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1、灌溉控制系统项目设计方案1绪论1.1 课题背景及目的1.1.1 课题背景PLC的发展伴随着我国节水灌溉技术的发展，我国从70年代开始进行节水的地面灌溉技术的研究和应用工作，30多年来取得了显著的成绩，平整土地，推广小畦灌溉或沟灌是最早采用的改进技术，具有一定的节水效果，已普遍为农民所接受，我国科技工作者也对膜上灌河涌流灌的节水机理进行了一定的探索，在地面灌溉理论研究方面也取得了进展，尤其是畦田规格，单宽流量灌溉定额等节水因素优化，制定灌溉技术方案从而节约用水量，由于改进的地面灌溉技术简单实用，易于推广，对缓解和解决水资源短缺起了很大的作用。虽然我国在地面节水灌溉方面取得了一定的成就，但仍存在一
2、些问题和需要深化研究的方面，包括地面灌水技术和节水机理，各种节水地面灌溉技术的适应条件，灌溉均匀度对作物的影响，以及各种改进地面灌溉技术的优化组合方式，另外波涌灌溉和激光平地水平畦灌等先进技术应用尚属空白，需要进一步研究解决和推广。当前，随着电气信息技术在节水灌溉工程中的应用，发达国家如美国、以色列、荷兰、加拿大、澳大利亚等成功开发了一系列用途广泛、功能极强的灌溉控制器。而我国在开发灌溉自动控制系统方面与发达国家差距较大，还处于研制、试用阶段，随着水资源的日趋紧张及信息技术的发展，开发具有自主知识产权的节水灌溉控制系统不仅具有广阔的市场前景，而且具有巨大的社会效益。在温室中培育苗木, 适量的灌
3、溉是其中一道很重要的技术环节。首要的是控制土壤湿度, 既不能使土壤被水浸泡, 又不可长期干旱。灌水量和灌水周期还应根据气候和用水量进行调节, 以防止土壤湿度突然变化, 影响苗木的生长, 同时要根据当地的降水情况确定灌水的间隔和次数。因此, 要做到定时定量的对其进行灌水和循环控制。目前, 在一些大型的灌区采用一种用组态软件开发出的节水灌溉远程自动控制系统 , 但其价格昂贵, 控制元件多, 投资大, 其经济因素及适用性和针对性对中小型的温室大棚而言并不适用。因此, 以PLC为控制核心、PC 机为上位控制机的温( 网) 室灌溉自动控制系统, 能实现灌溉的定时、定量控制和循环控制。满足中小规模的温(
4、网) 室中灌溉的要求。1.1.2 课题研究目的（1）通过自动喷灌的PLC控制系统设计，使学生进一步熟悉有关PLC控制的理论知识。（2）掌握PLC的结构、组成、工作原理，掌握根据控制要求用PLC进行控制系统设计及控制程序设计方案和步骤。（3）熟悉掌握外文资料的查找、阅读与翻译。1.2 灌溉控制系统的发展趋势和研究现状综述1.2.1 灌溉控制系统的发展趋势随着可编程控制器技术的发展，其发展趋势将体现在以下几个方面：（1）进一步加快CPU的处理速度（2）变革操作控制方式（3）发展智能化模块（4）进一步提高可靠性（5）提供更方便灵活的编程方法，让PLC使用更加方便（6）PLC的结构和规模更趋向两极分化
5、，即大型化和小型化（7）PLC更加规范化，标准化（8）加强PLC的联网功能（9）PLC存储容量及存储特性灌溉技术改进和发展趋势主要包括以下几个方面：（1）采用激光平地等技术进行精细平地，促进田间水均匀分布。（2）田间灌水设施自动化。（3）研究应用地面灌溉自适应控制系统，形成灌溉早期入渗速度，行水控制，停水时间和灌溉效率的水管理系统。（4）建立区域供水管理系统，采用计算机，PLC等新技术进行水管理，并实现钟建轻管向重改重管的改变。1.2.2 灌溉控制系统的研究现状综述我国把节水灌溉作为国民经济可持续发展的一项重要措施和战略任务，同时也是建设帮保护干旱、半干旱地区生态环境的一条重要途径，目前，世界
6、上许多工业国家把PLC的使用作为衡量电气控制水平的标志，PLC汇集了超大规模集成电路的众多优点，把它应用在节水灌溉控制系统中，能够简化硬件结构、提高可靠性、增加灵活性，可收到人们常说的“以软(件)代硬(件)”的效果，研制和推广节水灌溉技术是实现农业现代化的需要。我国在开发灌溉自动控制系统方面与发达国家差距较大，还处于研制、试用阶段，随着水资源的日趋紧张及信息技术的发展，开发具有自主知识产权的节水灌溉控制系统不仅具有广阔的市场前景，而且具有巨大的社会效益。灌溉控制系统设计已朝着自动化和智能化的方向发展，基于PLC的灌溉控制系统设计，介绍了可编程序控制器(PLC)在节水灌溉控制系统中的应用，系统能
7、根据用户要求设定各灌区的灌溉顺序和灌溉时间，通过内置程序把湿度传感器测定的土壤湿度信号输入到PLC，与土壤最佳含水量对比，进一步控制电机和电磁阀的启闭1。近三、四十年科技的发展，拉开了新的农业技术革命的序幕。灌溉水管理技术的应用可以减少水在渠系调配过程中的损失，达到节水的目的。该技术还可以使水量分配合理，增加水量分布的均匀性，因此也是使作物增产增效的有效途径。以色列、美国、荷兰等国家对不同作物的灌溉制度进行了深入的研究，己取得了丰富的成果，主要体现在农业信息的获取和及时处理、农业系统模拟、农业生产管理、农业专家系统、农业决策支持系统、农业计算机网络应用和农产品贸易信息化等。 一、国外研究状况
8、国外由于节水灌溉发展时间长，电子技术水平较高，所以与节水灌溉配套的自动控制系统也较完善和先进。节水灌溉发达国家已普遍采用计算机控制灌溉系统，用埋在地下的湿度传感器可以测得土壤湿度信息，还有的智能系统能通过检测植物茎、果的直径变化，来决定对作物的灌溉计划和灌溉量。在温室等设施内较多使用小型灌溉控制器，这种设备通常能控制几路或十几路电磁阀，内有若干套灌溉管理程序，可预先设定灌水开始、结束时间和灌水间隔时间，操作方便，自动化、智能化控制运行精密、可靠，节省人力，对灌溉过程的控制可达到相当精度。近年来，发达国家为满足对灌溉系统管理的灵活、准确、快捷的要求，将空间信息技术、计算机技术和网络技术等高新技术
9、应用到节水灌溉的控制与管理上来，这些技术是目前节水灌溉研究的热点。二、国内研究状况我国的节水灌溉技术和设备自20世纪50年代从国外引进后，由于设计、管理及设备上的一些问题，没有得到大面积的应用，相配套的自动控制系统就更少了。到20世纪80年代，随着经济的发展，水资源的紧张及国家的重视，节水灌溉得到了迅猛地发展，从国外引进许多先进节水灌溉设备，同时我国在滴灌等节水灌溉技术上的研究也取得长足进步，但是在自动灌溉控制系统方面仍属空白，与国外相比，我国技术还比较落后，基本上还没有自行研制的成型的自动控制产品。那些引进的国外灌溉自动控制设备，是为国外的具体情况设计的，没有考虑我国的气候、土壤条件、作物类
10、型等因素，并不适合我国的国情，不能充分发挥它的优势。凡此种种，在我国推广引进国外控制设备不可行的。目前我国许多温室大棚都己配备了滴灌、喷灌等各种微水灌溉设备，但是缺乏与之配套的节水灌溉自动控制产品，这些温室大棚仍然采用手动开关阀门的方式来控制灌溉，耗费人力，而水的利用效率仍然不高。 因此，加速开发适合我国国情的成套、适用、可靠、低成本、高效率、先进的智能节水灌溉控制系统是十分必要和紧迫的，也是我国今后节水灌溉设备发展的主要方向。1.3 课题内容和任务本课题内容包括（1)方案总体设计，（2）灌溉控制系统设计，（3）程序的仿真与调试。课题任务要求为：用PLC控制植物的灌溉。A类植物是水生植物，要求
11、通过液位开关控制液位在最小值和最大值之间。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。C类植物需要每隔一天的晚上23:10灌溉一次，每次10分钟。2 PLC在灌溉控制系统中的应用2.1 PLC的概述2.1.1 PLC的特点 （1）体积小 （2）可靠性高 （3）柔性好，可在线更改程序 （4）对环境条件无要求 （5）价格低廉 2.1.2 PLC发展史： 第一代：1969年1972年，代表产品有 (1) 美国DEC公司的PDP-14/L (2) 日本立石电机公司的SCY-022 (3) 日本北辰电机公司的HOSC-20 第二代：1973年1975年，代表
12、产品有 (1) 美国GE公司的LOGISTROT (2) 德国SIEMENS公司的SIMATIC S3、S4系列 (3) 日本富士电机公司的SC系列 第三代：19761983年，代表产品有 (1) 美国GOULD公司的M84、484、584、684、884 (2) 德国SIEMENS公司的SIMATIC S5系列 (3) 日本三菱公司的MELPLAC-50、550 第四代：1983年现在，代表产品有 (1) 美国GOULD公司的A5900 (2) 德国西门子公司的S7系列 2.1.3 PLC发展方向 （1）是PLC网络化技术的发展，其中有两个趋势：一方面，PLC网络系统已经不再是自成体系的封闭
13、系统，而是迅速向开放式系统发展，各大品牌 PLC除外形成自己各具特色的PLC网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网，实现信息交流，成为整个信息管理系统的一部分;另一方面，现场总线技术得到广泛的采用，PLC与其他安装在现场的智能化设备，比如智能仪表、传感器、智能型电磁阀、智能型驱动执行机构等，通过一根传输介质(比如双绞线、同轴电缆、光缆)链接起来，并按照同一通信规约互相传输信息，由此构成一个现场工业控制网络，这种网络与单纯的PLC远程网络相比，配置更灵活，扩展更方便，造价更低，性能价格比更好，也更具开放意义。（2）是PLC向高性能小型化方向发展，PLC的功能正越来越丰富，
14、而体积则越来越小。比如三菱的FX-IS系列PLC，最小的机种，体积仅为 609075mm，相当于一个继电器，但却具有高速计数、斜坡、交替输出及16位四则运算等能力，还具有可调电位器时间设定功能。PLC已不再是早期那种只能进行开关量逻辑运算的产品了，而是具有越来越强的模拟量处理能力，以及其他过去只有在计算机上才能具有的高级处理能力，如浮点数运算、PID调节、温度控制、精确定位、步进驱动、报表统计等。从这种意义上说，PLC系统与DCS(集散控制系统)的差别越来越小了，用PLC同样可以构成一个过程控制系统。（3）是PLC操作向简易化方向发展。目前PLC推广的难度之一就是复杂的编程使得用户望而却步，而
15、且不同厂商PLC所有编程的语言也不尽相同，用户往往需要掌握更多种编程语言，难度较大。PID控制、网络通信、高速计数器、位置控制、数据记录、配方和文本显示器等编程和应用也是PLC程序设计中的难点，用普通的方法对它们编程时，需要熟悉有关的特殊存储器的意义，在编程时对它们赋值，运行时通过访问它们来实现对应的功能。这些程序往往还与中断有关，编程的过程既繁琐又容易出错，阻碍了PLC的进一步推广应用。PLC的发展必然朝着操作简化对复杂任务的编程，在这一点上西门子就充当了先行者，西门子S7-200的编程软件设计了大量的编程向导，只需要在对话框中输入一些参数，就可以自动生成包括中断程序在内的用户程序，大大方便了用户的使用。2.1.4 PLC的分类 （一）按结构分： （1）整体型 (2) 组合型 (二) 按I/O点数及内存容量分： （1）超小型：小于64点，256Byet1KB （2）小 型：65128点，13.6KB （3）中 型：129512点，3.613KB （4）大 型：513896点，大于13KB （5）超大型：大于896点，大于13KB 2.2 PLC控制灌溉系统的优点 (1) 编程方便,现场可修改程序 (2) 维修方便,采用模块化结构 (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) 数据可直接送入管理计算机 (6) 成本
