灌溉控制系統(tǒng)

1、灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1緒論1.1 課題背景及目的1.1.1 課題背景PLC的發(fā)展伴隨著我國節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展，我國從70年代開始進(jìn)行節(jié)水的地面灌溉技術(shù)的研究和應(yīng)用工作，30多年來取得了顯著的成績，平整土地，推廣小畦灌溉或溝灌是最早采用的改進(jìn)技術(shù)，具有一定的節(jié)水效果，已普遍為農(nóng)民所接受，我國科技工作者也對膜上灌河涌流灌的節(jié)水機(jī)理進(jìn)行了一定的探索，在地面灌溉理論研究方面也取得了進(jìn)展，尤其是畦田規(guī)格，單寬流量灌溉定額等節(jié)水因素優(yōu)化，制定灌溉技術(shù)方案從而節(jié)約用水量，由于改進(jìn)的地面灌溉技術(shù)簡單實(shí)用，易于推廣，對緩解和解決水資源短缺起了很大的作用。雖然我國在地面節(jié)水灌溉方面取得了一定的成就，但仍存在一些問題和

2、需要深化研究的方面，包括地面灌水技術(shù)和節(jié)水機(jī)理，各種節(jié)水地面灌溉技術(shù)的適應(yīng)條件，灌溉均勻度對作物的影響，以及各種改進(jìn)地面灌溉技術(shù)的優(yōu)化組合方式，另外波涌灌溉和激光平地水平畦灌等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用尚屬空白，需要進(jìn)一步研究解決和推廣。當(dāng)前，隨著電氣信息技術(shù)在節(jié)水灌溉工程中的應(yīng)用，發(fā)達(dá)國家如美國、以色列、荷蘭、加拿大、澳大利亞等成功開發(fā)了一系列用途廣泛、功能極強(qiáng)的灌溉控制器。而我國在開發(fā)灌溉自動控制系統(tǒng)方面與發(fā)達(dá)國家差距較大，還處于研制、試用階段，隨著水資源的日趨緊張及信息技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)不僅具有廣闊的市場前景，而且具有巨大的社會效益。在溫室中培育苗木, 適量的灌溉是其中

3、一道很重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。首要的是控制土壤濕度, 既不能使土壤被水浸泡, 又不可長期干旱。灌水量和灌水周期還應(yīng)根據(jù)氣候和用水量進(jìn)行調(diào)節(jié), 以防止土壤濕度突然變化, 影響苗木的生長, 同時要根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕邓闆r確定灌水的間隔和次數(shù)。因此, 要做到定時定量的對其進(jìn)行灌水和循環(huán)控制。目前, 在一些大型的灌區(qū)采用一種用組態(tài)軟件開發(fā)出的節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng) , 但其價格昂貴, 控制元件多, 投資大, 其經(jīng)濟(jì)因素及適用性和針對性對中小型的溫室大棚而言并不適用。因此, 以PLC為控制核心、PC 機(jī)為上位控制機(jī)的溫( 網(wǎng)) 室灌溉自動控制系統(tǒng), 能實(shí)現(xiàn)灌溉的定時、定量控制和循環(huán)控制。滿足中小規(guī)模的溫( 網(wǎng)) 室

4、中灌溉的要求。1.1.2 課題研究目的（1）通過自動噴灌的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使學(xué)生進(jìn)一步熟悉有關(guān)PLC控制的理論知識。（2）掌握PLC的結(jié)構(gòu)、組成、工作原理，掌握根據(jù)控制要求用PLC進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制程序設(shè)計(jì)方案和步驟。（3）熟悉掌握外文資料的查找、閱讀與翻譯。1.2 灌溉控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和研究現(xiàn)狀綜述1.2.1 灌溉控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢隨著可編程控制器技術(shù)的發(fā)展，其發(fā)展趨勢將體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）進(jìn)一步加快CPU的處理速度（2）變革操作控制方式（3）發(fā)展智能化模塊（4）進(jìn)一步提高可靠性（5）提供更方便靈活的編程方法，讓PLC使用更加方便（6）PLC的結(jié)構(gòu)和規(guī)模更趨向兩極分化，即大型

5、化和小型化（7）PLC更加規(guī)范化，標(biāo)準(zhǔn)化（8）加強(qiáng)PLC的聯(lián)網(wǎng)功能（9）PLC存儲容量及存儲特性灌溉技術(shù)改進(jìn)和發(fā)展趨勢主要包括以下幾個方面：（1）采用激光平地等技術(shù)進(jìn)行精細(xì)平地，促進(jìn)田間水均勻分布。（2）田間灌水設(shè)施自動化。（3）研究應(yīng)用地面灌溉自適應(yīng)控制系統(tǒng)，形成灌溉早期入滲速度，行水控制，停水時間和灌溉效率的水管理系統(tǒng)。（4）建立區(qū)域供水管理系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)，PLC等新技術(shù)進(jìn)行水管理，并實(shí)現(xiàn)鐘建輕管向重改重管的改變。1.2.2 灌溉控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀綜述我國把節(jié)水灌溉作為國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要措施和戰(zhàn)略任務(wù)，同時也是建設(shè)幫保護(hù)干旱、半干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境的一條重要途徑，目前，世界上許多工

6、業(yè)國家把PLC的使用作為衡量電氣控制水平的標(biāo)志，PLC匯集了超大規(guī)模集成電路的眾多優(yōu)點(diǎn)，把它應(yīng)用在節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中，能夠簡化硬件結(jié)構(gòu)、提高可靠性、增加靈活性，可收到人們常說的“以軟(件)代硬(件)”的效果，研制和推廣節(jié)水灌溉技術(shù)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需要。我國在開發(fā)灌溉自動控制系統(tǒng)方面與發(fā)達(dá)國家差距較大，還處于研制、試用階段，隨著水資源的日趨緊張及信息技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)不僅具有廣闊的市場前景，而且具有巨大的社會效益。灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)已朝著自動化和智能化的方向發(fā)展，基于PLC的灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，介紹了可編程序控制器(PLC)在節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，系統(tǒng)能根據(jù)用戶

7、要求設(shè)定各灌區(qū)的灌溉順序和灌溉時間，通過內(nèi)置程序把濕度傳感器測定的土壤濕度信號輸入到PLC，與土壤最佳含水量對比，進(jìn)一步控制電機(jī)和電磁閥的啟閉1。近三、四十年科技的發(fā)展，拉開了新的農(nóng)業(yè)技術(shù)革命的序幕。灌溉水管理技術(shù)的應(yīng)用可以減少水在渠系調(diào)配過程中的損失，達(dá)到節(jié)水的目的。該技術(shù)還可以使水量分配合理，增加水量分布的均勻性，因此也是使作物增產(chǎn)增效的有效途徑。以色列、美國、荷蘭等國家對不同作物的灌溉制度進(jìn)行了深入的研究，己取得了豐富的成果，主要體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)信息的獲取和及時處理、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)模擬、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易信息化等。 一、國外研究狀況 國外由于

8、節(jié)水灌溉發(fā)展時間長，電子技術(shù)水平較高，所以與節(jié)水灌溉配套的自動控制系統(tǒng)也較完善和先進(jìn)。節(jié)水灌溉發(fā)達(dá)國家已普遍采用計(jì)算機(jī)控制灌溉系統(tǒng)，用埋在地下的濕度傳感器可以測得土壤濕度信息，還有的智能系統(tǒng)能通過檢測植物莖、果的直徑變化，來決定對作物的灌溉計(jì)劃和灌溉量。在溫室等設(shè)施內(nèi)較多使用小型灌溉控制器，這種設(shè)備通常能控制幾路或十幾路電磁閥，內(nèi)有若干套灌溉管理程序，可預(yù)先設(shè)定灌水開始、結(jié)束時間和灌水間隔時間，操作方便，自動化、智能化控制運(yùn)行精密、可靠，節(jié)省人力，對灌溉過程的控制可達(dá)到相當(dāng)精度。近年來，發(fā)達(dá)國家為滿足對灌溉系統(tǒng)管理的靈活、準(zhǔn)確、快捷的要求，將空間信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)應(yīng)用到節(jié)

9、水灌溉的控制與管理上來，這些技術(shù)是目前節(jié)水灌溉研究的熱點(diǎn)。二、國內(nèi)研究狀況我國的節(jié)水灌溉技術(shù)和設(shè)備自20世紀(jì)50年代從國外引進(jìn)后，由于設(shè)計(jì)、管理及設(shè)備上的一些問題，沒有得到大面積的應(yīng)用，相配套的自動控制系統(tǒng)就更少了。到20世紀(jì)80年代，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源的緊張及國家的重視，節(jié)水灌溉得到了迅猛地發(fā)展，從國外引進(jìn)許多先進(jìn)節(jié)水灌溉設(shè)備，同時我國在滴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)上的研究也取得長足進(jìn)步，但是在自動灌溉控制系統(tǒng)方面仍屬空白，與國外相比，我國技術(shù)還比較落后，基本上還沒有自行研制的成型的自動控制產(chǎn)品。那些引進(jìn)的國外灌溉自動控制設(shè)備，是為國外的具體情況設(shè)計(jì)的，沒有考慮我國的氣候、土壤條件、作物類型等因素

10、，并不適合我國的國情，不能充分發(fā)揮它的優(yōu)勢。凡此種種，在我國推廣引進(jìn)國外控制設(shè)備不可行的。目前我國許多溫室大棚都己配備了滴灌、噴灌等各種微水灌溉設(shè)備，但是缺乏與之配套的節(jié)水灌溉自動控制產(chǎn)品，這些溫室大棚仍然采用手動開關(guān)閥門的方式來控制灌溉，耗費(fèi)人力，而水的利用效率仍然不高。 因此，加速開發(fā)適合我國國情的成套、適用、可靠、低成本、高效率、先進(jìn)的智能節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)是十分必要和緊迫的，也是我國今后節(jié)水灌溉設(shè)備發(fā)展的主要方向。1.3 課題內(nèi)容和任務(wù)本課題內(nèi)容包括（1)方案總體設(shè)計(jì)，（2）灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，（3）程序的仿真與調(diào)試。課題任務(wù)要求為：用PLC控制植物的灌溉。A類植物是水生植物，要求通過液位

11、開關(guān)控制液位在最小值和最大值之間。B類植物需要定時灌溉，要求6：00-6;30之間，23：00-23：30之間打開噴灌系統(tǒng)。C類植物需要每隔一天的晚上23:10灌溉一次，每次10分鐘。2 PLC在灌溉控制系統(tǒng)中的應(yīng)用2.1 PLC的概述2.1.1 PLC的特點(diǎn) （1）體積小 （2）可靠性高 （3）柔性好，可在線更改程序 （4）對環(huán)境條件無要求 （5）價格低廉 2.1.2 PLC發(fā)展史： 第一代：1969年1972年，代表產(chǎn)品有 (1) 美國DEC公司的PDP-14/L (2) 日本立石電機(jī)公司的SCY-022 (3) 日本北辰電機(jī)公司的HOSC-20 第二代：1973年1975年，代表產(chǎn)品有

12、(1) 美國GE公司的LOGISTROT (2) 德國SIEMENS公司的SIMATIC S3、S4系列 (3) 日本富士電機(jī)公司的SC系列 第三代：19761983年，代表產(chǎn)品有 (1) 美國GOULD公司的M84、484、584、684、884 (2) 德國SIEMENS公司的SIMATIC S5系列 (3) 日本三菱公司的MELPLAC-50、550 第四代：1983年現(xiàn)在，代表產(chǎn)品有 (1) 美國GOULD公司的A5900 (2) 德國西門子公司的S7系列 2.1.3 PLC發(fā)展方向 （1）是PLC網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的發(fā)展，其中有兩個趨勢：一方面，PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)不再是自成體系的封閉系統(tǒng)，而

13、是迅速向開放式系統(tǒng)發(fā)展，各大品牌 PLC除外形成自己各具特色的PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，完成設(shè)備控制任務(wù)之外，還可以與上位計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息交流，成為整個信息管理系統(tǒng)的一部分;另一方面，現(xiàn)場總線技術(shù)得到廣泛的采用，PLC與其他安裝在現(xiàn)場的智能化設(shè)備，比如智能儀表、傳感器、智能型電磁閥、智能型驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，通過一根傳輸介質(zhì)(比如雙絞線、同軸電纜、光纜)鏈接起來，并按照同一通信規(guī)約互相傳輸信息，由此構(gòu)成一個現(xiàn)場工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)與單純的PLC遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)相比，配置更靈活，擴(kuò)展更方便，造價更低，性能價格比更好，也更具開放意義。（2）是PLC向高性能小型化方向發(fā)展，PLC的功能正越來越豐富，而體積則

14、越來越小。比如三菱的FX-IS系列PLC，最小的機(jī)種，體積僅為 60×90×75mm，相當(dāng)于一個繼電器，但卻具有高速計(jì)數(shù)、斜坡、交替輸出及16位四則運(yùn)算等能力，還具有可調(diào)電位器時間設(shè)定功能。PLC已不再是早期那種只能進(jìn)行開關(guān)量邏輯運(yùn)算的產(chǎn)品了，而是具有越來越強(qiáng)的模擬量處理能力，以及其他過去只有在計(jì)算機(jī)上才能具有的高級處理能力，如浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、PID調(diào)節(jié)、溫度控制、精確定位、步進(jìn)驅(qū)動、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等。從這種意義上說，PLC系統(tǒng)與DCS(集散控制系統(tǒng))的差別越來越小了，用PLC同樣可以構(gòu)成一個過程控制系統(tǒng)。（3）是PLC操作向簡易化方向發(fā)展。目前PLC推廣的難度之一就是復(fù)雜的編程使得

15、用戶望而卻步，而且不同廠商PLC所有編程的語言也不盡相同，用戶往往需要掌握更多種編程語言，難度較大。PID控制、網(wǎng)絡(luò)通信、高速計(jì)數(shù)器、位置控制、數(shù)據(jù)記錄、配方和文本顯示器等編程和應(yīng)用也是PLC程序設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，用普通的方法對它們編程時，需要熟悉有關(guān)的特殊存儲器的意義，在編程時對它們賦值，運(yùn)行時通過訪問它們來實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的功能。這些程序往往還與中斷有關(guān)，編程的過程既繁瑣又容易出錯，阻礙了PLC的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。PLC的發(fā)展必然朝著操作簡化對復(fù)雜任務(wù)的編程，在這一點(diǎn)上西門子就充當(dāng)了先行者，西門子S7-200的編程軟件設(shè)計(jì)了大量的編程向?qū)?，只需要在對話框中輸入一些參?shù)，就可以自動生成包括中斷程序在內(nèi)的用

16、戶程序，大大方便了用戶的使用。2.1.4 PLC的分類 （一）按結(jié)構(gòu)分： （1）整體型 (2) 組合型 (二) 按I/O點(diǎn)數(shù)及內(nèi)存容量分： （1）超小型：小于64點(diǎn)，256Byet1KB （2）小 型：65128點(diǎn)，13.6KB （3）中 型：129512點(diǎn)，3.613KB （4）大 型：513896點(diǎn)，大于13KB （5）超大型：大于896點(diǎn)，大于13KB 2.2 PLC控制灌溉系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) (1) 編程方便,現(xiàn)場可修改程序 (2) 維修方便,采用模塊化結(jié)構(gòu) (3) 可靠性高于繼電器控制裝置 (4) 體積小于繼電器控制裝置 (5) 數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī) (6) 成本可與繼電器控制裝置競爭

17、(7) 輸入可以是交流115V (8) 輸出為交流115V,2A以上,能直接驅(qū)動電磁閥,接觸器等 (9) 在擴(kuò)展時,原系統(tǒng)只要很小變更 (10) 用戶程序存儲器容量至少能擴(kuò)展到4K。 （11）在灌溉控制系統(tǒng)中采用了PLC，用軟件實(shí)現(xiàn)對灌溉系統(tǒng)的自動控制，可靠性大大提高（12）去掉了大部分繼電器，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，外部線路簡化（13）PLC可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)，方便地增加或改變控制功能（14）PLC可進(jìn)行故障自動檢測與報(bào)警顯示，提高運(yùn)行安全性，并便于檢修（15）用于群控調(diào)配和管理，并提高灌溉控制系統(tǒng)運(yùn)行效率（16）更改控制方案時不需改動硬件接線3 灌溉系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 總體設(shè)計(jì)3.1.1

18、設(shè)備配置 (1) 灌溉設(shè)備：確定選用3臺IS單級單吸清水離心泵作為灌水泵，其型號初步確定為IS200-150-250，其滿足農(nóng)業(yè)灌溉，水溫，泵流量和揚(yáng)程的要求。同時分析計(jì)算，確定選用3臺型號為Y225S-4的三相鼠籠型異步電動機(jī)作為水泵的原動機(jī)。并初步確定搖臂式噴頭作為系統(tǒng)的灌水器。 （2）控制器;確定選用一臺可靠性和性價比比較高的FX2N系列PLC作為控制系統(tǒng)的主控元件。（3）外圍設(shè)備：確定選用CJ10交流接觸器作為系統(tǒng)的自動控制電路，電動機(jī)的過載保護(hù)由熱繼電器實(shí)現(xiàn)。3.1.2電機(jī)啟動方法 由電機(jī)及拖動基礎(chǔ)可知，三相交流異步電動機(jī)起動時電流較大，一般是額定電流的5-7倍。故對功率較大的電動機(jī)

19、，應(yīng)采用降壓起動方式，Y-降壓起動是常用的方法之一。起動時，定子繞組首先接成星形，待轉(zhuǎn)速上升接近額定轉(zhuǎn)速時，再將定子繞組的接線換成三角形，電動機(jī)便進(jìn)入全電壓正常運(yùn)行狀態(tài)，這種起動方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，經(jīng)濟(jì)，起動電流小，缺點(diǎn)是起動轉(zhuǎn)矩小，且起動電壓不能按實(shí)際需要調(diào)節(jié)。系統(tǒng)采用Y-變換起動水泵電機(jī)來減少起動電流，減輕對電網(wǎng)形成的沖擊，減少能耗。該系統(tǒng)包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)兩部分。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是電動機(jī)作為驅(qū)動源，通過控制各臺電機(jī)的啟動和停止來控制泵工作，從而給植物進(jìn)行灌溉?？刂茩C(jī)構(gòu)主要是PLC可編程控制器。3.1.3 PLC對水泵電機(jī)控制方法(1) 當(dāng)A類水生植物的水位低于最小值時，下液位開關(guān)S2則

20、閉合，開關(guān)量信號輸入PLC來控制水泵電機(jī)接通電源。當(dāng)水位高于最大值時，上液位開關(guān)S1則閉合，此時開關(guān)信號輸入PLC來控制水泵斷電。（2）B和C類植物通過PLC的實(shí)時鐘來實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)在時間段的起動和斷開。3.2 輸入和輸出接口輸入、輸出接口是PLC接受和發(fā)送各類信號接點(diǎn)的總稱，含主要用于連接開關(guān)量的輸入口、輸出口，以總線形式出現(xiàn)的總線擴(kuò)展接口及以通信方式連接外部信號的通信口23。（1）開關(guān)量輸入口。開關(guān)量輸入接口用于鏈接按鈕、選擇開關(guān)行程開關(guān)、光電開關(guān)數(shù)字撥碼開關(guān)及各類傳感器的執(zhí)行接點(diǎn)，是PLC的主要輸入接口。開關(guān)量輸入口有交流輸入和直流輸入兩種形式，此設(shè)計(jì)選用直流輸入單元。如圖3-1圖3-1

21、直流輸入單元(2) 開關(guān)量輸出口。開關(guān)量輸出口用于連接繼電器、接觸器、電磁閥的線圈。是PLC的主要輸出接口。根據(jù)機(jī)內(nèi)輸出器件的不同。PLC開關(guān)量輸出口通常有繼電器輸出、晶體管輸出、及晶閘管輸出三種輸出電路。此設(shè)計(jì)采用繼電器輸出方式。如圖3-2圖3-2 繼電器輸出方式3.3 輸入和輸出模塊的選擇 可編程控制器輸入模塊是檢測并轉(zhuǎn)換來自現(xiàn)場設(shè)備（按鈕，限位開關(guān)，接近開關(guān)等）的高電平信號，模型類型分直流5、12、48、60V幾種；交流115V和220V兩種。模塊輸出的任務(wù)是將機(jī)器內(nèi)部信號電平轉(zhuǎn)換為外部過程的控制信號。輸出模塊同時接通點(diǎn)數(shù)的電流累計(jì)值必須小于公共段所允許通過的電流值，輸出模塊的電流必須大

22、于負(fù)載電流的額定值。3.4 電源小型整體式可編程控制器內(nèi)部設(shè)有一個開關(guān)電源，可為機(jī)內(nèi)電路及擴(kuò)展單元供電，另一方面還可為外部輸入元件及擴(kuò)展模塊提供24V的DC電源。3.5 響應(yīng)時間的分析 可編程控制器順序掃描的工作方式使它不能可靠的接受持續(xù)時間小于掃描周期的輸入信號。系統(tǒng)響應(yīng)時間是指輸入信號產(chǎn)生時刻與由此而使輸出信號狀態(tài)發(fā)生變化時刻的時間間隔。系統(tǒng)響應(yīng)時間=輸入濾波時間+輸出濾波時間+掃描周期。3.6 機(jī)型的確定此設(shè)計(jì)PLC選型是關(guān)鍵，根據(jù)灌溉系統(tǒng)控制的要求，選用三菱FX2N-64MR-001，32點(diǎn)輸入，32點(diǎn)繼電器輸出，帶有RS232口及日歷時鐘功能，供電電源為24V 直流或100240 V

23、交流，同時可以控制4路AD、4路DA。系統(tǒng)可以方便地?cái)U(kuò)展輸入輸出口，系統(tǒng)中除液位傳感器為模擬信號外，其它輸入偷出信號均為開關(guān)量。3.7 控制系統(tǒng)的組成系統(tǒng)主要由PLC部分，液位傳感器，執(zhí)行器件等組成?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下4：水泵2水泵3注水管噴頭1噴頭2水泵1水源PLC繼電器控制盤液位傳感器實(shí)時鐘信號圖3-3 控制系統(tǒng)組成圖3.8 設(shè)備配置確定(1) 灌溉設(shè)備：確定選用3臺IS單級單吸清水離心泵作為灌水泵，其型號確定為IS200-150-250。同時分析計(jì)算，確定選用3臺型號為Y225S-4的三相鼠籠型異步電動機(jī)作為水泵的原動機(jī)。并確定搖臂式噴頭作為系統(tǒng)的灌水器。（2）控制器;確定選用一臺可

24、靠性和性價比比較高的FX2N系列PLC作為控制系統(tǒng)的主控元件，在此選用三菱FX2N-64MR-001。(3) 外圍設(shè)備：確定選用CJ10交流接觸器作為系統(tǒng)的自動控制電路，電動機(jī)的過載保護(hù)由熱繼電器實(shí)現(xiàn) 。CJ10交流接觸器中間的是三相電源線線，側(cè)邊的分別是一對常開觸點(diǎn)和一對常閉觸點(diǎn)，是用作自鎖和連鎖的。3.9 PLC輸入輸出點(diǎn)分配及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖此設(shè)計(jì)PLC選型是關(guān)鍵，根據(jù)灌溉系統(tǒng)控制的要求，選用三菱FX2N-64MR-001，32點(diǎn)輸入，32點(diǎn)繼電器輸出，帶有RS232口及日歷時鐘功能，供電電源為24V 直流或100240 V交流，同時可以控制4路AD、4路DA。系統(tǒng)可以方便地?cái)U(kuò)展入、出口，系

25、統(tǒng)中除壓力傳感器為模擬信號外，其它輸入偷出信號均為開關(guān)量56。3.9.1 PLC輸入輸出點(diǎn)分配表 3-1 PLC輸入點(diǎn)分配輸入設(shè)備名稱輸入點(diǎn)電機(jī)啟動按鈕X000停機(jī)按鈕X001液位開關(guān)（下）X002液位開關(guān)（上）X003初始化脈沖M8002運(yùn)行監(jiān)視器M8000二號電磁閥置位開關(guān)X004表 3-2 PLC 輸出點(diǎn)分配輸出設(shè)備名稱輸出點(diǎn)一號電機(jī)星形接通Y000一號電機(jī)電機(jī)三角形接通Y001二號電機(jī)星形接通Y010二號電機(jī)三角形接通Y011三號電機(jī)星形接通Y020三號電機(jī)三角形接通Y021一號電磁閥Y002二號電磁閥Y003三號電磁閥Y004一號電磁閥指示燈Y005二號電磁閥指示燈Y006三號電磁閥

26、指示燈Y0073.9.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 根據(jù)灌溉植物的特點(diǎn)，對其控制應(yīng)滿足植物的需要，因此選用PLC作為灌溉控制系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)由PLC控制器FX2N-64MR-001，24V直流電源電源，啟停按鈕，數(shù)據(jù)采集器件包括壓力傳感器，實(shí)時鐘，執(zhí)行器件包括電磁閥，帶動水泵的電機(jī)?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下71011：A/DPLC電源S圖3-4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖4 控制系統(tǒng)各部分功能及設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)包括電機(jī)Y-啟動。本系統(tǒng)除了液位傳感器輸入為模擬量外，其他輸入輸出均為數(shù)字量。編程控制器本身的抗干擾能力能滿足要求。PLC的容量包括IO點(diǎn)數(shù)，用戶存儲器的容量。系統(tǒng)采用FPI可編程控制器專用編程軟件編制梯形圖。A類水生

27、植物：在不同水位，水壓不同，當(dāng)水位位于最低點(diǎn)時壓力傳感器輸入信號給PLC，控制X002閉合，一號電磁閥得電開啟，一號電磁閥指示燈亮，一號電機(jī)先星形連接。2秒后電機(jī)三角形連接，一號電機(jī)帶動水泵1工作，往水池里注水。當(dāng)水位位于最高點(diǎn)時，壓力傳感器輸入信號給PLC,控制X004閉合 同時一號電磁閥斷電，一號電磁閥指示燈熄滅，一號電機(jī)停止工作，從而水泵1停止運(yùn)轉(zhuǎn)，往水池里注水停止。B類植物：通過實(shí)時鐘來實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)在規(guī)定時間段的啟動或斷開，在每天23：00二號電磁閥開啟，二號電磁閥指示燈亮，二號電機(jī)啟動，帶動水泵2工作，到了23：30，二號電磁閥斷開。二號電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，從而水泵2停止工作，停止對B類植

28、物澆灌。在每天6：00二號電磁閥開啟，二號電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動水泵2工作，延續(xù)到6：30，二號電磁閥斷開，二號電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。控制噴頭1在6：00-6：30噴水。C類植物：通過實(shí)時鐘來實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)在規(guī)定時間段的啟動或斷開，每隔一天的晚上23;10灌溉一次，這里用兩個計(jì)數(shù)器以達(dá)到延時10分鐘的目的，這樣就達(dá)到了每次澆灌10分鐘的目的。每隔一天即隔48小時后的23:10噴頭2再次噴水。三號電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動水泵3工作，控制噴頭2，澆灌C類植物。這里關(guān)鍵是把計(jì)數(shù)器作時間繼電器用。采用1號，2號，3號水泵分別控制注水管，噴頭1，噴頭2，以控制澆灌三種植物，實(shí)時鐘信號和液位傳感器信號輸入PLC，通過繼電器控制盤控制水泵

29、1，水泵2，水泵3在設(shè)定時間的啟停，從而控制灌溉三種不同的植物。4.1 軟件設(shè)計(jì)程序流程圖4.1.1 A類植物灌溉程序流程圖PLC初始化主程序自動？水位S2?一號電磁閥啟動一號電機(jī)啟動水位S1?一號電磁閥斷開一號電機(jī)停止圖 4-14.1.2 B類植物灌溉程序流程圖開始初始化自動？時間在23：00-23：30？時間在6：00-6：30？二號電磁閥斷開二號電機(jī)停止二號電磁閥開啟二號電機(jī)啟動 圖 4-24.1.3 C類植物灌溉程序流程圖開始初始化每隔一天23：00-23：10？三號電磁閥開啟三號電機(jī)啟動三號電磁閥斷開三號電機(jī)停止圖 4-34.1.4 總體程序流程圖圖 4-4 總體程序流程圖4.2 電

30、機(jī)Y-啟動系統(tǒng)要求當(dāng)按下啟動按鈕，首先電動機(jī)運(yùn)行，帶動水泵抽水。同時系統(tǒng)中電機(jī)采用Y-啟動，啟動時繼電器KMy接通，過段時間，KMy斷開，繼電器KM接通，即完成Y-啟動89?？刂铺菪螆D與程序如下：圖 4-5 Y-啟動梯形圖圖 4-6 Y-啟動程序4.3 A類植物灌溉控制當(dāng)A類水生植物的水位低于最小值時，下液位開關(guān)S2則閉合，開關(guān)量信號輸入PLC來控制水泵電機(jī)接通電源。當(dāng)水位高于最大值時，上液位開關(guān)S1則閉合，此時開關(guān)信號輸入PLC來控制水泵斷電?？刂铺菪螆D與程序如下：圖 4-7 A類水生植物液位控制程序圖 4-8 A類水生植物液位控制梯形圖4.4 B類植物灌溉控制B類植物通過PLC的實(shí)時鐘來實(shí)

31、現(xiàn)灌溉系統(tǒng)在時間段的啟動和斷開。時間可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行編程調(diào)整，B類植物定時灌溉要求為：6：00-6：30之間，23：00-23：30之間打開噴灌系統(tǒng)1314。4.4.1 B類植物在23：00-23：30之間灌溉控制梯形圖和程序圖 4-9 B類植物23：00-23：30之間控制梯形圖圖 4-10 B類植物23：00-23：30之間控制程序4.4.2 B類植物在6：00-6：30之間灌溉控制梯形圖和程序圖 4-11 B類植物6：00-6：30之間控制梯形圖圖 4-12 B類植物6：00-6：30之間控制程序4.5 C類植物灌溉控制C類植物通過PLC的實(shí)時鐘來實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)在時間段的啟動或斷開，時間

32、可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。C類植物需要每隔一天的晚上23:10灌溉一次，每次10分鐘1516。圖4-13 C類植物灌溉控制梯形圖圖 4-14 C類植物灌溉控制程序4.6 灌溉控制系統(tǒng)總體程序和梯形圖圖 4-15 總體程序圖圖 4-15 總體梯形圖5 程序的仿真與調(diào)試PLC仿真軟件是模擬PLC的運(yùn)行情況，驗(yàn)證和PLC連接離線情況下程序的邏輯關(guān)系或數(shù)據(jù)傳遞或執(zhí)行或輸出或監(jiān)控等是否合符控制要求。在這里采用GX Developer 和 GT Simulator進(jìn)行程序的仿真與調(diào)試171819。5.1 Y-啟動程序仿真與調(diào)試5.1.1 GX Developer Y-啟動梯形圖邏輯測試圖 5-1 Y-啟動邏

33、輯測試梯形圖圖5-2 Y-啟動程序正常運(yùn)行圖5.1.2 GT Simulator Y-啟動仿真調(diào)試按下啟動按鈕（啟動開關(guān)和停止開關(guān)為點(diǎn)動開關(guān)），電機(jī)先星形接通，兩秒后，星形接通斷開，電機(jī)三角形接通2021。如圖:圖 5-3 電機(jī)接通圖按下停止按鈕，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。如圖：圖 5-4 電機(jī)停止圖5.2 A類植物灌溉控制仿真與調(diào)試5.2.1 GX Developer A類植物灌溉控制梯形圖邏輯測試圖 5-5 A類植物灌溉控制邏輯測試梯形圖圖5-6 A類植物灌溉控制程序正常運(yùn)行圖5.2.2 GT Simulator A類植物灌溉控制仿真調(diào)試當(dāng)液位S2時，下液位開關(guān)閉合，一號電磁閥開啟，一號電磁閥 指示燈

34、亮，一號電機(jī)先星形啟動，兩秒后一號電機(jī)三角形啟動。如圖：圖 5-7 一號電機(jī)運(yùn)行圖當(dāng)液位S1時，上液位開關(guān)閉合，控制一號電機(jī)停止，從而停止往水池里注水。如圖：圖 5-8 一號電機(jī)停止圖5.3 B類植物灌溉控制仿真與調(diào)試5.3.1 GX Developer B類植物灌溉控制梯形圖邏輯測試圖 5-9 B類植物23:00-23:30灌溉控制邏輯測試梯形圖圖 5-10 B類植物6:00-6:30灌溉控制邏輯測試梯形圖圖5-11 B類植物灌溉控制程序正常運(yùn)行圖5.3.2 GT Simulator B類植物灌溉控制仿真調(diào)試置位開關(guān)X004置于閉合狀態(tài)，當(dāng)時間處于23:00-23:30或6：00-6：30時

35、，二號電磁閥開啟，二號電磁閥指示燈亮，同時二號電機(jī)先星形啟動，兩秒后二號電機(jī)三角形啟動?？刂茋姽囝^澆灌B類植物。如圖：圖 5-12 二號電機(jī)運(yùn)行圖 當(dāng)時間不處在23:00-23:30和6：00-6：30這兩個時間段時，二號電機(jī)停止運(yùn)行，不進(jìn)行澆灌。如圖：圖 5-13 二號電機(jī)停止圖5.4 C類植物灌溉控制仿真與調(diào)試5.4.1 GX Developer C類植物灌溉控制梯形圖邏輯測試圖 5-14 C類植物灌溉控制邏輯測試梯形圖圖5-15 C類植物灌溉控制程序正常運(yùn)行圖5.4.2 GT Simulator C類植物灌溉控制仿真調(diào)試通過實(shí)時鐘來實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)在規(guī)定時間段的啟動或斷開，每隔一天的晚上23

36、;10灌溉一次，即隔48小時后的23:10噴頭2噴水，每次10分鐘?？砂延?jì)數(shù)器作時間繼電器用。在23：00時，三號電磁閥開啟，三號電磁閥指示燈亮，同時三號電機(jī)先星形啟動，兩秒后三號電機(jī)三角形啟動，控制噴灌頭灌溉C類植物。如圖：圖 5-16 三號電機(jī)運(yùn)行圖圖 5-17 三號電機(jī)停止圖6 總結(jié)時間很快，為期三個月的畢業(yè)設(shè)計(jì)就這么結(jié)束了，接下來就要進(jìn)行答辯了，答辯完了大學(xué)生活也就真正意義上的結(jié)束了?；叵脒@一段時間，有過畢業(yè)設(shè)計(jì)著手前的迷惘，有過陳老師指點(diǎn)后的豁然，有過畢業(yè)設(shè)計(jì)完成后的釋然。個中滋味，只有真正經(jīng)歷過的人才會體會。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因?yàn)槭腔赑LC的灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

37、，選的PLC也是三菱FX-2N系列的。所以在設(shè)計(jì)之初，我并沒有馬上著手設(shè)計(jì)，而是在圖書館借了幾本有關(guān)三菱FX-2N的書，好好的看了一個星期，對這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的整體思路有了個大概的了解。這里我要感謝陳老師給我的指點(diǎn)，盡管整體思路有了，但真正實(shí)施起來還是經(jīng)常會碰到困難，陳老師每周兩次的答疑給了我很多的指點(diǎn)。讓我順利的完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)是對自己大學(xué)知識的總結(jié)與提煉。馬虎不得。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)是關(guān)于PLC，這就要求必須的對PLC有全面的了解。大學(xué)期間學(xué)的PLC 的皮毛完全不能應(yīng)付畢業(yè)設(shè)計(jì)。查資料，問老師，和同學(xué)討論，自己思考。畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的不是最后完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，而是獲取知識，解決問題的能力

38、。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我獲得了知識，鍛煉了能力，為以后的讀研和工作打下了良好的基礎(chǔ)。 總之， 這三個月是我人生中無法忘懷的時光，我學(xué)到了很多。參考文獻(xiàn)1 張兵，袁壽其，成立，蔣惠鳳.基于PLC的全自動灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).廣西水利水電2004年 第3期2 官平，謝守勇.基于PLC的灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì). 節(jié)水灌溉，2006年06期3 王麗波?；赑LC的植物灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。自動化技術(shù)與應(yīng)用，2007年09期4 紀(jì)建偉，哈崢，李征明，徐明克，左仲善。基于PLC的水稻灌溉自動控制系統(tǒng)研究，節(jié)水灌溉，2011，（03）5 龍建明，李雅茹，基于液位繼電器的蔬菜大棚節(jié)水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【J】陜西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，

39、（07）6 夏洪，林剛勇，朱兆優(yōu)，徐雯。一種PLC控制的自動灌溉系統(tǒng)【J】機(jī)床與液壓，2007，（07）7 解建軍。PLC技術(shù)在節(jié)水灌溉工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用【J】陜西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，（04）8 三菱電機(jī)自動化有限公司。FX系列PLC用戶手冊。20049 三菱FX系列PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南楊青杰主編.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.411 高欽和?？删幊炭刂圃O(shè)計(jì)技術(shù)與設(shè)計(jì)實(shí)例【M】 200512 胡壽松等。自動控制原理【M】. 北京：科學(xué)出版社，200413 宋伯生主編。PLC編程應(yīng)用指南【M】. 出版社：機(jī)械工業(yè)出版社。200714 范永生，王銘編。電氣控制與PLC應(yīng)用【M】. 北京：中國電力

40、出版社，200715 趙再軍主編。機(jī)電一體化概論【M】. 浙江大學(xué)出版社16 廖常初主編。PLC基礎(chǔ)與應(yīng)用【M】. 機(jī)械工業(yè)出版社17 丁學(xué)恭主編。電氣控制與PLC【M】. 浙江大學(xué)出版社18 求是科變豬。PLC應(yīng)用開發(fā)技術(shù)與工程實(shí)踐【M】. 人民郵電出版社19 汪曉平等編著。可編程控制器系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例導(dǎo)航【M】. 人民郵電出版社20.Renato Silvio da Frota Ribeiro Fuzzy logic based automated irrigation control system optimized via neural networks 199821 Souza M.,

41、Pereira S.L., Fontana C.F., and DiasE.M., (2008) Integrated Management and Optimization of the Sanitation Cycle Using Intelligent Automation Systems and Communication Networks, WSEAS Transactions on Systems and Control, Issue 4, Volume 3, April.致謝大學(xué)期間最后一次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)束了，在此我要感謝在我整個大學(xué)生涯所有給予我?guī)椭^的老師和同學(xué)。首先我要感謝本

42、次畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)老師陳書涵老師，是他在整個設(shè)計(jì)階段給了我非常大的鼓勵和幫助，在他的帶領(lǐng)下，我順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。同時，我還要感謝同組的所有同學(xué)，我們一起答疑，一起探討，你們也給了我很多的幫助。謝謝你們，謝謝。 附錄A 植物灌溉控制圖圖1 植物灌溉控制硬件接線圖圖2 Y-起動電路圖附錄B 植物灌溉控制程序1 LD X002 27 MOV K0 D1012 OR Y002 28 MOV K0 D1023 ANI M101 29 MOV K23 D1104 ANI X001 30 MOV K30 D1115 OUT Y002 31 MOV K0 D1126 LD Y002 32 LD M80007 OUT M100 33 TRD D1208 OUT Y005 34 LD X0049 LD M100 35 TZCP D100 D110 D123 M10210 MPS 36 LD M103 11 ANI Y001 37 OUT Y00312 MPS 38 OUT Y