基于PLC大棚温湿自动控制系统

1 毕业论文中文摘要 基于基于 plcplc 大棚温湿自动控制系统大棚温湿自动控制系统 摘摘 要 要 讨论了在温室控制中引入 PLC 技术构成分布式控制系统的方 法 详细介绍了系统的特点 组成 硬件设计 实时动态监控系 统及通信问题 分布式的控制结构 使各子系统相对独立 管理与 控制功能分开 易于实现群控化管理 提高了系统的可靠性 且易于 扩展 系统成本低廉 性能稳定 通用性好 符合中国国情 具有广泛 的应用前景 关键词关键词 温室大棚 PLC 集散控制 温湿控制 1 毕业论文外文摘要 TitleTitle Design the agriculture temperature and humidity glasshouse control system with the programmable logic controller AbstractAbstract The method of distributed control system composed by PLC technology in glasshouse control is introduced in this paper It gives a detailed introduction to the characteristics constitutes software and hardware design real time dynamic surveillance and communication of the system The distributed control structure makes all sub systems independent relatively separates the management and control function and easy to realize the swarm control management greatly improves the reliability and expandable of the system It has the characacters of low cost stable function wide adoptability etc which matches the conditions of China and has charming application foreground KeywordsKeywords Glasshouse agriculture PLC Distributed control system Swarm control management 1 目目 录录 引引 言言 1 一研究背景 1 1 2 研究的目的及意义 2 2 系统概述 2 2 1 系统设计任务 2 2 2 系统总体设计 2 2 3 系统工作原理 7 2 4 温湿度传感器 8 3 系统硬件设计 9 3 1 PLC 简介 9 3 2 总线简介 9 3 3 电磁阀的简介与安装 10 3 4 湿度传感器 13 3 5 温度传感器 14 3 6 喷灌系统的设计 15 结论 21 参考文献 22 致谢 24 图 1 25 1 1 1 引言引言 1 11 1 研究背景研究背景 我国的设施园艺绝大部分用于蔬菜生产 年代以来 温室 大棚蔬菜的种 植面积连年增加 目前的栽培设施中 有国家标准的装配式钢管塑料大棚和玻璃温 室仅占设施栽培面积的少部分 大多数的农村仍然采用自行建造的简单低廉的竹木 大小棚 只能起到一定的保温作用 根本谈不上对温光水气养分等环境条件的调控 抗自然环境的能力极差 即使那些数量不多的装配式塑料大棚和玻璃温室也缺乏配 套的调控设备和仪器 主要依靠经验和单因子定性调控 设施栽培的智能化程度非 常低 我国设施农业的发展 以超时令 反季节生产的设施园艺作物的发展为主 且 发展迅猛 1997 年设施园艺作物栽培面积达 86 7 万公顷 较 80 年代初期的栽培面 积增长了 128 倍 人均设施蔬菜占有量 1996 1997 年为 33 公斤 较 1980 1981 年人均设施蔬菜占有量增长了近 164 倍 2001 年 我国设施园艺面积将突破 100 万 公顷 全国设施蔬菜人均占有量将达到 40 公斤 塑料大棚 中棚及日光温室为我国主要的设施结构类型 其中能充分利用太阳 光热资源 节约燃煤 减少环境污染的日光温室为我国所特有 1997 年我国日光温 室面 积已超过近 16 7 万公顷 由农业部联合有关部门试验推广的新一代节能型日 光温室 每年每亩可节约燃煤约 20 吨 采用单层薄膜或双层冲气薄膜 PC 板 玻璃 为覆盖材料 的大型现代化连栋温室 具有土地利用率高 环境控制自动化程度高和 便于机械化操作等特点 自 1995 年以来 呈现出迅猛发展之势 目前全国共有大型 温室面积 200 公顷 其中自日本 荷兰 以色列 美国等国家引进的温室面积达 140 公顷 我国设施农业目前还存在着诸如土地利用率低 盲目引进温室 设施结构不合 理 能源浪费严重 运营管理费用高 管理技术水平低 劳动生产率低及单位面积 产量低 等诸多问题 但随着社会的进步和科学的发展 我国设施农业的发展将向着 2 地域化 节能化 专业化发展 向着高科技 自动化 机械化 规模化 产业化的 工厂型农业 发展 为社会提供更加丰富的无污染 安全 优质的绿色健康食品 1 21 2 研究的目的及意义研究的目的及意义 温室的作用是用来改变植物的生长环境 避免外界四季变化和恶劣气候对作物 生长的不利影响 为植物生长创造适宜的良好条件 温室一般以采光和覆盖材料作 为主要结构材料 它可以在冬季或其他不适宜植物露地生长的季节栽培植物 从而 达到对农作物调节产期 促进生长发育 防治病虫害及提高产量的目的 温室环境 指的是作物在地面上的生长空间 它是由光照 温度 湿度 二氧化碳浓度等因素 构成的 温室控制主要是控制温室内的温度 湿度 通风与光照 虽然有些温室也安装有各种加热 加湿 通风和降温的设备 但其主要操作大 多仍是由人工来完成的当温室面积较大或数量较多时 操作人员的劳动强度很大 而且也无法达到对温湿度的准确控制 本文介绍一种基于 PLC 和数字式温湿度传感 器的温室控制系统 该系统实现了室内温湿度的自动测量和调节 大大降低了操作 人员的劳动强度 采用喷灌系统作为改变温室湿度环境的方法节约了水资源 充分 利用太阳能节约了能源 2 2 系统概述系统概述 2 12 1 系统设计任务系统设计任务 温室的作用是用来改变植物的生长环境 避免外界四季变化和恶劣气候对作物 生长的不利影响 为植物生长创造适宜的良好条件 温室一般以采光和覆盖材料作 为主要结构材料 它可以在冬季或其他不适宜植物露地生长的季节栽培植物 从而 达到对农作物调节产期 促进生长发育 防治病虫害及提高产量的目的 温室环境 指的是作物在地面上的生长空间 它是由光照 温度 湿度 二氧化碳浓度等因素 构成的 温室控制主要是控制温室内的温度 湿度 通风与光照 灌溉系统采用电 磁阀控制的喷灌系统的方式 节约了水源 温度调节主要有遮阴帘风机的动作来解 决 2 22 2 系统总体设计系统总体设计 2 2 1 plc 的选择 3 由于德国 SIEMENS 系列产品具有功能强大 可靠灵活等特点 从系统设计的整 体性 一致性出发 考虑到经济性 功能性等各方面的原因 我们选用西门子公司 的产品 以最优的性能 价格比进行系统的配置 本系统可以实现各个子系统的单独 调控 通过通讯网络由总控室进行统一的管理 便于实现群控化控制 系统配置上 各个子系统选择了 SIEMENS 系列的 S7 215 PLC 这是因为在 200 系列 PLC 中 只有 215 具有 Profibus DP 口 可以联到 Profibus 上进行高速数据传输 S7 215 本机 14 个输入点和 10 个输出点 内存 13K 字节 扩展模块 EM231 可以实 现 3 路模拟量输入的 A D 转换 EM235 实现 3 路模拟量输入的 A D 转换 1 路模 拟量输出的 D A 转换 可以根据需要方便地进行功能的扩展 另外调整相应系统的 硬件设备或者对应的用户子程序 可以方便地改变对参数的设置 系统通过开关量传 感器 模拟量传感器对温室内的温度 湿度 光照等进行检测 通过 D A 通道要实 现对各种执行和调节机构的控制 以及各种环境设备的启停和电机等设备的保护 各 子系统选用 PLC 的主机内部带有存储程序的 EPROM 停电后程序不会丢失 总控室 选择 S7 315 它集成有数据通讯接口 可以方便地通过 PROFIBUS DP 口实现 和其他子系统的通信 进行集中管理 在这里通过动态监控画面可以动态地了解各 种参数的变化 各个子系统可以实现独立运行 当网络出现意外或其他子系统出现 问题也不会引起瘫痪 环境控制子系统配置硬件原理图如图 2 1 所示 4 图 2 1 系统组成框图 2 2 2 软件和动态监控系统设计 软件部分主要完成对各个子系统的控制 并集成有模糊控制算法 可以根据参 数设定值达到对环境参数的精确控制 能够实现数据采集 数据预处理 通讯和监 控执行机构等功能 动态监控系统的设计是采用西门子的视窗控制中心 SIMATIC WincCC 它是一种可视化的人机界面 可以很容易地结合标准和用户程序生成人 机界面 准确地满足实际要求 SIMATIC WinCC 的组成包括计算机 Computer 标 签管理 TagManagement 数据类型 Data Type 和编辑器 Editor 几个部分 动态 监控系统可以实时检测温室内各种环境参数的瞬时值和动态显示他们的变化趋势 同时每隔一定时间间隔对采集值进行存储以提供数据报表 同时将其保留在历史数 据库中供作物栽培者日后进行检查 2 2 3 网络通信系统设计 通信系统实现对整个温室运做的信线 RXD 收 TXD 发 GND 地 选用可 保证波特率在 9 600 bps 时 通信距离可达到 112 km 设计采用主从方式管理 主 机通过 RS 232 RS485 通信接口转换器完成信号之间的转换 从机采用 MAX485 接 5 口可以实现 RS 485 与 TTL 电平的转换 信号通信程序分为初始化 接收和发送三 个部分 本设计中所选 PLC 都是 SIEMENS 的产品 本身都集成了 PROFIBUS 接口 可以方便可靠的连接成一个现场总线网络 本机主站和从站的分配情况如下 在 本系统中选用了带有 Profibus 接口的 S7 315 为主站 它为每一个站点分配一个 地址 在预定的信息周期内与分散的站点交换信息 本系统中总控室的上位 PC 机属于第二类主站 选用带 PROFIBUS DP 网卡 CP5611 接口的工控机 从站 为各个子系统的 S7 215 PLC 与 PC 之间的通讯 二者进行数据交换 各站周 期性地交换 1 字节数据 主站发送命令信息 从站上通过 DP RECV read 调用 DP RECV 功能从主站读取数据并存储到从站 DB11 中 然后通过 DP SEND write 调用 DP SEND 功能存储在 DB11 中的数据写入到主站的输入区 1 PLC 与上位机的通讯协议 通讯协议包括两方面的内容 一是通讯接口 二是通讯方式 PLC 与上位机一 般采用 RS 232 接口的异步串行通讯方式 CQM1 的 CPU 单元本身带有 RS 232 接口 可直接使用该端口与上位机进行 RC 232 串行通讯 通讯方式有两种 一种是 上位机始终具有初始传送优先权 所有的通讯均由上位机来启动 CQM1 总是处于被 动状态 另一种是 PLC 具有优先权 命令由 PLC 发送至上位机 笔者设计的监控系 统采用的是第一种通讯方式 PLC 与上位机的数据通讯是以 帧 为单位进行的 帧的格式如图 2 2 和图 2 3 所示 命令帧由上位机发送给 PLC 响应帧为 PLC 接 收到命令帧后自动向上位机发送的应答信号 图 2 2 命脉令帧 6 图 2 3 响应帧 2 通讯过程 通讯开始 先由上位计算机对 PLC 发出一串字符的测试帧命令 在帧的传送格 式中 为起始符 节点号为 PLC 的编号 用于标识和上位机通讯的 PLC 由 PLC 中 DM6648 设定 在这个温室环境检测控制系统中 只有一个下位 PLC 其节 点号为 00 标题码为一个 2 字符的命令代码 用来标明帧的功能 例如 RD WD 分 别为读 写 DM 数据区的标题码 FCS 为一个 2 字符的帧检查次序代码 即从帧起 始位 到帧数据结束 FCS 前 之前的数据进行 异或运算的结果 用来检查帧的传 送结果 例如 计算机发送一命令帧 00RR00 0143 CR 帧中 43 为 FCS 的值 它 是由命令帧中 0 0 R R 0 0 1 分别转化为 ASC 码 再转化为 8 位二进制 数进行 异或 运算后转化为十六进制的结果 CR 表示帧结束响应帧中结束代码为 00 标明通讯有效 为充分利用上位机 CPU 的时间 可使上位机与 PLC 并行 工作 在上位机等待 PLC 回答信号的同时 使 CPU 处理其它任务或线程 某 PLC 在接到上位机的一个完整帧以后 首先判断是不是自己的代号 若不是 就不予理 睬 若是 就发送呼叫回答信号上位机接到回答信号后 与发送测试的数据比较 若两者无误 发出可以进行数据通讯的信号 转入正常数据通讯 否则 提示用户 检查线路重新测试或通讯失败 3 PC 机串行通讯软件的设计 VisualC 6 0 具有强大的 MFC 类库 强大的图形功能和良好的人机界面 可 以轻松地开发出界面良好的 Windows 标准风格的图形用户界面 编程时 主要使 用 VC 提供的串行通信控件 MS Comm 来实现 首先 利用 MFC APPWizard 创建对 话框 然后 在对话框中创建通信控件 或通过菜单 Project Add to Project Components and Control 插入即可 再将该控件从工具箱中拉到对话框中 然后 设置合适的 WindowsAPI 函数的接口 也就是设置和监视 MSComm 控件的属性和事件 在 7 ClassWizard 中 为新创建的通信 控件定义了成员对象 CMSComm m Serial 通 过该对象 便可以对串口属性进行设置 下面是通过设置控件属性对串口进行初始 化的程序 BOOL CSampleDlg PortOpen BOOL m Opened m Serial SetCommPort 2 指定串口号 m Serial SetSettings 4800 N 8 1 通信 参数设置 m Serial SetInBufferSize 1024 指定 接收缓冲区大小 m Serial SetInBufferCount 0 清空接收缓 冲区 m Serial InputMode 1 设置数据获取方式 m Serial SetInputLen 0 设置读取方式 m Opened m Serail SetPortOpen 1 打开指定 的串口 return m Opened 打开所需串口后 需要考虑串口通信的时机 在接收或发送数据过程中 可能 需要监视并响应一些事件和错误 所以事件驱动是处理串行端口交互作用的一种非 常有效的方法 使用 OnComm 事件和 Com mEvent 属性捕捉并检查通讯事件和错误 的值 发生通讯事件或错误时 将触发 OnComm 事件 CommEvent 属性的值将被改 变 应用程序检查 CommEvent 属性值并做出相应的反应 在程序中用 ClassWiz ard 为 CMSComm 控件添加 OnComm 消息处理函数 void CSampleDlg OnComm switch m Serial GetCommEvent 8 case 2 串行口数据接收 处理 2 32 3 系统的工作原理系统的工作原理 系统由温湿度传感器 PLC 系统 含键盘和液晶显示 加热设备和加湿设备 几部分组成 整个系统的工作原理图如图 2 4 所示 图 2 4 系统工作原理图 该温室控制系统是利用 PLC 把传感器采集的有关参数 如温度 湿度 转换为 数字信号 并把这些数据暂存起来 与给定值进行比较 经一定的控制算法后 给出 相应的控制信号进行控制 系统还可以经过串行通信接口将数据送至上位机 从而 完成数据管理 智能决策 历史资料统计分析等更为强大的功能 并可以对数据进 行显示 编辑 存储及打印输出 传感器把与生物有关的参量 温度 湿度等 转 换为电压信号 经运算放大器组成的信号处理电路变换成压频转换器 V F 需要的 电压信号 其中温度传感器的输出电流与绝对温度成正比 且具有温度响应快 线 性度好及高阻抗电流输出等特点 适于长距离传输 可把 5 55 的温度转换成 1 4 V 的电压 测湿调理电路是将湿度传感器测试到的 10 90 的相对湿度转换 成 4 20 mA 的电流输出信号 温室控制系统的执行机构包括风机 气泵 水帘 遮阴帘 电磁阀等设备 系统工作时 PLC 通过温湿度传感器来测量温室内的温湿 度并与设定值相比较 如果温室内的温度或湿度超出了设定范围的上下限值 PLC 就输出指令 控制接通相应的设备 当温室的温度和湿度都在范围内时 PLC 就输 出指令 切断设备的电源 系统的工作流程见图 2 9 图 2 5 系统工作流程图 2 42 4 温湿度传感器温湿度传感器 温湿度传感器采用芬兰维萨拉公司生产的温湿度传感器 型号是 HMW 40Y 此 传感器具有测量精度高 响应时间短 对环境要求低 易于安装等特点 其主要性 能指标如下 湿度 10 90 RH 温度 5 55 测量精度 3 RH 0 3 输出信号 4 20 mA 3 3 系统的硬件设计系统的硬件设计 3 13 1 PLCPLC 简介简介 10 S7 200 系列 PLC 可以满足多样化的控制要求 由于具有紧凑的设计 良好的扩 展性 低廉的价格以及强大的指令系统 使得可以近乎完美的满足小规模控制要求 S7200 PLC 是德国西门子公司生产的一种超小型 PLC 3 1 1 S7 200 系列 PLC 系统结构 1 基本单元 基本单元有时又称 CPU 模块 也有时成主机或本机 它包括 CPU 存储器 基 本输入输出点和电源等 时 PLC 的主要部分 2 扩展单元 当主机 I O 数量不能满足控制系统的要求时 用户可以根据需要扩展各种 I O 模块 所能连接的扩展单元数量和实际所能使用的 I O 点数是有多种因素共同决定 的 3 特殊功能模块 当需要完成某些特殊功能的控制任务时 可与 s7 200 主机相联 以完成某种特 殊的控制任务的一种装置 4 相关设备 主要有编程设备 人机操作界面和网络设备等 5 工业软件 工业软件是为了更好地管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序 它主 要由标准工具 运行软件 和人机接口等几大类构成 3 23 2 总线简介总线简介 3 2 1 总线定义 是连接智能现场设备和自动化系统的全数字 双向 多站的通信系统 主要解 决工业现场的智能化仪器仪表 控制器 执行机构等现场设备间的数字通信以及这 些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题 多种现场总线并存 目前世界上存在着大约四十余种现场总线 如法国的 FIP 英国的 ERA 德国西 门子公司 Siemens 的 ProfiBus 挪威的 FINT Echelon 公司的 LONWorks PhenixContact 公司的 InterBus RoberBosch 公司的 CAN Rosemounr 公司的 HART CarloGarazzi 公司的 Dupline 丹麦 ProcessData 公司的 P 11 net PeterHans 公司的 F Mux 以及 ASI ActraturSensorInterface MODBus SDS Arcnet 国际标准组织 基金会现场总线 FF FieldBusFoundation WorldFIP BitBus 美国的 DeviceNet 与 ControlNet 等 等 这些现场总线大都用于过程自动化 医药领域 加工制造 交通运输 国防 航天 农业和楼宇等领域 大概不到十种的总线占有 左右的市场 3 2 2 PROFIBUS 总线 PROFIBUS 是德国标准 DIN19245 和欧洲标准 EN50170 的现场总线标准 由 PROFIBUS DP PROFIBUS FMS PROFIBUS PA 系列组成 DP 用于分散外设间高 速数据传输 适用于加工自动化领域 FMS 适用于纺织 楼宇自动化 可编程控制 器 低压开关等 PA 用于过程自动化的总线类型 服从 IEC1158 标准 PROFIBUS 支持主 从系统 纯主站系统 多主多从混合系统等几种传输方式 PROFIBUS 的传输速率为 9 6Kbit s 至 12Mbit s 最大传输距离在 9 6Kbit s 下为 1200m 在 12Mbit s 小为 200m 可采用中继器延长至 10km 传输介质为双绞线或者 光缆 最多可挂接 127 个站点 3 33 3 电磁阀的简介与安装电磁阀的简介与安装 3 3 1 电磁阀简介 电磁阀是用来控制流体的方向的自动化基础元件 属于执行器 通常用于机械 控制和工业阀门上面 对介质方向进行控制 从而达到对阀门开关的控制 电 磁阀常与空气过滤器 回信器相连接叫气动三联件 工作原理 电磁阀里有密闭的腔 在不同位置开有通孔 每个孔都通向不同的油管 腔中 间是阀 两面是两块电磁铁 哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边 通过控 制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔 而进油孔是常开的 液压油就会进入 不同的排油管 然后通过油的压力来推动油缸的活塞 活塞又带动活塞杆 活塞竿 带动机械装置动 这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动 3 3 2 电磁阀在选型时的注意事项 电磁阀的选型 12 电磁阀选型首先应该依次遵循安全性 可靠性 适用性 经济性四大原则 其 次是根据六个方面的现场工况 即管道参数 流体参数 压力参数 电气参数 动作 方式 特殊要求进行选择 选型依据 一 根据管道参数选择电磁阀的 通径规格 即 DN 接口方式 1 按照现场管道内径尺寸或流量要求来确定通径 DN 尺寸 2 接口方式 一般 DN50 要选择法兰接口 DN50 则可根据用户需要自由选择 二 根据流体参数选择电磁阀的 材质 温度组 1 腐蚀性流体 宜选用耐腐蚀电磁阀和全不锈钢 食用超净流体 宜选用食品 级不锈钢材质电磁阀 2 高温流体 要选择采用耐高温的电工材料和密封材料制造的电磁阀 而且要 选择活塞式结构类型的 3 流体状态 大至有气态 液态或混合状态 特别是口径大于 DN25 订货时一 定要区分开来 4 流体粘度 通常在 50cSt 以下可任意选择 若超过此值 则要选用高粘度电 磁阀 三 根据压力参数选择电磁阀的 原理和结构品种 1 公称压力 这个参数与其它通用阀门的含义是一样的 是根据管道公称压力 来定 2 工作压力 如果工作压力低则必须选用直动或分步直动式原理 最低工作压 差在 0 04Mpa 以上时直动式 分步直动式 先导式均可选用 四 电气选择 电压规格应尽量优先选用 AC220V DC24 较为方便 五 根据持续工作时间长短来选择 常闭 常开 或可持续通电 2 要是开启的时间短或开和关的时间不多时 则选常闭型 3 但是有些用于安全保护的工况 如炉 窑火焰监测 则不能选常开的 应选 可长期通电型 六 根据环境要求选择辅助功能 防爆 止回 手动 防水雾 水淋 潜水 1 爆炸性环境 必须选用相应防爆等级的电磁阀 我公司现有 d II BT4 d II CT5 Ex m I II T4 13 2 当管内流体有倒流现象时 可选择我公司 OK71 N OK72 N 系列带止回功能 电磁阀 3 当需要对电磁阀进行现场人工操作时 可选择我公司 OK71 S OK72 S 系列 带手动功能电磁阀 4 露天安装或粉尘多场合应选用防水 防尘品种 防护等级在 IP54 以上 5 用于喷泉必须采用潜水型电磁阀 防护等级在 IP68 以上 1 当电磁阀需要长时间开启 并且持续的时间多余关闭的时间应选用常开型 3 3 3 安装注意事项如下 1 安装时应注意阀体上箭头应与介质流向一致 不可装在有直接滴水或溅水的 地方 电磁阀应垂直向上安装 2 电磁阀应保证在电源电压为额定电压的 15 10 波动范围内正常工作 3 电磁阀安装后 管道中不得有反向压差 并需通电数次 使之适温后方可正 式投入使用 4 磁阀安装前应彻底清洗管道 通入的介质应无杂质 阀前装过滤器 5 当电磁阀发生故障或清洗时 为保证系统继续运行 应安装旁路装置 故障与排除 一 电磁阀通电后不工作 检查电源接线是否不良 重新接线和接插件的连接 检查电源电压是否在 工作范围 调致正常位置范围 线圈是否脱焊 重新焊接 线圈短路 更换线圈 工作压差是否不合适 调整压差 或更换相称的电磁阀 流体温度过高 更换相称的电磁阀 有杂质使电磁阀的主阀芯和动铁芯卡死 进行清洗 如有密封损坏应更换密封并 安装过滤器 液体粘度太大 频率太高和寿命已到 更换产品 二 电磁阀不能关闭 主阀芯或铁动芯的密封件已损坏 更换密封件流体温度 粘度是否过高 更换 对口的电磁阀有杂质进入电磁阀产阀芯或动铁芯 进行清洗弹簧寿命已到或变形 更换节流孔平衡孔堵塞 及时清洗工作频率太高或寿命已到 改选产品或更新产品 14 三 其它情况 内泄漏 检查密封件是否损坏 弹簧是否装配不良 泄漏 连接处松动或密封件已坏 紧螺丝或更换密封件 通电时有噪声 头子上坚固件松动 拧紧 电压波动不在允许范围内 调整好 电压 铁芯吸合面杂质或不平 及时清洗或更换 3 43 4 湿度传感器湿度传感器 1 选择测量范围 和测量重量 温度一样 选择湿度传感器首先要确定测量范围 除了气象 科 研部门外 搞温 湿度测控的一般不需要全湿程 0 100 RH 测量 在当今的信息时 代 传感器技术与计算机技术 自动控制拄术紧密结合着 测量的目的在于控制 测量范围与控制范围合称使用范围 当然 对不需要搞测控系统的应用者来说 直 接选择通用型湿度仪就可以了 用户根据需要向传感器生产厂提出测量范围 生产 厂优先保证用户在使用范围内传感器的性能稳定一致 求得合理的性能价格比 对 双方来讲是一件相得益彰的事情 2 选择测量精度 和测量范围一样 测量精度同是传感器最重要的指标 每提高 个百分点 对 传感器来说就是上一个台阶 甚至是上一个档次 因为要达到不同的精度 其制造 成本相差很大 售价也相差甚远 例如进口的 1 只廉价的湿度传感器只有几美元 而 1 只供标定用的全湿程湿度传感器要几百美元 相差近百倍 所以使用者一定要 量体裁衣 不宜盲目追求 高 精 尖 3 考虑时漂和温漂 几乎所有的传感器都存在时漂和温漂 由于湿度传感器必须和大气中的水汽相 接触 所以不能密封 这就决定了它的稳定性和寿命是有限的 一般情况下 生产 厂商会标明 1 次标定的有效使用时间为 1 年或 2 年 到期负责重新标定 请使用者 在选择传感器时考虑好日后重新标定的渠道 不要贪图便宜或迷信洋货而忽略了售 后服务问属 选择湿度传感器要考虑应用场合的温度变化范围 看所选传感器在指定温度下 能否正常工作 温漂是否超出设计指标 要提醒使用者注意的是 电容式湿度传感 器的温度系数 是个变量 它随使用温度 湿度范围而异 这是因为水和高分子聚 15 合物的介电系数随温度的改变是不同步的 而温度系数 又主要取决于水和感湿材 料的介电系数 所以电容式湿敏元件的温度系数并非常数 电容式湿度传感器在常 温 中湿段的温度系数最小 5 25 时 中低湿段的温漂可忽略不计 但在高温高 湿区或负温高湿区使用时 就一定要考虑温漂的影响 进行必要的补偿或订正 4 其它注意事项 湿度传感器是非密封性的 为保护测量的准确度和稳定性 应尽量避免在酸性 碱性及含有机溶剂的气氛中使用 也避免在粉尘较大的环境中使用 为正确反映欲 测空间的湿度 还应避免将传感器安放在离墙壁太近或空气不流通的死角处 如果 被测的房间太大 就应放置多个传感器 有的湿度传感器对供电电源要求比较高 否则将影响测量精度 或者传感器之 间相互干扰 甚至无法工作 使用时应技要求提供合适的 符合精度要求的供电电 源 传感器需要进行远距离信号传输时 要注意信号的衰减问题 当传输距离超过 200m 以上时 建议选用频率输出信号的湿度传感器 由于湿敏元件都存在一定的分散性 无论进口或国产的传感器都需逐支调试标 定 大多数在更换湿敏元件后需要重新调试标定 对于测量精度比较高的湿度传感 器尤其重要 3 53 5 温度传感器温度传感器 温度是一个基本的物理量 自然界中的一切过程无不与温度密切相关 温度传 感器是最早开发 应用最广的一类传感器 温度传感器的市场份额大大超过了其他 的传感器 从 17 世纪初人们开始利用温度进行测量 在半导体技术的支持下 本世 纪相继开发了半导体热电偶传感器 PN 结温度传感器和集成温度传感器 与之相应 根据波与物质的相互作用规律 相继开发了声学温度传感器 红外传感器和微波传 感器 温度传感器有四种主要类型 热电偶 热敏电阻 电阻温度检测器 RTD 和 IC 温度传感器 IC 温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型 接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触 又称温度计 温度计通过传导或对流达到热平衡 从而使温度计的示值能直接表示被测对象 的温度 一般测量精度较高 在一定的测温范围内 温度计也可测量物体内部的温 16 度分布 但对于运动体 小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差 常 用的温度计有双金属温度计 玻璃液体温度计 压力式温度计 电阻温度计 热敏 电阻和温差电偶等 它们广泛应用于工业 农业 商业等部门 在日常生活中人们 也常常使用这些温度计 随着低温技术在国防工程 空间技术 冶金 电子 食品 医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究 测量 120K 以下温度的低温温 度计得到了发展 如低温气体温度计 蒸汽压温度计 声学温度计 顺磁盐温度计 量子温度计 低温热电阻和低温温差电偶等 低温温度计要求感温元件体积小 准 确度高 复现性和稳定性好 利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻 就是低温温度计的一种感温元件 可用于测量 1 6 300K 范围内的温度 3 63 6 喷灌系统喷灌系统 利用机械和动力设备 使水通过喷头 或喷嘴 射至空中 以雨滴状态降落田 间的灌溉方法 喷灌设备由进水管 抽水机 输水管 配水管和喷头 或喷嘴 等 部分组成 可以是固定的或移动的 具有节省水量 不破坏封结构 调节地面气候 且不受地形限制等优点 3 6 1 喷灌的特点 a 省水 由于喷灌可以控制喷水量和均匀性 避免产生地面径流和深层渗漏损 失 使水的利用率大为提高 一般比地面灌溉节省水量 3O 一 50 省水还意味着 节省动力 降低灌水成本 b 省工 喷灌便于实现机械化 自动化 可以大量节省劳动力 由于取消了田 间的输水沟渠 不仅有利于机械作业 而且大大减少了由间劳动量 喷灌还可以结合 施入化肥和农药 又可以省去不少劳动量 据统计 喷灌所需的劳动量仅为地面灌 溉的 l 5 c 提高土地利用率 采用喷灌时 无需田间的灌水沟渠和畦埂 比地面灌溉更 能充分利用耕地 提高土地利用率 一般可增加耕种面积 7 一 10 d 增产 喷灌便于严格控制土壤水分 使土壤湿度维持在作物生长最适宜的范 围 而且在喷灌时能冲掉植物茎叶上尘土 有利于植物呼吸和光合作用 另外喷灌对 土壤不产生冲刷等破坏作用 从而保持土壤的团粒结构 使土壤疏松多孔 通气性 好 因而有利于增产 特别是蔬菜增产效果更为明显 17 e 适应性强 喷灌对各种地形适应性强 不需要像地面灌溉那样整平土地 在 坡地和起伏不平的地面均可进行喷灌 特别是在土层薄 透水性强的沙质土 非常 适合采用喷灌 此外 喷灌不仅适应所有大田作物 而且对于各种经济作物 蔬菜 草场都可以获得很好的经济效果 喷灌具有好多优点 但是也有缺点 主要是投资 费用大 就目前条件移动式喷灌系统最便宜 亩投资也需要 20 50 元 亩 另外是 受风速和气候的影响大 当风速大于 5 5 米 秒时 相当于 4 级风 就能吹散雨滴 降低喷灌均匀性 不宜进行喷灌 其次 在气候十分干燥时 蒸发损失增大 也会降 低效果 3 6 2 喷头的选型与布置 1 喷头的选型 选择喷头时 除需考虑其本身的性能 如喷头的工作压力 流量 射程 组合 喷灌强度 喷洒扇形角度可否调节之外 还必须同时考虑诸如土壤的允许喷灌强度 地块大小形状 水源条件 用户要求等因素 另外 同一工程或一个工程的同一轮 灌组中 最好选用一种型号或性能相似的喷头 以便于灌溉均匀度的控制和整个系 统的运行管理 在已建项目中 有的为片面追求水景效果 安装了各种性能截然不 同的喷头 致使灌溉均匀度无法保证 选择喷头时需特别注意的是 灌溉系统不是 喷泉 其目的是为了弥补植物需水时空上的不足 而不是创作人工水景 因此 只 能在首先满足需水的前提下 尽量照顾到景观效果 此类喷头品种繁多 按射程分 有 0 6 5 8 米的小射程喷头 4 3 9 1 米的 中小射程喷头 8 5 15 9 米的中等射程喷头 20 米以上的大射程喷头 按喷洒类 型分 有散射喷头 射线喷头 旋转喷头 射线旋转喷头 按使用场合分 有园林 喷头 高尔夫喷头等等 这些喷头均可在加压喷水时自动弹出地面 而灌水停止时 又缩入地面 不会影响园林景观上的机械作业 1 1 小射程喷头一般为非旋转散射式喷头 如 PROS 系列 PS 系列以及 INST 系 列 这些喷头的弹出高度有 50mm 75mm 100mm 150mm 和 300mm 可选配喷洒形式 繁多或可调角度的喷嘴 喷灌强度较大 不但适用于小块灌溉 也可用于灌木 绿 篱的灌水和洗尘 这类喷头的喷嘴大多为 匹配灌溉强度喷嘴 即无论全圆喷洒 还是半圆或 90 度及其他角度 其灌溉强度基本相同 这种特性对保证系统的喷洒均 匀度极为有利 18 1 2 中小射程喷头多为旋转喷头 如 SRM PGJ 系列齿轮驱动顶部调节喷头 射 程为 4 3 11 3 米 弹出高度有 100mm 150mm 300mm 这种喷头适用于中型面积 绿地和灌木 花卉的喷灌 特别的如 MP 系列地埋射线旋转喷头 射程 3 9 米 以其独特的喷洒方式 和由此而来的不可比拟的节水特性 尤其适合坡地和新植喷洒 1 3 中等射程喷头多为旋转喷头 如亨特 I 20 PGP 系列地埋旋转喷头 这些 喷头适用于中型面积绿地的灌溉 弹出高度有 100mm 和 300mm 两种 适用于较大面 积的灌溉 其中 I 20 喷头配有止溢阀 并且可选不锈钢升降柱 顶部带有独特阀门 可在系统运行时单独将某个喷头关闭 便于维修或更换喷嘴 1 4 大射程喷头 如亨特 I 31 I 35 系列 I 41 系列 I 60 系列 I 90 系 列均为旋转式齿轮驱动顶部有工具调节喷头 射程均在 20 米以上 其特点是材料强 度高 抗冲击性能好 除用于大面积灌溉外 特别适合于运动场灌溉系统 其中 I 60 系列喷头 独有低压大射程功能 在压力为 2 8bars 0 28Mp 时 射程可达 18 9 米 特别适合低压系统或者旧系统改造项目 在各种射程的喷头中 均可选择 止溢型 喷头 带止溢功能的喷头一般安装 在地形起伏较大的喷灌系统中的地形较低的部位 可有效防止当灌水停止时管道中 的水从低位喷头溢出 影响喷头周围的正常生长 土壤的允许喷灌强度是影响喷头选型的主要因素之一 喷灌强度是指单位时间 内喷洒在地面上的水深 我们一般考虑的是组合喷灌强度 因为灌溉系统基本上都 是由多个喷头组合起来同时工作 对于喷灌强度的要求是 水落到地面后能立即渗 入土壤而不出现积水和地面径流 即要求喷头的组合喷灌强度 组合 应小于等 于土壤的水入渗率 各类土壤的允许喷灌强度 允许 的参考值见下表 表 3 1 各类土壤的允许喷灌强度 mm h 土壤类别 允许喷灌强度 砂土 壤砂土 砂壤土 20 15 12 19 壤土 粘土 10 8 喷头组合喷灌强度的计算公式为 组合 mm h 1000q A 式中 q 为单喷头的流量 m3 h A 为单喷头的有效控制面积 m2 另外 土壤的允许喷灌强度随着地形坡度的增加而显著减小 如坡度大于 12 时 土壤的允许喷灌强度将降低 50 以上 因此 对于地形起伏的工程 在喷头选 型时需格外注意 2 喷头的布置 喷灌系统中喷头的布置包括喷头的组合形式 喷头沿支管上的间距及支管间距 等 喷头布置的合理与否 直接关系到整个系统的灌水质量 喷头的组合形式主要取决于地块形状以及风的影响 一般为矩形和三角形 或 为其特例正方形和正三角形 矩形或正方形布置 适用于地块规则 边缘成直角的 条件 这种形式设计简便 容易做到使各条支管的流量比较均衡 三角形或正三角 形布置 适用于不规则地块 或地块边界为开放式 即使喷洒范围超出部分边界也 影响不大的情况 这种布置抗风能力较强 喷洒均匀度要高于矩形或正方形 同时 所用喷头的数量相对较少 但不易作到使各条支管的流量均衡 有时地块形状十分 复杂 或地块当中有障碍物 使喷头的组合形式为不规则形 但在多数喷灌系统中 可尽量采用正方形或正三角形布置 2 1 正方形布置 正方形布置时 喷头沿支管上的间距与支管间距相等 但对角喷头之间的距离 是支管间距的 1 41 倍 考虑到风的影响 推荐喷头间距为喷头射程 R 的 0 9 1 1 倍 见下表 表 3 2 正方形布置 风速 km h 正方形最大间距 0 5 6 11 1 1R 1 0R 20 12 20 0 9R 2 2 正三角形布置 正三角形布置时 各个喷头之间的距离相等 但支管间距为喷头间距的 0 866 倍 考虑到风的影响 推荐喷头间距为喷头射程 R 的 1 0 1 2 倍 见下表 表 3 3 正三角形布置 风速 km h 正三角形最大间距 0 5 6 11 12 20 1 2R 1 1R 1 0R 在喷头布置完毕后 应根据实际布置结果对系统的组合喷灌强度进行校核 特 别是在地块的边角区域 因喷头往往是半圆或 90 度而不是全圆喷洒 若选配的喷嘴 与地块中间全圆喷洒的喷头相同 则该区域内的喷灌强度势必大大超过地块中间 所以 为保证系统良好的喷洒均匀度 一般安装在边角的喷头须配置比地块中间的 喷头小 2 3 个级别的喷嘴 3 6 3 喷灌系统的施工安装 喷灌系统施工安装的总的要求是 严格按设计进行 必须修改设计时应先征得 设计单位同意并经主管部门批准 涉及到有关建筑物的施工 应符合现行规范的要 求 如 给排水建筑物施工及验收规范 地下防水工程施工及验收规范 等 针 对喷灌系统的特点 在其施工与安装时 应注意以下问题 一 在已有的喷灌地块内施工 除尽量保护现有喷灌外 要特别注意管沟弃 土的处理 弃土须分层放置 埋管时须按与开挖时相反的顺序分层回填 以保证沿 管线种植层内的土壤与原有土壤一致 二 在干管和每条支管上应安装放水装置 以便于冲洗管道以及冬季防冻 即使在无冻害的南方地区 在非灌溉季节一般也应放空管道 防止水长期滞留在管 道中产生微生物 附着在管壁和喷头上影响喷灌效果 放水装置除常见的闸阀 球 阀外 还有自动泄水阀 可在灌水停止后自动排出管道中的水 21 三 对于系统压力变化或地形起伏较大的情况 支管阀门处应安装压力调节 设备 如亨特公司生产的与电磁阀相配套的 Accu Set 型压力调节器 使支管进口处 压力均衡 保证系统的喷洒均匀度 另外 在必要的管段还应安装进排气阀 泄压 阀等 用以保护系统的安全 四 为便于临时取水 或对喷灌不易控制的边角地段进行人工灌溉 在主管 道上一般需安装一定数量的快速取水阀 方便体 如亨特 HQV 型快速取水阀 这种 快速取水阀与所配套的钥匙配合使用 插入钥匙 阀门即可自动开启供水 若要停 止灌水 只需取下钥匙 阀门会自动关闭 五 地埋式喷头的安装 1 安装前须对喷头进行预置 可调喷洒扇形角度的喷头 出厂时大多设置在 180 度 因此在安装前应根据实际地形对喷洒扇形角度的要求 把喷头调