最新基于PLC的自动灌溉控制系统设计本科毕业设计Word文档格式.docx
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1绪论
1.1课题背景及意义
我国淡水资源短缺，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，采用自动灌溉系统。
农业是整个人类社会中最古老，最原始的行业，是各行各业发展的基础，也是整个人类赖以生存的根本和先决条件。
农业发展的根本出路在于科技的发展，科学技术水平的提高在于教育方式的转变。
由传统的古老的农业生产向现代化农业生产的转变，由粗放型经营方式到集约型经营方式的转变，就必须要求农业科技水平有一个显著的提高，所以就要求必须进行一次新的农业技术的革命。
而且我国当今的农业相比于其他行业,如工业,交通运输业的发展仍然处于比较落后的阶段，特别是我国的农业灌溉技术需要提高。
灌溉系统自动化水平的高低是衡量我国高效农业发展的一个决定因素。
自动灌溉系统的进步与提高对于缓解我国水资源紧缺现象、节约劳动力资源和成本，扩大灌溉面积、实现“两个转变”战略发展目标、可持续发展战略、以及提高我国农业综合生产力水平有着十分重大的意义。
有效、合理的灌溉是农作物正常生长和发育并获得高产的重要前提和基本保障，因此可取得良好的生理效应和生态效应，并且增产效果十分显著。
另一方面，国外的一些喷灌系统设备，其产品结构复杂、生产成本较高，而且国外产品在安装和维护过程所需要的程序都很复杂，并不适合在我国农业生产力大的地区使用。
相比较而言,由我国研发并制造的喷灌设备其成本相对比较低廉，但是其中大部分系统采用的是普通继电器控制系统，对其的调试与维护工作比较困难，灵敏度也不够高，不能完全实现定时定量喷灌，所以该类产品的市场占有率不是很高。
PLC的优点是体积小、功能强、编程简单、可靠性高和组装灵活，这些优点使其能够广泛应用于国防、电力和通讯等领域，但是在我国现阶段的农业领域方面应用很少。
因此本文设计了一种自动灌溉装置的PLC控制系统。
可编程序控制器（简称PLC）应用在节水灌溉控制系统的工程设计中能够使硬件结构，具有可靠性、灵活性好和能在各种环境条件下运行等一系列优点，并且在维持系统硬件组成结构不变的情况下，仅仅通过更改软件设置来迎合多种运行方式的需求，是继我国传统电器的理想替代品，特别是在农田水利系统的小型泵站中可以实现无人值守或半无人值守状态，具有广阔的应用前景和有效的使用价值[1]。
现代化的智能型控制系统和程序的应用是对现今农业灌溉系统和田间管理的有效手段和工具，它可提高灌溉系统操作的准确性，有利于在灌溉过程中进行科学、有效的管理，降低对操作者本身知识素养的需求。
现代化的灌溉系统的应用，除了能大大的减少从事生产的生产者的劳动量，更重要的是它能够、定量、准确、定时、高效地给农作物自动补充水分，还能够增加养分，以达到提高农作物产量、质量，并节水、节能的要求。
PLC控制系统还有以下优点：
（1）编程方便，现场可修改程序。
（2）维修方便，有模块化结构。
（3）可靠性高于继电器控制装置。
（4）体积小于继电器控制装置。
（5）数据可以直接送入管理计算机。
（6）成本可与继电器控制装置竞争。
（7）输入可以是交流115V。
（8）能直接驱动电磁阀，接触器等。
（9）在扩展时，原系统只要很小变更。
（10）用户程序存储器容量至少能扩展到4K。
（11）在灌溉控制系统中采用了PLC，用软件实现对灌溉系统的控制，提高可靠性。
（12）去除了大部分继电器，控制系统机构简单，外部线路简化。
（13）PLC可实现对各种繁琐的系统的控制。
（14）PLC可对故障进行自动检测与报警提示，提高安全性并便于检修。
（15）用于群控调配和管理，并提高灌溉系统运行效率。
（16）更改控制方案时不需要改动硬件接线。
1.2国内外研究发展现状
1.2.1国外研究发展现状
当今全球灌溉技术比较先进的国家主要是西欧的法国、英国、意大利、荷兰、西班牙，美国，亚洲的日本，中东的以色列等生产力水平较高的国家[2]。
因为这些国家的自动灌溉系统的研究起步较早，发展较快，其研发系统及技术水平比我国高。
特别是一些有着先进技术的国家,它们在自动灌溉控制发展和提高的基础上，更不断研究各种最先进的灌溉控制技术及适用于不同农作物的不同营养液的配方和营养液自动混合技术的进步，并进一步发展行成并拥有了灌溉专家系统。
这些国家同时不断的把先进的生产控制技术成功的应用于灌溉系统中,有效的促进了其国家的农业发展水平[3]。
世界上灌溉技术的发展最具有代表性的国家应首推以色列。
以色列拥有像普拉斯托、耐特费姆、美滋一雷鸥等一系列世界级的著名的灌溉公司。
并且已经出现了利用电子计算机对灌溉过程实行全部控制（包括无线、有线）的农场的场主。
1.2.2国内研究发展现状
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。
虽然灌溉技术在我国近十几年来得到了一定速度的发展，但是和西方先进国家相比,我国的综合环境对其的控制力还不够高，自动灌溉技术以及施肥控制系统的发展目前还仅仅局限于引进吸收阶段。
现今，我国的自动灌溉系统的发展水平相对于先进国家依然存在的差距是：
（1）营养液的自动混合控制水平较低。
营养液的混合技术仅仅应用于利用施肥器混合水和液体肥，通过管网送到作物周围的阶段,该技术的发展水平还较低。
（2）自动灌溉控制系统不够完善，我们国家目前为止还没有生产出成型的设备，除了购买外国的先进的设备之外，现今大部分还是人工控制阀门的设备的生产和加工。
（3）灌溉依然是仅仅局限于一个单一的方面，不能实现和其他环境问题的协调发展。
（4）不能实现灌溉系统的全面应用。
我国的灌溉技术和水平离一些先进国家还有很大的差距，我国现今的灌溉控制基本上还是按照劳动人民的经验去进行，并没有很大的进步和提高。
总而言之，在现代灌溉技术的开发和研制方面，一些国外的先进国家还是在很多方面领先与我国的，根据我国现阶段灌溉的现象和状况，当务之急需要解决的关键技术还存在着很多问题，尤其是在自动控制系统方面需要加大研发力度。
2自动灌溉装置的控制要求
2.1结构介绍
（1）灌溉设备方面：
可选用3台IS级单吸离心泵作为灌入的水泵，该灌水泵的型号确定为IS200-150-250的控制系统，同时确定使用型号为Y225S-4的三台异步电动机，作为该水泵的原动机，并确定该系统的灌水器。
（2）外围设备：
确定选用CJ10交流接触器作为系统的自动控制的电路，电动机的过载保护由热继电器实现。
CJ10交流接触器中间的是由三根三相电源线组成，两边的分别是一对常开的触点和一对常闭的触点，它们的作用是进行自锁和连锁。
液体位置的开关和闭合首先要确定的是液体位置的高度，然后依据这个高度来输出进行开关量的信号。
而液位传感器的功效是将液位的高度转化为以电为信号的形式进行输出。
控制系统的结构图，如图2.1所示。
根据灌溉植物的特点，对其控制应满足植物的需要，因此选用PLC作为灌溉控制系统的核心。
该灌溉系统主要由PLC控制器FX2N-32MR-001，220V交流电源提供电，启停按钮，执行器包括电磁阀，数据采集器件包括液位开关，实时钟，带动水泵的电机等组成[7]。
图2.1系统结构图
M8012为特殊辅助继电器。
M8012为100ms时钟脉冲继电器。
由计数器C0与M8012的组合，使计数器产生计时功能。
采用三种水泵分别控制水管，喷头1，喷头2，以控制浇灌三种不同类型的植物，使时钟的信号和液位传感器的信号输入到PLC，通过继电器的作用控制水泵1，水泵2，水泵3，并使其在设定时间的启停，从而控制灌溉三种植物。
2.2工作过程
如图2.1所示，本系统采用PLC来控制植物的灌溉。
A类植物是水生植物，要求通过液位开关控制液位在最小值和最大值之间。
在不同的水量的位置，水的压力就会不同，当水位处于最低点时，液位开关将会输出信号到PLC，从而控制X002闭合，一号电磁阀得到电力开始启动进行工作，一号电磁阀指示灯亮，一号电机先进行星形连接。
2秒后电机三角形进行连接，一号电机打动水泵1开始工作，开始往水池里注水。
当水位处于最高点时，液位开关将会输入信号到PLC，从而控制X003闭合，同时1号电磁阀将会断电，1号电磁阀指示灯熄灭，一号电机停止工作，水泵1将会停止运转，水泵1往水池里注水的任务也将停止。
B类植物需要定时灌溉，要求6:
00-6:
30之间，23:
00-23:
30之间打开喷灌系统。
通过实时钟来实现灌溉系统在规定时间段的启动或断开，在每天23:
00二号电磁阀开启，二号电磁阀指示灯亮，2号电机启动，带动水泵2工作，到了23:
30，二号电磁阀断开。
二号电机停止运转，从而水泵2停止工作，停止对B类植物浇灌。
在每天6：
00二号电磁阀开启，二号电机转动带动水泵2工作，延续到6:
30，二号电磁阀断开，二号电机停止运转。
控制喷头1在6:
30喷水。
C类植物需要每隔一天的晚上23:
00灌溉一次，每次10分钟。
通过时钟来实现灌溉系统在规定时间段的启动或断开，每隔一天的晚上23:
00灌溉一次，这里用两个计数器已达到延时10分钟的目的，这样就达到了每次浇灌10分钟的目的。
每隔一天即隔48小时候的23:
00喷头2在此喷水。
三号电机运转带动水泵3工作，控制喷头2，浇灌C类植物。
这里关键是把计数器作为时间继电器用。
2.3控制要求
A类的水生植物：
在水位的高地方面，水压大小的方面，当水位处于最低点时液位开关将会输出控制信号到PLC控制系统，控制X002闭合，一号电磁阀得到电力开始启动，一号电磁阀指示灯亮，一号电机将进形连接。
2秒后电机三角形机构开始连接，一号电机促动水泵1开始工作，往水池里注水。
当水位处于最高点时，液位开关将输出信号到PLC控制系统，控制X003闭合，同时给1号电磁阀断电，1号电磁阀指示灯熄灭，一号电机停止工作，从而水泵1将停止运转，同时停止往水池注水工作[8]。
B类植物：
30，二号电磁阀断开[9]。
C类植物：
通过实时钟来实现灌溉系统在规定时间段启动或断开，每隔一天的晚上23:
00灌溉一次，这里用两个计数器达到延时10分钟的目的[10]，这样就达到了每次浇灌10分钟的目的。
每天的23:
三号点击运转带动水泵3工作，控制喷头2，浇灌C类植物。
3自动灌溉PLC控制系统的硬件设计
3.1系统硬件的设计原则
系统设计时应遵循以下几条原则：
（1）完整性原则
从系统论完整的观点来说，如果要使系统发挥其应该有的作用，系统的设置必须完整。
因此在对该系统进行设计的过程中，首先应该考虑的是系统的完整性。
如果没有考虑系统的完整性，那么在安装和使用该系统时就会出现这样或者那样的问题，并且会给系统在实际应用中带来很多本来可以避免的麻烦。
而且最好使设计好的系统的使用性能稍高于实际的需求，如果能按这样的要求设计，那么系统的扩展性相对而言就会较好，在实际应用中能减少很多不必要的麻烦。
（2）可靠性原则
可靠性原则要求首先需要考虑的是设计好的系统能否正常、可靠地进行工作，即该系统在一定的条件下和一定的时间内所完成规定任务的能力得大小。
而且该系统是否能满足重要场合下的可靠性的要求、是否进行冗余配置。
对于电子计算机测量控制系统来说，无论该系统在原理上如何的先进、功能如何的全面、精度如何的高级，但如果该系统可靠性较差，频繁出现故障，而且不能够进行长期可靠的正常运行，那么该系统就只有价值并没有使用价值。
（3）发展性原则
发展性原则有两个重要的方面：
①就是要留有发展余地，在进行系统配置的同时，也要考虑如果系统的规模增大了怎么办？
如果不能满足实际需求了怎么办？
②就是要求在研发过程中尽量选择技术寿命长，机器的维修及零部件的补充比较方便的系统，以实现可持续发展。
（4）经济性原则
在系统的研发过程中，还要考虑性价比的问题。
在系统设计的过程中并不能一味的追求一些复杂、繁琐的高级方案，要在满足生产力需求的前提下，尽可能多的采用一些简单实用的方案和设计方法。
但是由于该系统是要求较高的专业的测量系统，系统的研发成本是衡量系统造价的重要指标，所以要尽可能的采取先进、成熟的测控设备和方法，以期系统的性价比处于较良好的状态。
（5）开发周期短
由于经济全球化的发展，生产力水平更新周期越来越短，时间就是金钱，时间就是效益，所以要竭尽全力的缩短该系统的研发所需要的时间，求获得最大的经济效益和社会效益。
（6）操作维护方便
在系统总体设计时应考虑到操作维护方便，使系统易学易用。
3.2PLC选型
PLC选型一般需要考虑以下因素：
（1）系统可以方便地扩展，系统中输入输出信号均为开关量。
（2）输入和输出模块
模块输出的主要工作是将机器内部系统信号电流转换为外部过程的控制信号。
（3）电源
小型整体式可编程控制器系统内部设有一个可控的开关电源，一方面可为机器内部电路扩展为大的单元供电。
（4）响应时间分析
可编程控制器按照顺序扫描的工作形式，使它不能依照可靠的接收持续时间不大于扫描周期所使用的输入信号。
系统的响应时间是指输入信号产生的那一时刻与由此而使输出信号状态所发生得时刻变化的时间间隔。
系统的响应时间=输入滤波的时间+输出滤波的时间+扫描的周期，即为该系统的响应时间。
根据灌溉系统控制要求需要5个输入点，12个输出点，按照预留10%~15%容量的原则，预留该系统共需20个I/O点，因为三菱FX2N-32MR-001PLC有16点输入点，和16点输出点，满足要求，因此综合考虑选用三菱FX2N-32MR-001型PLC。
3.3I/O分配表
PLC输入/输出点分配如表3.2所示。
表3.2输入、输出点分配表
输入设备名称
输入点
输出设备名称
输出点
电机启动按钮
X000
一号电机星形接通
Y000
停机按钮
X001
一号电机三角形接通
Y001
液位开关（下）
X002
二号电机星形接通
Y010
液位开关（上）
X003
二号电机三角形接通
Y011
初始化脉冲
M8002
三号电机星形接通
Y020
运行监视器
M8000
三号电机三角形接通
Y021
二号电磁阀置位开关
X004
一号电磁阀
Y002
二号电磁阀
Y003
三号电磁阀
Y004
一号电磁阀指示灯
Y005
二号电磁阀指示灯
Y006
三0号电磁阀指示灯
Y007
3.4I/O外部接线图
I/O外部线图如图3.4所示。
主电路图如图3.5所示，三相异步电动机在发动的过程中，会产生较大的启动电流。
为了避免电网产生较大的压降，要求启动电流不能太大，同时希望产生足够大的启动转矩。
为了降低电压，减小电流，采用Y／△启动，这种启动是最常见也是最常用的一种降压启动电路。
Y／△发动降压发动电路是指电动机在发动的时候，把定子组绕组接成星星的形状，以降低启动电压的水平，达到缩小启动电流的目的；
待电动机发动后，再把定子绕组改接成三角形的形状，使电动机进行全压运行。
故本系统采用降压启动方式的处理系统。
图3.4I/O外部接线图
图3.5电机启动主电路图
4自动灌溉PLC控制系统的软件设计
4.1系统软件的设计原则
自动灌溉系统软件设计应当做到以下几点：
（1）准确性：
灌溉系统的全自动控制不仅能实现整个系统的不同灌溉单元精确控制打开和关闭的时间,并确保整个地区灌溉时间的一致性和准确性。
（2）高效性：
采用自动化控制，让灌水单元在设定好的程序下自动运行，大大节省了人力的开支。
（3）节水性：
体现在时间的精准控制上自动停止灌溉，避免长时灌溉所造成水的浪费。
（4）便利性：
田间操作控制器将管理一定区域下的灌水操作系统，只需进行几个简单的编程或是启动一键开启操作系统就可以完成这个区域的日常灌水任务。
（5）安全性：
自动控制系统，所有管路设施以及控制设施全部安装隐蔽在地下。
4.2控制流程图设计
根据控制要求设计控制流程图如图4.1所示。
图4.1自动灌溉系统控制流程图
4.3梯形图程序设计
根据控制流程图设计梯形图程序如附录A所示。
4.3.1A类水生植物梯形图程序设计
（1）A类植物灌溉控制流程图设计
A类植物灌溉控制流程图如图4.2所示。
图4.2A类植物灌溉控制流程图
（2）A类植物灌溉梯形图程序设计
根据如图4.2所示的A类植物灌溉控制流程图设计梯形图程序如图4.3所示。
当PLC控制系统接收到启动信息后将开启自动灌溉系统，自动灌溉系统对水位进行检测，当水位低于预定值S2时一号电磁阀开启，一号电机启动进行灌溉，直到水位达到预期值时，此信息将被反馈到自动灌溉系统，此时将关闭一号电磁阀，一号电机停止。
如果主程序启动后，PLC控制系统检测到水位大于预期值时一号电磁阀和一号电机不会启动。
A类水生植物梯形图：
当X002处于“1”状态时程序下行到位后，Y002和M100也都处于“1”的状态。
此时，T250在短时间内“0-1-0”的状态变化。
此时Y001处于“1”
的状态。
图4.3A类植物灌溉梯形图
4.3.2B类植物梯形图程序设计
（1）B类植物灌溉控制流程图设计
B类植物灌溉控制流程图如图4.4所示。
①当时钟到达23:
00分时，二号电磁阀自动闭合，二号电机启动对B类植物进行灌溉，当时钟到达23:
30分时，二号电磁阀断开，二号电机停止。
②当时钟到达6:
00分时，二号电磁阀自动闭合，二号电机启动对B类植物进行灌溉，当时钟到达6:
（2）B类植物灌溉梯形图程序设计
根据如图4.4所示的B类植物灌溉控制流程图设计梯形图程序如图4.5所示。
因早上和晚上的模式相同，故只列举23:
30之间的梯形图，梯形图如图4.4所示。
当M8002处于“1”的状态时，D100、D101、D102、D110、D111、D112也都处于“1”的状态。
当M8000处于“1”的状态，D120也处于“1”状态。
当M103处于“1”的状态时，下行到位后，Y003处于“1”的状态。
此时，M100也处于“1”的状态，同时T250将经过“0-1-0”状态的变化，程序结束。
4.3.3C类水生植物梯形图程序设计
（1）C类植物灌溉控制流程图设计
C类植物灌溉控制流程图如图4.6所示。
对C类植物灌溉的实施方案为每隔24小时进行一次灌溉，时钟在23:
00时三号电磁阀自动闭合，三号电机启动，到23:
10时，三号电磁阀自动断开，三号电机停止工作，系统停止灌溉。
如果在其他时间短内三号电磁阀处于断开状态，三号电机处于断电，系统不工作。
（2）C类植物灌溉梯形图程序设计
C类植物灌溉梯形图如图4.6所示。
①当M8002处于“1”的状态时，D3
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