基于PLC的自动浇灌系统设计

湖南工业职业技术学院Hunan Industry Polytechnic题目 基于 PLC的自动浇灌系统设计系名称 电气工程系专业及班级 机电 S2012-1 班学 生 姓 名 高庆学号 44指 导 教 师 李力 何大刚1摘 要随着数字化的快速发展，越来越多的数字化和信息化手段应用到了各个领域之中。传统的浇灌方式灌水量多、耗水量大，不能适时适量的浇灌，造成了水资源的极大浪费，与我国建设节约型社会的发展战略极不协调。传统浇灌设备大多采用继电器控制，调试与维护苦难，灵敏度不够高，不能实现根据外界环境变化控制浇灌。可编程控制器（PLC）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，可以通过更改软件设置来适用多种运行方式的需要、是传统继电器控制的理想替代品。本课题以 PLC 为核心，外围由温度、湿度传感器及必要输入输出设备电路、水泵等组成。通过相应的传感器获取外界环境参数，经过一定的逻辑运算后控制水泵的启动或者停止来进行自动的浇灌。为防止水泵过于频繁的启停，应在控制逻辑决策时加入一定的简单控制策略。本系统能够在自动模式与手动模式之间进行自由切换。该系统能够提高灌溉效率，达到节能节水的目的，同时，能减轻浇灌人员的劳动负担，将科学的浇灌经验固化在控制器中，降低了对种植经验的要求，有利于提高生产效率。关键词：PLC，温度、湿度传感器，水泵。2目 录第 1 章 绪论 .51.1 课题背景及目的 .51.2 课题研究现状 .51.2.1 国外研究现状 .51.2.2 国内发展现状 .61.3 目的和意义 .61.3.1 研究目的 .61.3.2 研究意义 .7第 2 章 系统器件选择设计 .82.1 PLC 的选型 .82.1.1PLC 机型的选择 .82.1.2PLC 容量的选择 .82.2 电动机启动方式 .92.2.1 电动机启动方式的选择 .92.1.2 电动机电气控制电路 .102.2.3 电动机的 PLC 控制程序编写 .102.3 温度、湿度传感器的选型 .112.3.1 温度传感器的选择 .112.3.2 湿度传感器的选择 .132.4 模块的选择 .152.4.1 模块的认识 .152.4.2 EM235 配置 .172.5 系统所需电源的选择 .18第 3 章 系统的软件设计 .193.1 常用 PLC 程序的设计方法 .193.2 温度监控程序的设计 .193.3 湿度监控程序设计 .223结 论 .26参考文献 .274基于 PLC的自动浇灌系统设计5第 1 章 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6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。1.2.2 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，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7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。8第 2 章 系统器件选择设计2.1 PLC 的选型2.1.1PLC 机型的选择PLC 机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性价比。选择时应主要考虑以下几点。1）合理的结构形式：PLC 主要有整体式和模块式两种结构形式。整体式 PLC 的每个 I/O 点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小，一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式 PLC 的功能拓展灵活方便，当 I/O点数不足时，只需要加入 I/O 拓展模块就可以了，现已开发了许多实用的模块，在模块的选择上有很大的余地，而且模块的维修方便简单，厂家提供维修服务。此类形式常用于较复杂的控制系统。2）安装方式的选择：PLC 的安装方式分为集中式，远程 I/O 式以及多台联网分布式。集中式安装不需要装配驱动远程 I/O 的硬件结构，系统反应能力强，安装成本低；远程 I/O 式适用于大型系统的安装，系统的部件装置可以分布在很广的范围内，可以在现场安装控制装置，这样可以得到一个连接短的系统，但需要额外的装设驱动器和远程I/O 电源；多台联网分布式被应用于多台设备技能分别独立控制，又得把他们互相联系起来的系统中，在此方式下必须用到通讯模块来连接各部分的设备。3）功能要求：一般小型的 PLC 都能实现运算、定时、计数等功能，对于只需要开关控制的设备都可以满足。对于以开关量为主，带少量模拟量控制的系统可选用中高档PLC。中高档 PLC 价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。2.1.2PLC 容量的选择PLC 容量的选择包括 I/O 点数和用户存储容量选择两方面。1）根据对控制设备的分析，有被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%15%的余量来确定所需的 I/O 点数，另外注意，一般同时接通的输入点数不得超过总9输入点的 60%。PLC 的输出点可以分共点式、分组式和隔离式几种接法。2）存储容量的选择：存储容量的计算我们不可能做到精确，粗略计算时就要留很大的余量。在只有开关量控制的系统中，可以用输入量总点数*10 字/点+输出量的总点数*5字/点来估算；计数器/定时器（35）字/个来粗略估算；需要进行运算处理时按（510）字/量来粗略估算：在有模拟量控制的系统中，可以按每个接口 200 字以上的数量估算。最后，一般在经过以上估算后容量的基础上再加 50%100%的余量。本设计采用德国西门子 S7-200PLC。S7-200PLC 是一种小型的可编程控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200 系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此 S7-200 系列具有极高的性价比。S7-200 系列的 PLC 有 CPU221、CPU222、CPU224、CPU226 等类型。本系统选用 S7-200 CPU224，S7-200 CPU 224 本机集成 14 输入 /10 输出共 24 个数字量 I/O 点。可连接7 个扩展模块，最大扩展至 168 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。13K 字节程序和数据存储空间。6 个独立的 30kHz 高速计数器，2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出，具有PID 控制器。I/O 端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。2.2 电动机启动方式2.2.1 电动机启动方式的选择为了使水泵启动时对电网的冲击小，因此选用 Y- 起动的方式启动水泵，对于正常运行的定子绕组为三角形接法的鼠笼式异步电动机来说，如果在起动时将定子绕组接成星形，起动完毕后再接成三角形，就可以降低起动电流，减轻它对电网的冲击。这样的起动方式称为星三角减压起动，或简称为星三角起动（Y- 起动）。采用