基于PLC的节水灌溉控制工程的应用--毕业论文.docx

学号： 毕业设计说明书基于PLC的节水灌溉控制工程的应用Application of water-saving irrigation control engineering based on PLC 学院 机电工程学院 专业 机械设计制造及其自动化 班级 机电学生 指导教师（职称）) 完成时间 xxxx学院本科毕业设计诚信承诺保证书本人郑重承诺： 毕业设计（论文）的内容真实、可靠，是本人在乔东凯指导教师的指导下，独立进行研究所完成。毕业设计中引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处，如果存在弄虚作假、抄袭、剽窃的情况，本人愿承担全部责任。 学生签名： 年 月 日系主任批准日期毕 业 设 计 任 务 书院（系）： 机电工程学院 专业 机械设计制造及其自动化 班 级： 学号一、毕业设计(论文)课题 节水灌溉工程的应用 二、毕业设计(论文)工作自 xxxx 年 2月 27日起至 xxxx 年 6 月 1 日止三、毕业设计(论文)进行地点 xxxx学院东503室 四、毕业设计(论文)的内容要求如下: 节水灌溉工程的应用 (一)工艺要求: 1、灌溉区:有 两个水井，2#水井花卉种植区分组轮灌，灌水量自动定时，采用无塔上水器压力控制在0.20.45MP内，灌溉时间控制准确; 2、自动和手动 ; 3、 温室花卉滴灌; 4、 盆栽花卉喷灌; 5、 遇到阴雨天自动停止，受时间的控制. (二)要求: 1、写出开题报告； 2、画出主电路图、I/O分配图和程序梯形图; 3、具有必要的连锁保护设施; 4、绘制程序梯形图和程序流程图，以上图纸折合后不少于2张A0； 5、编写设计说明书（不少于2万字，有中英文摘要，计算机打印输出）； 6、翻译专业文献（译文不少于5000字）。 参考文献：1 巧陈莉.浅谈节水灌溉技术J.山西农业科学.2002.43-44.2 肖秀华.基于 MCGS、变频器和 PLC 实现的恒压供水控制系统的设计D.苏州：苏州大学硕士毕业论文，2009.47-48.3 张艳.基于PLC茶园恒压喷灌控制系统的研究与设计D.重庆：重庆大学硕士论文，2007.13-15.4 方桂笋.基于PLC的变频恒压供水系统的设计D.兰州：兰州理工大学硕士论文，2008.23-25.5 梁锦昌.基于PLC 的恒压供水控制系统研究D .哈尔滨：哈尔滨工业大学硕士论文，2009.33-35.6 王智乾.基于PLC的温室模糊灌溉控制系统研究D. 2012（4）:78-79.7 邹洁.基于PLC恒压变频供水系统的设计与实现D.呼和浩特:内蒙古大学硕士论文，2012.98-99.8 王瑞兰.基于模糊PID控制的变频调速恒压供水控制系统D.济南：山东大学硕士论文，2006.37-38. 9 喻支乾基于组态王、PLC及变频器在恒压供水控制系统的设D.2008.44-45. 10 注王岚.居民小区变频恒压供水控制系统设计与实现D.南京：南京理工大学硕士论文， 2008.23-25.11 朱思亮.基于PLC的恒压供水监控系统设计与实现D.成都：电子科技大学硕士论文，2013.44-46.12 陶永华，尹怡欣，葛芦生.新型Pro控制及其应用M .机械工业出社，2000.6-9.13 李海富.节水灌溉园区变频控制系统设计J.农业机械学报，200334(5):45-55.14 谭有广， 刘峰.水泵的变频调速节能原理分析J.应用能源技术: 2004(3):44-50.15 王永华.现代电气控制及PLC应用技术M.北京航空航天大学:2003.15-1816 SIEMENS ADSiemens PLC System ManualMBeijing：Siemens House， 2001(9)：90-104 指导教师 接受毕业设计任务开始执行日期 学生签名 摘要本为主要分析研究如何利用可编程控制器(PLC)完成农田灌溉领域的在节水灌溉工程。根据任务书提出的要求，系统设计了两种控制方式，一种可以通过手动进行控制，另一种是PLC自动控制，两种控制方式互相独立，互不干扰，可以快速切换。当使用者启用手动模式时，可以根据使用者对各种植区农作物缺水状况自行灌溉。但此种灌溉方式存在着灌溉水量超标或灌溉水量不够等情况。而自动模式则可以根据提前输入PLC的植物需水量的数据与埋在土壤中的传感器采集的数据进行比对，从而控制电机的启动以及电磁阀的启闭，并能根据天气传感器测得的数据，在阴雨天到来时关闭整个系统。并且系统使用了无塔上水器恒压供水，无需另外建设蓄水池，扩大了土地使用率，节约了相关费用。为了控制无塔上水器供水压力恒定，而又不用频繁启动，系统电机采用变频控制，有两台电机为灌溉管网供水。在农田灌溉中使用本系统既可以节省人力物力，又能达到节约用水的目的，同时也为科学种植，合理灌溉打下坚实的基础，有利于提高农业生产效率，提高农作物产量。关键词 PLC 传感器 节水灌溉 变频控制AbstractThis is the main analysis of how to use programmable logic controller (PLC) to complete the field of irrigation in the field of irrigation projects. According to the requirements of the task book， the system design of the two control methods， one can be controlled by manual， the other is PLC automatic control， two control methods independent of each other， do not interfere with each other， you can quickly switch. When the user is enabled in manual mode， the user can irrigate the water shortage of various crops. But this type of irrigation there is excessive irrigation water or irrigation water is not enough and so on. And the automatic mode can be based on advance input PLC plant water demand data and buried in the soil sensor data collected to control the motor to start and solenoid valve opening and closing， and can be measured according to the weather sensor data ， Shut the whole system when it arrives on rainy days. And the system uses a non-tower water supply constant pressure water supply， no need to build another reservoir， expanding the land use rate， saving the relevant costs. In order to control the tower water supply water pressure constant， but not frequent start， the system motor frequency control， there are two motors for the irrigation pipe network water supply. The use of the system in farmland irrigation can save manpower and material resources， but also to achieve the purpose of saving water， but also for scientific cultivation， reasonable irrigation and lay a solid foundation， is conducive to improving agricultural production efficiency and improve crop yields.Keywords PLC Sensor Water saving irrigation Frequency controlI目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1课题背景11.2 课题研究现状21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状21.3 目的和意义31.3.1 研究目的31.3.2 研究意义3第二章 系统原件选择与设计52.1 PLC的选型52.2 变频器的选型82.3 水泵和电机的选型92.4 湿度传感器92.5 无塔上水器112.5.1无塔供水器原理112.5.2无塔供水器优点112.5.3无塔供水器变频调速设计112.5.4无塔供水器压力开关122.5.6 压力传感器122.5.7系统所需电源的选择13第三章 节水控制系统结构设计153.1系统设计要求和总体设计方案153.1.1 设计要求153.1.2 供水方式设计153.1.3 异步电动机调速方法173.1.4管网水压调解的原理173.1.5系统电机控制电路的设计193.1.6 PLC I/O端子分配213.2 控制系统的构成及工作原理233.2.1 控制系统的构成233.2.2 控制系统的控制原理243.2.3 控制系统的控制流程25第四章 控制系统软件设计274.1 系统控制程序设计274.1.1 系统编程软件274.1.2 USS协议274.1.3 供水系统的控制流程分析284.1.4 PLC控制程序设计29第五章 结论39致 谢41参考文献42附件43Error! No text of specified style in document.第一章 绪论1.1课题背景当世界上第一台计算机问世时便标志着数字时代到来，这一划时代的发明逐渐打破我们固有的生活方式，人们越来越喜欢用计算机控制各种事物，数字化理念慢慢被更多人接受，而到了如今21世纪，数字化更与我们密不可分。小到一个玩具达到航母战舰都由计算机控制。重工业领域更是发挥计算机控制的重要领域从冶炼钢铁到汽车制造都存在着它们的影子。相对于这些被关注的领域，数字化对于农业来说还很陌生。日常生活中，我们周围还都在采用传统的灌溉方式，虽然这种灌溉方式成本低，使用方便，所需要的设备也相对简单，对操作人员的文化水平要求也低，但是使用这种灌溉方式时会浪费很多水，更存在着过量灌溉的情况，超量得水分还可能引起农作物生病减产，不利于农业生产，也对环境造成沉重的负担。同时传统的灌溉方式多是使用继电器控制系统，而这种控制系统不仅接线麻烦，控制柜占地面积大，还不能精确控制灌溉的时间和水量，认为因素影响较大。当然后期的维护也很复杂，当出现问题后自身不能报警和自查，不利于设备的维修，费时费力。继电器控制系统大多数为开环控制，不能在外界环境改变后作出相应的改变，缺乏灵活性。而使用可编程控制器(PLC)来控制系统则能够解决这些问题。我们可以使用湿度传感器对土壤的含水量进行测量，得到的数据输入PLC中，然后PLC再根据种植的植物所需的土壤最佳含水量数据进行比对，决定该区域是否灌溉。使用PLC控制系统时还可以构建PID闭环控制系统，可以在环境改变时根据用户的设定作出相应改变，具有极大的自主性。同时还可以在不改变设备本身的情况下只对程序进行改变就可以使用行的灌溉方式，种植行的品种。所以PLC在农业生产中具有极大的灵活性和实用性。对于水资源严重缺乏的我国，发展自动化灌溉更是迫在眉睫。在水资源严重匮乏的地区采用节水灌溉，实用自动化设备控制不仅仅提高对水资源的利用率，还可以解决水资源紧缺问题。同时，自动化设备对人员的需量求少，这就减少了很多操作人员，自相同的时间段内用户可以开展跟多的工作，节约了劳动力和劳动时间。此外，PLC不仅拥有足够多的I/O点，还能通过添加扩展模块，增加I/O点，所以PLC可以控制大量的设备，扩大灌溉面积，对提高农业的综合生产效率有着极大的促进作用。合理的灌溉不仅有利于农业生产，更有利于对环境的保护，于公于私都是极好的。1.2 课题研究现状1.2.1 国外研究现状目前世界上对自动化灌溉技术研究比较深入的大多数是西方国家例如以色列、荷兰、法国、美国，在亚洲自动化灌溉技术较为先进的是日本。这些国家在上个世纪八十年代就开始着手研究节水灌溉工程，些国家在上个世纪八十年代就开始着手研究节水灌溉工程，这些国家大多数因为国土面积狭小，人民文化程度高，对于节水灌溉的意识认识较早，投入的研究经历多，理论知识丰富，技术储备雄厚，不是我们所能比拟的。其中一些在节水灌溉技术研究非常深入的国家，以自动化节水灌溉控制系统作为基础，整合相应资源，深入发掘自动化设备对灌溉系统控制的多样性，从而延伸出多种子系统，并对各种子系统进行整合开发出专业的农业自动化控制系统专家系统。这种技术可以根据不同农作物对各种营养的需求进行配方式灌溉，使植物能够充分的吸收而不浪费，不仅仅提高了农作物的产量，还节省了大量水资源，十分有利于环境保护。以色列因为国情的需要，对节水灌溉研究最为深入，其节水灌溉技术在全世界范围内，属于最为先进的一部分。以色列位于欧、亚州和非州三大洲的交界地带，此处多处于半沙漠、半干旱地区，同时国内缺少水量丰富的河流，也没有需水量大的胡泊，同时一年中的绝大多数时间没有降雨，水资源严重缺乏。因为以上原因以色列可用农耕地严重不足，又由于人口不断增长，所以以色列需要一种十分节水的灌溉方式。在节水灌溉成功在以色列运用后，以色列的农业生产总量不断攀升，具以色列农业部2010年公布的数据表明，自节水灌溉工程应用以来，以色列的农业生产总量得到了极大提升，每年同比增长25%以上，而灌溉所需要的水量只增长了不到3倍。所以采用自动化控制方式对灌溉系统进行调控为以色列的农业发展提供了重要的助力。1.2.2 国内研究现状俗话说民以食为天，农业作为最古老的产业，一直是世人最关注的领域而中国的灌溉历史更为悠久。开始修建于公元前214年的灵渠，秦统一六国后有李冰及其弟子修建的都江堰都是举世闻名的水利灌溉工程。都江堰至今还在发挥着它的余热，造福川府百姓。由于近代的国力羸弱，列强入侵，我国的水利灌溉工程建设止步不前。新中国成立后，虽然投入了大量人力物力用于建设水利工程，但因为科技水平落后，都属于基础建设。在农业灌溉领域还处于原始状态。至本世纪出我国的农业也灌溉还处于粗放牧是灌溉。而同时期的发达国家在经历了人工控制、井斜控制后，进入了自动化控制领域。目前我国的节水灌溉自动化工程还处于萌芽状态，主要技术还依赖于国外输入，大多数地区还处于引进、吸收的过程中，近些年来节水灌溉自动化控制理念才逐步被人们认识接受。在过去的十几年里，虽然我国在灌溉控制自动化方面远远落后于发达国家，但在技术引进与吸收中积累了大量的经验和数据，使得我国在自动化灌溉方面得到极大提升。最近几年，由于国家重视环境保护，加大了对水资源流失的控制，并且通过各种媒体宣传保护水资源的理念，还有农业领域对减少水资源浪费的实际需求，各地也都先后开始节水灌溉自动化控制工程的建设，以前只有在农业示范田，科研区才能见到的自动化控制设备逐渐走进人们的视野。虽然我国在灌溉自动化控制方面飞速发展，但是以为基础薄弱，综合环境控制水平较低。1.3 目的和意义1.3.1 研究目的农业是人类最早的行业，也是社会稳定与发展的基础，随着全球变暖、人口增加，农业更是保持社会稳定，国家安全区的重中之重。作为一个拥有世界五分之一人口，陆地面积却只占全世界6.44%，可用农耕地更是只有全国总面积46%的国家，一个稳定的，可持续发展的农业更是我们需要的。长期以来，我国农业发展水平普遍落后，节水灌溉自动化控制水平较低更是严重制约我国走向“四个现代化”。与发达国家农业相比，我国的灌溉模式上在自动化设备的使用率较低，控制系统落后，普遍为继电器控制模式，基本上不存在检测反馈系统，属于粗放牧的灌溉方式。这样的灌溉方式即使给定灌溉量，在操作中也无法进行有效控制，浪费大量水资源，并且占用了宝贵的劳动力和时间。在这个科技高速发展的时期，农业的根本出路就是要实现农业理念国际化、设备水平现代化、种植方式技术化、从业人员教育化。所以，为了提高农作物产量同时不浪费水资源，减少农民劳动时间，要不断推广使用自动化系统控制的灌溉设备。1.3.2 研究意义以PLC为控制核心的田间节水灌溉控制系统，在科学的管理方式下不仅能大大节约劳动力，更重要的是它能根据用户的设定，准确的按时按量进行灌溉。虽然系统对操作者的要求更高了，但在科学灌溉方式的指导下，不仅提高了灌溉效率，节约了水资源，还能增产增量。第二章 系统原件选择与设计2.1 PLC的选型在使用可编程控制器的控制系统中，PLC处于核心地位，其它组成部分都要依赖PLC的控制才能有效工作。例如，传感器采集到的数据需要经过PLC处理后才能发送给其它部件使用，系统的运行方式也要通过PLC内部储存的程序进行控制，执行机构也要得到PLC给出的信号才能做出相应动作。所以在选择PLC时我们要考虑到PLC的运算速度、指令的多样性、通讯接口及协议适用性， 还有内存图 2-1 EM235模块的外围接线图空间的大小，扩展模块的功能等。基于以上原因，本文中所使用的PLC为西门子S7-200，CPU型号为226，自带两个RS-485通信端口0和1、高数计数模块、PID控制模块。模拟量拓展采用EM235，还可以同时进行四个模拟量信号的输入PLC和一路的PLC模拟量输出，同时进行的功能。表2-1为EM235技术参考表，图2-1为拓展模块接线图。 表 2-1 EM235技术参数模拟量输入特性模拟量输入点数4输入范围电压（单极性）0-10V 0-5V 0-1V 0-500mA 0-100mA 0-50mA电压（双极性）10V 5V 2.5V 1V 500mA 250mA 100mV电流 0-20mA数据字格式双极性 全量程范围-32000+32000单极性 全量程范围032000分辨率12位A/D转换器模拟量输出特性模拟量输出点数1信号范围电压输出 10V电流输出0-20mA数据字格式电压-32000+32000电流032000(1)输入通道A。此通道为电压输入信号，按正、负和端口A+和A-直接相接;(2)输入通道B。此通道不接输入信号，将B+和B-短接;(3)输入通道C。此通道为020mA电流输入信号，按电流的方向D+进、D-出的方式接线，然后再把端口RC和C+短接，再接入电流输入信号的“+”。(4)输入通道D。此通道为420mA电流输入信号，按其电流方向D+进、D-出的方式接线，之后先把RD与D+短接，然后再 与电流输入信号的“+”端连接，此时通道D的输入电流由二线制变送器的输出电流提供。(5)输出通道。输出通道的电流输出范围在020mA之间，其负载电阻接端口IO和MO;电压输出范围为 10V，其负载电阻接端口VO和MO。在使用模拟量控制模块时需要注意的问题:(1)模拟量输入模块输入数据时，S7-200使用的A/D转换器的数字量位数为12位，在进行单极性模拟信号全量程输入时，S7-200使用的A/D转换器所对应的数字量输出设定为0+32000，这是由于西门子所有模拟量模块均左移3位处理，取整后为32000;在进行双极性模拟信号全量程输入时，S7-200使用的A/D转换器所对应的数字量输出设定为-32000+32000。模拟量输入信号若为电压输入，则输入阻抗为10M;模拟量输入信号若为电流，则输入电阻为250。(2)S7-200模拟量输出模块所用到的D/A转换器，在为它的模拟量端口分配地址时，有着严格的要求，表达其地址所使用的符号一定是从偶数字节开始录入的，不能出现奇数字节。如果PLC连接多个模拟量输入模块，还要根据连接的先后顺序，依次为模拟量端口分配地址，不能出现插队现象，并且每个模块占有的地址空间是固定的。另外，同时使用多个拓展模块时， 需要注意的是，CPU为每一个模拟量拓展模块分配的输出输入通道至少要占用两个通道。比如， EM235模块尽管只拥有一个输出端口，但却要占用AQW0和AQW2两个输出通道地址。所以在重新添加另外一个模块并为其模拟量的输入输出寻址时地址应该从AQW4开始。在和PLC连接时，还要注意到不能出现共模电压，应为共模电压会放大输入输出的信号。集体操作是包M端和所有的信号输入输出负端连在一起。没有使用的通道要连接在一起，使它们之间短接起来。另外， EM235模拟量模在使用的时候不能直接使用，在安装使用之前还需要对模块的信号输入进行校准。校准其步骤如下: 1、首先要断开扩展模块的外部电源，然后选合适的信号输入范围，之后再接通电源，耐心等待14分钟左右。2、选择一个能够产生电压或电流信号的电器元件，并把电器元件连接到扩展模块的一个输入端口，并向其中输入零值信号，然后读取此时CPU所采集到的输入值。3、找到扩展模块上的OFFSET电位计，顺时针或逆时针转动它，直到CPU采集到的信号读数为零或出现所需要的数值时停止。4、完成以上步骤后，再在扩展模块的任意一个输出端口加入一个满扁信号，读出CPU此时所采集到的信号的数值。 5、找到扩展模块上的GAIN电位计，顺时针或逆时针转动它，直到CPU采集的输入信号的读数为32000或所需要的数值时立即停止转动。如果还需要进行更为精确的调整，可以通过重复上述过程进行调整。假设模拟量的标准电信号是A0Am（如：420mA），A/D转换后数值为D0Dm（如：640032000），设模拟量的标准电信号是A，A/D转换后的相应数值为D，由于是线性关系，函数关系Af（D）可以表示为数学方程： A（DD0）（AmA0）（DmD0）A0。根据该方程式，可以方便地根据D值计算出A值。将该方程式逆变换，得出函数关系Df（A）可以表示为数学方程： D（AA0）（DmD0）（AmA0）D0。具体举一个实例，以S7-200和420mA为例，经A/D转换后，我们得到的数值是640032000，即A04，Am20，D06400，Dm32000，代入公式，得出： A（D6400）（204）（320006400）4假设该模拟量与AIW0对应，则当AIW0的值为12800时，相应的模拟电信号是6400162560048mA。又如，某湿度传感器，0100%RH与420mA相对应，以T表示湿度值，AIW0为PLC模拟量采样值，则根据上式直接代入得出：T=100（AIW06400）25600可以用T 直接显示温度值。本设计需要测量湿度模拟量信号，EM235为三路模拟量输入、一路模拟量输出，EM235模块能够满足系统的要求。2.2 变频器的选型在了解电机运行的原理基础上我们知道，想要改变电机的转速可以通过降低电压或者减小电流的方法解决。同样，我们还可以通过改变电机输入电源的频率大小进而间接的改变电机转速。变频器就是利用这些原来改变电机转速的。变频器在工作时会把工频电源转换为变频电源，使之电压和频率都受到变频器控制，然后输入电机，控制电机的转速。由于不同的变频器采用不同的原理，所以变频器和变频器之间还存在着差别，主要分为两种变频器，一种是交流输入交流输出的交-交变频器，另一种是交流输入直流输出的交-直-交变频器两类。现在民用市场图2-2 变频器结构图上使用现最多的是交-直-交变频器。它的电路组成如图2-2所示。电容器或电抗器构成，它的作用是为了再向电机输出变频后的电源时达到无功交；逆变电路的存在是为了把直流电转换为电机可以使用的交流电。作为整个变频器的“大脑”，控制电路肩负着控制对整流电路和逆变电路的调控任务，在PLC输入控制信号后，作出相应的选择，启闭对应的开关控制，其电路组成部分有运算电路、驱动电路、外部接口电路和保护电路、信号检测电路等。变频器的一般选型步骤如下：(l) 在分析研究设计的任务和要求上，分析设计所使用的负载种类；(2) 查阅电机使用手册，找出电动机的额定电流和额定功率大小，然后选择适用于目前负载的变频器，并确定使用数量；本文中选取一台。 (3) ，在同时都满足以上条件的变频器里选取性价比高的品牌和相应的型号。本文选用Siemens MM31系列变频器Siemens MM3117。Siemens MM31系列变频器是西门子公司生产的一款小型高性能通用型变频器。和其它变频器一样，可以对其进行模拟量输入和数字量输入。该型变频器自带1个模拟量输入端口，可以使用0/2-10V或0/4-20mA模拟量输入信号，相应的在进行数字量输入时，可以选择5个相互隔离的数字量输入端中的任意一个。再和PLC的连接方面可以使用NPN/PNP两种接线方法中的任意一个；该型继电器的输出端为继电器输出，拥有多个输出端，同时还拥有1个模拟量输出。MM31还拥有良好的过载能力，当过载达到140%额定负载电流时，持续时间为3s，在110%额定负载电流时，持续的时间为60s；在保护设计方面有过/欠电压保护、过热保护、断电再启动保护、PTC/KTY电动机温度保护。2.3 水泵和电机的选型本文电动机的型号采用Y100L2-4的三相异步电动机，额定电压为380V，额定电流为6.8A，额定电压频率为50HZ，额定功率为3KW，额定转速为1420r/min，采用星行连接方式与变频器相连。水泵则使用雷宝IW，额定值为3KW，230V，8.7A。2.4 湿度传感器目前，湿度测量传感器多种多样，测量的的精度也有高有低，基本满足了各行各业的需求，应用的测量方法也有很多种方法。其中绝大多数传感器采用的测量方法是根据传感器内部物质吸收水分后其物理特性发生改变，例如测量其介电常数、体积或电阻率的变化，将测量得到的数据进行运算，进而间接得到被测量环境的湿度。本文所选择的湿度传感器的工作原理就是上述所说。当环境里的湿度改变时，传感器内部的吸水物质从周围环境中吸收的水分量也将随之改变，由其引发的物理量的变化也将发生变化，将这种变化以某种等价方式传递出来，从而获得被测量环境的湿度。最常用的有电容式、电阻式和湿涨式湿敏元件。根据任务需要，本文选择了HS1100（顶端接触型）和HS1101（侧面接触型）。下面介绍介绍这两种度传感器的特性及其应用。1. 主要特性（1）不需校准的完全互换性；（2）可靠性高和长期稳定性；（3）响应时间快速；（4）使用方便体积小；（5）能够适用于线性电压和频率两种输出电路。表2-2 （温度系数0.04pF/）功能参数相对湿度的范围0100%RH电容量的变化16pF200pF误差2.5%RH反应时间t5s图2-3 HS1101典型555应用电路表2-3典型频率值（参考点：25，相对湿度：50%，输出频率：6728KHZ)2.5 无塔上水器2.5.1无塔供水器原理无塔供水器的供水原理是利用了压缩空气对储水罐内的水进行加压，所以在与无塔供水器进行连接时一定要保持绝对密封。无塔供水器的主要组成零件有水泵，储水罐。压力开关。在无塔供水器的储水罐内存有正常的空气，当水泵运行时，就会向储水罐内注水，当储水罐内的水量不断增多，就会把空气压缩，压缩空气回味管道增加额外的水压。当压力到达压力开关设定的最大值时，压力开关机会断开，切断水泵电源。当罐内水量下降，气压减小到压力开关设定的最小值时，压力开关就会闭合，此时水泵启动开始向罐内注水。当然，本文对泵的控制还添加了变频器控制，水泵不会频繁启停。2.5.2无塔供水器优点当使用变频器对水泵电机进行启动时，电机不会直接被启动，而是采用低频启动方式，然后水泵电机再根据管网的水压逐渐由变频频工作状态改到工频工作状态，这样不仅避免了电机直接启动对电网的冲击，还使得供水管道免受高压水流的冲击。在设计时为了保障无塔供水器不会因为在某台泵出现故障后停止工作，除了发出故障信息外，还会启动备用水泵，为供水系统提供紧急用水。即便自动系统出现故障不能使用，用户还可以通过手动操作系统进行灌溉，以保障土壤含水量的合适。无塔供水器通过变频调速来实现恒压供水不仅解决了电机频繁启动对电机的损害以及对电网的冲击问题，还祈祷十分显著的节水效果。2.5.3无塔供水器变频调速设计 按照规定一台变频器只能对一台电机进行控制，而本文则有两台电机，一台变频器。所以在设计电机控制电路时采用了两台电机交替进行工频和变频工作，通过电路的切换，始终保持变频器只控制一台电机进行变频工作。因为灌溉系统的用水量是在不断地发生变化，管道的压力也随之发生变化，受PLC控制的变频器也会根据指令对输出电源的频率做出改变，所以，水泵的电机就会不停地升速或减速，这就会使得电机出现过热现象。因此，电动机的必须添加过热保护，这是因为虽然变频器内设置的有电子热保护装置，但是对于这种由变频器自身调节所产生的频繁地升、降速而导致电机过热是不会产生保护效果的，所以，在控制电路中还要额外加装热继电器。还要值得注意的是在对变频器设置主要参数时，变频器发出的电源频率最高应和电机的额定工作频率相同。在对反应时间长短设计时应该远远小于PID调节响应时间，这是为了保证不影响PID调节。2.5.4无塔供水器压力开关 无塔供水器内的压力开关根据其工作压力范围可分为三种：BSK1型：0.11Mpa-0.19MpaBSK2型：0.14Mpa-0.28MpaBSK3型：0.21Mpa-0.45Mpa考虑到本系统管网压力在0.2-0.4Mpa所以选择第三种。2.5.6 压力传感器本系统使用的压力变送器是上海荣汉自动化仪表有限公司生产的扩散硅MIK300压力变送器，该型压力变送器采用国外先进的隔离式传感器芯片，具有良好的抗干扰能力，并且在长期稳定性工作方面表现优秀，适合于远距离的信号传输。用于液体压力测量时时，该型压力变送器将压力信号转变成4-20mA的DC信号输出。如图2-4所示。（1）主要技术指标供电电压：24VDC输出信号：4-20mA、 0-10V、0-5V、1-5V、1-10V负载电阻：0-750 (般采用250）工作温度：-20-80被测介质：气体、液体、蒸汽测量范围：-0.1M-100MPA图 2-4 扩散硅压力传感器（2）系统连接方式图2-5 压力传感器连线图2.5.7系统所需电源的选择如要PLC稳定可靠地的工作，一个合适的电源必不可少，不同的系统对电源的要求也不同，如若不能提供合适的电源，有可能会出现供电崩溃的后果，轻则系统停止运行，严重的可能会造成PLC或其它的元器件损坏。事实上经常会出现因为电源不合适而造成的事故。本系统选用西门子S7-200PLC，其输入电压为200V AC，输出电压为24V DC。PLC内部的电源可分为：内部开关稳压电源，供内部电路使用，还可以向外提供DC24V稳压电源，为现场的开关信号、外部传感器供电。西门子PLC有多种24V DC电源模块可用于S7-200PLC和传感器。又因本系统使用交流电动机驱动水泵，因所以系统还应增加一个380V的三相交流电源。第三章 节水控制系统结构设计3.1系统设计要求和总体设计方案3.1.1 设计要求灌溉区有A、B两个区，A区为温室花卉滴管，B区为盆子花卉喷灌。A区又分为A1、A2、A3三个小区。自动化控制时三个小区同时滴管灌溉，时间为早上7点到下午16点。B区同样分为B1、B2、B3三组，每区灌溉两分钟，停止10分钟，轮流灌溉，每天喷灌灌溉4小时，时间是从早上10点到下午14点。采用手动控制模式时，用户可以根据现实情况，通过控制面板选择各区、组进行灌溉。各区、组的管道启闭由电磁阀控制，对喷灌系统提出的控制要求如下：1、考虑到系统的可靠性和经济性，要求系统有手动控制和自动控制功能。2、使用手动工作模式时，用户可以根据自身需求，选择索要灌溉的区域。2、使用自动工作模式时，用户启动系统后，PLC会按事先照编写好的程序控制灌溉系统的运行。4、如果出现阴雨天，系统会自动停止灌溉工作。5、采用无塔上水器供水，水压控制在0.20.45MP内；6、水泵采用变频控制方式，具有过载、过热保护；7、要求各个灌溉区都要有湿度监测功能，当湿度超出系统设定范围内就发出警报，并停止灌溉，报警状态不能自动解除。3.1.2 供水方式设计就目前我国供水情况而言，除了少数大城市外，均存在供水水压不稳定现象，这与我国还是发展中国家有关。因为多数地区供水设备老旧，自动化程度低，往往会出现用水高分时期水压下降，用水低峰时期水压过高现象，这样很不利于我们对植物的定时定量灌溉。过低的水压回事灌溉的水量减少，达不到灌溉要求，而过高的水压会是灌溉量超标，管道损坏，甚至水管破裂。不仅浪费电能，还会引发事故，造成不必要的损失。在深入研究新型供水技术之前，我们先对两种方案。进行有限的比较：传统方案：恒速泵水塔的供水方式这种方式工作原理是水泵首先向水塔注水，等水塔注水满后，再由水塔向灌溉供水管道供水，这种供水利用重力和水自身产生的压力对管道内的水进行加压。采用这种供水方式时水塔注满后水泵停止工作，水塔水位低于某一位置时水泵再重新启动向水塔注水。这种供水方式要求水塔最低水位提供的水压要略高于供水系统所需要的压力，此种方式水泵是在断断续续的工作，随着每次启动都会对电网产生冲击，并且供水压力呈锯齿形，水压十分不稳定。同时这种供水方式因为要建设水塔，占地面就大，投资高，如果灌溉大，还要修建多个水塔，投资大。水压也不能自动调整，无法兼顾近期与远期的需要。新型方案：水泵变频调速+无塔供水器供水方式其工作原理是：先有无塔供水器提供初始水压，在把通过安装在供水管道中的压力传感器测得系统压力信号与设定压力值作比较，然后通过PLC调节变频器的输出来无级调节水泵转速，使系统水压始终稳定在系统设定的范围内。采用新型供水方式后，彻底取消了高位水箱、水池、水塔和气压罐供水等传统的供水方式的弊端，提高了了供水质量，并且具有节省能源、操作方便、自动化程度高等优点；其次供水水压调峰能力明显提高，大大减少了水泵的启停次数，减少对设备的冲击，延长使用寿命。与其他供水系统相比，节能效果达20%40%。该系统可根据用户需要任意设定供水压力及供水时间，无需专人值守，具有故障自动诊断报警功能，极大的节约了劳动力。由于无需修建水塔，节约了大量钢材及其他建筑材料，大大降低了投资。下面以一个实例，比较应用变频器前后水泵供水的节能效果。某供水系统应用3台7.5KW的水泵电动机，假设每天运行16h，应用变频器前16h全部以额定转速运行；应用变频器后，其中4h为额定转速运行，其余12h为80%额定转速运行，一年365天。从流体力学原理知道，水泵供水流量与电动机转速及功率的关系如下： (2-1) (2-2) (2-3)式中 Q为供水流量； H为扬程； P为电动机功率； N为电动机转速；应用变频器前、后节约的电能为W=7.5121-365KWh=16030.8KWh通过上述分析可见，与其他供水系统相比，节能效果明显。3.1.3 异步电动机调速方法为了精确控制灌溉系统的灌溉效果，即为了满足植物对水量的需求，所以流量是供水系统的基本控制对象，而流量又与水压有关，即控制水压就可以控制灌溉水量。水压与供水能力(由流量QG表示)和、水需求(由Q表示)和水泵转速（由N表示）之间的平衡情况如下：若“供水能力QG用水需求Q”，则压力P上升，转速N下降；若“供水能力QG用水需求Q”，则压力P下降，转速N上升；若“供水能力QG=用水需求Q”，则压力P不变，转速N不变。可见，管道内水压P的变化反映了供水能力QG与用水需求Q之间的变化，通过控制水压就可以调节管道流量大小，从而调解灌溉的水量。而水压又和水泵的转速有关，当水压升高时可以通过降低水泵转速来降低，当水压降低时可以通过提高水泵的转速来升高，即通过变频控制水泵就能保证供水能力和管网流量处于平衡状态，满足管网所需的用水流量。在来管网需求发生变化时，对供水系统做出调节，以适应流量的变化。这种调节就是以压力恒定为前提来实现的。常用的调节方式有阀门控制法和转速控制法两种3。阀门控制法是通过保持水泵的转速不变，只调节阀门的开度大小来调节流量。这种控制方式水泵自身的供水量不发生变化，改变的是管道的阻力，强行控制流量大小，进而控制管道中的流量。由于水泵供水量不变，强行改变流量，会使得管道压力升高，电机负载增高甚至超标，容易损坏电机和管道。并且此种控制方式使用的控制阀价格较于昂贵，违背设计的经济性原则。而采用转速控制法时阀门开度保持不变，通过改变水泵电机的转速来调节流量，所使用的阀为普通电磁阀，价格便宜。当水泵的转速改变时，水网水压也会改变，变频调速控制方式即属于转速控制，在本次设计中采用此方法。3.1.4管网水压调解的原理喷灌系统开始运行后，压力传感器将检测到的管网压力信号传送到控制系统，控制系统将信号处理后传给变频器，变频器输出频率会不断根据控制压力的变化而变化，电机的转速与频率成正比关系，这样控制压力的变化就会引起电机转速的变化，从而改变水泵的速度，当灌水量增大，管网压力低于给定压力时，变频器的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大；反之，当灌水量减小，管网压力高于给定压力时，变频器的输出频率减小，水泵转速降低，供水量减小。当满足喷头工作压力时水泵转速不再变化，这样反复循环达到恒压喷灌的目的。当一台泵的供水量不能满足用户需要时，需采用两台泵联合工作方式。当用水量少时，1号泵变频工作；当用水量大于1号泵供水时，1号泵改为工频工作，启动2号泵变频工作，两台泵同时供水；当用水高峰过后，用水量逐渐减少时，1号泵停，只保留2号泵变频工作；当用户用水量再次增加时，控制系统又将2泵改为工频工作，启动1号泵变频。另外当其中一台或两台水泵出现故障时，则有备用水泵为供水系统供水。从上文可以知道通过转速控制灌溉系统，需要调节水泵的转速，水泵的转速则