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