基于PLC关于农田灌溉的设计-毕业论文.docx

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2015届毕业设计（论文）

题目

基于PLC的节水灌溉控制系统设计

班级专业

学  号

姓 名

指导教师

学院名称

电气信息学院

2015年5月26日

基于PLC的节水灌溉控制系统设计

DesignofWaterSavingIrrigationSystemBasedonPLC

学生姓名:

指导教师:

文小玲教授

武汉工程大学毕业设计说明书

摘要

本论文论述了自动化技术在灌溉管理中的重要性，详细介绍了国外及国内自动化技术在灌溉中的应用现状及存在的问题，并对节水灌溉控制技术的发展趋势进行了探讨。

本文以实验室的一台三相异步电动机为控制对象，结合对PLC控制技术、变频调速技术和组态监控技术的研究，实现对农田灌溉系统的设计。

首先，基于PLC、变频器原理设计系统的控制功能，选择合理的系统控制方案。

然后，设计系统的主电路和控制电路，并对PLC、变频器、传感器、压力传感器等进行选型和接线；采用STEP7-Micro/WIN4.0编程软件完成了对PLC控制程序的所有设计；根据喷灌系统设计的功能要求，结合Wincc与西门子PLC，实现农田灌溉系统的设计要求。

最后，对喷灌系统进行了实验研究。

实验结果表明，该喷灌系统能手动和自动变频控制水泵转速；实现水泵运行状态的在线监测与控制，对水泵转速、电压和电流等进行实时监测，以及故障报警及其处理功能。

关键字：

PLC；变频调速技术；监控

Abstract

Thisthesisdiscussestheimportanceofautomationtechnologyinirrigationmanagement,andproblemsexistingindetailstheapplicationstatusofforeignanddomesticautomationtechnologyinirrigation,andthewatersavingirrigationcontroltechnologydevelopmenttrendisdiscussed.

Thelaboratoryathree-phaseasynchronousmotorasthecontrolobject,combinedwithofPLCcontroltechnology,VVVFtechnologyandconfigurationmonitoringtechnologyresearch,implementationoffarmlandirrigationsystemdesign.Firstofall,PLCcontrolfunctions,theinvertersystembasedondesignprinciple,thesystemcontrolschemeisreasonable.ThenthemaincircuitandcontrolcircuitofthesystemdesignandthePLC,inverter,sensors,pressuresensorsandotherwereselectionandconnection;bySTEP7-Micro/WIN4.0programmingsoftwaretocompletethealldesignofthePLCcontrolprogram;accordingtotherequirementofthefunctionofsprinklerirrigationsystemdesign,combinedwithSiemensPLCandKingview,irrigationsystemdesignrequirements.Finally,theirrigationsystemwasstudied.

Theexperimentalresultsshowthatthesprinklersystemtomanualandautomaticfrequencycontrolpumpspeed;itrealizesonlinemonitoringandcontroloftherunningstateofwaterpump,topumpspeed,voltageandcurrentofreal-timemonitoringandfaultalarmandprocessingfunctions.

Keywords:

PLC;VVVFTechnology;Monitoring

II

目录

摘要 I

Abstract II

目录 3

绪论 1

1.1课题背景及意义 1

1.2国内外灌溉技术的发展与状况 1

1.3课题研究的内容 2

1.4本章小结 3

第二章变频恒压供水系统分析 4

2.1供水系统的基本特性和方式 4

2.2喷灌控制系统中恒压实现方式 5

2.3异步电动机调速方法 6

2.4恒压喷灌所基于的调速原理 7

2.5本章小结 8

第三章恒压喷灌控制系统的总体设计 9

3.1系统设计要求与总体设计方案的确定 9

3.2控制系统的构成及工作原理 9

3.3控制系统的控制流程 14

3.4本章总结 15

第四章系统硬件选型及设计 16

4.1系统设备及器件选型 16

4.2系统电路的设计 24

4.3本章总结 28

第五章控制系统软件设计 29

5.1系统控制程序设计 29

5.2系统监控软件设计 45

5.3本章总结 52

第六章结论 53

致谢 54

参考文献 55

附录 56

绪论

1.1课题背景及意义

水是人类最宝贵的资源，是人类生存的基本条件，又是国名经济的生命线。

水工业是以城市及工业为对象，以水质为中心，从事水资源的可持续开发利用，以满足社会经济可持续发展所需求的水量为生产目标的特殊工业。

它随着水的商品化和产业化生产而逐步形成和完善的新兴工业，它是水的开采、加工、输送、回收及利用的综合产业。

在灌溉系统中合理地推广自动化控制，不仅可以提高水资源利品的成本，灌溉自动控制模式与人工控制方式相比，具有节省水、肥、能量、人工等优点，并可基本消除在灌溉过程中人为因素造成的不利影响，提高操作的准确性，有于灌溉过程的科学管理和先进灌溉技术的推广，实现按期、按需、按量自动供水。

1.2国内外灌溉技术的发展与状况

在节水灌溉技术方面，一些先进国家起步较早，如美国、英国和加拿大等在灌溉技术中运用先进的自动化、计算机等技术，这些国家从最早的水力控制、机械控制，到后来的机械电子混合协调式控制，到当前的计算机控制、模糊控制和神经网络控制，其控制精度和智能化程度越来越高，可靠性越来越好，操作也越来越简便。

我国在开发灌溉自动控制系统方面处于研制、试用阶段，经过多年的发展，国外灌溉控制器己逐步趋于成熟、系列化，但价格昂贵，国内虽引进一些，但多数是农业示范区、科研单位。

虽然国外生产的灌溉控制器性能优越，但没有考虑我国特殊的自然气候、土地资源等因素，因而国外引进的灌溉控制器在国内应用并不普及。

国内虽然有多家研制灌溉控制器，但多数是小规模、实验和理论的探讨，应用不够普及。

究其原因则是开发性能完善的灌溉控制系统需要大量的人力、物力的投入，需要多部门、多学科的融合，这在一定程度上限制了性能完善、适应性强的控制器的开发。

其次是现在开发出来的灌溉控制器价格昂贵，农民尽管知道能节省人力、灌溉用水提高产量，但由于一次性投资太大，多数农民承受不起，这也在一定程度上限制灌溉技术控制器的普及。

虽然国内变频调速技术取得了较好的成绩，但是总体上来说，国内自行开发、生产相关设备的能力还比较弱，对国外公司的依赖还很严重、国内交流变频调速技术产业状况表现如下：

（1）变频器的整体技术落后，由于分散，虽然国内有很多单位投入了一定的人力、物力研究变频技术并开发新产品，但并没有形成一定的技术和生产规模。

（2）变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎空白[2]。

（3）相关配套产业及行业落后。

（4）产品可靠性及工艺水平低。

1.3课题研究的内容

本文利用工矿企业广泛使用的PLC+变频器+三相异步电动机+电磁阀的控制模式、实现恒压节水灌溉系统的电气接线图设计、设备选型和PLC控制梯形图软件设计，实现三相异步电动机启停控制、速度控制、故障报警、电磁阀开关控制等功能。

主要研究内容如下：

（l）PLC控制变频调速系统的功能设计

该系统要求能实现变频器手动/自动变频切换输出，使电机能在固频和变频下运行。

在电机变频运行时，该系统能根据蓄水池的压力值变化，自动调整电机机的转速，满足安全生产所需的水量。

当实际转速没有达到给定转速时，能实现电机转速的闭环控制。

除此之外，还要实现电机机运行的实时数据、水压等在线监控，以及出现故障时及时报警、及时处理的功能。

（2）系统硬件设计

系统硬件设计包括主电路和控制电路的设计。

先根据系统硬件设计要求对PLC、变频器、传感器及其它电气元件选型，再确定硬件之间通信与仪器间接线方式和仪器安装位置选取等。

（3）PLC控制软件设计

PLC控制软件的设计包括PLC与变频器之间的通信，水压的实时数据采集与处理，电机的通信状态和转速的闭环控制。

（4）监控系统软件设计

通过PLC和Wincc的应用，在上位机（PC）上完成对电机在线监控系统的设计，实现水泵运行状态和重要参数的在线实时监控。

（5）系统运行和调试

完成系统硬件和软件设计后，进行系统运行调试，使整个系统能够实现设计要求。

1.4本章小结

本章详细地介绍了水泵系统的现状和存在的问题和本课题研究的目的与意义，并对变频调速技术和PLC控制技术的背景知识做了简单介绍，在此基础上，提出了本课题研究的主要工作内容。

第二章变频恒压供水系统分析

2.1供水系统的基本特性和方式

我国是一个发展中的大国，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面一直存在着技术比较落后、自动化程度低等缺点。

在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低、水供不应求的现象；而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高、水供过于求的情况，不仅白白造成电能的浪费，有时还造成水管破裂和用水设备损坏等情况。

在深入研究变频恒压供水技术之前，我们先介绍两种方案。

方案一：

恒速泵＋水塔的供水方式

这种方式是由水泵先向水塔供水，再从水塔向用户供水。

水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵。

要求水塔最低水位略高于供水系统所需要的压力。

水泵工作状态是断续的。

这种方式其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开停时间比、开停频率等有关，供水压力不稳定。

但这种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最大；水压不能随所需流量调整，也无法兼顾近期与远期的需要；存在一些能量损失和二次污染问题。

在使用过程中，如果水塔的水位监控装置损坏的话，水泵不能进行自动的开停，必须由人操作，将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。

方案二：

变频调速供水方式

其工作原理是：

通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出来无级调节水泵转速，使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。

传统供水系统采用变频器后，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，消除二次污染，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；其次供水调峰能力明显提高；同时大大减少了开泵、切换和停泵次数，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。

由于无需高位水箱、压力罐，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=7.5×12×[1-]×365KW·h=16030.8KW·h

通过上述分析可见，与其他供水系统相比，节能效果明显。

2.2喷灌控制系统中恒压实现方式

对喷灌系统进行控制，即为了满足管网对流量的需求，所以，流量是供水系统的基本控制对象是流量，而流量与水压有关。

水压与供水能力（由流量QG表示）和用水需求（由Q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；

若“供水能力QG<用水需求Q”，则压力P下降；

若“供水能力QG=用水需求Q”，则压力P不变。

可见，流体压力P的变化反映了供水能力QG与用水需求Q之间的矛盾，通过压力控制来调节管道流量大小，即通过恒压供水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。

将来管网需求发生变化时，需要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]。

①阀门控制法

转速保持不变，通过调节阀门的开度大小来调节流量。

其实是水泵本身的供水能力不变，而通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量大小，以适应管网对流量的需求，由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间里保持不变，必然要造成超压或欠压现象。

②转速控制法

阀门开度保持不变，通过改变水泵电机的转速来调节流量，实质是通过改变水泵的供水能力来适应管网对流量的需求，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。

2.3异步电动机调速方法

通过转速控制法实现恒压喷灌，需要调节水泵的转速，水泵通过联轴器由三相异步电动机来拖动，因此水泵转速的调节，实质就是需要调节异步电动机的转速三相异步电动机的转速公式：

=（2-4）

式中：

n为异步电机的转速；

为异步电机的同步转速；

为供电电源频率；

S为转差率；

为电动机极对数；

由公式可知，异步电动机有三种调速方式：

改变电动机极对数、改变转速差S及改变电源频率f都可以达到调速的目的。

（1）改变极对数

在电源频率一定的情况下，电动机的同步转速与极对数成反比，改变电动机极对数，就可以改变转速。

这种调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，只适用于特定转速的生产机器，不适用于供水系统中转速的连续调节。

（2）改变转差率s

通过改变电动机的转差率实现电机转速的改变，三相异步电动机的转子铜损耗为：

（2-5）

为电磁功率：

为转子电流；

R为转子回路总电阻；

该损耗和电机的转差率成正比，称为转差功率，以电阻发热方式消耗，电动机工作在额定状态时，转差率s很小，相应的转子铜损耗小，电机效率高，但在喷灌系统中由转速控制法实现恒压供水时，为适应流量的变化，电机一般难以工作于额定状态，其转速值往往远低于额定转速，此时的转差率s增大，转差功率增大，电机运行效率降低，虽然变转差调速中的串级调速法能将增加部分的转差功率通过整流、逆变装置回馈给电网，但其功率因数较低，低速时过载能力低，还需一台与电动机相匹配的变压器，成本高，且增加了中间环节的电能损耗。

因此，变转差调速方法不适用于恒压供水系统中的转速控制法。

（3）变频调速

这种调速方式需要专用的变频装置，即变频器。

最常用的变频器采取的是变压变频方式，简称VVVF（variablevoltagevariablefrequency）在改变输出频率的同时也改变输出电压，以保证电机磁通基本不变。

其关系为

=常数

式中：

为变频器输出电压，为变频器输出频率。

利用变频器根据电机负载的变化连续调节异步电动机供电电源频率，实现自动平滑的增速和减速，基本保持异步电动机固有特性，转差率小的特点，具有效率高，调速范围宽，精度高且能无级变速的优点。

因此，变频调速是异步电动机一种比较合理的调速方法，目前广泛用于水泵、电机的调速[4]。

2.4恒压喷灌所基于的调速原理

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号泵变频工作，如此循环往复，保证喷灌管网系统维持在恒压状态[5]。

2.5本章小结：

本章在分析供水系统基本特性的基础上，为保证喷灌管网水压的恒定，采取了转速控制法，并对异步电动机的调速方法，恒压喷灌所基于的变频调速原理和节能原理进行了详细的分析。

第三章恒压喷灌控制系统的总体设计

3.1系统设计要求与总体设计方案的确定

3.1.1设计要求

对恒压喷灌控制系统的基本要求是：

①能自动采集水泵出水口压力值、土壤湿度和水塔水位；

②喷灌控制系统应在恒压值运行；

③两台泵根据恒压的需要，采取/先启先停的原则接入和退出；

④泵在启动时要有软启动功能；

⑤要有完善的报警保护功能；

⑥对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用；

3.1.2总体方案的确定

控制系统主要由传感器（压力、水位和土壤湿度）、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器等所组成。

系统的主要任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制两台水泵，实现管网水压恒压或在恒压值附近波动和水泵电机的软启动以及变频水泵与工频泵之间的切换，同时还要能对运行数据进行

传输。

本文中用变频器+PLC（包括变频控制、调节器控制）+上位机+传感器（压力、

土壤湿度和水位）+水泵机组来控制。

该控制方式灵活方便，具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行

数据交换；通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。

在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序。

所以现场调试方便，同时由于PLC的抗干扰能力强，可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。

该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。

这种控制方案既有扩展功能灵活方便，便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。

3.2控制系统的构成及工作原理

3.2.1控制系统的构成

从图3-1中，可以看出变频调速恒压喷灌控制系统由执行机构、信号检测、控制系统、上位机（PC机）、通讯接口以及报警装置等部分组成。

①执行机构

执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入喷灌管网，图中的2个水泵分为两种类型:

l）调速泵：

是由变频调速器控制，可以进行变频调速的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。

2）恒速泵：

水泵运行只在工频状态，速度恒定，它们用以在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充，当水泵采用循环的控制方式时，1号泵和2号泵既可以做调速泵，也可以做恒速泵。

补水泵只工作在工频状态。

②信号检测

在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液位信号、湿度信号和报警信号。

l）水压信号：

它反映的是用户管网的水压值，是恒压供水控制的主要反馈信号，此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换，另外为加强系统的可靠性。

还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测，检测结果可以送给PLC，作为数字量输入。

2）液位信号：

它反映水泵的进水水源是否充足，信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵，此信号来自在安装于水塔处的液位传感器。

3）湿度信号：

它反映的是茶园土壤湿度，此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行刀A/D转换。

4）报警信号：

它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载，变频器是否有异常，该信号为开关量信号。

③上位机（PC机）

通过PC机，使用者可以更改设定压力，修改控制参数，同时使用者也可以从PC机得知系统的一些运行情况及设备的工作状态，还可以对系统的运行过程进行、监控，对报警进行显示。

④通讯接口

通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换；同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的监控。