基于plc的灌溉控制系统设计

基于plc的灌溉控制系统设计内容摘要：

测的湿度值超出了设 定湿度值，（低于设定值则调大电动机转速，高于设定值则调小电动 机转速）则自动调节电动机转速，进行灌溉操作。 ② 定时控制功能：系统可对电磁阀设定开、关时间，当灌溉的湿 度值达到设定的湿度值时，电动机自动停止灌溉。 ③ 循环控制功能 ：用户在可编程控制器内预先编好控制程序， 分别设定起始时间、结束时间、灌溉时间、停止时间，系统按设定好 的时间自动循环灌溉。 3. 变速功能 : 当前所测的土壤湿度值与预先设定的最适宜草坪生 长的湿度值 50%— 60%RH 比较，分为大于、等于、小于三种结果，即 可将湿度分为高湿度、中湿度、低湿度三种状态。 在控制面板上表现 为高湿度、中湿度、低湿度三个指示灯。 变频器根据土壤湿度的三个 状态自动调节电动机的转速，电动机设有高速，中速，低速 3 种旋转 速度，分别对应高速，中速，低速三个指示灯。 4. 自动转停功能： 控制系统根据土壤的干湿度情况自动启动喷 灌，控制电动机以所需的转速转动，喷头喷灌 5 分钟，停 2 分钟，再 喷 5 分钟后自动停转。 5. 阴雨天自动停止：利用湿度传感器的开关量作为一个可编程控 制器的输入信号，实现控制相关程序的功能。 6. 急停功能：当出现紧急意外事故时，按下急停按钮，电动机立 即停止运转，阀门关闭，喷头停止灌溉。 7. 故障自动检测功能：当灌溉系统出现故障，如水管破裂（水压 为零），传感器故障，电动机故障，变频器故障，电磁阀故障等，水 泵立即停止运行，电磁阀关闭，故障报警灯闪烁直到故障消除，故障 指示灯才自动停止闪烁。 2 .2 灌溉系统方案的确定 每种植物都有适合其生长的湿度，湿度过大，植物的根系就会在 土壤中腐烂，湿度过小，就不足以满足植物生长所需要的水分。 灌溉 就是最大限度地满足土壤的湿度在适宜植物生长的湿度范围之 内。 经 资料查证最适宜草坪生长的湿度是 50%— 60%RH。 此设计以草坪 ( 100m 15m) 为例，设计一套自动灌溉系统，可以实现土壤太干时增大喷 灌量，太湿时减少喷灌量。 要实现此功能就要充分利用可编程控制器 的控制作用。 系统要实现自动感测土壤湿度的功能必须要有土壤湿度 传感器。 要实现灌溉水量的多与少的调节，必须要有变频器。 在可编 程控制器内预先设定 50%— 60%RH 为标准湿度，传感器采集的湿度模 拟信号经 A/D 模块转换成数字信号，此信号与 50%— 60%RH 比较，可 以分为：大于，等于，小于三种情况。 系统按可编程控制器内预先编 好的程序自动按一定的灌水量进行灌溉。 最终实现不需要人的直接参 与，由系统自动实现灌溉，人的作用只是调整控制程序和检修控制设 备。 可编程控制器、传感器、变频器是实现智能灌溉不可缺少的设备。 但要想使整个草坪都得到相同的水量， 对草坪实现均匀而智能的灌 溉，必须要设计一套完整的系统。 一套完整的智能灌溉系统由水源、 电源、可编程控制器、开关量、模拟量输入等组成。 水源：包括各种可能使用的水源的类型，如自来水、河流、井水、 池塘等。 视距离灌溉区的远近而定，重要的是所选水源必须要有足够 的供水量。 电源模块：稳定可靠的电源供应是整个系统安全、可靠运行的重 要前提，要求电源模块稳定、可靠，留有一定的功率余量。 可编程控制器主控模块：负责发出和接收各种运行程序指令，是整个 控制系统的中枢部分，要求具有高可靠性和稳定性，通信方式灵活， 具有可扩展的功能。 开关量、模拟量输入、输出模块：该部分是可编程控制器装臵正 确接收信息和发出指令的关键设备，要求有高可靠性、稳定性，能实 现某些电、磁的隔离功能。 现场仪表 ：可编程控制器系统通过接收现场仪表设备发出的信号 判断被控设备的运行状况，以及是否符合设备运行的环境条件，因此 要求现场仪表设备具有高可靠性、稳定性和精确性。 显示面板：通过显示面板上的指示灯，使操作人员能清晰的看到 系统的运行状态，便于控制和维修。 其他辅助设备：辅助设备如冷却风扇、 UPS 不间断电源等是完善 整个系统所必须的，对提高系统的可靠性和使用寿命有很大的帮助。 2. 3 智能灌溉系统工作原理 灌溉系统工作时，湿度传感器采集土壤里的干湿度信号，检测到 的湿度信号通过 A/D 模块转换，将标准的电流模拟信号转换为湿度数 字信号，输入到可编程控制器。 可编程控制器内预先设定 50%— 60%RH 为标准湿度值，实际测得的湿度信号与 50%— 60%RH 比较，可以分为： 在这个范围内，超出这个范围，小于这个范围三种情况。 可编程控制 器将控制信号传给变频器，变频器根据湿度值，相应的调节电动机的 转速，电动机带动水泵从水源抽水，需要灌溉时，电磁阀就自动开启， 通过主管道和支管道为喷头输水，喷头以各自的旋转角度自动旋转。 灌溉结束时电磁阀自动关闭。 为了避免离水源远的喷头不能被供给足 够的压 力，在电磁阀的一侧安装一块压力表，保证个喷头的水压满足 设定的喷灌射程，避免发生因为水压不足，喷头射程减少的现象。 整 个系统协调工作，实现对草坪灌溉的智能控制。 综上所述，要实现智能灌溉，系统需要有可编程控制器、传感器、 A/D 模块、变频器、电动机、水泵、电磁阀、管网和喷头等设备。 ① 可编程控制器：负责发出和接收各种运行程序指令，是整个控 制系统的中枢部分。 ② 传感器：土壤湿度传感器。 通过传感器采集土壤里的湿度信号， 判断是否需要灌溉。 ③A/D 模块：因为可编程控制器不能接收模拟信号，所以需将传 感器的电压或电流信号转换成数字信号。 ④ 变频器：通过改变电动机的转速调节喷灌流量，达到节水的目 的。 ⑤ 电动机、水泵：由电动机带动水泵从水源抽水，为喷灌系统提 供一定的压力。 ⑥ 电磁阀：控制喷头的喷灌与否。 ⑦ 喷头：实现均匀喷洒，便于充分吸收。 ⑧ 管网：灌溉系统输送水的管路。 可编程控制器是智能灌溉系统的大脑。 向可编程控制器内输入灌 溉程序（灌水开始时间、延续时间、灌水周期、灌水量等），可编程 控制器向电动机发出电信号开启或关闭灌溉系统。 可编程控制器投入运行后，要完成一系列的操作，即输入湿度传 感器采样信号；执行灌水开始时间、延续时间、灌水周期、灌水量等 已编好的程序；向变频器发出控制信号，由变频器控制电动机的转速。 完成上述三个阶段称作一个扫描周期。 在整个运行期间，可编程控制 器的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 2. 4 可编程控制器的选型 本次设计首先要从可编程控制器的选型入手。 随着技术的发展， 控制器的功能越来越多，为了使灌溉管理越来越灵活，最大限度地满 足供水要求。 必须选择合适的可 编程控制器。 但是，功能越多，往往 价格越高，维修越困难。 选定控制器时必须依具体要求选择。 由于在 课堂上学过一些关于三菱 FX2N 的基础知识，所以此次设计直接选用 三菱 FX2N 可编程控制器。 选择可编程控制器要从可编程控制器的容 量考虑。 可编程控制器的容量估算 : 可编程控制器容量包括两个方 面： I /O 点数、用户存储器的容量。 2 .5 电动机、水泵 电动机与水泵是一个整体，电动机带动水泵从水源抽水，为灌溉 系统提供一定的压力。 选择水泵的主要任务是确定水泵的流量和扬 程。 水泵扬程大约为提水高度的 1. 15～ 1. 20 倍。 如某水源到用水处 的垂直高度 20 米，其所需扬程大约为 23～ 24 米。 由于此次设计时间 比较紧张，没有选定具体的水源，因此在此只是假设所需扬程为 15 米。 具体选择水泵型号时，所选水泵的实际流量和扬程一般应稍大于 估算值，以确保满足设计要求。 介于本次设计的灌区面积比较小，加 之进口水泵价钱昂贵，因此此次设计中选用浙江良邦 150QJ 32～ 18 水 泵。 它的额定功率为 3kW，额定电压为 380V，额定频率为 50Hz ，扬 程为 15～ 21 米。 QJ 型潜水泵是电机与水泵直联一体潜入水中工作的提水机具， 它适用于从深井提取地下水、也可用于河流、水库、水渠等提水工程， 主要用于农田灌溉。 因为它具有高效、节能，使用寿命长，振动小、 噪音低、维护方便等优点。 电机、水泵一体，潜入水中运行，安全可 靠；对井管、扬水管无特殊要求（即：钢管井、灰管井、土井等均可 使用；在压力许可下（钢管、胶管、塑料管等均可作扬水管使用）； 安装、使用维护方便简单，占地面积小，不需建造泵房；结构简单， 节省原材料。 2 .6 变频器 随着微电子技术、电力电子技术、全数字控制技术的发展，变 频器的应用越来越广泛。 变频器能均匀地改变电源的频率，因而能平 滑地改变交流电动机的转速，由于兼有调频调压功能，所以在各种异 步电动机调速系统中效率最高，性能最好。 变频器的组成 变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆整流（直流变交流）、 制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成的。 变频器：把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率 可变的交流电的装臵称作 “ 变频器 ”。 整流：为了产生可变的电压和频率，该。