基于PLC的自动浇灌系统设计.docx
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基于PLC的自动浇灌系统设计
湖南工业职业技术学院
HunanIndustryPolytechnic
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
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。
基于PLC的自动浇灌系统设计
第1章绪论
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。
课题研究现状
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。
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。
目的和意义
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。
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。
第2章系统器件选择设计
PLC的选型
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。
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（3~5）字/个来粗略估算；需要进行运算处理时按（5~10）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S7-200CPU224，S7-200CPU224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。
电动机启动方式
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-Δ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-Δ 起动）。
采用星三角起动时，起动电流只是原来按三角形接法直接起动时的1/3。
如果直接起动时的起动电流以6～7Ie 计，则在星三角起动时，起动电流才2～ 倍。
这就是说采用星三角起动时，起动转矩也降为原来按三角形接法直接起动时的1/3。
适用于无载或者轻载起动的场合。
并且同任何别的减压起动器相比较，其结构最简单，价格也最便宜。
除此之外，星三角起动方式还有一个优点，即当负载较轻时，可以让电动机在星形接法下运行。
此时，额定转矩与负载可以匹配，这样能使电动机的效率有所提高，并因之节约了电力消耗。
电动机电气控制电路
图电动机电气控制电路
电动机的PLC控制程序编写
I/O地址分配
图I/O地址分配
程序图
图星-三角降压启动程序图
温度、湿度传感器的选型
温度传感器的选择
DS18B20原理与特性：
本系统采用了DS18B20单总线可编程温度传感器,来实现对温度的采集和转换，大大简化了电路的复杂度，以及算法的要求。
首先来介绍一下DS18B20这块传感器的特性及其功能：
DSl8B20的管脚及特点DS18B20可编程温度传感器有3个管脚。
内部结构主要由四部分组成：
64位只读内部存储器、温度传感器、温度上/下限报警触发器TH和TL、暂存器。
DS18B20的外形及管脚排列如图所示
图DS18B20的外形及管脚排列图
图DS18B20内部功能模块
GND为电源接地线，DQ为数据信号输入/输出端，通过一个较弱的上拉电阻与PLC相连。
VDD为外接供电电源输入端，范围3．O～V。
DS18B20内部功能模块如图所示。
DS18B20的工作原理：
DS18B20的测温原理与DS1820相同，只是因分辨率不同得到的温度值的位数DS18B20为9位～12位，而DS1820为9位，且温度转换时的延时时间变为750mS,DS18B20的测温原理图如图所示。
虽然现在高精度芯片的采用,但由于技术问题在实际情况上比较难实现,而实际精度不能达到很高的数值，不过温度寄存器中的数值基本可确定为所测温度。
斜率累加器的作用就是为了减少这一误差，它能够补偿和修正测温过程中的误差，修正计数器1的预置值。
图中低温度系数振荡器的晶振振荡频率受温度影响很小，固其能够产生固定频率的脉冲信号，用于计数器1的输入。
而高温度系
数振荡器的晶振振荡频率随温度变化有着明显的改变，所产生的脉冲信号用于计数器2的输入。
预置计数器1和温度寄存器的一个基数值，为在－55℃所对应时。
低温度系数振荡器晶振产生的脉冲信号经过计数器1的减法计数，当减到0时，温度寄存器中的数据值将加1，重新装入计数器1的预置，低温度系数晶振产生的脉冲信号在经过计数器1的减法计数，循环执行，直到计数器2内的数据减到0时，停止温度寄存器内值的累加，此时温度寄存器内的数值就是现场所测得温度。
DS18B20的寄存器结构的配置，低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式或测试模式。
在其出厂时改为被设置为，用户不要改动。
R1和R0用来设置分辨率。
图DS18B20的测温原理框图
湿度传感器的选择
湿度的测量有很多种方法，湿度传感器的工作原理是其内置的物质从周围环境中吸收水分后引起的物质形态结构的变化，将这种变化以某种等价方式获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。
最常用的有电容式、电阻式和湿涨式湿敏元件，分别是根据其内置物质吸湿后的介电常数、电阻率和体积的变化而测量得到湿度的。
下面介绍HS1100（顶端接触）/HS1101（侧面接触）湿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；（6）适宜于流水线自动插件的制造和自动装配过程等。
相对湿度的范围是0~100%RH，电容量的变化为16pF变到200pF，其误差为±%RH、反应时间小于5S、温度系数为℃，可见其有较高的精度。
2.工作原理
HS1100/HS1101电容传感器，在电路图中就是一个电容器件，这个电容有着其自身特点：
随着空气中湿度的改变其电容量也就改变，如何把电容的变化量等价的转换为能够被计算机识别的信号，常用的方法是将该湿敏电容连接在555振荡电路中，555振荡电路的连接如图所示，其可以把电容值的变化量转为易于被计算机识别的与之成反比的电压频率信号。
HS1100/HS1101湿度传感器在不同的相对湿度中其电容值是不同的，而电容值得改变使电路输出的频率也发生相应的改变，HS1100/HS1101的容值随着相对湿度的增大而增大，而输出频率与之成反比，因此输出频率的变化是随着相对湿度值的变大而变小，即频率降低。
图给出了输出频率的典型值。
图典型频率值（参考点：
25℃，相对湿度：
50%，输出频率：
6728KHZ）
图给出了HS1101典型频率输出的555测量振荡电路，集成定时器555未接电阻R4、R2与湿敏电容C，构成对C的充电回路并将引脚2、6端相连引入到片内比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。
另外，R3是防止输出短路的保护电阻，R1用于平衡温度系数。
图HS1101典型555应用电路
模块的选择
模块的认识
每个模拟量扩展模块，按扩展模块的先后顺序进行排序，其中，模拟量根据输入、输出不同分别排序。
模拟量的数据格式为一个字长，所以地址必须从偶数字节开始，精度为12位；模拟量值为0-32000的数值。
输入格式：
AIW[起始字节地址]如AIW0输出格式：
AQW[起始字节地址]AQW0每个模拟量输入模块，按模块的先后顺序地址为固定的，顺序向后排。
例：
：
AIW0，AIW2，AIW4……、AQW0，AQW2……。
每个模拟量扩展模块至少占两个通道，即使第一个模块只有一个输出AQW0（EM235只有一个模拟量输出），第二个模块模拟量输出地址也应从AQW4开始寻址，以此类推。
模拟量输入模块可以通过拨码开关设置为不同的测量方式（电流电压）。
模块开关的设置应用于整个模块，一个模块只能设置为一种测量范围；而且开关设置只有在重新上电后才能生效。
只能将输入端同时设置为一种量程和格式，即相同的输入量程和分辨率。
EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。
EM235模拟量扩展模块的接线方法，对于电压信号，按正、负极直接接入X＋和X－；对于电流信号，将RX和X＋短接后接入电流输入信号的“＋”端；未连接传感器的通道要将X＋和X－短接。
注意：
为避免共模电压，须将M端与所有信号负端连接，未连接传感器的通道要短接。
当模拟量输入PLC接收到一个变动很大的不稳定的值时，原因之一：
你可能使用了一个自供电或隔离的传感器电源，两个电源没有彼此连接，所以由此产生了一个很高的上下振动的共模电压，影响模拟量输入值。
原因之二：
可能是模拟量输入模块接线太长或绝缘不好。
所以解决方法：
1.连接传感器输入的负端与模块上的公共M端以补偿此种波动。
（注意：
事前要确定这是两个电源间的唯一连接。
如果另外一个连接已经存在了，当再添加公共连接时可能会产生一个多余的补偿电流。
）
当出现模拟量输入PLC接收到信号变化很慢，这可能是你使用了滤波器，可以通过降低滤波采样数，或取消模拟量滤波方式解决。
EM235不是用于与热电阻连接测量温度的模块，勉强使用容易带来故障。
模拟量输入模块使用前应进行输入校准。
其实出厂前已经进行了输入校准，如果OFFSET和GAIN电位器已被重新调整，需要重新进行输入校准。
其步骤如下：
A、切断模块电源，选择需要的输入范围。
B、接通CPU和模块电源，使模块稳定15分钟。
C、用一个变送器，一个电压源或一个电流源，将零值信号加到一个输入端。
D、读取适当的输入通道在CPU中的测量值。
E、调节OFFSET（偏置）电位计，直到读数为零，或所需要的数字数据值。
F、将一个满刻度值信号接到输入端子中的一个，读出送到CPU的值。
G、调节GAIN（增益）电位计，直到读数为32000或所需要的数字数据值。
H、必要时，重复偏置和增益校准过程。
假设模拟量的标准电信号是A0—Am（如：
4—20mA），A/D转换后数值为D0—Dm（如：
6400—32000），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A＝f（D）可以表示为数学方程：
A＝（D－D0）×（Am－A0）／（Dm－D0）＋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D＝f（A）可以表示为数学方程：
D＝（A－A0）×（Dm－D0）／（Am－A0）＋D0。
具体举一个实例，以S7-200和4—20mA为例，经A/D转换后，我们得到的数值是6400—32000，即A0＝4，Am＝20，D0＝6400，Dm＝32000，代入公式，得出：
A＝（D－6400）×（20－4）／（32000－6400）＋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6400×16／25600＋4＝8mA。
又如，某温度传感器，－10—60℃与4—20mA相对应，以T表示温度值，AIW0为PLC模拟量采样值，则根据上式直接代入得出：
T=70×（AIW0－6400）／25600－10可以用T直接显示温度值。
本设计需要测量温度、湿度两路模拟量信号，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。
EM235配置
图EM235的常用技术参数
如图EM235模块如何用DIP开关设置
EM235模块如何用DIP开关设置如图所示。
开关1～6可选择模拟量的单/双极性、增益、衰减性和输入范围。
DIP开关SW6决定模拟量输入的单双极性，当SW6为ON时为单极性输入，SW6为OFF为双极性输入。
SW4和SW5决定其增益的选择，SW1,SW2,SW3共同决定了其衰减性的选择，表中，ON为接通，OFF为断开。
系统所需电源的选择
选好电源是PLC能稳定可靠工作的前提，电源看似简单，但针对不同的系统要求，电源的选择却不能很随意。
如果随便选个电源，那么很可能会造成系统供电崩溃的后果，由于没有选择PLC匹配的供电电源而导致出现各种各样的问题。
本系统选用西门子S7-200PLC，其输入电压为200VAC，输出电压为24VDC。
PLC内部的电源可分为：
内部——开关稳压电源，供内部电路使用，大多数机型还可以向外提供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24VDC电源模块可用于S7-200PLC和传感器。
而本系统选用交流电动机驱动水泵，因此系统应有一个380V的三相交流电源。
第3章系统的软件设计
常用PLC程序的设计方法
PLC程序设计常用的方法主要有经验设计法、电路转换梯形图法、逻辑设计法、顺序控制设计法等。
1.经验设计法：
即根据前人总结的典型控制电路程序，再按照设计中被对象的具体要求，把典型程序进行从新组合，而且需要反复调试和修改，得到现在系统所需要的梯形图，有时仅仅这些还不能满足要求，还需要增加中间环节，才能得出符合要求的系统。
这种方法没有一定的规律可遵循，设计所用的时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系，故称为经验设计法。
2.继电器控制电路转换为梯形图法：
用PLC的外部硬件接线和梯形图软件来实现继电器控制系统的功能。
3.顺序控制设计法：
根据功能流程图，以步为核心，从起始步开始一步一步地设计下去，直至完成。
此法的关键是画出功能流程图。
4.逻辑设计法：
通过中间量把输入和输出联系起来。
实际上就找到输出和输入的关系，完成设计任务。
本次设计采用的就是经验设计法。
温度监控程序的设计
本设计是对温度的处理，需要用到传感器采取电信号，经过模拟输入模块的转换为数字量送入PLC，假设物理量为A5，范围为A0—Am，实时物理量为X，标准电信号为B0—Bm，实时电信号为Y，A/D转换数值为C0—Cm，实时数值为Z，由于是线性关系，可以得到方程式
Y=（Bm-B0）*（X-A0）/（Am-A0）+B0
经过A/D转换后数值的方程式可表示为
Z=（Cm-C0）*（X-A0）/（Am-A0）+C0
有此式就可以得出逆变换的方程式
X=（Am-A0）*（Z-C0）/（Cm-C0）+A0
在本设计中温度传感器的测量范围为0～100℃，标准电信号为4～20mA，输入信号的数字量为6400～32000。
温度的设定值为25℃，其对应的数字量由转换公式可得到为9600。
由逆变公式可得到温度的显示数值为X=100*（Z-6400）/25600。
环境的变化量可以为25℃，我们可以设置当温度大于等于30℃时，系统控制水泵浇灌。
本设计采用的PID闭环控制系统，首先要建立回路表，初始化PID参数。
该系统的控制过程：
启动时，手动控制加热器使环境温度达到要求值，在显示器上显示实时的温度，然后切换到自动方式。
控制手动/自动的切换,0代表手动，1代表自动。
当工作在手动方式下，可以把过程变量直接写入回路表中的输出寄存器（VD108）。
其中主程序的功能是PLC首次运行时利用调用初始化子程序SBR0。
子程序SBR0的功能是形成PID的回路表，建立5S的定时中断，并且开中断。
中断程序INT0的功能是输入测量值，并送入回路表，经过PID计算将输出值输出，从而控制水泵浇灌。
图温度监控程序梯形图
湿度监控程序设计
本设计中湿度传感器的测量范围是0到100%RH，标准电信号为4～20mA，输入信号的数字量为6400～32000。
湿度的设定值为50%RH，其对应的数字量由转换公式可得到为19200。
由逆变公式可得到温度的输出显示数值为X=100*（Z-6400）/25600。
环境的变化量可以为45%RH，我们可以设置当温度大于等于55%RH或小于等于45%RH时，系统控制水泵浇灌。
图湿度监控程序图
结论
本课题
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