PLC技术及应用课程设计-节水灌溉控制系统设计-毕业论文文档格式.docx
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3、按系统的控制要求，设计系统的梯形图；
4、上机调试、完善程序；
5、按学校规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；
设计说明书应在4000字以上。
技术参数：
（1）土壤湿度测点数量：
6处
（2）测湿精度：
±
3％RH；
（3）显示时间：
秒级
进度计划
1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。
（2天）
2、确定系统的输入/输出信号和类型，选择PLC主机和扩展模块，选择传感器型号。
（1天）
3、建立I/O分配表，完成PLC与输入输出信号的外部接线。
4、按系统的控制要求，设计系统的梯形图。
（3天）
5、上机调试、修改程序、答辩。
6、撰写、打印设计说明书（1天）
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
总成绩：
指导教师签字：
年 月 日
III
注：
成绩：
平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
摘要
本设计通过使用西门子S7-200可编程逻辑器件PLC通过模块扩展等手段，设计实现了一个具有自动功能和手动功能的冲水系统，采用模拟量湿度采集传感器JWSL-3AT传来的湿度信息，通过把经标度变换后的采集数值与设定值的比较，最终实现在不同湿度下对电磁阀开度时间长短的控制，达到了自动和手动控制的目的。
手动控制的意义是在自动控制失效后能有效控制生产线运作部中断；
自动控制的意义在于控制精准、快速、节省人力，在高举节能减排旗帜的发展环境下为可持续发展做出一部分贡献，可以作为一系列节能产品的参考和典范。
在未来节能节水领域具有很广泛的应用和发展价值，迎合发展趋势。
关键词：
PLC；
湿度传感器；
智能控制技术；
土壤湿度检测
目录
第1章绪论 1
第2章系统分析 2
2.1系统功能分析 2
2.2农作物的水分需要 2
第3章器件选型 3
3.1传感器介绍 3
3.2CPU选择及扩展模块EM231 3
3.3电磁阀的选型 4
3.4LED数码管器件选型 5
第4章程序设计 6
4.1I/O分配 6
4.2外部接线图 7
4.3梯形图程序 7
第5章系统调试 12
第6章课程设计总结 14
参考文献 15
第1章绪论
PLC的发展也是与计算机技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关，正是这些高新技术的发展推动了可编程控制器的发展。
从控制来看，可编程控制器的发展大致经历了4个阶段：
1、初级阶段：
第一台PLC问世到20世纪70年代中期
由于第一代PLC是为了取代继电器，因此主要功能是逻辑运算和计时、计数功能。
CPU由中小规模说数字集成电路构成主要产品有：
MODICON公司的084，AB公司的PDQ-IL，DEC公司的PDP-14，日立公司的SCY-022等第一阶段采用了梯形图语言作为编程方式，尽管有些枯燥，但形成了工厂的编程标准。
2、扩展阶段:
从20世纪70年代中期到70年代末期
这一阶段PLC产品的控制功能得到很大发展。
扩展功能包括数据的传送、数据的比较和运算、模拟量的运算等功能。
3、通信阶段：
20世纪70年代末期到80年代中期
这一阶段产品与计算机通信的发展有关，形成了分布式通信网络。
但是，由于各制造商各自为政，通信系统也是各有各的规范。
由于在很短的时间内，PLC就已经从汽车行业迅速发展到其他行业，作为继电器的替代品进入了食品、饮料、金属加工等行业。
其次，产品功能也得到很大的发展。
其次，产品功能也得到很大的发展。
同时，可靠性进一步提高。
4、开放阶段：
从20世纪80年代中期开始
由于国际标准化组织提出了开放系统互连的参考模型OSI，使PLC在开放功能上有较大发展。
主要表现为通信系统的开放，使各制造厂商的产品可以通信，通信协议开始标准化，使用户得益。
此外，PLC开始采用标准化软件系统，增加高级语言编程，并完成了编程语言的标准化工作。
这一阶段的产品有西门子公司的S7系列等。
15
第2章系统分析
2.1系统功能分析
现实生活中很多农作物温度、湿度和光照需要保持在一个既定值，超出或者低于这个预定值将对农作物的生长产生影响，该系统需要用PLC测控系统来实现农作物生长环境因子信息进行数据的实时采集和处理，而后输出控制执行机构，以实现环境湿度的测控，达到节水节能，省时省工的效果：
1、实现按需灌溉功能。
按照农作物的需求开启和关闭灌溉系统，实现一般的控制。
具有简单，操作方便的优点。
2、通过土壤湿度传感器检测农作物的环境湿度，依据假定的植物要求的湿度的上下限值，由PLC来控制灌溉的开关，从而调节湿度，当土壤湿度高于上限值自动关闭灌溉开关，或手动关闭。
2.2农作物的水分需要
根据不同农作物对水分的需求量的不同，土壤湿度的不同，求出水分偏差值，再根据农民的经验，不同作物的水分偏差对应的电磁阀开的时间设计表格。
表2-1不同作物的水分偏差对应的电磁阀开的时间设计表格
农作物
水分偏差
开关时间
玉米
10%
30s
20%
60s
30%
90s
水稻
15%
120s
180s
黄瓜
40%
第3章器件选型
3.1传感器介绍
土壤湿度传感器又名土壤水分传感器，主要用来测量土壤的容积含水量，做土壤的水分检测及农业灌溉和林业防护，目前常用的土壤湿度传感器有FDR型和TDR型。
目前最流行的是FDR型
FDR型频域反射仪是一种用于测量土壤水分的仪器，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，从而得到土壤容积的含水量，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量仪器。
选用传感器为JWSL-3AT。
稳定时间：
通电约10s
响应时间：
0.5s内对99%的变化有响应工作电压：
DC20~30V.
工作电流：
20MA左量，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量仪器。
测量参数：
土壤容积含水量测量精度：
±
2%
量程：
0~100%
输出信号；
DC4~20mA电流信号
3.2CPU选择及扩展模块EM231
CPU：
1、CPU224的供电电压为直流24V和交流220V供电电源
2、输出方式有两种，包括晶体管输出方式和继电器输出方式
3、集成电源：
主机集成有24V直流电源，可以直接用于传感器和执行机构供电
4、高速脉冲计数。
可累计从普通输入端子输入的高速脉冲，其高速脉冲的频率可以比CPU扫描频率高很多，输入脉冲频率可达200KHz。
5、CPU224的输入输出I/O为14/10。
扩展：
当CPU的I/O点数不够或者需要进行特殊功能的控制时，就要进行系统扩展。
系统扩展包括I/O点数的扩展和功能扩展。
S7-200系统最多可扩展7个模块，不同CPU可连接的扩展模块数量不同，这些主要受到CPU功能的限制。
PLC输入为数字量，输出为模拟量，将输入的模拟量湿度转换为电流信号
4~20mA，再转换为数字量6400~32000传给PLC。
根据要求，需要控制12个电磁阀，湿度或时间需要两位显示，但可以省略小数点h段，因此每个数码管需要7个输出口控制，两个即需要14个输出口。
报警灯一个，开启指示灯一个，因此PLC外部需要扩展18位，需要一个EM223和EM222即可。
由于有6处湿度检测点，每处监测点的输入数据是模拟量，因此需要扩展6
个模拟量输入口，即需要扩展两个EM231模块。
EM231（AI4）
CPU224（DI14
/DO10）
EM222（DO4）
EM223（DO16）
图2.1 系统模块扩展图
3.3电磁阀的选型
电磁阀是用来控制液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，回信器连接叫气动三联件。
本系统的电磁阀主要用于农业用水，可以选用电磁阀DP-10，下表为DP-10
的介绍：
表3-2 电磁阀DP-10
型号
DP-10
适用流体
空气、蒸汽、水、其它非危害性流体
适用压力
0.05～1.0Pa（0.5～10Kgf/cm²
G）
最低动作压差
0.05MPa（0.5Kgf/cm²
最高温度
180℃
电压规格
AC100/200V结线方法选择形50/60HzAC110/220V结线方法选择形50/60HzAC120/240V结线方法选择形50/60Hz
动作方式
通电开动形
连接方式
JISRc（PT）螺丝
材料
阀箱
青铜
活塞
不锈钢
阀体
氯化乙烯树脂
3.4LED数码管器件选型
选择LG5011Ah共阴极数码管，驱动电流20mA，采用动态点亮方式，驱动电路采用PLC内部驱动。
第4章程序设计
4.1I/O分配
I/O点的扩展和编址：
S7-200PLC有一定数量的本机I/O，本机I/O有固定的地址，可用扩展模块来增加I/O点数，扩展模块接法有两种：
水平连接时主机在最左边，垂直连接时主机在最下边。
其I/O点的地址由模块的类型和该模块链中所处的位置决定。
编址方法是同种类型输入或输出的模块在链中按与主机的位置而递增，其他类型模块有无以及所处的位置不影响本类型模块的编号。
I/O分配见表4-1。
表4-1I/O分配
变量
I/O分配
S1~S8
I0.0~I0.7
阀9~阀10
Q3.0~Q3.1
S9~S12
I1.0~I1.3
阀11~阀12
Q4.0~Q4.1
开启/结束按钮
I1.4
湿度检测处1
AIW0
手/自动切换按钮
I1.5
湿度检测处2
AIW2
十位数码管a段~g段
Q0.0~Q0.6
湿度检测处3
AIW4
个位数码管a段~g段
Q1.0~Q1.6
湿度检测处4
AIW6
报警指示灯
Q0.7
湿度检测处5
AIW8
开启指示灯
Q1.7
湿度检测处6
AIW10
阀1~阀8
Q2.0~2.7
假设为玉米种植地，有偏差出现则打开两个电磁阀，根据偏差不同，设定电磁阀的打开时间，假设满量程湿度为500，即100%，一般湿度在60%~70%之间为宜，故湿度在300~350是为合适。
JWSL-3AT
4.2外部接线图
指指
指1指2指3指4指5指6指7指8指9指10
24V
abcdefg
24V
Q2.0Q2.1Q2.2Q2.3Q2.4Q2.5Q2.6Q2.7Q3.0Q3.1
1L2L3LL+
Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7Q1.0Q1.1Q1.2Q1.3Q1.4Q1.5Q1.6Q1.71L2L3LL+
CPU224
I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.41M2MML+
EM223
ML+
s1s2s3s4s5s6s7s8s9s10s11s12s13
指11指12
AIW0AIW2AIW4AIW6AIW8AIW10
1LL+
EM231
Q4.0Q4.1
EM222
GND
图4.1 PLC外部接线图
4.3梯形图程序
程序1；
湿度显示
程序2：
倒计时显示
程序3：
手动
程序4：
自动
程序5：
定时中断初始化
程序6：
冲水时间选择程序
第5章系统调试
测试时首先进行PLC与计算机的通信连接测试，连接方法为点击编程环境下的“communication”按钮，选择PLC地址即可。
然后将实现写好的程序输入到编程环境中，检查无误后调整程序格式，下载到PLC中，下载时保证PLC处于STOP模式下。
随后将线连好，注意L和M不能直接连在一起。
数码管和按键区域使用前必须加电压，即把该区域内的L+和PLC的L+连接，M与PLC的M相连。
最后是调试程序，各个模块可以分别严重，最后再组合验证。
经修改无误后进行记录。
测试过程中首先测试了数码管的倒计时的显示功能，将时基中断设置好后的数据送入显示，如图5.1所示
图5.1调试现场图片
图5.2调试现场图片
图5.3调试现场图片
第6章课程设计总结
本设计通过使用可编程逻辑器件PLC设计实现了一个具有自动功能和手动功能的冲水系统，采用模拟量采集传感器传来的湿度信息，通过标度变换和数字变换，将采集转换后的数据与设定值进行比较，最终实现的对水阀的控制。
在实验模拟过程中，存在一定局限性，因为无法模拟实际现场中的情况和环境，只能用LED发光二极管代替水阀的动作，因此没有完全测试出预想的结果。
在模拟过程中初步实现了预计功能，验证了本系统方案的可行性，可以在生产生活中得以应用，并且对比与手动控制，自动控制和智能化的控制已经成为今后生产中的一个趋势，其具有操作灵活、精准、节省人力的特点，对于提高生产效率具有一定的优势。
在当今水资源严重短缺的大环境下，节约用水、重复利用水资源已经成为全球性生产的关键环节，因此该系统在节能减排中具有一定的使用价值和意义，也为今后类似的节水系统提供参考和佐证。
利用PLC作为该系统的控制核心，充分发挥了PLC抗干扰能力强、I/O点数多、模块可扩展等特点，对比于单片机具有很强大的优势和使用空间。
在今后可以基于本系统继续发展功能更加强大的节水系统，不光可以检测控制湿度，更可以检测温湿度，也可以应用于蔬菜大棚的节水控温系统中。
具有应用范围之广、发展前景之深远的特点。
参考文献
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（2）:
195-200.
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