农作物喷灌控制系统设计.doc

唐 山 学 院毕 业 设 计设计题目： 农作物喷灌控制系统设计 系 别： 机电工程系 班 级： 07测控技术与仪器(2)班 姓 名： 李 娟 指 导 教 师： 杨旭东 2011年6月1 日农作物喷灌控制系统设计摘 要本论文首先对我国农业用水情况进行了分析，介绍了农作物喷灌控制系统的现状。本设计中利用三菱FX2N系列的PLC作为控制设备,用其自带的PID功能指令通过变频调速实现系统对农作物喷灌的自动控制，该系统可在无人或半无人干预下自动运行。该系统将大大提提高水资源的利用率，节省大量人力物力,并为我国实现农业现代化地发展做贡献。 喷灌系统中，灌区用水量是变化的，用水量变化时会引起喷头工作不稳定，喷灌效果会受到很大影响。本系统结合工程实例，采用变频器控制水泵电机转速，实现了恒压供水，大大提高了喷灌效果。论文中详细论述了变频调速恒压供水系统原理,对系统的主电路设计、硬件选择和软件设计进行了详细阐述。本系统可通过组态软件控制参数的设定、数据处理、实时监测、报警等任务,自动化程度很高。本文中介绍了电动机调速技术的发展和现状，对喷灌系统的电机交流变频调速系统的方案进行了论证。其次，介绍了交流异步电动机的变频调速原理和电压正弦脉宽调制波(SPWM)的微机算法。再次介绍了PLC的基本组成和各部分的作用及PLC的工作原理。最后，介绍了系统的工作流程、系统的电气结构，硬件配置和软件实现。应用表明,系统实现简单,操作方便,运行稳定、可靠,且具有较好的节能效果。关键词：PLC PID 恒压供水 自动喷灌 组态软件The Design of Control System forthe Farm Crop Irrigation AbstractAt first, the present situation of the auto control of the farm crop irrigation was analyzed in this paper. The FX2N PLC of Mitsubishi was used as the control equipment of this new system and at the same time,PID function of its own to carry out the auto control of the farm crop irrigation. The utilization rate of water resources by the control system of the farm crop irrigation according to the PLC was enhanced and the design contributes to carry out the mode.In view of the instability of the Sprinkler Irrigation System affected by the water requirement within the operation area,combined with engineering example,a water supply system with constant pressure through applying PLC and transducer in greenhouse is proposed in this paper.The schematic diagram of the frequency control,including the design of main circuit and software for the system is presented.The system,which is composed of host computer,PLC,transducer,pressure transmitter,and motor-pump system.Firstly, this design not only introduces the development and current situation of electromotor regulating technology, but also discusses the schemes of the indirect Current Frequency Control regulation system of the Mercering machine. Secondly the frequency conversion principles of frequency control asynchronous electronic machine and the microcomputer algorithm of Sine Pulse Width Modulation (SPWM) are included. Thirdly this design introduces the basic composition and function of different Programmable Logic Controller (PLC) and the operation principle of PLC is added. Finally, the manufacturing flow of the system, the electric structure of the system, hardware collocation and software actualization are introduced.Key words: PLC;PID; water supply with constant pressure; Automatic irrigation; Configuration software目录1引言11.1课题背景11.2我国农业灌溉情况11.3论文的研究的目的与内容21.3.1研究目的31.3.2研究内容32喷灌过程变频调速恒压供水系统总体方案42.1电机调速系统方案的论证42.1.1直流调速系统所存在的问题42.1.2交流调速系统的发展和现状及优点42.1.3基于PLC的交流变频调速系统62.2 变频恒压供水喷灌系统基本构成62.3系统的总体方案73硬件设计93.1变频器的选择113.1.1变频器的功能与构成113.1.2变频器的型号选择123.1.3变频器制动电阻参数的计算143.2 PLC的选择143.3水泵机组的选择153.4传感器的选择153.5其它元器件的选择174软件设计204.1 变频恒压供水系统原理及控制流程204.2 PID调节214.2.1 PID控制的原理和特点214.2.2 PID控制器的参数整定234.3变频器的参数设置234.4 PLC程序设计244.4.1 PLC的程序结构244.4.2 PLC控制系统I/O点分配254.4.3梯形图设计275.系统人机界面设计385.1组态软件385.2喷灌系统人机界面的设计386结论42谢辞43参考文献44外文资料451引言1.1课题背景随着农业和国民经济迅速发展，我国水资源短缺问题日益突出。为促进经济社会与人口、资源、环境协调发展，实施可持续发展战略，党的十五届五中全会提出“水资源可持续利用是我国经济社会发展的战略问题，核心是提高用水效率，要把节水放在突出位置”。节水是全社会的共同责任，发展农业节水是建设节水型社会的重要组成部分。加大力度发展节水型农业,才能使我国农业得到进一步发展，这不仅对加快农业现代化、使农民增产增收、提高农民生活水平、建设创建和谐社会具有重要意义，而且对保障城市和工业用水、保障国家粮食安全、水安全及生态环境安全，促进农业及国民经济快速健康发展具有重要意义。我国节水设施薄弱,技术落后，水资源利用率和利用效益低下。目前，我国旱地自然降水的利用率大致在40%50%，而灌溉水的利用率仅为30%40%。由于农业基础设施薄弱以及自然条件的限制，山地发展灌溉工程投资高，难度大，而平原地区的输水工程不完备，使输水过程水的损失率达到50%，工程设施性的缺水普遍存在。另一方面，农业经营粗放，农业节水技术普及率低，使我国包括灌溉水和降水在内的农田水利用效率普遍偏低。每方水生产粮食不足1公斤，而一些发达国家大体都在2公斤以上。农业生产实践和科研成果表明，充分利用作物特性和农艺、工程节水技术可大大提高水资源利用的产出效率。在此背景下，为了促进我国节水农业的发展，使我国从一个农业大国转变成一个农业强国1，我们提出了农作物自动喷灌控制系统的设计。1.2我国农业灌溉情况我国人口众多、粮食消耗量很大，人均水资源量很少，仅为世界平均水平的1/4。人口数量依然在增长，消耗自然在增大，随着经济大发展，人们生活水平的提高，用水量增大。我国用水资源的日趋紧张，缺水问题更加突出。而农业用水量很大且用水浪费十分严重，在我国这样一个用水量极大而水资源及其缺乏的大国发展节水农业势在必行。我国水资源贫乏，特别是北方地区耕地面积占全国的45%，但水资源仅占全国总量的9.7%，以全国第三产粮大省河北为例，用占全国0.7%的水生产了全国6%的粮食，养育了全国5%的人口。但这是以严重超采地下水为代价换来的。所以依靠科技的力量大力发展节水农业日益重要。发展节水农业是农民增收的重要途径。长期以来，我国农业的主要目标和重点是解决粮食问题。北方地区由于水资源不足，单产水平较低，农民必须不断扩大耕种面积以满足食物和增收需要，导致生产结构极其单一，农业整体效益差。灌溉农区虽为确保全国粮食总量平衡作出了巨大贡献，但粮食产量经济效益低，加上市场经济不够活跃，信息和流通都相对闭塞，农民增收困难重重。发展节水农业，在提高农田基础地力和农田水、土壤水利用率的基础上，通过各种技术的组装配套和综合运用，协调配置土、肥、水、光、温等要素，把区域比较优势充分地发挥和展示出来，减少或减轻旱灾的威胁，形成以提高单位用水效益和投入产出率为目标的农业生产经营体系，为农民增收创造条件。另外，发展节水灌溉，对生态环境建设和保护有十分重要的意义。我国生态环境建设是一项长期艰巨的任务，用节约农业用水量支持生态环境建设用水，从源头节水，严格控制上游用水，不仅可以缓解下游用水紧张矛盾，而且遏制下游生态环境恶化趋势，为逐步恢复和保护生态提供支持，同时减少灌溉用水量，有利于遏制地下水进一步超采和减少地质灾害等1。农业是用水大户, 农业用水80% 以上是灌溉, 其节水潜力很大。推广节水灌溉技术, 提高灌溉水利用率, 降低农业灌溉用水比重, 是缓解水资源短缺的一条投资省、见效快的可行途径。建立节水型农业应成为我省农田灌溉事业在21 世纪的发展方向。当前, 随着自动化技术在自动喷灌控制系统中的应用, 发达国家如以色列、荷兰、加拿大、美国、澳大利亚等已成功开发了一系列用途非常广泛、功能极其强的灌溉控制器。而我国在开发灌溉自动控制系统方面与发达国家相比还存在很大差距, 仍然处于研制、试用阶段, 随着水资源的日趋紧张、用水矛盾的日益尖锐及信息技术的发展, 积极开发操作方便，功能性强，适应能力强，应用范围广的节水灌溉控制系统不仅具有广阔的市场前景, 而且具有巨大的社会效益。1.3论文的研究的目的与内容高效农业和精细农业要求我们必须要提高水资源的利用率。要真正实现水资源的高效，就要做到降雨、灌溉水、土壤水和地下水的联合调用2。为此，通过对地表温度、湿度、降雨量及气候状况等模拟量的测量，进而对农作物喷灌进行自动控制来提高水资源的利用率。在喷灌系统中合理地实现自动化控制，不仅可以提高水资源的利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以提高农作物的产量，降低农产品成本，节省人力物力; 实现农业灌溉输水系统网络化; 减少田面蒸发量，才能达到节水的效果。同时应该结合实际情况，规划自动控制系统，向自动化、信息化、智能化方向发展。基于PLC 的自动喷灌控制系统是将自动控制与喷灌系统有机结合起来，使喷灌系统在无人干预的情况下，通过控制器按规定的程序自动进行喷灌; 通过管理的有效途径，最大限度地满足农作物对水分的需求，精细农作物灌溉，减少水的浪费2。同时，还能在系统硬件组成不变的情况下，可以通过更改软件的设置来适应多种运行方式的需要，在农田水利系统的小型泵站中可实现半无人值守甚至无人值守，具有巨大的使用价值和广阔的应用前景。1.3.1研究目的基于PLC的自动控制喷灌系统是将自动控制与喷灌系统有机地结合起来，使喷灌系统在无人干预的情况下通过控制器按规定的程序自动进行喷灌; 通过管理的有效途径，最大限度地满足农作物对水分的需求，精细农作物灌溉，减少水的浪费。可以通过更改软件设置来适应多种运行方式的需要。本课题根据农作物喷灌控制系统的现状，利用PLC作为控制设备， 用其扩展功能模块，实现了系统对农作物喷灌的自动控制。该系统将提高水资源的利用率，并会为我国尽早实现农业现代化做出贡献。1.3.2研究内容本文研究了变频调速技术在生产中的应用，并且考虑到原系统所存在的问题，提出了基于PLC控制的交流变频调速系统，构建了新一代的自动喷灌控制系统。(1)对我国农业灌溉情况进行了研究。阐述了发展节水农业的必要性，自动喷灌控制系统大大提高了水资源的利用率。(2)通过查阅资料调比较了电机的直流调速系统与交流调速系统，对电机交流变频调速系统的总体方案进行了论证。(3)对系统的总体方案进行了设计。(4)对变频器的基本结构、交流异步电动机的变频调速原理进行了研究与分析。对PLC的组成、各部分的作用和工作原理进行了较为详细的研究与分析。完成了对变频器的选择和PLC的选择，并对所选型号变频器和PLC的特性进行了介绍。(5)对变频器的结构和控制方法进行深入的学习和研究，掌握其主要的特点和正确的使用方法。(6)对PLC主要的硬件结构和编程语言进行了深入学习和研究，掌握了其主要特点和编程方法。(7)调查分析了组态软件的发展和现状，设计了自动喷灌控制系统的监控程序。(8)最后对设计进行了总结。2喷灌过程变频调速恒压供水系统总体方案2.1电机调速系统方案的论证喷灌系统的动力主要由电动机驱动，根据喷灌要求对电动机的旋转速度进行控制和调节就是一项经常而重要的工作。电动机的调速性能如何，对提升喷灌效果、提高喷灌效率和节省电能有着决定性的影响。传统的控制系统多采用直流调速系统，但是直流调速系统存在较多的弊端。如果采用交流的调速系统，不仅会提升丝光机的质量，而且可以大大减低系统的能耗，大幅度的节约电能。2.1.1直流调速系统所存在的问题直流电动机很容易控制和调节其转速，没达到额定转速时，励磁电流不变，而恒功率转矩要求调速，可以通过改变电枢电压来进行恒转矩调速以达到控制要求；达到额定转速或超出额定转速后，保持电枢电压恒定，可用通过改变励磁的方法进行恒功率调速来达到控制要求。为了获得获得优良的静、动态调速特性可采用转速、电流双闭环直流调速系统。所以，20世纪80年代以前，在变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位。但由于直流电动机本身结构上存在机械式换向器和电刷这一致命弱点，这给直流调速系统的开发和应用带来了一系列的限制，如:(1) 机械式换向器不得不频繁地进行定期检查和大量维修，电刷必须定期更换。这就使得直流调速系统维护工作量大大加大、费用也大大提高，同时停机检修和更换电刷还直接影响了正常的生产，浪费了大量的人力物力。(2)为了保证机械式换向器能够可靠工作，往往通过采取增大电枢和换向器直径的方式，这就导致了电机转动惯量很大。对于有些生产工艺要求响应速度很快，采用直流调速方式难以实现，即使实现了也要花费大量的材料和技术，大大增加电机的制造难度和成本，以及调速系统的复杂性。(3) 极限允许值不仅机械式换向器的表面线速度有，而且换向电流、电压也有，这就限制了电机的转速和功率。倘若超出了极限值，对设备运行的可靠性会产生威胁。 (4) 直流电动机不宜应用在多粉尘、多腐蚀性气体、易燃、易爆、的生产场合。2.1.2交流调速系统的发展和现状及优点交流电动机大都具有结构非常简单、制造起来很容易、价格相对便宜、强度高并且特别耐用、运行可靠、很少维修、使用环境及结构发展不受限制、转动惯量相对小得多等优点。鼠笼式异步电动机在所有交流电动机中具有更大的优势。但是长期以来，由于受科技发展的限制，把交流电动机作为调速电机的困难、问题没能得到较好的解决，所以只有一些调速性能差、能耗低的调速方法得以应用，如:绕线式异步电动机的串级调速、鼠笼式异步电动机定子调压调速及电磁滑差离合器调速等。20世纪七十年代以后，由于科学技术的迅速发展为交流调速的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础，交流调速理论及应用技术大致沿以下四个方面发展:(1)电力电子器件的蓬勃发展和迅速换代促进了变流技术的迅速发展和变流装置的现代化。(2)脉宽调制技术脉宽调制技术的发展和应用优化了变频装置的性能，适用于各类交流调速系统，为交流调速技术的普及发挥了重要的作用。脉宽调制(PWM)技术基本上可分为四类:等宽PWM法、正弦PWM法(SPWM)、磁链追踪型PWM法及电流跟踪型PWM法。PWM技术的应用克服了相控原理的所有弊端，使交流电动机定子得到了接近正弦波形的电压和电流，提高了电机的功率因素和输出效率。(3)矢量变换控制技术的诞生和发展奠定了现代交流调速系统高性能化的基础交流电动机是个多变量、非线性、强祸合的被控对象，采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解藕，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，使交流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高，从而使交流调速最终取代直流调速成为可能。(4)微型计算机控制技术与大规模集成电路的迅速发展和广泛应用为现代交流调速系统的成功应用提供了重要的技术手段和保证。交流调速技术的发展过程表明，现代工业生产的需要推动了交流调速的飞速发展；现代控制理论的发展和应用，电力电子技术的发展和应用，微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用为交流调速的飞速发展创造了技术和物质条件。实践证明，交流调速技术的应用为工农业及节省电能方面带来了巨大的经济和社会效益。现在，交流调速系统作为一种推动技术进步的主要手段已全面、逐步取代直流调速系统。随着微电子技术、计算机控制技术和电力电子技术越来越迅速的发展，交流变频调速技术也得到了飞快的发展并在大量的工业控制场合得到应用。电动机交流变频调速技术的应用大大节约了电能、改善了工艺流程，提高了产品质量并且改善了环境。变频调速被国内外公认为最有发展前途的调速方式，其卓越的调速性能、起制动快速平稳性能、高功率因数和节电效果、高效率、广泛的适用范围及其它许多优点的到越来越多的认可。交流变频调速控制的优点主要有3:(1)交流变频调速使用的是异步电动机，比同容量的直流电动机具有体积小、占空间小，结构简单，维护方便、可靠性高、价格低等优点。(2)变频调速电源使用了先进的SPWM技术，电机运行质量和性能得到显著提高，动态性能得到很大改善、调速范围大大加宽、控制精度也得到显著提高，噪声小、性能好、操作方便快捷，己逐渐取代直流电机调速。(3)明显改善了电动机供电电源的质量，减少了谐波，提高了效率和功率因数，节能明显。(4)容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。(5)容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。(6)电机在带动较大负载启动时，会有较大的冲击电流，采用变频时，可以实现软启动，减小冲击电流，解决大负载的启动问题。(7)电源功率因素高，所需容量小，对电网的公害小。(8)具有完善的保护功能:变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别(如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等)，并立即封锁输出电压。这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏3。2.1.3基于PLC的交流变频调速系统变频调速节能技术是一项集现代电力电子技术和计算机技术于一体的高效节能技术。自20 世纪80 年代投入应用以来, 显示出强劲的竞争力, 应用领域也在迅速扩展。变频器调速经历了多段速度控制、模拟量给定控制和专用控制器几个发展阶段。新一代的变频恒压供水装置利用人机界面作为控制器, 通过RS485 通讯口, 完成了PLC 及专用控制器的功能, 做到系统可靠, 功能先进、完备, 外围器件少, 维护方便。当前, 水资源紧缺是制约我国经济发展的重要因素, 节水节能是我国社会经济持续发展的基本国策。变频恒压喷灌技术既充分发挥了灌溉效益, 又节约能耗, 是一项具有重要经济意义的技术措施, 其节水节能技术具有强大的生命力。2.2 变频恒压供水喷灌系统基本构成如图2-1所示为恒压供水泵站的构成示意图，压力传感器用于检测灌区管网中的水压，安装在灌区入口。当用水量大时水压降低，用水量小时，水压升高。水压传感器将水压的变化转换为电流或电压的变化送给PLC。储水池P11#泵M22#泵M3补水泵M1变频器PLC灌区SP压力传感器电源电动机电动机电动机电动机图2-1变频恒压供水泵站构成示意图PLC在恒压供水泵站中起到的作用：实现水压的给定值与反馈值的综合与调节工作，实现PID调节。一只传统的调节器往往只能实现一路PID设置，用PLC做调节器可同时实现多路PID设置。控制水泵的运行与切换。为了使水泵均匀的磨损，水泵和电动机设置为轮换工作。在本系统中，用一台变频器控制两个水泵，与变频器相连的水泵（变频泵）是轮流工作的。变频泵在运行且达到最高频率时，增加一台工频泵投入运行，PLC则是泵组管理的执行设备。变频器的驱动控制。恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式，这需采用PLC的模拟量扩展模块，水压传感器送来的模拟信号输入到模拟量模块的模拟量输入端，而输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID处理后得出的模拟量控制信号，并以此信号的变化改变变频器的输出频率。2.3系统的总体方案可编程序控制器的电源接通时，PLC 启动，选择操作方式是手动还是自动;如果选择手动，可通过控制柜上的可操作按钮，手动控制喷灌系统的运行；如果选择自动，则喷灌控制系统按照预先编制好的程序顺序工作。系统初始化后，将土壤温度、湿度上下限设定值输入到PLC，土壤湿度传感器将采集到的湿度信号传送给A/D 转换模块FX2N4AD，将模拟量转换成数字量，然后将数字信息传给PLC; 利用湿度传感器采集到的“湿度值”与设定值进行比较，计算是否需要打开灌区电磁阀，启动水泵对农作物进行喷灌2。若需要则进行正常喷灌，这一过程是通过控制水泵的输出来完成的; 否则进行湿度报警，并停止水泵的运行2。在喷灌过程当中，土壤温度也应当进行实时检测，若温度高于30则温度报警并停止对农作物持续进行喷灌，否则继续检测温度是否低于0，此时立即停止喷灌; 反之，系统按照程序正常运行。天气变化也应检测，若发生降雨则停止喷灌; 反之，系统也按照程序正常运行。在电机停止运行即不允许喷灌时，PLC 将进入下一个工作周期，利用采集到的“湿度值”与设定值进行比较，判断是否需要给农作物进行喷灌，直到PLC 断电停机( 由RUN 状态到STOP 状态) 。PLC系统中各个电机人机界面温度湿度传感器各开关触点各个区域电磁阀图2-2 控制系统框图PLC 控制是一种常用的变频控制方式。在该方式中, 变频器为电机提供可变频率的电源, 实现对电机的无级调速。网管水压通过传感器来检测, 压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值; 将压力设定信号和压力反馈信号输入PLC, 经PLC 内部PID 控制程序计算后, 将转速控制信号输出给变频器, 改变电机的输入频率, 调整水泵的转速, 实现对水泵性能的调节. 系统采用压力传感器、PLC 和变频器作为中心控制装置, 实现对水泵性能的调节。安装在管网干线上的压力传感器用于检测管网的水压值, 将压力转化为420 mA 的电流信号,提供给PLC 与变频器。变频器按照水压恒定的要求, 将050 Hz 的频率信号供给水泵电机, 调整其转速。PID 将压力传感器电流信号和变频器输出频率信号转化为数字量, 提供给PLC, 与恒压系统要求对应的电流值、频率上限及下限进行比较, 实现泵的切换与转速的变化。在本系统中，1#泵和2#泵的电机采用一台变频器来进行频率的调节控制。采用PLC输出的模拟量信号作为变频器的控制端输入信号。变频调速器对电机的控制具有完善的自我保护和电机保护功能的完成。它通过接受PLC的信号控制电机转速大小。由于变频调速是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现的，故在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因此具有高效率、宽范围、高精度的调速性能。开 始是否下雨温度低于0度温度高于30度输入设定值输入采样值高于设定值启动水泵进行喷灌结束YNN下雨报警温度报警NYY停机YYYN图2-3 控制流程图根据系统的工作流程设计系统的控制流程图如图2-3在系统流程运行之前，首先进行初始化，通过开关元件及组态软件将设备运行参数送至PLC，检查是否下雨，若下雨则报警，不进行喷灌，并一直检测，若不下雨继续监测温度是否在适宜喷灌的范围内，若不在则进行温度报警，并一直检测直到温度适宜再进行下一项。设定最适宜农作物生长的湿度，将检测到的湿度值与设定值进行比较，若测得的湿度值小于设定值则打开灌区电磁阀，驱动水泵上水，进行喷灌，直到测得的湿度值等于设定值停止喷灌并进行湿度报警。3硬件设计3.1变频器的选择3.1.1变频器的功能与构成变频器实现的功能：(1)节能的应用利用变频器实现调速节能运行，是变频器应用的一个最典型的优点，也成为节约能源的有效措施。其中以风机和泵类机械的节能效果最显著。(2)提高生产效率提高生产效率是变频器传动的重要目的：保证加工工艺中的最佳转速适应负载不同工况的最佳转速提升机、传送带、货物搬运车的最恰当运行速度的确定，往往遇到快速搬运和准确停车之间的矛盾。可采用两段(或多断)速度运行。高速运行可以缩短搬运时间，低速运行速度虽慢但有利于提高定位停车的精度。原有设备的增速运转各类搬运机械、金属加工机械等的运行速度往往直接关系到产品的质量。原来不调速的机械设备常由主机和传动机构两部分组成，原动机则多数采用异步电动机。其运行速度被异步电动机的额定速度所限制。如果机械设备的工作情况总是保持使异步电动机工作在额定状态下，则保持着最大的生产能力。但实际上不可能如此，因为生产机械的轻载运行使很常见的一种工况，这时，采用变频器传动，适当的提高转速(超过电网频率)，则很容易提高生产率。高精度准确停车提升机和自动仓库等在生产过程中间歇时间的缩短，对提高生产效率起到了很大的作用。在预定位置的准确停车，对减小间歇时间来说是十分必要的。(3)提高产品质量生产中引入变频器传动，可使机械、装置性能提高，而装置、机械性能的提高又使生产过程中的产品质量提高。适应生产工艺的多方面要求质量的例子很多，变频器可以通过提供：加工对象的最佳速度；平滑的加/减速;高精度的转矩控制来提高装置性能和产品质量。(4)设备的合理化高性能的调速系统实现交流化，逐步取代直流电动机，以克服直流电动机电刷、换向器难于维护的困难。另一方面，则是充分利用通用变频器的功能，改造传统的恒速运行的异步电动机传动的生产机械，使一大部分生产机械的功能得以“升级”。(5)适应和改善环境对环境的适应性强，并且对环境引起的危害小，是变频传动的又一个特点。变频器可用于某些有爆炸危险性的气体和可燃性溶剂的生产设备，也可用于有腐蚀性气体的场合，户外、极度潮湿的场合或者水中电动机的调速传动11。变频器的基本原理见图3-1整流器储能元件逆变器M3控制回路ACDCAC电压、电流、频率图3-1变频器基本原理图变频器由整流、滤波、逆变及控制回路等部分组成。交流电源经整流、滤波后变成直流电源，控制回路有规则地控制逆变器的导通与截止，使之向异步电动机输出电压和频率可变的电源，驱动电动机运行。(1)整流器一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是把工频电源变换为直流电源，供给逆变电路和控制电路所需。整流电路按其控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流电流源。(2)滤波电路在整流器整流后的直流电压中，含有六倍电源频率的脉动电压，此外，逆变器回路产生的脉动电流也使直流电压波动。为了抑制这些电压波动，采用直流电抗器和电容器吸收脉动电压(电流)。(3)逆变器逆变器是变频器的主要部分之一。它是利用六个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的主开关元器件的通与断，得到任意频率的三相交流电输出。它的主要作用是在控制电路的控制下，将整流电路输出的直流电源转换为频率和电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。3.1.2变频器的型号选择随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速己应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速在喷灌系统中也得到了广泛应用。本设计选用转为风机、泵用负载设计的普通功能性U/F控制方式的FR-740-15K-CH三菱变频器。变频器内置PID控制模块，可用于闭环控制系统，实现恒压喷灌。FR-740-15K-CH变频器的特点如下:该变频器是基于现代控制理论的磁通观测器、神经元控制，直接控制转矩，真正的电流矢量控制达到高精度转矩控制速度控制范围:1:1000(1:100不带PG)。速度控制精度:土0.02%(士0.2%不带PG)。起动转矩:150%/r/min(150%/1Hz不带PG)。操作设置简单多种控制功能以满足各种机械需要。应用软件更加丰富，适用于各种系统，易于维护。完善的保护功能FR-740-15K-CH变频器具有电机保护、变频器过载、瞬间过电流、电压下降、过电压、输入缺相等保护功能。 (3)容量选择常规设计的交流电动机，通常都是在额定频率、额定电压下工作的。此时，轴上输出转矩、输出功率都可以达到额定值。在变频调速的情况下，供电频率是变化的，电机的实际输出也会变化。由于变频器有一定的通用性，因此在与不同拖动场合的电机配合时，必须合理选择容量。对于现场己使用或己选定的电动机，需要选配相应的变频器3。在一台变频器驱动一台电机的情况下，变频器的容量选择要保证变频器的额定电流大于该电动机的额定电流，或者是变频器所适配的电动机功率大于当前该电动机的功率3。按连续恒负载运转时所需的变频器容量(KVA)的计算式计算3: (3-1) (3-2) (3-3)式中:PM负载所要求的电动机的轴输出功率；电动机的效率(通常约0.85)；cos电动机的功卒因数(通常约0.75)；UM电动机电压(V)；IM电动机电流(A)，工频电源时的电流；k电流波形的修正系数，对PWM方式，取 k=1.05；PCN变频器的额定容量(KVA)；ICN变频器的额定电流(A)。这三个式子是统一的，选择变频器容量时，应同时满足三个算式的关系，尤其变频器电流是一个较关键的量3。考虑到电机性能上的差异及机械负载的不同，变频器容量应是电机容量的1-2倍。另外，也可根据生产机械所需的实际转矩与稳定运行时的转速，求其乘积，得到所需电机的轴上功率，据此确定变频器容量。3.1.3变频器制动电阻参数的计算由于丝光机传动装置运行过程中惯性较大，所以变频调速装置应具有制动功能。带有逆变功能的变频调速装置通过逆变器虽然能够将再生能量回馈电网，但成本太高。采用能耗制动方式通过制动单元将再生能量消耗在制动电阻上，成本较低而且具有良好的使用效果。能耗制动电阻Rz的大小应使制动电流Iz的值不超过变频器额定电流的一半，即Iz=Uo/Rz In (3-4)其中Uo为额定情况下变频器的直流母线电压。由于制动电阻的工作不是连续长期工作，因此其功率可以大大小于通电时消耗的功率。3.2 PLC的选择PLC(可编程序控制器)是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其相关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC的工作原理是用户程序的执行不是从头到尾只执行一遍，而是执行完一遍之后，又返回去执行第二遍、第三遍直到停机。如果程序的每一条指令执行的足够快，整个程序的长度有限，使得每执行一次程序占用的时间足够短，这个时间短到足以保证变量条件不变。那么即使在前一次执行程序时对某一变量的状态没有捕捉到，也能保证在第二次执行程序时该条件依然存在。FX2N系列是三菱PLC是FX家族中最先进的系列。具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。本设计选用FX2N-48MR。3.3水泵机组的选择根据系统要求的总流量范围、扬程大小，确定供水系统设计小时流量和设计供水压力（水泵扬程），考虑到用水量类型为连续性低流量变化性，确定采用两台主水泵（离心泵）机组和一台补水泵（深井泵）机组， 表3-1水泵机组参数水泵电机功率(/kW)数量(台)型号流量扬程转速(r/min)补水泵551台250QJ80-140/780140主水泵152台IS100-80-1606510012535322829003.4传感器的选择(1)液位传感器的选用本设计中选用静压投入式液位传感器静压投入式液位传感器（液位计）适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便。420mA、 05v、 010mA等标准信号输出方式由用户根据需要任选。 利用流体静力学原理测量液位，是压力传感器的一项重要应用。采用特种的中间带有通气导管的电缆及专门的密封技术，既保证了传感器的水密性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。 是针对化工工业中强腐蚀性的酸性液体而特制，壳体采用聚四氟乙烯材料制成，采用特种氟胶电缆及专门的密封技术进行电气连接，既保证了传感器的水密性、耐腐蚀性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。 工作原理：用静压测量原理：当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为： = .g.H + Po式中： P ：变送器迎液面所受压力 ：被测液体密度 g ：当地重力加速度 Po ：液面上大气压 H ：变送器投入液体的深度 同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压 Po 与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的 Po ， 使传感器测得压力为： .g.H ，显然 , 通过测取压力 P ，可以得到液位深度。 功能特点： 稳定性好，满度、零位长期稳定性可达 0.%FS/ 年。在补偿温度 0 70 范围内，温度飘移低于 0.%FS ，在整个允许工作温度范围内低于 0.%FS 。 具有反向保护、限流保护电路，在安装时正负极接反不会损坏变送器，异常时送器会自动限流在 35MA 以内。 固态结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长。 安装方便、结构简单、经济耐用。 主要技术参数： 工艺: 扩散硅 陶瓷电容 蓝宝石 电容任选。分体式一体式可选，量程：0-0.5-200米，输出：4-20mA (2线制)供电：7.5-36VDC 推荐24VDCCBM-2100/CBM-2700 投入式静压液位计可靠防腐并带有陶瓷测量单元的探头，用于净水、污水及盐水的物位测量。(2)压力变送器及数显仪的选用选用普通压力表Y-100和XMT-1270来实现压力的检测、显示和变送。压力表的测量范围位0-1MPa，精度为1.5；数显仪输出一路4-20mA的电流信号，送给变频器作为PID调节的反馈电信号，可设定压力的上限和下限，通过两路继电器控制输出压力超限信号。该压力变送器的供电电源使用本文中选的PLC内置电源。表3-2 FX2N-4AD的性能项目电流输入四路模拟量输入，四路模拟量输出模拟量输入范围DC-20mA到20mA(输入阻抗为250)数字输出12位的转换结果以16位二进制补码方式存储最大值：2047 最小值：-2048总体精度1%（对于-20mA到20mA范围）转换精度15ms/通道（通常），6ms/通道（高速）分辨率20A（20mA默认范围：1/1000） (3)土壤湿度传感器的选用土壤湿度传感器主要用来测量土壤容积含水量，做土壤墒情监测及农业灌溉和林业防护 ，选用FDR型。 它利用电磁脉冲原理、根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数()，从而得到土壤容积含水量(v)，FDR具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点。是一种值得推荐的土壤水分测定仪器。 技术参数：单 位：%( m3/m3) 量 程：0100% 探针长度：5.3cm 探针直径：3mm 探针材料：不锈钢 密封材料：环氧树脂 测量精度：3% 工作温度范围：-4085 工作电压：512V 工作电流：2126mA，典型值21mA 测量主频：100Mhz 输出信号：01.875V DC 测量稳定时间：2秒 响应时间：1秒 测量区域：以中央探针为中心，围绕中央探针的直径为7cm、高为7cm的圆柱体 电缆长度：1.5米 (标配) 功能及特点：本传感器体积小巧化设计，携带方便，安装、操作及维护简单。 结构设计合理，不绣钢探针保证使用寿命。外部以环氧树脂纯胶体封装，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蚀。土质影响较小，应用地区广泛。测量精度高，性能可靠，确保正常工作。 响应速度快，数据传输效率高。适用范围广泛应用于节水农业灌溉、温室大棚、花卉蔬菜、草地牧场、土壤速测、植物培养、科学试验等场领域。3.5其它元器件的选择(1)按钮的选用按钮通常是用来短时接通或断开小电流的控制电路的开关。目前按钮在结构上是多种形式的：旋钮式用手扭动旋转进行操作；指示灯式按钮内可装入信号显示信号；紧急式装入蘑菇形钮帽，以示紧急操作。本设计采用型号为LA系列的按钮，通过按钮控制设备的运行。(2)组合开关的选用 组合开关主要是根据电源引入开关，所以也称电源隔离开关。它也可以起停5KW以下的异步电动机，但每小时的接通次数不宜超过10-20次开关的额定电流一般取电动机额定电流的1.52.5倍。组合开关主要根据电源种类、电压等级、所需触点数及电动机容量进行选用。常用组合开关为HZ-10系列，额定电流为10、25、60和100A四种。适用于交流380V以下，直流220V以下的电气设备中。本设计采用型号为HZ-10-25/13的组合开关。(3)热继电器的选用热继电器用于电动机的过载保护。热继电器的选择主要是根据电动机的额定电流来确定其型号与规格。热继电器的额定电流IRT 应接近或略大于电动机的额定电流即 (3-5)热继电器的整定电流值是指热元件通过此值的20%时，热继电器应当在20min内动作，选用整定电流应于电动机额定电流一致。一般情况下，可选用两相结构的热继电器，但当三相电压的均衡性较差，工作环境恶劣或无人看管的电动机，宜选用三相结构的热继电器。对于三角形接线的电动机，应选用带断相保护装置的热继电器。常用的热继电器有JR1、JR2、JR0、JR16等系列11。本系统选用JR1型号的热继电器，JR1系列热电器适用于交流50Hz、60Hz，额定电压至660V，额定电流0.2至65A的电路中，供交流电动机的过载与断相保护之用。 (4)接触器的选用接触器用于带有负载主电路的自动接通或切断