商丘學院本科畢業設計I水是我們維持生命活動必不可少的物質。當今社會水資源利用不合理，造成了極大的浪費。如我國的甘肅、陜西等地水資源匱乏，人們日常生活用水得不到保證，所以人們要更加合理利用水資源。水資源絕大部分浪費在農田灌溉，主要是因為人們采用大水漫灌，不僅浪費了水資源，更增加了勞動量。因此，本文設計了一種自動灌溉裝置的PLC控制系統。首先分析了自動灌溉裝置的結構及工作原理，從而確定了控制要求，然后進行了硬件設計和軟件設計。其中硬件設計主要包括PLC選型、I/O分配表和I/O外部接線圖，軟件設計包括了控制流程圖設計和梯形圖程序設計。該系統采用PLC技術為控制核心，使其體積更小、功能更強、編程更簡單、可靠性更高、控制更靈活。reasonableintheutilizationofwaterresources,causedgreatwaste.Suchasgansu,thatpeoplelivesdaily,soweneedtomorerationaluseofwater.Wastemostofthewasteofwaterresourcesinirrigation,becausepeopleusingfloodirrigation,wastewaternotonly,makemorepeopletoincreasedlabor.Therefore,thisarticledesignedakindofPLCcontrolsystemofanequipmentofautomaticirrigation.Firstanalyzedthestructureandworkingprincipleofautomaticirrigationdevice,thusdeterminedtheworkrequirements.Thenthehardwardesigned.Hardwaredesignedincludingthedesignedofthehardwareprinciple,typeselectionofPLC,I/Oallocationtableandexternalprogramming.ThesystemusesPLCasthedesignedcore,smallvolume,strongfunction,simpleprogramming,highreliabilityandflKeywords:Automaticirrigationdevice;PLCcontrolsystem;Hardwaredesign;商丘學院本科畢業設計 11.1課題背景及意義 11.2國內外研究發展現狀 21.2.1國外研究發展現狀 21.2.2國內研究發展現狀 32自動灌溉裝置的控制要求 3 32.2工作過程 42.3控制要求 53自動灌溉PLC控制系統的硬件設計 53.1系統硬件的設計原則 5 63.3I/O分配表 73.4I/O外部接線圖 84自動灌溉PLC控制系統的軟件設計 94.1系統軟件的設計原則 94.2控制流程圖設計 94.3梯形圖程序設計 4.3.1A類水生植物梯形圖程序設計 4.3.2B類植物梯形圖程序設計 4.3.3C類水生植物梯形圖程序設計 5PLC控制系統的調試與程序的仿真 5.1PLC控制系統的安裝與布線 5.2程序的仿真 6結論 參考文獻 20 24商丘學院本科畢業設計11.1課題背景及意義我國淡水資源短缺，利用率低，水浪費嚴重，供需矛盾突出。傳統灌溉設備單一，灌溉難度大，費時費力，嚴重制約我國社會經濟的發展。因此需要合理灌溉，采用自動灌溉農業是整個人類社會中最古老，最原始的行業，是各行各業發展的基礎，也是整個人類賴以生存的根本和先決條件。農業發展的根本出路在于科技的發展，科學技術水平的提高在于教育方式的轉變。由傳統的古老的農業生產向現代化農業生產的轉變，由粗放型經營方式到集約型經營方式的轉變，就必須要求農業科技水平有一個顯著的提高，所以就要求必須進行一次新的農業技術的革命。而且我國當今的農業相比于其他行業，如工業，交通運輸業的發展仍然處于比較落后的階段，特別是我國的農業灌溉技術需要提高。灌溉系統自動化水平的高低是衡量我國高效農業發展的一個決定因素。自動灌溉系統的進步與提高對于緩解我國水資源緊缺現象、節約勞動力資源和成本，擴大灌溉面積、實現“兩個轉變”戰略發展目標、可持續發展戰略、以及提高我國農業綜合生產力水平有著十分重大的意義。有效、合理的灌溉是農作物正常生長和發育并獲得高產的重要前提和基本保障，因此可取得良好的生理效應和生態效應，并且增產效果十分顯著。另一方面，國外的一些噴灌系統設備，其產品結構復雜、生產成本較高，而且國外產品在安裝和維護過程所需要的程序都很復雜，并不適合在我國農業生產力大的地區使用。相比較而言，由我國研發并制造的噴灌設備其成本相對比較低廉，但是其中大部分系統采用的是普通繼電器控制系統，對其的調試與維護工作比較困難，靈敏度也不夠高，不能完全實現定時定量噴灌，所以該類產品的市場占有率不是很高。PLC的優點是體積小、功能強、編程簡單、可靠性高和組裝靈活，這些優點使其能夠廣泛應用于國防、電力和通訊等領域，但是在我國現階段的農業領域方面應用很少。因此本文設計了一種自動灌溉裝置的PLC控制系統?？删幊绦蚩刂破?簡稱PLC)應用在節水灌溉控制系統的工程設計中能夠使硬件結構，具有可靠性、靈活性好和能在各種環境條件下運行等一系列優點，并且在維持系統硬件組成結構不變的情況下，僅僅通過更改軟件設置來迎合多種運行方式的需求，是繼我國傳統電器的理想替代品，特別是在農田水利系統的小型泵站中可以實現無人值守或半無人值守狀態，具有廣闊的應用前景和有效的使用價值[1]?，F代化的智能型控制系統和程序的應用是對現今農業灌溉系統和田間管理的有效手段和工具，它可提高灌溉系統操作的準確性，有利于在灌溉過程中進行科學、有效的管理，降低對操作者本身知識素養的需求。現代化的灌溉系統的應用，除了能大大的減少從事生商丘學院本科畢業設計2產的生產者的勞動量，更重要的是它能夠、定量、準確、定時、高效地給農作物自動補充水分，還能夠增加養分，以達到提高農作物產量、質量，并節水、節能的要求。PLC控制系統還有以下優點：(1)編程方便，現場可修改程序。(2)維修方便，有模塊化結構。(3)可靠性高于繼電器控制裝置。(4)體積小于繼電器控制裝置。(5)數據可以直接送入管理計算機。(6)成本可與繼電器控制裝置競爭。(7)輸入可以是交流115V。(8)能直接驅動電磁閥，接觸器等。(9)在擴展時，原系統只要很小變更。(10)用戶程序存儲器容量至少能擴展到4K。(11)在灌溉控制系統中采用了PLC,用軟件實現對灌溉系統的控制，提高可靠(12)去除了大部分繼電器，控制系統機構簡單，外部線路簡化。(13)PLC可實現對各種繁瑣的系統的控制。(14)PLC可對故障進行自動檢測與報警提示，提高安全性并便于檢修。(15)用于群控調配和管理，并提高灌溉系統運行效率。(16)更改控制方案時不需要改動硬件接線。1.2國內外研究發展現狀當今全球灌溉技術比較先進的國家主要是西歐的法國、英國、意大利、荷蘭、西班牙，美國，亞洲的日本，中東的以色列等生產力水平較高的國家[2]。因為這些國家的自動灌溉系統的研究起步較早，發展較快，其研發系統及技術水平比我國高。特別是一些有著先進技術的國家，它們在自動灌溉控制發展和提高的基礎上，更不斷研究各種最先進的灌溉控制技術及適用于不同農作物的不同營養液的配方和營養液自動混合技術的進步，并進一步發展行成并擁有了灌溉專家系統。這些國家同時不斷的把先進的生產控制技術成功的應用于世界上灌溉技術的發展最具有代表性的國家應首推以色列。以色列擁有像普拉斯托、耐特費姆、美滋一雷鷗等一系列世界級的著名的灌溉公司。并且已經出現了利用電子計算商丘學院本科畢業設計3機對灌溉過程實行全部控制(包括無線、有線)的農場的場主。目前我國現代自動灌溉技術的發展主要是在引進、消化技術的基礎上，從無到有，逐步被人們認識和接受。雖然灌溉技術在我國近十幾年來得到了一定速度的發展，但是和西方先進國家相比，我國的綜合環境對其的控制力還不夠高，自動灌溉技術以及施肥控制系統的發展目前還僅僅局限于引進吸收階段。現今，我國的自動灌溉系統的發展水平相對于先進國家依然存在的差距是：(1)營養液的自動混合控制水平較低。營養液的混合技術僅僅應用于利用施肥器混合水和液體肥，通過管網送到作物周圍的階段，該技術的發展水平還較低。(2)自動灌溉控制系統不夠完善，我們國家目前為止還沒有生產出成型的設備，除了購買外國的先進的設備之外，現今大部分還是人工控制閥門的設備的生產和加工。(3)灌溉依然是僅僅局限于一個單一的方面，不能實現和其他環境問題的協調發展。(4)不能實現灌溉系統的全面應用。我國的灌溉技術和水平離一些先進國家還有很大的差距，我國現今的灌溉控制基本上還是按照勞動人民的經驗去進行，并沒有很大的進步和提高?？偠灾诂F代灌溉技術的開發和研制方面，一些國外的先進國家還是在很多方面領先與我國的，根據我國現階段灌溉的現象和狀況，當務之急需要解決的關鍵技術還存在著很多問題，尤其是在自動控制系統方面需要加大研發力度。2自動灌溉裝置的控制要求(1)灌溉設備方面：可選用3臺IS級單吸離心泵作為灌入的水泵，該灌水泵的型號確定為IS200-150-250的控制系統，同時確定使用型號為Y225S-4的三臺異步電動機，作為該水泵的原動機，并確定該系統的灌水器。(2)外圍設備：確定選用CJ10交流接觸器作為系統的自動控制的電路，電動機的過載保護由熱繼電器實現。CJ10交流接觸器中間的是由三根三相電源線組成，兩邊的分別是一對常開的觸點和一對常閉的觸點，它們的作用是進行自鎖和連鎖。液體位置的開關和閉合首先要確定的是液體位置的高度，然后依據這個高度來輸出進行開關量的信號。而液位傳感器的功效是將液位的高度轉化為以電為信號的形式進行輸控制系統的結構圖，如圖2.1所示。根據灌溉植物的特點，對其控制應滿足植物的需4要，因此選用PLC作為灌溉控制系統的核心。該灌溉系統主要由PLC控制器FX2N-32MR-001,220V交流電源提供電，啟停按鈕，執行器包括電磁閥，數據采集器件包括液位開關，實時鐘，帶動水泵的電機等組成[7]。繼電器控制盤繼電器控制盤水泵1水泵2水泵3注水管噴頭1噴頭2液位開關實時鐘信號水源圖2.1系統結構圖M8012為特殊輔助繼電器。M8012為100ms時鐘脈沖繼電器。由計數器C0與M8012的組合，使計數器產生計時功能。采用三種水泵分別控制水管，噴頭1,噴頭2,以控制澆灌三種不同類型的植物，使時鐘的信號和液位傳感器的信號輸入到PLC,通過繼電器的作用控制水泵1,水泵2,水泵3,并使其在設定時間的啟停，從而控制灌溉三種植物。如圖2.1所示，本系統采用PLC來控制植物的灌溉。A類植物是水生植物，要求通過液位開關控制液位在最小值和最大值之間。在不同的水量的位置，水的壓力就會不同，當水位處于最低點時，液位開關將會輸出信號到PLC,從而控制X002閉合，一號電磁閥得到電力開始啟動進行工作，一號電磁閥指示燈亮，一號電機先進行星形連接。2秒后電機三角形進行連接，一號電機打動水泵1開始工作，開始往水池里注水。當水位處于最高點時，液位開關將會輸入信號到PLC,從而控制X003閉合，同時1號電磁閥將會斷電，1號電磁閥指示燈熄滅，一號電機停止工作，水泵1將會停止運轉，水泵1往水池里注水的任務也將停止。B類植物需要定時灌溉，要求6:00-6:30之間，23:00-23:30之間打開噴灌系統。通過實時鐘來實現灌溉系統在規定時間段的啟動或斷開，在每天23:00二號電磁閥開啟，二號電磁閥指示燈亮，2號電機啟動，帶動水泵2工作，到了23:30,二號電磁閥斷開。商丘學院本科畢業設計5二號電機停止運轉，從而水泵2停止工作，停止對B類植物澆灌。在每天6:00二號電磁閥開啟，二號電機轉動帶動水泵2工作，延續到6:30,二號電磁閥斷開，二號電機停止運轉?？刂茋婎^1在6:00-6:30噴水。C類植物需要每隔一天的晚上23:00灌溉一次，每次10分鐘。通過時鐘來實現灌溉系統在規定時間段的啟動或斷開，每隔一天的晚上23:00灌溉一次，這里用兩個計數器已達到延時10分鐘的目的，這樣就達到了每次澆灌10分鐘的目的。每隔一天即隔48小時候的23:00噴頭2在此噴水。三號電機運轉帶動水泵3工作，控制噴頭2,澆灌C類植物。這里關鍵是把計數器作為時間繼電器用。2.3控制要求A類的水生植物：在水位的高地方面，水壓大小的方面，當水位處于最低點時液位開關將會輸出控制信號到PLC控制系統，控制X002閉合，一號電磁閥得到電力開始啟動，一號電磁閥指示燈亮，一號電機將進形連接。2秒后電機三角形機構開始連接，一號電機促動水泵1開始工作，往水池里注水。當水位處于最高點時，液位開關將輸出信號到PLC控制系統，控制X003閉合，同時給1號電磁閥斷電，1號電磁閥指示燈熄滅，一號電機停止工作，從而水泵1將停止運轉，同時停止往水池注水工作[8]。B類植物：通過實時鐘來實現灌溉系統在規定時間段的啟動或斷開，在每天23:00二號電磁閥開啟，二號電磁閥指示燈亮，2號電機啟動，帶動水泵2工作，到了23:30,二號電磁閥斷開[9]。二號電機停止運轉，從而水泵2停止工作，停止對B類植物澆灌。在每天6:00二號電磁閥開啟，二號電機轉動帶動水泵2工作，延續到6:30,二號電磁閥斷開，二號電機停止運轉?？刂茋婎^1在6:00-6:30噴水。C類植物：通過實時鐘來實現灌溉系統在規定時間段啟動或斷開，每隔一天的晚上23:00灌溉一次，這里用兩個計數器達到延時10分鐘的目的[10],這樣就達到了每次澆灌10分鐘的目的。每天的23:00噴頭2在此噴水。三號點擊運轉帶動水泵3工作，控制噴頭2,澆灌C類植物。這里關鍵是把計數器作為時間繼電器用。3自動灌溉PLC控制系統的硬件設計3.1系統硬件的設計原則系統設計時應遵循以下幾條原則：(1)完整性原則從系統論完整的觀點來說，如果要使系統發揮其應該有的作用，系統的設置必須完整。因此在對該系統進行設計的過程中，首先應該考慮的是系統的完整性。如果沒有考慮系統的完整性，那么在安裝和使用該系統時就會出現這樣或者那樣的問題，并且會給系統在實商丘學院本科畢業設計6際應用中帶來很多本來可以避免的麻煩。而且最好使設計好的系統的使用性能稍高于實際的需求，如果能按這樣的要求設計，那么系統的擴展性相對而言就會較好，在實際應用中能減少很多不必要的麻煩。(2)可靠性原則可靠性原則要求首先需要考慮的是設計好的系統能否正常、可靠地進行工作，即該系統在一定的條件下和一定的時間內所完成規定任務的能力得大小。而且該系統是否能滿足重要場合下的可靠性的要求、是否進行冗余配置。對于電子計算機測量控制系統來說，無論該系統在原理上如何的先進、功能如何的全面、精度如何的高級，但如果該系統可靠性較差，頻繁出現故障，而且不能夠進行長期可靠的正常運行，那么該系統就只有價值并沒有使用價值。(3)發展性原則發展性原則有兩個重要的方面：①就是要留有發展余地，在進行系統配置的同時，也要考慮如果系統的規模增大了怎么辦?如果不能滿足實際需求了怎么辦?②就是要求在研發過程中盡量選擇技術壽命長，機器的維修及零部件的補充比較方便的系統，以實現可持續發展。(4)經濟性原則在系統的研發過程中，還要考慮性價比的問題。在系統設計的過程中并不能一味的追求一些復雜、繁瑣的高級方案，要在滿足生產力需求的前提下，盡可能多的采用一些簡單實用的方案和設計方法。但是由于該系統是要求較高的專業的測量系統，系統的研發成本是衡量系統造價的重要指標，所以要盡可能的采取先進、成熟的測控設備和方法，以期系統的性價比處于較良好的狀態。(5)開發周期短由于經濟全球化的發展，生產力水平更新周期越來越短，時間就是金錢，時間就是效益，所以要竭盡全力的縮短該系統的研發所需要的時間，求獲得最大的經濟效益和社會效(6)操作維護方便在系統總體設計時應考慮到操作維護方便，使系統易學易用。PLC選型一般需要考慮以下因素：(1)系統可以方便地擴展，系統中輸入輸出信號均為開關量。商丘學院本科畢業設計7(2)輸入和輸出模塊模塊輸出的主要工作是將機器內部系統信號電流轉換為外部過程的控制信號。小型整體式可編程控制器系統內部設有一個可控的開關電源，一方面可為機器內部電路擴展為大的單元供電。(4)響應時間分析可編程控制器按照順序掃描的工作形式，使它不能依照可靠的接收持續時間不大于掃描周期所使用的輸入信號。系統的響應時間是指輸入信號產生的那一時刻與由此而使輸出信號狀態所發生得時刻變化的時間間隔。系統的響應時間=輸入濾波的時間+輸出濾波的時間+掃描的周期，即為該系統的響應時間。根據灌溉系統控制要求需要5個輸入點，12個輸出點，按照預留10%~15%容量的原則，預留該系統共需20個I/O點，因為三菱FX2N-32MR-001PLC有16點輸入點，和16點輸出點，滿足要求，因此綜合考慮選用三菱FX2N-32MR-001型PLC。3.3I/O分配表PLC輸入/輸出點分配如表3.2所示。輸入設備名稱輸入點輸出設備名稱輸出點電機啟動按鈕一號電機星形接通停機按鈕一號電機三角形接通液位開關(下)二號電機星形接通液位開關(上)二號電機三角形接通初始化脈沖M8002三號電機星形接通運行監視器M8000三號電機三角形接通二號電磁閥置位開關一號電磁閥二號電磁閥三號電磁閥一號電磁閥指示燈二號電磁閥指示燈三0號電磁閥指示燈商丘學院本科畢業設計8FXFX2N-32MR-001I/O外部線圖如圖3.4所示。主電路圖如圖3.5所示，三相異步電動機在發動的過程中，會產生較大的啟動電流。為了避免電網產生較大的壓降，要求啟動電流不能太大，同時希望產生足夠大的啟動轉矩。為了降低電壓，減小電流，采用Y/△啟動，這種啟動是最常見也是最常用的一種降壓啟動電路。Y/△發動降壓發動電路是指電動機在發動的時候，把定子組繞組接成星星的形狀，以降低啟動電壓的水平，達到縮小啟動電流的目的；待電動機發動后，再把定子繞組改接成三角形的形狀，使電動機進行全壓運行。故本系統采用降壓啟動方式的處理系統。啟動停止液位開關(下)液位開關(上)二號電磁閥液位開關工X000X002X003X004Y00OYO10YO11Y020YO21Y002Y003Y004Y005Y006Y007電磁閥2H圖3.4I/O外部接線圖KMKM1FRKM4FR圖3.5電機啟動主電路圖商丘學院本科畢業設計94自動灌溉PLC控制系統的軟件設計4.1系統軟件的設計原則自動灌溉系統軟件設計應當做到以下幾點：(1)準確性：灌溉系統的全自動控制不僅能實現整個系統的不同灌溉單元精確控制打開和關閉的時間，并確保整個地區灌溉時間的一致性和準確性。(2)高效性：采用自動化控制，讓灌水單元在設定好的程序下自動運行，大大節省了人力的開支。(3)節水性：體現在時間的精準控制上自動停止灌溉，避免長時灌溉所造成水的浪費。(4)便利性：田間操作控制器將管理一定區域下的灌水操作系統，只需進行幾個簡單的編程或是啟動一鍵開啟操作系統就可以完成這個區域的日常灌水任務。(5)安全性：自動控制系統，所有管路設施以及控制設施全部安裝隱蔽在地下。4.2控制流程圖設計根據控制要求設計控制流程圖如圖4.1所示。主程序主程序一號電磁閥斷開一號電磁閥開啟N23:00-23:1NY三號電磁閥開啟二號電機啟動Y二號電磁閥開啟N三號電磁閥斷開二號電磁閥斷開機停止二號電機停止一號電機啟動自動灌溉三電號Y圖4.1自動灌溉系統控制流程圖4.3梯形圖程序設計根據控制流程圖設計梯形圖程序如附錄A所示。4.3.1A類水生植物梯形圖程序設計(1)A類植物灌溉控制流程圖設計A類植物灌溉控制流程圖如圖4.2所示。主程序自動灌溉NY閥斷開一號電機停止一號電磁閥開啟一號電機啟動NY圖4.2A類植物灌溉控制流程圖(2)A類植物灌溉梯形圖程序設計根據如圖4.2所示的A類植物灌溉控制流程圖設計梯形圖程序如圖4.3所示。當PLC控制系統接收到啟動信息后將開啟自動灌溉系統，自動灌溉系統對水位進行檢測，當水位低于預定值S2時一號電磁閥開啟，一號電機啟動進行灌溉，直到水位達到預期值時，此信息將被反饋到自動灌溉系統，此時將關閉一號電磁閥，一號電機停止。如果主程序啟動后，PLC控制系統檢測到水位大于預期值時一號電磁閥和一號電機不會啟動。A類水生植圖4.3A類植物灌溉梯形圖(1)B類植物灌溉控制流程圖設計B類植物灌溉控制流程圖如圖4.4所示。當時鐘到達23:30分時，二號電磁閥斷開，二號電機停止。②當時鐘到達6:00分時，二號電磁閥自動閉合，二號電機啟動對B類植物進行灌溉，當時鐘到達6:30分時，二號電磁閥斷開，二號電機停止。(2)B類植物灌溉梯形圖程序設計根據如圖4.4所示的B類植物灌溉控制流程圖設計梯形圖程序如圖4.5所示。因早上和晚上的模式相同，故只列舉23:00-23:30之間的梯形圖，梯C類植物灌溉控制流程圖如圖4.6所示。對C類植物灌溉的實施方案為每隔24小時進行一次灌溉，時鐘在23:00時三號電磁閥自動閉合，三號電機啟動，到23磁閥自動斷開，三號電機停止工作，系統停止灌溉。如果在其他時間C類植物灌溉梯形圖如圖4.6所示。NY二號電磁閥開啟二號電機啟動機停止Y圖4.4B類植物灌溉控制流程圖圖4.5B類植物灌溉梯形圖(23:00-23:30)開始初始化每隔一天23:00-23:10Y三號電磁閥開啟三號電機啟動N三號電磁閥斷開三號電機停止圖4.6C類植物灌溉控制流程圖商丘學院本科畢業設計041M2002HM8000H248000H-M109HHY004M109M111HM80D2SMOvD32k?—[TRD030D31M108—[RSTM111一M8002M111534上M109M112M8002M112M8002M112上M8002H81|M112HM100M8012HM8012HKED——-[RsTCJM8C12n-[RSTKS0D-(CoKED—(Yo20—T250圖4.7C類植物灌溉梯形圖置系統，因此非特殊情況無需采取什么特別措施，就可以在工業環境中直接使用。但果環境情況過于惡劣、電磁波干擾強烈，或者在設備安裝本設計在對采取先分部模擬仿真然后將總程序進行模擬仿真度的方法。仿真軟件為(1)輸入接線①輸入接線一般不要超過30m。但如果環境干擾較小的情況下，電壓下降不多時，可(2)電源接線PLC供電電源為50Hz、220V±10%的交流電。由于本設計使用的是FX2N系列可編程控制器，所以有直流24V輸出接線端。該接線端可為輸入傳感器提供直流24V電源。(3)接地要正確選擇接入的地點，完善接地系統接地的目的一般情殊時候發生的電壓沖擊的危害。所以我們必須給可編程控輸入系統梯形圖，轉換并點擊開始模擬，通過強制更改原件當前值商丘學院本科畢業設計圖5.1A類灌溉時序圖B類植物通過PLC的實時鐘來實現灌溉系統在時間段的啟動和斷開?？刂崎_關的時間可根據實際情況進行重新設定和編程調整，B類植物定時灌溉的時間要求為：6:00-6:30,B類植物灌時序圖如圖5.2、圖5.3所示。ER#f?eHDwimWDuiouBmambm調開文如廣對開細138第n商丘學院本科畢業設計件圖5.3B類灌溉時序圖(23:00-23:30)C類植物通過PLC的實時鐘來實現灌溉控制系統在時間段的啟動或斷開，時間可根