1、自动灌溉系统的设计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 业 电气工程及其自动化 班 级指导教师 103521008 专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
2、式，系统包括执行机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 ABSTRACT Rational use of water resources is of great significance. Compared to developed countries, Chinas irrigation methods are still some ga
3、ps. Therefore, 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-s
4、aving irrigation, 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 moto
5、r as a driving 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 consum
6、ption, the system uses Y-? start. KEY WORDS: PLC ; Automatic irrigation; Y-? start II 1 绪论 . 1 1.1 课题背景及目的 . 1 1.2 课题研究现状 . 1 1.2.1 国外研究现状 . 1 1.2.2 国内发展现状 . 2 1.3 目的和意义 . 2 1.3.1 研究目的 . 2 1.3.2 研究意义 . 2 2 灌溉系统总体方案 . 3 2.1 总体设计 . 3 2.1.1 灌溉综述 . 3 2.1.2 系统主要功能 . 3 2.2 系统运行结构图 . 3 2.3 系统运行方式 . 4 3 硬件设
7、计 . 5 3.1 系统硬件的设计原则 . 5 3.2 控制器的确定 . 6 3.3 系统的组成 . 7 3.3.1 设备确定 . 7 3.3.2 PLC输入/输出点分配. 8 3.3.3 电机启动 . 9 4 软件设计 . 11 4.1 设计方法 . 11 4.2 设计原则 . 11 4.3 系统功能的设计 . 12 4.3.1 灌溉流程设计 . 12 4.3.2 电机启动设计 . 20 5 PLC的调试与程序的仿真 . 21 5.1 PLC控制的安装与布线 . 21 5.2 程序的仿真 . 22 6 结论与展望 . 25 III 湖北科技学院学士学位论文 致 谢 . 27 参考文献 . 2
8、9 附录 . 31 IV 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
9、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。PLC 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
10、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
11、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 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
12、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，
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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
