农作物喷灌控制系统毕业设计（已处理）

1、 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

2、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

3、 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 timepid function of its

4、 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 modein view of the instability of the sprinkler irrigation system aff

5、ected by the water requirement within the operation areacombined with engineering examplea water supply system with constant pressure through applying plc and transducer in greenhouse is proposed in this paperthe schematic diagram of the frequency controlincluding the design of main circuit and soft

6、ware for the system is presentedthe systemwhich is composed of host computerplctransducerpressure transmitterand motor-pump systemfirstly this design not only introduces the development and current situation of electromotor regulating technology but also discusses the schemes of the indirect current

7、 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 fu

8、nction 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 introducedkey words plcpid water supply with constant pressure autom

9、atic irrigation configuration software目录1引言111课题背景112我国农业灌溉情况113论文的研究的目的与内容2com的3com容32喷灌过程变频调速恒压供水系统总体方案421电机调速系统方案的论证4com速系统所存在的问题4com速系统的发展和现状及优点4comlc的交流变频调速系统622 变频恒压供水喷灌系统基本构成623系统的总体方案73硬件设计931变频器的选择11com的功能与构成11com的型号选择12com制动电阻参数的计算1432 plc的选择1433水泵机组的选择1534传感器的选择1535其它元器件的选择174软件设计2041 变频恒

10、压供水系统原理及控制流程2042 pid调节21com pid控制的原理和特点21com pid控制器的参数整定2343变频器的参数设置2344 plc程序设计24com plc的程序结构24com plc控制系统io点分配25com设计275系统人机界面设计3851组态软件3852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11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

11、任发展农业节水是建设节水型社会的重要组成部分节水型农业使我国农业这不仅对加快农业现代化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粮食消耗量仅为世界平均水平的14随着我国用缺水问题更加突出而农业用水浪费十分严重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97以全国第三产粮大省河北为例用占全国07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

12、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 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

13、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日益尖锐 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13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

14、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com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

15、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com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

16、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21电机调速系统方案的论证喷灌

17、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com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

18、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

19、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com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

20、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

21、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

22、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

23、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

24、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3comlc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

25、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22 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

26、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23系统的总体

27、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ad 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

28、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 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

29、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

30、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变频器实现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

31、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提高产品质量生产中引入变

32、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

33、调速传动 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085 cos电动机的功卒因数 通常约075 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 105pcn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com制动电阻参数的计算由于丝光机传动装

34、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 uorz 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32 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

35、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33

36、水泵机组的选择kw 数量 台 型号转速rmin 补水泵551台250qj80-140780140主水泵152台is100-80-16065100125353228290034传感器的选择 1的选用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

37、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 gh 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 gh 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

38、期稳定性可达 0fs 年在补偿温度 0 70 范围内温度飘移低于 0fs 在整个允许工作温度范围内低于 0fs 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0-05-200米输出4-20ma 2线制 供电75-36vdc 推荐24vdccbm-2100cbm-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 3 土壤湿度传感器的选用土壤湿度

39、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 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 m3m3 量 程0100 探针长度53cm 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01875v 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

40、高为7cm的圆柱体 电缆长度15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35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

41、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1525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102560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-10-2513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-

42、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jr1jr2jr0jr16等系列本系统选用jr1型号的热继电器jr1系列热电器适用于交流50hz60hz额定电压至660v额定电流02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分直流交流两类 选择接触器主要考虑以下技术数据1 电源种类交流或直

43、流2 主触点额定电压额定电路3 辅助触点的种类数量及触点额定电流4 电磁线圈的电源种类频率继而额定电压5 额定操作频率 次h 即允许的每小时接通的最多次数接触器线圈电压一般从安全角度考虑可以选低一些但当控制线路简单所用电器不多为了节省变压器可选380v220v电动机有笼型和绕线型电动机其使用类别分别为ac2ac3和ac4因此对不同型式和使用类别的电动机用选用不同结构的接触器如水泵风机等需要选用直动式交流接触器本系统中采用cj10-20直动式交流接触器 5 控制变压器的选用当控制线路所用的电器较多线路较为复杂时一般需采用变压器降压的控制电源提高线路的安全可靠性控制变压器主要根据所需变压器的容量及

44、一次侧二次侧来选择控制变压器可根据以下两种情况确定其容量根据控制线路最大工作负载所需的功率计算一般根据下列公式计算pt kt px c 3-6 式中pt所需变压器容量 va kt变压器容量储备系数kt 11125 px c 控制线路最大负载时工作的电器所需的总功率 va 显然对于交流电器 交流接触器交流中间继电器及交流电磁铁等 px c 应取吸特功率值变压器的容量应满足已吸合的电器在又起动吸合另一些电器时仍能吸合课依据下面公式计算p t 06px c15pst式中pst 同时起动的电器总吸特功率 va 关于式中系数变压器二次侧电压由于电磁电器启动时负载电流的增加要下降但一般在下降额定值的20时

45、所有吸合电器不致释放系数06就是从这一点而考虑的式中第二项系数15为经验系数它考虑到各种电器的起动功率换算到吸特功率以及电磁电器在保证起动吸合的条件下变压器的容量只是该器件起动功率的一部分等因素本系统中采用bk-150控制变压器 在系统运行过程中 如果实际供水压力pf 低于设定压力ps 控制系统将得到正的压力差 p 这个差值经过计算和转换 计算出变频器输出频率的增加值 该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值 将这个增量和变频器当前的输出值相加 得出的值即为变频器当前应该输出的频率该频率使水泵机组转速增大 从而使实际供水压力提高 在运行过程中该过程将被重复 直到实际供水压力和设定压力相等为

46、止如果运行过程中实际供水压力高于设定压力 情况刚好相反 变频器的输出频率将会降低 水泵机组的转速减小 实际供水压力因此而减少同样 最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等12整个变频恒压供水控制系统要根据检测到的输入信号的状态按照系统的控制流程通过变频调速器和执行元件对水泵组进行控制实现恒压供水目的如图2所示其控制流程如下12 系统上电 按照接受到有效的自控系统启动信号后 首先启动变频器拖动1水泵 打开供水电动阀门 通过恒压控制器 根据管网实际压力和设定压力的误差调节变频器的输出频率 控制1 水泵的转速 当输出压力达到设定值 其供水量与用水量相平衡时转速才稳定到某一定值 这期间1水泵工作在调

47、速运行状态 当用水量增加水压减小时 通过压力闭环和恒压控制器 增加水泵的转速到另一个新的稳定值 反之 当用水量减少水压增加时 通过压力闭环和恒压控制器 减小水泵的转速到另一个新的稳定值 当1泵或ddf1电动阀故障时 plc 给上位机报警信号 值班调度将启动备用的2 泵和ddf2电动阀 同样通过压力闭环和恒压控制器控制水泵的转速将供水压力控制在设定值 当水池水量下降由液位计检测到设定的低水位时 plc 系统将补水电动阀门打开 给蓄水池补水 当水位到设定的高水位时plc 控制系统自动将关闭补水电动阀图42 变频恒压供水控制流程42 pid调节com pid控制的原理和特点在工程实际中应用最为广泛的

48、调节器控制规律为比例积分微分控制简称pid控制又称pid调节pid控制器问世至今已有近70年历史它以其结构简单稳定性好工作可靠调整方便而成为工业控制的主要技术之一当被控对象的结构和参数不能完全掌握或得不到精确的数学模型时控制理论的其它技术难以采用时系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定 这时应用pid控制技术最为方便即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时最适合用pid控制技术pid控制实际中也有pi和pd控制pid控制器就是根据系统的误差利用比例积分微分计算出控制量进行控制的阶跃响应是指将一个阶跃输入加到系统上时系统的输出稳态误差是指系统的响

49、应进入稳态后系统的期望输出与实际输出之差控制系统的性能可以用稳准快三个字来描述稳是指系统的稳定性一个系统要能正常工作首先必须是稳定的从阶跃响应上看应该是收敛的准是指控制系统的准确性控制精度通常用稳态误差来描述它表示系统输出稳态值与期望值之差快是指控制系统响应的快速性通常用上升时间来定量描述 1比例p控制 比例控制是一种最简单的控制方式其控制器的输出与输入误差信号成比例关系当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差 2积分i控制 在积分控制中控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系对一个自动控制系统如果在进入稳态后存在稳态误差则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统为了消除稳态误差在控制器中必须

50、引入积分项积分项对误差取决于时间的积分随着时间的增加积分项会增大这样即便误差很小积分项也会随着时间的增加而加大它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小直到等于零因此比例积分pi控制器可以使系统在进入稳态后无稳态误差 3微分d控制 在微分控制中控制器的输出与输入误差信号的微分即误差的变化率成正比关系 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳其原因是由于存在有较大惯性组件环节或有滞后组件具有抑制误差的作用其变化总是落后于误差的变化解决的办法是使抑制误差的作用的变化超前即在误差接近零时抑制误差的作用就应该是零这就是说在控制器中仅引入 比例项往往是不够的比例项的作用仅是放大误差的幅值

51、而目前需要增加的是微分项它能预测误差变化的趋势这样具有比例微分的控制器就能够提前使抑制误差的控制作用等于零甚至为负值从而避免了被控量的严重超调所以对有较大惯性或滞后的被控对象比例微分pd控制器能改善系统在调节过程中的动态特性 22 pid控制器的参数整定控制系统设计的核心内容pid控制器的参数整定根据控过程的特性确定pid控制器的比例系数积分时间和微分时间的大小pid控制器参数整定的方法很多概括起来有两大类一是理论计算整定法它主要是依据系统的数学模型经过理论计算确定控制器参数这种方法所得到的计算数据未必可以直接用还必须通过工程实际进行调整和修改二是工程整定方法它主要依赖工程经验直接在控制系统的

52、试验中进行且方法简单易于掌握在工程实际中被广泛采用pid控制器参数的工程整定方法主要有临界比例法反应曲线法和衰减法三种方法各有其特点其共同点都是通过试验然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数都需要在实际运行中进行最后调整与完善现在一般采用的是临界比例法利用该方法进行 pid控制器参数的整定步骤如下1首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作 2仅加入比例控制环节直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡记下这时的比例放大系数和临界振荡周期 3在一定的控制度下通过公式计算得到pid控制器的参数 比例积分微分调节器的简称利用比例微分环节的领前作用来对消调节对象中的大

53、惯性提高精度加快动态响应速度plc常见的输入设备有按钮开关各种传感器等输出设备有继电器接触器电磁阀等根据示意图和控制要求地址分配如变量类型序号变量地址变量描述模拟量输入12d120pid参数单元3d160测得的实际压力值4d170测得温度平均值5d180测得当前湿度平均值模拟量输出12d102电动机转速控制3d150pid调节输出控制表4-3 plc输入点的分配输入点现场器件与接线端子功能注释x0按钮sb2自动模式运行x1按钮sb3手动模式运行x2水池水位上限信号水池水位达到上限x3水池水位下限信号水池水位达到下限x4湿度上限信号湿度达到上限x5湿度下限信号湿度达到下限x6温度上限信号温度达到

54、上限x7温度下限信号温度达到下限x10下雨信号检测到下雨x11fr1常开触点补水泵电机过载信号x12fr2常开触点1泵电机过载信号x13fr3常开触点2泵电机过载信号x14fr4常开触点直流保护信号x151电机变频运行故障信号1电机变频运行故障信号x162电机变频运行故障信号2电机变频运行故障信号x17消音按钮sb4消除报警铃声x20灌区电磁阀打开按钮sb5打开灌区电磁阀x21灌区电磁阀关闭按钮sb6关闭灌区电磁阀x22水池注水按钮sb7手动向水池注水x23启动1泵电动机按钮sb8手动启动1泵运行x24急停按钮sb9紧急关闭运行着的系统表4-4 plc输出点的分配 输出点现场器件与接线端子功能

55、注释y0km1线圈补水泵运行控制y1km2线圈1泵工频运行控制y2km3线圈1泵变频运行控制y3km4线圈2泵工频运行控制y4km5线圈2泵变频运行控制y5ka1线圈1泵电动阀控制信号y6ka2线圈2泵电动阀控制信号y7ka3线圈灌区电磁阀控制信号y10hl1指示灯电源接通指示灯y11hl2指示灯手动运行指示灯y12hl3指示灯自动运行指示灯y13hl4指示灯发生错误指示灯y14ha1报警器湿度超过上限报警指示y15ha2报警器温度超限报警指示y16ha3报警器下雨报警指示y17hl5指示灯变频器故障指示y20接变频器正转启动端子启动变频器com设计梯形图语言作为一种标准plc编程语言在编制时

56、必须遵循一定的规则具体如下 1 梯形图每一行指令都在母线右边开始画起程序应按自上而下从左至右的顺序编制 2 触点应在水平线上不能在垂直分支上线圈不能直接与左母线相连如果需要可以通过一个没有使用元件的常闭触点或特殊辅助继电器m8000来连接 3 不包含触点的分支应放在垂直方向不可放在水平位置以便于识别触点的组合和对输出线圈的控制路径 4 适当安排编程顺序以减少程序步数在有几个串联回路相并联时应将触点最多的那个串联回路放在梯形图的最上面而在有几个并联回路相串联时应将触点最多的并联回路靠近母线 5 不能将触点画在输出线圈的右边线圈仅能画在同一行所有触点的最右边 6 不能编程的电路应进行等效变换后再编程由于设计中的io点较多关系比较复杂所以设计时没有用起保停的设计方法而采用了经验设计法这样使程序更加简洁易懂图4-1 主程序图4-1是主程序m1常开