本課題主要是對施肥灌溉及對營養(yǎng)液攝取的研究。 現(xiàn)在采用智能化施肥灌溉技術(shù)控制是一種簡便易行的施肥灌溉方式，這種方式投入資金少，

3、見效快，簡單易學(xué)還方便更好的灌溉施肥。以往的灌溉水每畝次灌水量高達(dá)7080立方米，比實(shí)際作物需水量高出40%左右。土壤是一個復(fù)雜的四維異質(zhì)體，其中包含許多使植物養(yǎng)分失效的因子，無機(jī)化學(xué)肥料施入土壤后，只有部分養(yǎng)分被作物吸收，有的分子或離子以氣態(tài)損失，有的則被土壤固定，有的則隨地下水而流失污染了水源、河流和湖泊。不難想象，這種施肥灌溉方式不僅化肥利用率低造成環(huán)境污染，所浪費(fèi)的肥料和水量也很龐大。 伴隨近年來農(nóng)業(yè)技術(shù)生產(chǎn)水平的發(fā)展，自動化控制是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路。很多新農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)要求產(chǎn)量價值高、技術(shù)水平拓展，希望避免鋪張浪費(fèi)讓先進(jìn)技術(shù)帶動生產(chǎn)。如何提高施肥灌溉的研發(fā)質(zhì)量，縮短設(shè)計周期，降低研發(fā)

4、成本，借助計算機(jī)、plc控制作為新的設(shè)計工具，來進(jìn)行智能化施肥灌溉技術(shù)的研發(fā)，已成為此項技術(shù)控制設(shè)計工作人員密切關(guān)心和研討的問題。1.2 施肥灌溉技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢智能化施肥灌溉技術(shù)根據(jù)所需灌溉施肥的農(nóng)產(chǎn)物不同，可以分為幾類其目的都是將水源和肥料灌進(jìn)農(nóng)作物中。能使農(nóng)作物獲得所需的水分肥料補(bǔ)充，所以得到了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)行業(yè)中的廣泛認(rèn)可，相信在不久此項技術(shù)將會普遍得到農(nóng)業(yè)行業(yè)的推廣，農(nóng)產(chǎn)業(yè)也將會上升一個階段。在我國施肥灌溉技術(shù)的發(fā)展始于1974年，隨著科學(xué)技術(shù)的推廣，這種施肥灌溉技術(shù)在不斷的發(fā)展進(jìn)步。智能化施肥灌溉系統(tǒng)是通過plc可編程控制器進(jìn)行施肥灌溉，把農(nóng)作物生長發(fā)育的兩個基本因素水分和養(yǎng)分

5、相結(jié)合起來建立施肥和灌溉的技術(shù)系統(tǒng)。該技術(shù)從研發(fā)到投入生產(chǎn)使用都經(jīng)歷了一個漫長時期的推敲與考驗(yàn)，幾經(jīng)研究后，因其技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中能節(jié)水、省肥、省工、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的重要組成部分，在發(fā)達(dá)國家的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可或缺。 1.2.1 施肥灌溉技術(shù)的歷史 近30年來，智能化施肥灌溉技術(shù)在研制過程中采用plc程序來控制可未是做到了精益求精。此項技術(shù)從歷史發(fā)展至今大體經(jīng)歷了三個相對來說較重要的階段：第一階段（1974-1980年）：進(jìn)行國內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備的研制，開展了相應(yīng)的施肥灌溉應(yīng)用試驗(yàn)。1980年我國第一代成套設(shè)備誕生。 第二階段（1981-1996年）：引進(jìn)國外先進(jìn)工藝技術(shù)，設(shè)備

6、國產(chǎn)規(guī)?；a(chǎn)基礎(chǔ)逐漸形成。該技術(shù)由開始的小面積應(yīng)用到較大面積的推廣，試驗(yàn)研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，被農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的很多人認(rèn)可。 第三階段（1996年至今）：由于此技術(shù)的實(shí)用性，這種施肥灌溉技術(shù)的理論及技術(shù)的應(yīng)用日趨被重視，很多地方根據(jù)各自的情況開展了技術(shù)研討和技術(shù)培訓(xùn)班，施肥灌溉技術(shù)已在大面積推廣。1.2.2 施肥灌溉技術(shù)的現(xiàn)狀施肥灌溉作為一種新的模式，最適合于中國目前水資源缺乏的現(xiàn)狀。近年來，中歐美地區(qū)的農(nóng)產(chǎn)業(yè)變化較大。從歐美市場對施肥灌溉技術(shù)的需求狀況來看當(dāng)前國內(nèi)外對施肥灌溉技術(shù)的研究也在抓緊。從2010年開始，中國西南部遭遇了特大干旱后農(nóng)產(chǎn)業(yè)量已大幅度下降，2011年春季和夏季，季節(jié)的輪回

7、中國的北部以及周邊多個地方，還有湖北、湖南、江西、安徽及長江中上下游素來以水鄉(xiāng)著稱的城市，又分別遭遇了2次特大干旱。中國最大的內(nèi)湖鄱陽湖又干涸見底，田地干裂、莊稼幾近顆粒無收，旱情越來越嚴(yán)重?zé)o不讓人觸目驚心。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中采用的灌溉方式過于落后，輸水渠道大部分是土渠，工程巨大和配套不全，利用率較少，當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)用水的利用率只有少數(shù)40%，也就是說，農(nóng)業(yè)用水的一半以上60%的水資源就被浪費(fèi)掉了。在面對嚴(yán)重旱情的面前，農(nóng)業(yè)中的節(jié)水和大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為中國未來農(nóng)業(yè)發(fā)展中的重中之重了。用plc把施肥與灌溉相結(jié)合，水肥一體化新技術(shù)已作為一項革命性的措施，是解決我國農(nóng)業(yè)的根本性措施。自2002年以來

8、，農(nóng)業(yè)部把該技術(shù)引入到農(nóng)產(chǎn)業(yè)蔬菜瓜果、果樹等作物的栽培管理生產(chǎn)中，作為節(jié)水施肥灌溉發(fā)展的一個重要過程，并被公認(rèn)為是當(dāng)今世界上提高水肥資源利用率較高的最佳技術(shù)。從低級到高級，從簡單到復(fù)雜，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和對控制精度要求的不斷提高，該控制技術(shù)也將迅速發(fā)展，當(dāng)前采用基于plc 的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。1.2.3 施肥灌溉技術(shù)的發(fā)展趨勢 當(dāng)前，應(yīng)農(nóng)業(yè)需要社會開始參與和關(guān)注高效的施肥灌溉技術(shù)了。施肥灌溉的實(shí)質(zhì)就是“適合灌溉施肥的肥料+正確科學(xué)的施肥方法+節(jié)約用水”，農(nóng)業(yè)若能達(dá)到這樣會有很好的的發(fā)展前景。而智能化施肥灌溉技術(shù)在施肥灌溉過程中，配合各個地區(qū)區(qū)域特征、氣候特征及種子品種、耕作方法、施肥配套設(shè)備等

9、，全面開展這項系統(tǒng)工程，真正做到了“水從管來，肥隨水走，省肥省水，均衡高效，作物品質(zhì)好”的效果處理能力也較強(qiáng)。如果通過智能化施肥灌溉這套方法科學(xué)規(guī)范的操作，可以實(shí)現(xiàn)將市場上現(xiàn)有的優(yōu)質(zhì)復(fù)合肥和農(nóng)民的設(shè)施結(jié)合起來，既降低成本，又能最大化提高肥料利用率。智能化施肥灌溉技術(shù)除了向大中地區(qū)發(fā)展之外，還向很多農(nóng)業(yè)需求生產(chǎn)精良、可靠性良好、產(chǎn)量高及自動控制技術(shù)先進(jìn)等方向發(fā)展，此外還拓寬領(lǐng)域，發(fā)展多用途的新設(shè)備。采用全自動的施肥灌溉、自主運(yùn)行、plc計算機(jī)控制等，從而可適合遠(yuǎn)程操作。近年來除對農(nóng)業(yè)要求較高的地區(qū)在重視這一類智能化施肥灌溉技術(shù)，還有很多小農(nóng)家也在開始使用這一類智能化施肥灌溉技術(shù)，這表明智能化施肥

10、灌溉技術(shù)已相對成熟和穩(wěn)定。其共同的技術(shù)特點(diǎn)是根據(jù)不同農(nóng)業(yè)的種類、不同地區(qū)土質(zhì)、不同生產(chǎn)要求向多樣化發(fā)展，從而滿足農(nóng)業(yè)用戶的需求。1.3 小結(jié)對智能化施肥灌溉提出、歷史、現(xiàn)狀、發(fā)展前景等進(jìn)行了敘述。說明了在農(nóng)業(yè)發(fā)展中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)選擇方式上，智能化施肥灌溉技術(shù)已超過傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的很多倍，優(yōu)點(diǎn)較明顯，便于生產(chǎn)操作。在不同的場合下，智能化施肥灌溉技術(shù)可以作為增產(chǎn)量的一種新設(shè)備，不僅高效還省時省力，而且能讓投資少，使用在農(nóng)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)時比傳統(tǒng)的方便的多。2 智能化施肥灌溉控制系統(tǒng)介紹智能化施肥灌溉技術(shù)是針對現(xiàn)代設(shè)計栽培技術(shù)中的自動施肥灌溉系統(tǒng)進(jìn)行研究與開發(fā)。該設(shè)備能達(dá)到自動施肥灌溉以及營養(yǎng)自動混合等功能。本章

11、針對一些相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行介紹。2.1 智能化控制系統(tǒng)思想介紹2.2.1 plc控制的思想理論plc控制系統(tǒng)與通常的連續(xù)控制系統(tǒng)的差別在于：控制規(guī)律由計算機(jī)來實(shí)現(xiàn)?？梢詫?shí)現(xiàn)過去連續(xù)系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)的更為復(fù)雜的控制規(guī)律。plc控制系統(tǒng)理論主要包括連續(xù)模型及性能指標(biāo)的離散化、性能指標(biāo)函數(shù)的計算。采樣控制系統(tǒng)的仿真、采樣周期的選擇、數(shù)字信號整量化效應(yīng)的研究。 本設(shè)計是以plc控制智能化施肥灌溉系統(tǒng)的，驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)行的模型來模擬實(shí)現(xiàn)智能化施肥灌溉的過程。在整個運(yùn)行過程中plc為控制執(zhí)行元件來驅(qū)動工作臺運(yùn)行，其傳動部件為高精度絲杠傳動。運(yùn)行時plc會接收和分析操作人員在命令鍵盤上的輸入指令，做出合理的工作安排。即讀

12、取執(zhí)行元件的信息，通過軟件做出合理的工控安排，反饋到執(zhí)行元件和操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化施肥灌溉。系統(tǒng)能夠采集、監(jiān)測、決策，本設(shè)計所應(yīng)達(dá)到的具體功能如下：plc根據(jù)命令實(shí)現(xiàn)自動施肥灌溉系統(tǒng)運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)束后自動返回原點(diǎn)，等待下一個存放命令。當(dāng)系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中發(fā)現(xiàn)其它意外等，可以點(diǎn)擊急停按鍵，此時系統(tǒng)會立即停止運(yùn)行并保持原位置。該系統(tǒng)可以看成三個主要理論領(lǐng)域的交叉或會合，即:人工智能 、運(yùn)籌學(xué) 、控制理論。由于控制系統(tǒng)的工作環(huán)境比較惡劣，必須可靠性高，抗干擾性好，可躍期不間斷運(yùn)行；要求控制具有實(shí)時性。推廣計算機(jī)先進(jìn)技術(shù)普及應(yīng)用的可編程序控制器(plc) ，利用具有智能io模塊的plc，將順序控制和過程

13、控制結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。廣泛使用智能調(diào)節(jié)器，不僅可以接受420ma電流信號，還具有異步串行通訊接口，可與上位機(jī)連成主從式測控網(wǎng)絡(luò)。采用先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)為基礎(chǔ)的控制結(jié)構(gòu)，并采用先進(jìn)的控制策略，向低成本綜合自動化系統(tǒng)的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制。 2.2.2系統(tǒng)的特點(diǎn)通過對系統(tǒng)時間或土壤水分的自動監(jiān)測、采集、判斷，實(shí)現(xiàn)施肥灌溉的自動化控制。智能化施肥灌溉由中央計算機(jī)、水泵、電磁閥、土壤水勢傳感器、ph酸堿度傳感器、ec電導(dǎo)率傳感器等組成的控制系統(tǒng)。智能化施肥灌溉試驗(yàn)區(qū)的組成和管線分布管采用中50鋼管，其上端裝1個電磁閥， 1個手動閘閥，這兩個閥在整個試驗(yàn)基地中起分流作用，使水流進(jìn)入施肥灌

14、溉試驗(yàn)區(qū)。同時對后面設(shè)備可起保護(hù)作用；設(shè)有節(jié)水中心控制室，室內(nèi)放置一些試驗(yàn)儀器以及控制設(shè)備等。建一個試驗(yàn)站的泵房，泵房內(nèi)是供水系統(tǒng)，裝有水泵一臺，實(shí)現(xiàn)對水泵、管道等設(shè)備恒壓控制。其優(yōu)點(diǎn)如下：1.可靠性高和可維修性好。 2.環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。 3.控制的實(shí)時性。 4.完善的輸入輸出通道。 5.豐富的軟件。 6.適當(dāng)?shù)挠嬎銠C(jī)精度和運(yùn)算速度。2.2 系統(tǒng)的設(shè)計思路及其原理2.2.1 設(shè)計思路罐里的高濃度肥液經(jīng)過初級過濾器由施肥泵注入到灌溉主水管道中，但進(jìn)入主水管道之前須通過精密過濾器進(jìn)行二級過濾過濾器自動反沖洗有兩種控制方式，一種為自動控制，一種為計算機(jī)手動控制。自動控制是利用差壓開關(guān)監(jiān)測過濾器進(jìn)、出口

15、兩端差壓當(dāng)過濾器由于堵塞。兩端差壓達(dá)到設(shè)定值時，立即中斷當(dāng)前的工作，對過濾器組依次進(jìn)行反沖洗，沖洗時間長度可任意設(shè)定，沖洗完畢，恢復(fù)系統(tǒng)原來的運(yùn)行狀態(tài)。過濾器反沖洗手動控制：當(dāng)認(rèn)為過濾器需要反沖洗時，通過啟動反沖洗程序界面上的啟動鍵，隨時可進(jìn)行過濾器的反沖洗，沖洗方式與自動控制相同。 采用電導(dǎo)率測量儀檢測主水管道中的肥液濃度，將檢測得到的濃度值輸入到plc與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)差值信號來調(diào)節(jié)施肥量，使管道中的濃度值與設(shè)定值保持一致。酸堿度的調(diào)節(jié)與肥滾濃度調(diào)節(jié)類似在主水管道上安裝設(shè)計的混肥器，使肥液與灌溉水充分混合。自動施肥灌溉控制系統(tǒng)是獨(dú)立予灌溉系統(tǒng)之外的一個模塊，安裝、維護(hù)比較方便。 圖2-

16、1 自動施肥灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2.2.2 工作原理 智能化施肥灌溉分為人工干預(yù)、定時定量、條件控制三種灌溉控制方式。不論哪一種控制方式，當(dāng)達(dá)到灌溉開始條件時，先打開田間閥和主控閥，然后啟動水泵，開始進(jìn)行灌溉。計算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)選定的配方和已設(shè)定好的營養(yǎng)液ph、ec值，利用注肥器進(jìn)行水肥混合，同時在線實(shí)時監(jiān)測混合營養(yǎng)液的ph、ec值，根據(jù)ph、ec設(shè)定值與檢測值之間的偏差來調(diào)整混肥閥的注肥頻率，在短時間內(nèi)使?fàn)I養(yǎng)液的檢測值和設(shè)定值之差達(dá)到允許的范圍內(nèi)。當(dāng)一組閥門灌溉結(jié)束時，打開下一組閥門，再關(guān)閉正在灌溉的閥門(水泵一直處于運(yùn)行狀態(tài))。當(dāng)所有需要灌溉的田間閥施肥灌溉完畢，先關(guān)閉水泵，再關(guān)閉主控閥和田間閥，

17、這樣一個灌溉過程結(jié)束。 該系統(tǒng)的工作原理：開啟總啟動按扭后，定時器開始計時，到設(shè)定時間后電磁閥a打開，一臺水泵工作，這時可進(jìn)行施肥灌溉，隨后一段時間內(nèi)，電磁閥a和b同時工作。隨后停止灌溉一段時間。之后重復(fù)這一過程，計數(shù)器計一次數(shù)。計若干次后停止。每天施肥灌溉時間可以設(shè)定，用計數(shù)器使系統(tǒng)自動循環(huán)。選用kml、km2為交流接觸器，分別通過繼電器連接到水泵a和水泵b。kml、km2組成順序起動控制線路。水泵a起動后，水泵b才能起動。按下停止按鈕sbl，兩水泵同時停止。如遇到施肥量或土壤濕度達(dá)到一定的程度時，施肥量傳感器或土壤濕度傳感器給plc信號，plc程序使施肥灌溉停止并報警。程序見附錄一。 2.

18、2.3 施肥灌溉系統(tǒng)概述 為實(shí)現(xiàn)綜合環(huán)境控制的目標(biāo)，自動施肥灌溉系統(tǒng)還具有控制其他環(huán)境因子的能力，如溫度，co2濃度、空氣濕度等。水肥灌溉是將要施加給農(nóng)作物的養(yǎng)分，形成高濃度的營養(yǎng)母液，在農(nóng)作物需要施加營養(yǎng)液時，便可以將營養(yǎng)液混合到灌溉水中，再配以防止?fàn)I養(yǎng)液堿性過高或者過低而添加酸或者堿。形成農(nóng)作物需要的營養(yǎng)液，通過plc灌溉系統(tǒng)網(wǎng)輸送給農(nóng)作物以實(shí)現(xiàn)施肥灌溉。當(dāng)施肥灌溉時，其就在內(nèi)部之間受到壓力等力作用而開始灌溉，施肥與灌溉在一定程度下向外排出，完成了整個過程。智能化施肥灌溉系統(tǒng)，不同于傳統(tǒng)的施肥灌溉方法，傳統(tǒng)的施肥灌溉是直接用電動機(jī)把水灌溉到農(nóng)田，讓水自己滲透到土壤中或者是人工直接灌溉到農(nóng)作

19、物上。采用plc來控制時能充分考慮施肥灌溉方面所需的因素，灌溉方面：土壤質(zhì)地、土壤含水量、灌溉上限、灌溉下限、土壤濕潤比，降水量，作物需水量、作物需水規(guī)律等；施肥方面：土壤質(zhì)地、土壤肥力水平、土壤速效養(yǎng)分，作物養(yǎng)分吸收規(guī)律、目標(biāo)產(chǎn)量，有機(jī)肥施用量（老日光溫室）、肥料品種、肥料利用律（養(yǎng)分施吸比）等； 圖2-2 系統(tǒng)的設(shè)置畫面 圖2-3 施肥灌溉田間工作示意圖2.3 控制要求 灌溉管網(wǎng)構(gòu)成了施肥灌溉系統(tǒng)的骨架，灌溉區(qū)是為特定需求而將施肥灌溉系統(tǒng)劃分的不同灌溉單元。施肥灌溉系統(tǒng)可以是由一個泵和一個主管道及幾個支管、閥門構(gòu)成的簡單的系統(tǒng)，也可能是由很多個泵或泵站和很多個主管及很多個灌溉區(qū)構(gòu)成的復(fù)雜的

20、灌溉系統(tǒng)，還可能是由許多個獨(dú)立的簡單灌溉系統(tǒng)構(gòu)成多灌溉系統(tǒng)。這就要求灌溉控制系統(tǒng)具有最大靈活性和兼容性，既可以控制簡單的灌溉系統(tǒng)，又可以滿足復(fù)雜的系統(tǒng)或不同系統(tǒng)構(gòu)成的施肥灌溉網(wǎng)絡(luò)的控制要求。 智能化施肥灌溉系統(tǒng)要能夠滿足不同水源條件，可以調(diào)控不同施肥灌溉設(shè)計所要求的壓力和灌水流量。采用群井控制、多級泵站控制、不同流量自動調(diào)節(jié)控制，壓力自動調(diào)節(jié)等不同類型的過濾系統(tǒng)自動反沖洗控制。由多個灌溉管網(wǎng)控制程序，根據(jù)實(shí)際情況應(yīng)用這些程序組合為不同要求的灌溉系統(tǒng)；再由各個分區(qū)控制程序，每個分區(qū)可以是一個獨(dú)立的系統(tǒng)，也可以是系統(tǒng)的一部分。3 施肥灌溉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和硬件選擇3.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)3.1.1 系統(tǒng)的基本

21、構(gòu)成智能化施肥灌溉控制系統(tǒng)的構(gòu)成：計算機(jī)- 不同通訊方式 -可編程控制器-控制電纜或無線電 -田間控制單元- 控制命令管或電纜 -灌溉閥門 1.計算機(jī)：用于與控制器進(jìn)行實(shí)時通訊，提供操作簡單的動態(tài)運(yùn)行界面，數(shù)據(jù)信息長期存儲，作為網(wǎng)絡(luò)化控制的服務(wù)中心。 2.可編程控制器：可編程自動控制器是整個自動控制系統(tǒng)的核心部分，相當(dāng)于整個控制系統(tǒng)的“大腦”。它執(zhí)行整個施肥灌溉系統(tǒng)程序的運(yùn)行和操作，數(shù)據(jù)的采集存儲，系統(tǒng)的報警監(jiān)控等。 3.田間電動控制閥門：通過控制電纜連接到可編程控制器，根據(jù)可編程控制器上設(shè)置的施肥灌溉程序自動執(zhí)行來自控制器的命令，實(shí)現(xiàn)灌溉的自動啟動和關(guān)閉。 4.自動施肥系統(tǒng)：根據(jù)不同的配方施

22、肥要求在可編程控制器上設(shè)置相應(yīng)的施肥程序，通過施肥泵、電動脈沖式施肥泵或其他肥料注射裝置，自動地向施肥灌溉系統(tǒng)按比例均勻施加肥料溶液。通過這種自動施肥系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確可控的施肥灌溉一體化的灌溉方式，從而達(dá)到真正的水肥耦合效應(yīng)，大大提高水肥利用效率，充分滿足作物生長需要。 5.自動控制配電箱：用于施肥灌溉控制系統(tǒng)中的控制終端設(shè)備，如水泵，電機(jī)等設(shè)備的自動化控制。 6.不同規(guī)格的控制電纜：控制命令和數(shù)據(jù)信號的傳輸工具，用于連接自動控制系統(tǒng)內(nèi)部的所有構(gòu)成設(shè)備。 7.無線電發(fā)送接受裝置：專業(yè)化設(shè)計的無線控制模塊，用于無線控制模式。 8.供電電源穩(wěn)壓裝置和雷電保護(hù)裝置：自動灌溉施肥控制系統(tǒng)為可編程控制器

23、和各個控制輸出設(shè)備配備了先進(jìn)的電源穩(wěn)壓裝置和雷電保護(hù)裝置，盡可能減少對控制系統(tǒng)的影響，以便于控制系統(tǒng)能夠在惡劣的環(huán)境條件下正常地運(yùn)行。 9.傳感或信號輸入設(shè)備：系統(tǒng)用于監(jiān)控灌溉系統(tǒng)運(yùn)行狀況的傳感設(shè)備，提供控制條件或運(yùn)行數(shù)據(jù)的傳感器或信號輸入設(shè)備。3.1.2 系統(tǒng)的控制模式由于農(nóng)田灌溉系統(tǒng)的地形、布局、規(guī)模大小等因素的影響，控制系統(tǒng)應(yīng)該具有滿足不同條件的控制連接模式，使自動化控制能夠簡單、經(jīng)濟(jì)、有效地實(shí)現(xiàn)。該控制系統(tǒng)提供了三種控制連接模式： 多電纜連接控制模式：最普通的控制模式，系統(tǒng)中每一個控制設(shè)備需要通過一根獨(dú)立的控制電纜接入控制器。適用于距離短，連接無障礙的情況。 單電纜連接遠(yuǎn)程控制模式：通

24、過同一根電纜可以連接64個遠(yuǎn)程控制單元，每一個遠(yuǎn)程控制單元安裝在距離控制設(shè)備較近的地方來控制設(shè)備的運(yùn)行。適用于控制設(shè)備距離遠(yuǎn)，分布不規(guī)則的系統(tǒng)。無線遠(yuǎn)程控制模式：通過無線電通訊將遠(yuǎn)程控制單元連接起來，每個無線遠(yuǎn)程控制單元安裝在距離控制設(shè)備較近的地方來控制設(shè)備的運(yùn)行。適用于有電纜鋪設(shè)障礙的情況。圖3-1 無線遠(yuǎn)程控制模式3.2 系統(tǒng)的主要設(shè)備及規(guī)格3.2.1 主要設(shè)備介紹 系統(tǒng)的主要控制設(shè)備及功能介紹如下： 報警輸出設(shè)備，當(dāng)出現(xiàn)灌溉施肥運(yùn)行錯誤時，系統(tǒng)自動停止或報警；過濾器，能反沖洗操作；泵，用以運(yùn)行注肥器以及將營養(yǎng)液注入灌水管道；管道壓力保護(hù)設(shè)備，用于檢測灌溉壓力的水壓進(jìn)行保護(hù)；邏輯控制條件，

25、包括終端連接端子的電動控制配電柜；灌溉管道，灌溉系統(tǒng)進(jìn)水和出水所需要的灌水管道；通用計量表，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的作物用量保證了精確的肥料施用量；施肥中心，用戶可以通過控制器鍵盤或中心計算機(jī)在控制器上直接進(jìn)行灌溉施肥程序的設(shè)計；傳感器，可實(shí)現(xiàn)依據(jù)土壤濕度，蒸發(fā)量，降雨和太陽輻射自動調(diào)節(jié)和控制灌溉施肥；監(jiān)測單元，用來與控制器相連的輸出信號轉(zhuǎn)換發(fā)送裝置，包括一個大的液晶顯示器，電流絕緣隔離裝置，以及一個用于快速、簡便校定的鍵盤。 表3.1 主要設(shè)備類型和數(shù)量灌溉控制設(shè)備每個控制器允許的最大數(shù)量 灌溉輸水管道70 灌溉主閥門 70 灌溉閥門100 灌溉區(qū)域100 水表20 虛擬水表30 肥料泵30 肥料表1

26、0 施肥中心30 水泵4 水泵組/泵站15 過濾器20 過濾器站15 傳感器20 報警輸出設(shè)備20 監(jiān)測單元15 氣象站5 管道壓力保護(hù)設(shè)備15 通用計量表15 邏輯控制條件203.2.2 控制器的規(guī)格機(jī) 罩：由堅固的,可抵抗惡劣氣候的強(qiáng)化塑料制成尺 寸: 高-365 mm 寬-150 mm 厚-270 mm重 量: 4.0 公斤系統(tǒng)控制輸入: 具有8-200 個“開-關(guān)”型數(shù)字輸入接口系統(tǒng)控制輸出: 具有8-256 個開關(guān)量輸出接口, 可連接電磁閥或繼電器傳感器輸入： 8-256 個傳感器接入容量電源: 110 伏或230 伏交流電, 功率80-100 瓦.數(shù)據(jù)備份: 控制器主板上固化式的只

27、讀內(nèi)存可以存儲、備份數(shù)據(jù)，由1枚鋰電池 為其提供工作電源, 鋰電池最低使用壽命為5 年.顯示器: 字符型液晶顯示器, 雙行顯示，每行24 字符。用戶使用界面: 包含23個按鍵的輸入鍵盤和內(nèi)置顯示器，同時可以連接電腦使用 動態(tài)圖形顯示界面。 3.3plc的基本結(jié)構(gòu)（1）電源本系統(tǒng)需要的電源有兩種，即：交流24v50hz，為電磁閥和繼電器供電；直流24v對土壤水分傳感器、采集模塊、輸出模塊和通信模塊供電。為給系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的工作電壓，對于交流24v電源選擇控制變壓器，而直流24v電源則選用線性開關(guān)電源。其輸入電壓可為110220380v，輸出為24vdc，3a。 圖3-2 供電電源此外，為保護(hù)系

28、統(tǒng)硬件設(shè)備不易被損壞，在系統(tǒng)總輸入電源前加一個單相高精度全自動交流穩(wěn)壓器tnd1000va，具有延時、過壓、欠壓及過流等保護(hù)功能。該穩(wěn)壓器對交流220v電源可控制精度在3以內(nèi)，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。選擇了一個中間繼電器，在p24、fw端子之間連接一對常開開關(guān)觸點(diǎn)，通過對繼電器的電磁線圈通電，斷電，即可控制變頻器啟，停。(2)中央處理單元(cpu)中央處理單元(cpu)是plc的控制中樞。它按照plc系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、i/o以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當(dāng)plc投入運(yùn)行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的

29、狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入i/o映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入i/o映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將i/o映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行(3)采集模塊土壤水分傳感器的輸出是電壓信號，但計算機(jī)并不能直接識別模擬信號，必須經(jīng)過模擬量輸入通道，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，才能被計算機(jī)接收。為提高系統(tǒng)的采集速度、精度以及可靠性，并縮短開發(fā)周期，選用了遠(yuǎn)程模擬量輸入模塊，有差分信號輸入，分辨率高，精度準(zhǔn)確、支持通信接口。另外這個模塊還要設(shè)計特殊的過電壓和防靜

30、電破壞的保護(hù)電路。采集模塊管腳接法如圖3-3所示。圖3-3 采集模塊管腳接法圖(4)輸入輸出模塊計算機(jī)輸出的信號是數(shù)字信號，不能直接控制電磁閥和繼電器(控制變頻器)，因此選擇了繼電器輸出模塊。其具有常開繼電器輸出，基于總線接口與計算機(jī)通信，輸出量直接控制電磁閥和繼電器動作。包括模擬量輸入(ai)通道、模擬量輸出(ao)通道、數(shù)字量(或開關(guān)量)輸入(di)通道、數(shù)字量(或開關(guān)量)輸出(do)通道。一是將生產(chǎn)過程的信號變換成主機(jī)能夠接受和識別的代碼；二是將主機(jī)輸出的控制命令和數(shù)據(jù)，經(jīng)變換后作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)或電氣開關(guān)的控制信號。 (5)控制電路本系統(tǒng)需要控制的設(shè)備包括電磁閥、繼電器。這種通過硬件真接手動

31、使控制回路接通的方式，就稱之為“硬手動”模式。通過上位機(jī)決策軟件自動產(chǎn)生的控制指令，控制模塊開關(guān)閉合斷開，對系統(tǒng)達(dá)到自動控制目的的方式稱為“自動”控制模式。(6)通信模塊本系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)采用總線方式用平衡傳輸技術(shù)，允許多個設(shè)備“掛”接在總線上，具有通信可靠性高，傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。為采集模塊、輸入輸出模塊與計算機(jī)提供通信接口。整個系統(tǒng)的是通過土壤水分傳感器感測現(xiàn)場的土壤含水量，傳感器輸出的模擬電信號經(jīng)ad模塊采集后將數(shù)據(jù)上傳到計算機(jī)，計算機(jī)再將數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，進(jìn)行灌溉決策，產(chǎn)生灌溉指令并輸出控制信號，再通過do模塊控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)自動施肥灌溉控制。系統(tǒng)配置如下圖所示：圖3-4系統(tǒng)配置圖器

32、件的配置如表3.1所示。 表3.1 主要配置序號名稱規(guī)格及型號數(shù)量1cpu6es7 314-6cf00-0ab01塊2ram卡6es7 952-1ak00-0aa01塊3ps3076es7 307-1ea00-0aa04塊4以太網(wǎng)模塊6es7 343-1ex30-0xe01塊5接口模塊6es7 153-1aa03-0xb04塊6di模塊6es7 321-1bl00-0aa06塊7do模塊6es7 322-1bl00-0aa04塊8ai模塊6es7 331-7kf02-0ab08塊9總線連接器6es7 972-0ba12-0xa05塊10開關(guān)電源ps307-5a3塊11彩色顯示器phlip 21

33、2臺12系統(tǒng)軟件win2000+sp41套13開發(fā)軟件wincc6.01套14運(yùn)行軟件wincc6.02套15編程軟件step71套16ups電源10kva1臺17操作臺2臺18plc柜5臺19現(xiàn)場儀表箱5臺3.4系統(tǒng)的硬件組成 系統(tǒng)中的模擬量分為單端和雙端兩種，其中流量、ph和ec傳感器模擬信號為雙端，土壤水勢傳感器信號為單端。單端和雙端可通過hy-6070采集卡上跳線進(jìn)行選擇。電子控制單元控制電磁繼電器的打開或關(guān)閉狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)水泵和電磁閥門的on/off操作。每片占用一個i/o地址，可控制8個通道。通過輸出操作每個i/o地址和數(shù)字量輸出寄存器，可以逐個改變每個通道的輸出狀態(tài)。硬件包括主機(jī)板:

34、cpu、ram、rom等進(jìn)行數(shù)值計算、邏輯判斷、數(shù)據(jù)處理。此外還有以下幾部分: (1)計算機(jī) 計算機(jī)用來控制施肥灌溉要求很高，要能對施肥灌溉信息進(jìn)行統(tǒng)計、查詢、打印，必須具有可靠性高、抗干擾性強(qiáng)、可長期不問斷運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)有動態(tài)顯示功能； (2)傳感器 傳感器有通斷選擇及校正功能，系統(tǒng)采用xr61-tdr2的型號； 如下圖所示：圖3-5 測土壤水分傳感器 (3)電磁閥 利用正負(fù)電壓來控制閥的開啟和關(guān)閉的。要有省電，消耗能量少的優(yōu)點(diǎn)線路供電適合于交直流供電的電磁閥，電池供電適合于脈沖控制的電磁閥。其中交流和直流控制一般都采用24伏，接線不分正負(fù)。(4)水泵 水泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)需要三相ac38

35、0v，50hz電源供電。在水泵的三相電源前接一臺變頻器，由控制端子控制啟，停先將變頻器控制方式設(shè)為端子方式，再短接變頻器的p24、fw端子，即可啟動變頻器。 3.5 硬件設(shè)計 系統(tǒng)控制硬件選用進(jìn)口的plc和觸摸屏，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為進(jìn)口的電磁閥、水泵，保證了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備如自沖洗過濾器、注肥器、phec監(jiān)測儀實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，降低了系統(tǒng)造價，該系統(tǒng)價格比同類進(jìn)口產(chǎn)品低40左右。根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模、控制對象的特點(diǎn)和技術(shù)要求，采用計算機(jī)集中控制方式。為滿足系統(tǒng)功能，保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，降低整套系的統(tǒng)的造價，在硬件選型時采用中央控制器。系統(tǒng)硬件組成包括組態(tài)軟件，服務(wù)器，hub集線器，網(wǎng)卡。

36、系統(tǒng)運(yùn)行時，先對流量參數(shù)進(jìn)行采集，經(jīng)a/d數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行采集送到cpu進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時把計算機(jī)數(shù)據(jù)和命令傳送給泵和閥門進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)智能化施肥和灌溉的目的。 3.5.1西門子s7-300s7-300系列其系統(tǒng)由基本單元、擴(kuò)展單元、編程器、存儲卡、寫入器、文本顯示器等構(gòu)成。西門子s7-300包括數(shù)字量輸入、輸出模塊；模擬量輸入、輸出模塊以外。另外還有高數(shù)計數(shù)器模塊，以太網(wǎng)通訊模塊，串口通訊模塊，分布式i/o（et200m）等，數(shù)字量輸入一般用于閥門，閘門，位置量的開關(guān)到位反饋，數(shù)字量的輸出一般用于閥門，閘門等開關(guān)控制，當(dāng)然這里的閥門和閘門是指非調(diào)節(jié)型的，而模擬量輸入可以用于可調(diào)節(jié)型閥門閘門的開

37、度反饋，以及向液位，流量，速度等模擬量值的反饋，而輸出則是對上述進(jìn)行控制。本論文采用的是cup314-2dp.3.5.2熱電偶熱電偶是一種感溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo) 準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo) 準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。本文采用em231型號的熱電偶。3.5.3plc模擬量輸入模塊傳感器檢測到溫度轉(zhuǎn)換成041mv的電壓信號，系統(tǒng)需要配置

38、模擬量輸入模塊把電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再送入plc中進(jìn)行處理。在這里，我們選用了西門子em231 4tc模擬量輸入模塊。em231熱電偶模塊提供一個方便的，隔離的接口，用于七種熱電偶類型：j、k、e、n、s、t和r型，它也允許連接微小的模擬量信號(80mv范圍)，所有連到模塊上的熱電偶必須是相同類型，且最好使用帶屏蔽的熱電偶傳感器。 em231模塊需要用戶通過dip開關(guān)進(jìn)行選擇的有：熱電偶的類型、斷線檢查、測量單位、冷端補(bǔ)償和開路故障方向，用戶可以很方便地通過位于模塊下部的組 態(tài)dip開關(guān)進(jìn)行以上選擇。本設(shè)計采用的是k型熱電偶，結(jié)合其他的需要，我們設(shè)置dip開關(guān)設(shè)置起作用，用戶需要給plc的電

39、源斷電再通電。3.5.4io硬件設(shè)施對于不同的io硬件設(shè)施，需通過組態(tài)為其配置相應(yīng)的通信驅(qū)動程序，即可實(shí)現(xiàn)vo設(shè)備與組態(tài)系統(tǒng)之間的通信，從而使通訊程序和組態(tài)構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。這種io驅(qū)動方式既保證了運(yùn)行系統(tǒng)的高效率，也使系統(tǒng)能夠達(dá)到很大的規(guī)模，并且易于維護(hù)。 圖3-6 i/o接線原理圖3.6 plc的簡介可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機(jī)，英文全稱：programmable controller，為了和個人計算機(jī)(pc)區(qū)分，一般稱其為plc?？删幊炭刂破?plc)是繼承計算機(jī)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動化裝置。其性能優(yōu)越，已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。20世紀(jì)60年代，計算

40、機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，但由于價格高、輸入輸出電路不匹配、編程難度大，未能在工業(yè)領(lǐng)域中獲得推廣。1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司(dec)研制出了世界上第一臺可編程序控制器，并應(yīng)用于通用汽車公司的生產(chǎn)線上。自可編程控制器問世以來，發(fā)展極為迅速。如今，世界各國的一些著名的電氣工廠幾乎都在生產(chǎn)可編程控制器?？删幊炭刂破鲝恼Q生到現(xiàn)在經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代，第一代1位處理器，邏輯控制功能；第二代8位處理器及存儲器，產(chǎn)品系列化；第三代高性能8位微處理器及位片式微處理器,處理速度提高，向多功能及聯(lián)網(wǎng)通信發(fā)展;第四代16位、32位微處理器及高性能位片式微處理器，邏輯、運(yùn)動、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)功能的多功能?？删幊炭?/p>

41、制器（plc）具有抗干擾能力強(qiáng)，價格便宜， 可靠性強(qiáng)，編程簡單，易學(xué)易用等特點(diǎn)，在很多領(lǐng)域中深受工程操作人員的喜歡。目前在控制領(lǐng)域中，逐步采用了電子計算機(jī)這個先進(jìn)技術(shù)工具，這已占統(tǒng)治地位。結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好，使用中不必弄清系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，已成為控制領(lǐng)域的常青樹。3.7 plc硬件組態(tài)組態(tài)的主要工作是完成硬件型號參數(shù)設(shè)置、通訊模式選擇、設(shè)定總線地址、傳輸方式、數(shù)據(jù)通訊方式等。使用西門子plc專用編程軟件step 7進(jìn)行組態(tài)。雙擊windows桌面上的simatic管理器圖標(biāo)或通過windows的“開始” simaticsimatic manager菜單命令啟動simatic管理器，如果向?qū)]有自

42、動啟動，請選擇菜單命令filenew project wizard來啟動向?qū)А?圖3-7 啟動窗口 按照向?qū)Ы缑嫣崾?，單擊next按鈕轉(zhuǎn)到下一個對話框。選擇的cpu型號為cpu314c-2 dp，選擇mpi地址的默認(rèn)設(shè)置2.每個cpu都有一些特性，為了使cpu與編程設(shè)備或pc之間進(jìn)行通信，需要設(shè)置mpi地址。單擊next按鈕確認(rèn)設(shè)置，進(jìn)入下一個對話框。圖3-8 選擇cpu型號如下圖所示界面中，選擇需要生成的邏輯塊，至少需要生成作為主程序的組織塊ob1。選擇組織塊ob1，ob1代表最高的編程層次，它負(fù)責(zé)組織s7程序中的其他塊。選擇一種編程語言：梯形圖（lad）、語句表（stl）或功能塊圖（fbd

43、），也可以在以后重新改變編程語言。單擊next按鈕確認(rèn)設(shè)置，進(jìn)入下一個對話框。在出現(xiàn)的對話框project name域中雙擊選中默認(rèn)的名稱，或者輸入新的項目名稱。單擊make按鈕生成項目。當(dāng)單擊make按鈕時，將一同打開simatic管理器和剛剛創(chuàng)建的項目窗口。從這里可以啟動所有的step 7功能和窗口。圖3-7 生成邏輯塊在組件視圖中選擇 simatic 300 站，然后選擇“編輯”(edit) “打開對象”(open object)命令。將打開 hw config。如果硬件目錄不可見，請選擇“視圖”(view) “目錄”(catalog) 命令。步驟如下：1.打開硬件目錄中的“profib

44、us dp”文件夾。2.打開“et 200m”文件夾并選擇“im 153-1”模塊。將該模塊拖放到“dp 主站 系統(tǒng)”(dp master system) 總線。3.打開“屬性 - profibus 接口 im 153-1”(properties - profibus interfaceim 153-1)。單擊“確定”(ok)。單擊硬件目錄中“im 153-1”文件夾左側(cè)的加號。4.打開“ai-300”文件夾。將“sm 331 ai8x12bit”模塊 (6es7 331-7kf01-0ab0) 拖放到im 153-1 組態(tài)表底部的插槽 4 上。關(guān)閉“ai-300”文件夾。5.打開“ao-30

45、0”文件夾。將“sm 332 ao2x12bit”模塊（6es7 332-5hb01-0ab0） 拖放到im 153-1 組態(tài)表底部的插槽 5 上。6.關(guān)閉“ao-300”文件夾。7.打開“di-300”文件夾。將“di16xdc24v”模塊（6es7 321-1bh02-0aa0）拖 放到im 153-1 組態(tài)表底部的插槽 6 上。8.關(guān)閉“di-300”文件夾。9.打開“do-300”文件夾。將“sm 322 do8xdc24v/2a”模塊（6es7 322-1bf01-0aa0） 拖放到 im 153-2 組態(tài)表底部的插槽 7 上。 10. 關(guān)閉“do-300”文件夾。 圖3-8 組態(tài)結(jié)

46、構(gòu)圖4智能化施肥灌溉技術(shù)的軟件設(shè)計 為了提高軟件系統(tǒng)的可靠性、縮短開發(fā)周期以及降低設(shè)計界面的難度。在對智能化施肥灌溉控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)采用了自動化通用組態(tài)軟件，其特點(diǎn)是功能強(qiáng)大，操作簡便，界面美觀，并且支持國內(nèi)外流行的1500多種硬件設(shè)備。4.1軟件設(shè)備組成及設(shè)計 4.1.1 軟件的組成編程軟件是基于windows的應(yīng)用軟件，是西門子公司專門為plc系列設(shè)計開發(fā)的。該軟件功能強(qiáng)大，界面友好，并有方便的聯(lián)機(jī)功能。用戶可以利用該軟件開發(fā)程序，也可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)，該軟件是西門子s7-300。 (1)系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件包括實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)、引導(dǎo)程序、調(diào)度執(zhí)行程序。嵌入式實(shí)時多任務(wù)操作系

47、統(tǒng)vrtxos，除了實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)以外，也常常使用msdos和windows等系統(tǒng)軟件。 (2)支持軟件 支持軟件包括匯編語言、高級語言、編譯程序、編輯程序、調(diào)試程序、診斷程序等。 (3)應(yīng)用軟件 應(yīng)用軟件是系統(tǒng)設(shè)計人員針對某個生產(chǎn)過程而編制的控制和管理程序。它包括過程輸入程序、過程控制程序、過程輸出程序、打印顯示程序和公共子程序等。 4.1.2軟件的設(shè)計該系統(tǒng)分為自動控制模式和手動控制模式。分別由一個總開關(guān)控制和單按鈕開關(guān)控制。自動控制模式：使用前，先設(shè)定施肥灌溉時間，間隔時間、循環(huán)次數(shù)，如不作設(shè)定，則系統(tǒng)按默認(rèn)值工作。開機(jī)后，選擇控制模式，即可以讓系統(tǒng)在無人值守下工作。當(dāng)降雨量達(dá)到一定

48、值，或土壤中水充足時，或供水水管斷流時，系統(tǒng)會發(fā)出聲光信號，提醒操作人員。這時可以按下“消音”按鈕以解除鈴響。直到情況消除，指示燈才停止亮，系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。手動控制模式：在有特殊要求和檢修系統(tǒng)時使用該模式。系統(tǒng)由人工選擇自動還是手動。當(dāng)選擇了自動執(zhí)行，首先檢查程序的時間設(shè)定。如有錯，應(yīng)檢查電磁閥是否打開，設(shè)定時間有無錯誤。如設(shè)定值正確，程序?qū)⑼聢?zhí)行，當(dāng)灌溉過程中遇到下雨或斷水等情況，便會發(fā)生報警，等待報警消音后，方可以繼續(xù)向下進(jìn)行，直到程序結(jié)束。程序用自鎖電路防止接點(diǎn)誤動作。斷電保護(hù)可用plc的記憶功能加以解決。系統(tǒng)設(shè)計流程圖如下： 圖4-1 系統(tǒng)流程圖4.1.3軟件的實(shí)現(xiàn) 在開始安裝的時候是

49、選擇語言界面，有的版本沒有選擇中文的，但可以先選擇其他語言，軟件安裝好之后可以進(jìn)行語言的切換。在安裝的最后，會出現(xiàn)一個界面，按照硬件的配置，我們需要用信電纜，采用通信方式，這個時候在彈出來的窗口中選擇端口地址，通信模式，一般選擇默認(rèn)就可以了。如果想改變編程界面的語言，可在軟件的主界面的工具欄中選擇tools目錄下選擇option選項，在出現(xiàn)的界面中選擇general,然后在右下角就可以選擇中文了。系統(tǒng)塊用來設(shè)置cpu的系統(tǒng)選項和參數(shù)等，系統(tǒng)塊更改后需要下載到cpu中，新的設(shè)置才能生效。需要注意的是，plc的地址默認(rèn)是2，但本設(shè)計中需要用到的地址是1。在整個運(yùn)行期間，plc的cpu以一定的掃描速

50、度執(zhí)行三個階段。具體過程如下： 三個階段輸入采樣階段用戶程序執(zhí)行階段輸出刷新階段 圖4-2 系統(tǒng)運(yùn)行三階段（1） 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，plc以掃描方式依次地讀入所有狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入i/o映象區(qū)中的相應(yīng)單元內(nèi)，輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，i/o映象區(qū)中的相應(yīng)單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 （2） 用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段，plc總是由上而下的順序依次地掃描用戶程序（梯形圖）。在掃描每一條梯形圖時，又總是先

51、掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按照先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)ram存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在i/o映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。 （3） 輸出刷新階段 當(dāng)用戶程序結(jié)束后，plc就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，cpu按照i/o映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，在經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時才是plc真正的輸出。 經(jīng)過現(xiàn)場工程運(yùn)行考驗(yàn)，現(xiàn)已成為可選用的i/o設(shè)備驅(qū)動程序。所有的i/o接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外部電路與plc內(nèi)部電

52、路之間電氣上隔離，使其安全工作。各輸入端均采用rc濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為1020ms；各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。一旦電源或其他硬件等設(shè)備發(fā)生異常情況，cpu立即采用有效的措施，以防止故障擴(kuò)大。plc可以針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號有相應(yīng)的i/o模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備。然后進(jìn)行預(yù)施肥灌溉的閥門分組設(shè)置和如何施肥的施肥配方設(shè)置。智能化施肥灌溉系統(tǒng)通電后，輸入正確的密碼后方可進(jìn)入系統(tǒng)初始的系統(tǒng)主畫面選擇設(shè)置。 圖4-3 施肥灌溉系統(tǒng)用戶登錄界面4.2plc與變頻器的控制過程 根據(jù)控制系統(tǒng)具體功能要求以及為優(yōu)化控制輸出，設(shè)計出智能化施肥灌溉的主程序流程圖，見圖4

53、-4所示。在生產(chǎn)過程中，存在大量的物理量，如壓力、溫度、流量等模擬量參數(shù)。需要通過plc對這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時采集和處理；需要變頻器與外界交換信息的接口，除了主電路的輸入與輸出接線端外，控制電路還設(shè)有許多輸入輸出端子，另有通信接口及一個操作面板，功能碼的修訂一般就通過操作面板完成。同plc一樣，變頻器是一種可編程的電氣設(shè)備。在變頻器接入電路工作前，要根據(jù)通用變頻器的實(shí)際應(yīng)用修定變頻器的功能碼。功能碼一般有數(shù)十甚至上百條，涉及調(diào)速操作端口指定、頻率變化范圍、力矩控制、系統(tǒng)保護(hù)等各個方面。功能碼在出廠時已按默認(rèn)值存儲。圖4-4 軟件控制流程圖4.3總體布局設(shè)計經(jīng)對系統(tǒng)整體分析與規(guī)劃，設(shè)計了一個電氣控制

54、柜。這里對其相關(guān)電氣參數(shù)等不作介紹。其面板布局與柜內(nèi)元器件設(shè)計如圖所示。 圖4-5 面板布局設(shè)計圖圖4-6 控制系統(tǒng)的電氣控制柜實(shí)物圖4.4 參數(shù)的設(shè)置原在一般工作條件下，施肥泵的流量為300 lh，流速v=006 ms取管道直徑d=40 l砌，計算出管道的總長度1=15 m，水的動力黏性系數(shù)v=0110一ms，re=2 400根據(jù)莫迪圖，可知管道沿程損失阻力為003，管道沿程壓力損失為0037 kpa在自動施肥控制系統(tǒng)中，管路系統(tǒng)有出、入口直徑相同的5個90。彎頭，2個三通，一個單向閥，根據(jù)管道局部壓力和損失諾模圖，可知90。彎頭的局部壓力損失為32 kpa，三通的局部壓力損失為069kpa

55、，單向閥的壓力損失為2838 kpa，因此局部壓力損失為028 kp亂在自動施肥控制系統(tǒng)中，其管道系統(tǒng)的總體壓力損失為428 kpa，整個施肥裝置管道的壓力損失較小，結(jié)構(gòu)更優(yōu)化。 保護(hù)地土壤養(yǎng)分含量分級參考指標(biāo)150- 250-400 400，日光照射及施用有機(jī)肥料量多質(zhì)高的情況下，在作物需要的總養(yǎng)分量中應(yīng)扣除當(dāng)年施用的有機(jī)肥料帶入的養(yǎng)分量。根據(jù)了解，有機(jī)肥料中n、p2o5 、k2o的利用率，在華北地區(qū)保護(hù)地栽培條件下可以分別以20%、25%和40%計算；根據(jù)地區(qū)三者的利用率分別為15、15、30上下波動。作為有機(jī)肥料直接還田時，不但不能扣除作物中的養(yǎng)分，還應(yīng)根據(jù)秸稈還田的數(shù)量增施一定量的氮肥。灌水定額公式：i=0.1*(max-0)*r*p*h/i =灌水定額(mm)max =作物土壤含水量上限,以重量百分%計;0=灌前土壤含水量,作物土壤含水量下限,以重量百分%計;r =土壤容重(g/cm3);p=土壤濕潤比；h =計劃土層濕潤深度(cm);=微灌水的利用系數(shù),取=0.950.98。肥料配制公式 設(shè)