基于PLC的全自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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摘 要 介紹了可編程序控制器( P L C )在節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，我國在開發(fā)灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)方面與發(fā)達(dá)國家差距較大，還處于研制、試用階段，隨著水資源的日趨緊張及信息技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)不僅具有廣闊的市場前景，而且具有巨大的社會效益。系統(tǒng)具有手動(dòng)灌溉模式，能根據(jù)用戶要求設(shè)定各灌區(qū)的灌溉順序和灌溉時(shí)間;同時(shí)系統(tǒng)具有自動(dòng)灌溉模式，通過內(nèi)置程序把濕度傳感器測定的土壤濕度信號輸入到PLC，與土壤最佳含水量對比，進(jìn)一步控制電機(jī)和電磁閥的啟閉；為了減小水泵電機(jī)的啟動(dòng)電流，減輕對電網(wǎng)形成的沖擊，減小能耗,系統(tǒng)啟動(dòng)采用 Y／△啟動(dòng)。 [關(guān)鍵詞] PLC；節(jié)水灌溉；土壤濕度；Y／△啟動(dòng)；梯形圖 目 錄 1 基于PLC的全自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的原理 1.1 緒論-------------------------------------------------------------------------------------------1 1.2 制系統(tǒng)各部分功能及設(shè)計(jì)-----------------------------------------------------------1 1.2.1 Y/△啟動(dòng)----------------------------------------------------------------------------------1 1.2.2 手動(dòng)灌溉模式--------------------------------------------------------------------------- 1 1.2.3 自動(dòng)灌溉模式----------------------------------------------------------------------------2 1.2.4 2000YZ型土壤濕度計(jì)的技術(shù)參數(shù)--------------------------------------------------2 1.3 結(jié)語------------------------------------------------------------------------------------------ 2 2 基于PLC的全自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 2.1 FX-2N系列可編程控制器簡介----------------------------------------------------3 2.1.1 可編程控制器的產(chǎn)生---------------------------------------------------------------3 2.1.2 可編程控制器的定義---------------------------------------------------------------4 2.1.3 可編程控制器的發(fā)展趨勢---------------------------------------------------------4 2.1.4 可編程控制器的特點(diǎn)---------------------------------------------------------------5 2.1.5 可編程控制器的主要功能---------------------------------------------------------7 2.1.6 PLC的基本結(jié)構(gòu)--------------------------------------------------------------------8 2.1.7 PLC各部分的作用-----------------------------------------------------------------8 2.2 水資源短缺整體態(tài)勢嚴(yán)峻------------------------------------------------------10 2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖------------------------------------------------------------------------12 3 基于PLC的全自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 3.1 輸入、輸出點(diǎn)的分配---------------------------------------------------------------13 3.2 PLC外部接線圖-------------------------------------------------------------------------14 3.3 PLC程序設(shè)計(jì)流程圖-------------------------------------------------------------------15 3.4 PLC程序設(shè)計(jì)----------------------------------------------------------------------------16 致謝 參考文獻(xiàn) 第1章 基于PLC的全自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的原理 1.1 緒論 當(dāng)前，隨著電氣信息技術(shù)在節(jié)水灌溉工程中的應(yīng)用，發(fā)達(dá)國家如美國、以色列、荷蘭、 加拿大、澳大利亞等成功開發(fā)了一系列用途廣泛、功能極強(qiáng)的灌溉控制器。而我國在開發(fā)灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)方面與發(fā)達(dá)國家差距較大，還處于研制、試用階段，隨著水資源的日趨緊張及信息技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)不僅具有廣闊的市場前景，而且具有巨大的社會效益。本文以松下公司 F P 1系列的P L C為核心， 選用 C AO C型可編程控制器來開發(fā)了一套灌溉控制系統(tǒng)，所開發(fā)的控制系統(tǒng)能手動(dòng)設(shè)置對各輪灌區(qū)定時(shí)灌溉，也可以通過土壤濕度傳感器與控制器形成全自 動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時(shí)為了減少水泵電機(jī)啟動(dòng)電流，減輕對電網(wǎng)形成的沖擊，減小能耗，水泵電機(jī)采用 Y／ △啟動(dòng)。 1.2 制系統(tǒng)各部分功能及設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)包括電機(jī) Y／△啟動(dòng)，手動(dòng)控制模式自動(dòng)控制模式。因本系統(tǒng)除了濕度傳感器和雨量傳 感器輸人為模擬量外，其他輸入 出均為數(shù)字量，編程控制器本身的抗干擾能力能滿足要求。P L C的容量包括 I ／ O點(diǎn)數(shù)、用戶存儲器的容量。系統(tǒng)采用 F P 1可編程控制器專用編程軟件編制梯形圖。 1.2.1 Y/△啟動(dòng) 系統(tǒng)要求當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，首先電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，帶動(dòng)水泵抽水同時(shí)系統(tǒng)中電機(jī)采用 Y／ △啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)繼電器KMY接通。2s 后KMY斷開，繼電器KM△接通，即完成 Y／ △啟動(dòng)。 1.2.2 手動(dòng)灌溉模式 系統(tǒng)具有手動(dòng)設(shè)定各電磁閥的開啟時(shí)間和開啟順序的功能，當(dāng)某個(gè)電磁閉合時(shí)相應(yīng)的指示燈亮。當(dāng)雨量傳感器有信號，即下雨時(shí)，將停止灌溉，同時(shí)雨量報(bào)警器報(bào)警，本灌溉系統(tǒng)要求為一號灌區(qū)灌溉10min，打開2號灌區(qū)電磁閥灌水5 min，然后打開3 號灌區(qū)電磁閥灌水15min，最后停止灌溉。 1.2.3 自動(dòng)灌溉模式 本灌溉控制器能根據(jù)土壤濕度傳感器得到的土壤濕度信號，與設(shè)定的適于作物生長度進(jìn)行比較，然后決定是否灌溉，自動(dòng)進(jìn)行電機(jī)與各電磁閥的起閉。在本系統(tǒng)中選用2 0 0Y Z型土壤負(fù)壓傳 感器來測量土壤濕度，測量范圍為負(fù)壓值0～-85Pa，基本上在植物的需水范圍，一般說來，當(dāng)土壤吸力大-7a值，土壤就需要灌水，否則會影響植物的生長，該壓阻傳感器輸出為 0—50mv；測量深度為200mm l ～2 000mm, 地面以下部分根據(jù) 需要而定，總精度為2％左右；使用環(huán)境為 0～500℃。在小麥拔節(jié)抽穗期土壤最佳含水量用土壤負(fù)壓表示為-0kPa ～-0kPa ， 即當(dāng)土壤負(fù)壓 小于-60kPa時(shí)，打開灌水 閥門對作物進(jìn)行灌溉 J。在該系統(tǒng)中把濕度傳感器得到的土壤濕度 信號放入 P L C的數(shù)據(jù)寄存器DT0中，把所設(shè)定的 土壤濕度上限值( -50k P ) 放入 DT 4，下限值( -60kPa放入 D T2 ，同時(shí)當(dāng)土壤缺水或適宜時(shí)，相應(yīng)的指示燈亮。 1.2.4 2000YZ型土壤濕度計(jì)的技術(shù)參數(shù) 指示單位kPa 以mV表示 測量范圍土壤負(fù)壓值/kPa 0—85 壓阻傳感器輸出/mV 0—>50 最小顯示值/mV 傳感器為0.1 陶土頭直徑/mm—20 測量深度/mm 地面以下部分根據(jù)需要而定200至最長2000 傳感器供電恒流/mA 1.5—3 或直流/V 9 12 線性度/% 0.1 總精度/% 2 左右 使用環(huán)境/℃ 0—500 1.3結(jié)語 本文以CAOC可編程序控制器為核心來構(gòu)建節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，系統(tǒng)具有手動(dòng)設(shè)定功能，能根據(jù)用戶要求設(shè)定對某一灌區(qū)的灌水時(shí)間；系統(tǒng)還具有全自動(dòng)灌溉功能，能根據(jù)土壤濕度傳感器得到的土壤信號與土壤的最佳濕度值對比，自動(dòng)做出灌溉計(jì)劃；系統(tǒng)采用Y／△變換啟動(dòng)水泵電機(jī)來減小啟動(dòng)電壓，減輕對電機(jī)內(nèi)部繞組的損壞。 第2章 基于PLC和觸摸屏的灌注系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) CPU單元負(fù)責(zé)控制整個(gè)生產(chǎn)過程。觸摸屏通過RS232C串口和CPU進(jìn)行通訊，傳達(dá)用戶的指令，從而改變系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。輸出模塊向外部設(shè)備傳送輸出信號，使不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。對執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)的改變，通過行程開關(guān)或光電傳感器將其信號反饋給輸人模塊。CPU單元又從輸人模塊讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的變化執(zhí)行不同的控制 操作，由此構(gòu)成了整個(gè)控制回路n]. 根據(jù)系統(tǒng)控制要求、所需的I／O點(diǎn)數(shù)、工作環(huán)境等因素，可編程控制器選用日本三菱公司的FX-2N系列可編程控制器。觸摸屏采用HITECH公司的PWS1760型。 2.1 FX-2N系列可編程控制器簡介 2.1.1可編程控制器的產(chǎn)生 (一)PLC的定義 PLC 全稱Programmable logic Controller，可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。是工業(yè)控制的核心部分。 (二)PLC的發(fā)展過程 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動(dòng)或電氣控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制 20世紀(jì)20年代起，人們把各種繼電器。定時(shí)器。接觸器及其觸點(diǎn)按一定的邏輯關(guān)系連接起來組成控制系統(tǒng)，控制各種生產(chǎn)機(jī)械，這就是大家所熟悉的傳統(tǒng)繼電接觸器控制系統(tǒng).由于它結(jié)構(gòu)簡單。容易掌握。價(jià)格便宜，在一定范圍內(nèi)能滿足控制要求，因而使用面甚廣，在工業(yè)控制領(lǐng)域中一直占主導(dǎo)地位.但是繼電接觸器控制系統(tǒng)有明顯的缺點(diǎn)：設(shè)備體積大，可靠性差，動(dòng)作速度慢，功能少，難與實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制，特別是由于它是靠硬連線邏輯構(gòu)成的系統(tǒng)，接線復(fù)雜，當(dāng)生產(chǎn)工藝或?qū)ο蟾淖儠r(shí)，原有的接線和控制盤就要更換，所以通用性和靈活性較差. 上世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年長率一直保持為30~40%。在這個(gè)時(shí)期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度的提高，PLC逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。 PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，編程簡單的特點(diǎn)。PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來是無法取代的。 20世紀(jì)60年代末期，美國的汽車制造業(yè)競爭激烈，各生產(chǎn)廠家的汽車型號不斷更新，它必然要求生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)亦隨之改變，以及對整個(gè)開展系統(tǒng)重新配置.為拋棄傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)的束縛，適應(yīng)白熱化的市場競爭要求，1968年美國通用汽車公司公開向社會招標(biāo)，對汽車流水線控制系統(tǒng)提出具體要求，歸納起來是： （1） 編程方便，可現(xiàn)場修改程序 （2） 維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu) （3） 可靠性高于繼電器控制裝置 （4） 體積小于繼電器控制盤 （5） 數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī) （6） 成本可與繼電器控制盤競爭 （7） 輸入可以是交流150V以上 （8） 輸出為交流115V，容量要求在2A以上，可直接驅(qū)動(dòng)接觸器，電磁閥等 （9） 擴(kuò)展時(shí)原系統(tǒng)改變最小 （10） 用戶存儲器至少能擴(kuò)張到4KB（適應(yīng)當(dāng)時(shí)汽車裝配過程的需要） 十項(xiàng)指標(biāo)的核心要求是采用軟布線（編程）方式代替繼電控制的硬接線方式，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)線的流程控制。 2.1.2 可編程控制器的定義 美國國際電工委員會（IEC）在1987年對可編程序控制器做出如下定義：可編程序控制器是一類專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字式電子系統(tǒng)，它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部進(jìn)行存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時(shí)、記數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等功能的面向用戶的指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入或輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破鳂O其相關(guān)外部設(shè)備，都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。 定義強(qiáng)調(diào)了PLC應(yīng)直接應(yīng)用與工業(yè)環(huán)境，它必須具有很強(qiáng)的抗干擾能力，廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍。這也是區(qū)別與一般微機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。 定義還強(qiáng)調(diào)了PLC是“數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)”，他也是一種計(jì)算機(jī)，它是“專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的”工業(yè)計(jì)算機(jī)。這種工業(yè)計(jì)算機(jī)采用“面向用戶的指令”，因此編程方便。它能完成邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時(shí)、記數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作，它還具有“數(shù)字量和模擬量輸入和輸出”的能力，并且非常容易與“工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一體”，易于“擴(kuò)充”。 2.1.3 可編程控制器的發(fā)展趨勢 PLC總的發(fā)展趨勢是向高集成度、小體積、大容量、高速度、易使用、高性能方向發(fā)展。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。 （1）向小型化、專用化、低成本方向發(fā)展 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，新型器件大幅度的提高功能和降低價(jià)格，使PLC結(jié)構(gòu)更為緊湊，相當(dāng)于一本精裝本書的大小，操作使用十分方便。PLC的功能不斷增加，將原來大、中型PLC才有的功能部分地移植到小型PLC上。 （2）向大容量、高速度方向發(fā)展 大型PLC采用多微處理器系統(tǒng)，有的采用了32位微處理器，可同時(shí)進(jìn)行多任務(wù)操作，處理速度提高，特別是增強(qiáng)了過程控制和數(shù)據(jù)處理的功能。另外，存儲容量大大增加。 （3）智能型I/O模塊的發(fā)展 智能型I/O模塊是以微處理器和存儲器為基礎(chǔ)的功能部件，它們的CPU與PLC的主CPU并行工作，占用主CPU的時(shí)間很少，有利于提高PLC的掃描速度。 （4）基于PC的編程軟件取代編程器 隨著計(jì)算機(jī)的日益普及，越來越多的用戶使用基于個(gè)人計(jì)算機(jī)上的編程軟件。編程軟件可以對PLC控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)，即設(shè)置硬件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，例如設(shè)置各框架各個(gè)插槽上模塊的型號、模塊的參數(shù)、各串行通行接口的參數(shù)等。 （5）PLC編程語言的標(biāo)準(zhǔn)化 與個(gè)人計(jì)算機(jī)相比，PLC的硬件、軟件的體系結(jié)構(gòu)都是封閉的而不是開放的。在硬件方面，各廠家的CPU模塊和I/O模塊互不通用。PLC的編程語言和指令系統(tǒng)的功能和表達(dá)式也不一致，因此各廠家的可編程序控制器互不兼容。為了解決這一問題，IEC制定了可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中共有5種編程語言，允許編程者在同一程序中使用多種編程語言，這使編程能夠選擇不同的語言來適應(yīng)特殊的工作。 （6）PLC通信的易用化 PLC的通信聯(lián)網(wǎng)功能使它能與個(gè)人計(jì)算機(jī)和其他智能控制設(shè)備交換數(shù)字信息，使系統(tǒng)形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)分散控制和集中控制。 （7）組態(tài)軟件與PLC的軟件化 個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）的價(jià)格便宜，有很強(qiáng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、通信和人機(jī)交互的功能。 （8）PLC與現(xiàn)場總線相結(jié)合 現(xiàn)場總線I/O與PLC可以組成功能強(qiáng)大的、廉價(jià)的DCS系統(tǒng)。 （9）開發(fā)新型特殊功能模塊 I/O組件可以提高PLC的智能化、高密集度和增大處理能力。 (10) CPU的處理速度進(jìn)一步加快 目前，PLC的處理速度與計(jì)算機(jī)相比還比較慢，其高的CPU也不過80486，將來會全面使用64位的RISC芯片，采用多CPU進(jìn)行處理、分時(shí)處理或分任務(wù)處理方式，將各種模塊智能化，部分系統(tǒng)程序用門陣列電路固化，這樣可使PLC的處理速度達(dá)到納秒級。 2.1.4 可編程控制器的特點(diǎn) （1）抗干擾能力強(qiáng)，可靠性好 PLC在電子線路、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及軟件結(jié)構(gòu)上都吸取了生產(chǎn)廠家長期積累的生產(chǎn)控制經(jīng)驗(yàn)，主要模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路。I/O系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完善的通道保護(hù)與信號調(diào)理電路；在結(jié)構(gòu)上對耐熱、防潮、防塵、抗震等都有周到的考慮。具體措施主要有以下幾個(gè)方面： 1）隔離：這是抗干擾的主要措施之一。PLC的輸入、輸出接口電路一般采用光電耦合器來傳遞信號。這種光電隔離措施，使外部電路與內(nèi)部電路之間避免了電的聯(lián)系，可有效的抑制外部干擾源對于PLC的影響，同時(shí)防止外部高電壓串入，從而減少故障和誤操作。 2）濾波：這是抗干擾的另一個(gè)主要措施。在PLC的電源電路和輸入/輸出電路中設(shè)置了多種濾波電路，用以對高頻干擾信號進(jìn)行有效的抑制。 3）對內(nèi)部電源還采用了屏蔽、穩(wěn)壓、保護(hù)等措施，以減少外界干擾，保護(hù)供電質(zhì)量。另外使輸入輸出接口電路電源彼此獨(dú)立，以避免電源之間的干擾。 4）內(nèi)部設(shè)置了連鎖、環(huán)境檢測與診斷、watchdog（“看門狗”）等電路，一旦發(fā)現(xiàn)故障或程序循環(huán)執(zhí)行時(shí)間超過了警戒時(shí)鐘（WDT）規(guī)定時(shí)間（預(yù)示程序進(jìn)入了死循環(huán)），立即報(bào)警，以保證CPU可靠運(yùn)行。 5）利用系統(tǒng)軟件定期進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)、用戶程序、工作環(huán)境和故障檢測，并采用信息保護(hù)和恢復(fù)措施。 6）對用戶程序及動(dòng)態(tài)工作數(shù)據(jù)進(jìn)行電池備份，以保障停電后有關(guān)狀態(tài)或信息不丟失。 7）采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)工作現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。 8）以集成電路為基本元件，內(nèi)部處理過程不依賴于機(jī)械觸點(diǎn)，以保障高可靠性。而采用循環(huán)掃描的工作循環(huán)方式，也提高了抗干擾能力。 （2）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng) PLC及外圍模塊品種多，可由各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。 （3）編程方便，易于使用 PLC是面向用戶的設(shè)備，PLC的設(shè)計(jì)者充分考慮到現(xiàn)場工程技術(shù)人員的技能和習(xí)慣，PLC程序的編制，采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡單指令形式。梯形圖與繼電器原理圖相類似，這種編程語言現(xiàn)象直觀，容易掌握，不需要專門的計(jì)算機(jī)知識和語言，只要具有一定的電工和工藝的知識的人員都可在短時(shí)間內(nèi)學(xué)會。 （4）功能完善 PLC的輸出/輸入功能完善，性能可靠，能夠適應(yīng)與任何形式和性質(zhì)的開關(guān)量和模擬量的輸入/輸出。在PLC內(nèi)部具有許多控制功能，諸如時(shí)序、計(jì)算機(jī)、主控繼電器以及移位寄存器、中間寄存器等。由于采用了微處理器，它能夠很方便地實(shí)現(xiàn)延時(shí)、鎖存、比較、跳轉(zhuǎn)、和強(qiáng)制I/O等諸多功能，不僅具有邏輯功能、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)制轉(zhuǎn)換、以及順序控制功能，而且還具備模擬運(yùn)算、顯示、監(jiān)控、打印、及報(bào)表生成等功能。 （5）設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試、的周期短 用繼電器接觸器控制完成一項(xiàng)控制工程，必須首先按工藝要求畫出電氣原理圖，然后畫出繼電器屏的布置和接線圖等，進(jìn)行安裝調(diào)試，以后修改起來十分不便。而采用PLC控制，由于其硬軟件齊全，為模塊化積木式結(jié)構(gòu)，且已商品化，故僅需按性能、容量等選用組裝，而大量具體的程序編制工作也可在PLC到貨前進(jìn)行，因而縮短了設(shè)計(jì)周期，使設(shè)計(jì)和施工可同時(shí)進(jìn)行。 （6）體積小，維護(hù)操作方便 PLC體積小，質(zhì)量輕，便于安裝。PLC的輸入/輸出系統(tǒng)能夠直觀的反映現(xiàn)場總線信號的變化狀態(tài)，還能通過各種方式直觀的反映控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。 （7）易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化 PLC可連成功能很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 （8）可實(shí)現(xiàn)三電一體化 PLC將電控（邏輯控制）、電儀（過程控制）和電結(jié)（運(yùn)動(dòng)控制）這三電集于一體，可以方便、靈活地組合成各種不同規(guī)模和要求的控制系統(tǒng)，以適應(yīng)各種工業(yè)控制的需要。 2.1.5 可編程控制器的主要功能 （1） 條件控制功能 條件控制（或稱邏輯控制或順序控制）功能是指用PLC的與、或、非指令取代繼電器接觸的串聯(lián)、并聯(lián)極其他各種邏輯連接，進(jìn)行開關(guān)控制。 （2） 定時(shí)/記數(shù)控制功能 定時(shí)/記數(shù)控制功能指用PLC提供的定時(shí)器、記數(shù)器指令實(shí)現(xiàn)對某種操作的定時(shí)或記數(shù)控制，以取代時(shí)間繼電器和記數(shù)繼電器。 （3） 數(shù)據(jù)處理功能 數(shù)據(jù)處理功能是指PLC能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送、比較、移位、數(shù)制轉(zhuǎn)換、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算以及編碼和譯碼等操作。 （4） 步進(jìn)控制功能 步進(jìn)控制功能是指用步進(jìn)指令來實(shí)現(xiàn)在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能進(jìn)行下一道工序操作的控制，以取代由硬件構(gòu)成的步進(jìn)控制器。 （5） A/D與D/A 轉(zhuǎn)換功能 A/D與D/A 轉(zhuǎn)換功能是指通過A/D、D/A模塊完成模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。 （6） 運(yùn)動(dòng)控制功能 運(yùn)動(dòng)控制功能是指通過高速記數(shù)模塊和位置控制模塊等進(jìn)行單軸或多軸運(yùn)動(dòng)控制。 （7） 過程控制功能 過程控制功能是指通過PLC的PID控制指令或模塊實(shí)現(xiàn)對溫度、壓力、速度、流量等物理參數(shù)的閉環(huán)控制。 （8） 擴(kuò)展功能 擴(kuò)展功能是指通過連接輸入輸出擴(kuò)展單元（即I/O擴(kuò)展單元）模塊來增加輸入輸出點(diǎn)數(shù)，也可通過附加各種智能單元及特殊功能單元來提高PLC的控制功能。 （9） 遠(yuǎn)程I/O功能 遠(yuǎn)程I/O功能是指通過I/O單元將分散在遠(yuǎn)距離的各種輸入、輸出設(shè)備與PLC主機(jī)相連接，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，接收輸入信號、傳出輸出信號。 （10） 通信聯(lián)網(wǎng)功能 通信聯(lián)網(wǎng)功能是指通過PLC之間的聯(lián)網(wǎng)、PLC與上位機(jī)的鏈接等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程I/O控制或數(shù)據(jù)交換，以完成較大規(guī)模系統(tǒng)的復(fù)雜控制。 （11） 監(jiān)控功能 監(jiān)控功能是指PLC能監(jiān)視系統(tǒng)各部分的進(jìn)行狀態(tài)和進(jìn)程，對系統(tǒng)中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行報(bào)警和記錄，甚至自動(dòng)終止運(yùn)行；也可在線調(diào)整、修改控制程序中的定時(shí)器、記數(shù)器等設(shè)定值或強(qiáng)制I/O狀態(tài)。 2.1.6 PLC的基本結(jié)構(gòu) 目前PLC種類繁多，功能和指令系統(tǒng)也都各不相同，但都是以微處理器為核心用做工業(yè)控制的專用計(jì)算機(jī)，所以其結(jié)構(gòu)和工作原理都大致相同，硬件結(jié)構(gòu)與微機(jī)相似。主要包括中央處理單元CPU、存儲器RAM和ROM、輸入輸出接口電路、電源、I/O擴(kuò)展接口、外部設(shè)備接口等。其內(nèi)部也是采用總線結(jié)構(gòu)來進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。 如圖2.1所示，PLC控制系統(tǒng)由輸入量—PLC—輸出量組成，外部的各種開關(guān)信號、模擬信號、傳感器檢測的各種信號均作為PLC的輸入量，它們經(jīng)PLC外部輸入端子，作為PLC的輸出量對外圍設(shè)備進(jìn)行各種控制。由此可見，PLC的基本結(jié)構(gòu)有控制部分輸入和輸出組成。 圖2.1 PLC硬件結(jié)構(gòu)圖 2.1.7 PLC各部分的作用 (1) 中央處理器 CPU是由控制器和運(yùn)算器組成的。運(yùn)算器也稱為算術(shù)邏輯單元，它的功能就是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算?？刂破鞯淖饔檬强刂普麄€(gè)計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件有條不紊地工作，它的基本功能是從內(nèi)存中取指令和執(zhí)行指令。他的重要功能如下： 1. 診斷PLC電源、內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編制程序中的語法錯(cuò)誤。 2. 采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并送入PLC的寄存器中。 3.按用戶程序存儲器中存放的先后順序逐條讀取指令，進(jìn)行編譯解釋后，按指令規(guī)定的任務(wù)完成各種運(yùn)算和操作。 4.將存于寄存器中的處理結(jié)果送至輸出端。 5.應(yīng)各種外部設(shè)備的工作請求。 (2) 存儲器 PLC的存儲器分為兩大部分： 一大部分是系統(tǒng)存儲器，用來存放系統(tǒng)管理程序、監(jiān)控程序及其系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)。 二大部分是用戶存儲器，包括用戶程序存儲區(qū)及工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)。 (3) 輸入輸出接口電路 PLC通過輸入輸出（I/O）接口電路實(shí)現(xiàn)與外圍設(shè)備的連接。輸入接口通過PLC的輸入端子接受現(xiàn)場輸入設(shè)備的控制信號，并將這些信號轉(zhuǎn)換成CPU所能接受和處理的數(shù)字信號。 (4) 電源 PLC的電源是指將外部輸入的交流電經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓等處理后轉(zhuǎn)換成滿足PLC的CPU、存儲器、輸入輸出接口等內(nèi)部電路工作所需要的直流電源電路或電源模塊。 (5) 輸入輸出I/O擴(kuò)展接口 若主機(jī)單元的I/O點(diǎn)數(shù)不能滿足輸入輸出點(diǎn)數(shù)需要時(shí)，可通過此接口用扁平電纜線將I/O擴(kuò)展單元與主機(jī)單元相連接。 (6) PLC的基本工作原理 PLC采用的是循環(huán)掃描工作方式。對每個(gè)程序，CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，則從則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個(gè)循環(huán)稱為一個(gè)掃描周期。PLC的掃描全過程如圖2.2所示。 圖2.2 PLC的掃描全過程 1 輸入刷新階段 在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完成后關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。 2 程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐條執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運(yùn)算結(jié)果存入對應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。 3 輸出刷新階段 當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路，并通過一定輸出方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實(shí)際輸出。 顯然掃描周期的長短主要取決與程序的長短。掃描周期越長，響應(yīng)速度越慢。由于每一個(gè)掃描周期只進(jìn)行一次I/O刷新，即每一個(gè)掃描周期PLC只對輸入、輸出狀態(tài)寄存器更新一次，故使系統(tǒng)存在輸入、輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。由此可見，若輸入變量在I/O刷新期間狀態(tài)發(fā)生變化，則本次掃描期間輸出會相應(yīng)地發(fā)生變化。反之，若在本次刷新之后輸入變量才發(fā)生變化，則本次掃描輸出不變，而要到下一次掃描的I/O刷新期間輸出才會發(fā)生變化。這對于一般的開關(guān)量控制系統(tǒng)來說是完全允許的，不但不會造成不利影響，反而可以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。這是因?yàn)檩斎氩蓸觾H在輸入刷新階段進(jìn)行，PLC在一個(gè)工作周期的大部分時(shí)間里實(shí)際上是外設(shè)隔離的。而工業(yè)現(xiàn)場的干擾常常是脈沖式的、短時(shí)的，由于系統(tǒng)響應(yīng)較慢，往往要幾個(gè)掃描周期才響應(yīng)一次，而多次掃描后，因瞬間干擾而引起的誤操作將會大大減少，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。但是對于控制時(shí)間要求較嚴(yán)格、響應(yīng)速度要求較快的系統(tǒng)，就需要精心編制程序，必要時(shí)采用一些特殊功能，以減少因掃描周期造成的響應(yīng)滯后等不良影響。 2.2水資源短缺整體態(tài)勢嚴(yán)峻 當(dāng)今世界普遍關(guān)注水危機(jī)問題，其中最突出的矛盾就是干旱缺水。19世紀(jì)世界矛盾的交點(diǎn)是煤，20世紀(jì)世界矛盾的交點(diǎn)是石油，21世紀(jì)世界矛盾的交點(diǎn)是水，因此，21世紀(jì)被稱之為水的世紀(jì)。專家們認(rèn)為，我們正進(jìn)入一個(gè)新的水源緊缺時(shí)代，水將成為21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重制約因素。今年8月28日在南非約翰內(nèi)斯堡舉行的聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展首腦會議上，全體與會代表一致通過將水危機(jī)列為未來10年人類面臨的最嚴(yán)重挑戰(zhàn)之一。在會議上通過的政治宣言指出：“全球環(huán)境繼續(xù)惡化。生物多樣性在不斷喪失，魚類資源不斷減少，荒漠化在吞噬越來越多的良田，氣候變化的不利影響已顯而易見，自然災(zāi)害日趨頻繁，其危害日趨嚴(yán)重，發(fā)展中國家越來越脆弱，空氣污染、水污染和海洋污染繼續(xù)奪去數(shù)百萬的無辜生命”。宣言重申，我們將特別關(guān)注和優(yōu)先重視威脅人類可持續(xù)發(fā)展的世界局勢。聯(lián)合國首腦會議政治宣言表明，經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和水資源可持續(xù)利用巳成為世界各國共同承諾和行動(dòng)準(zhǔn)則。 20世紀(jì)80年代以來，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略已成為各國經(jīng)濟(jì)社會與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的共同準(zhǔn)則。當(dāng)今世界大多數(shù)則。當(dāng)今世界大多數(shù)國家，水已變成了一種稀少和昂貴的商品。為了滿足經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的需求，保障水的安全供給，各國對可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略達(dá)成共識，并日益深入人心，治水思想已從“人與水抗?fàn)帯鞭D(zhuǎn)向“人與水共存”，從過去的“防御洪水”轉(zhuǎn)向“管理泄水”，從“單一目標(biāo)的水資源開發(fā)”轉(zhuǎn)向“多目標(biāo)、多功能的配置、節(jié)約和保護(hù)，并尋求環(huán)境和生態(tài)功能”，從“單一的工程管理”轉(zhuǎn)向“流域內(nèi)人類生產(chǎn)生活行為和生產(chǎn)方式的管理”，從“多目標(biāo)開發(fā)為主的大規(guī)模水利建設(shè)時(shí)期”轉(zhuǎn)向“以水法規(guī)和現(xiàn)代水管理為中心的綜合治理時(shí)期?！笨偠灾?dāng)今世界“人與水和諧共處”、“可持續(xù)發(fā)展”等思想已全面深入水資源領(lǐng)域。過去人們沒有考慮水資源有限的問題。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和用水量的急劇增加，在一些國家和地區(qū)，水短缺和水污染日趨嚴(yán)重，水資源已成為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的嚴(yán)重制約因素，此時(shí)水資源的有限性及其節(jié)約和保護(hù)問題引起世界各國的關(guān)注。 我國是世界上人均水資源短缺的國家之一，按照國際上常用的缺水標(biāo)準(zhǔn)，我國有2/3的國土面積屬于資源性缺水地區(qū)。加之水是自然資源，是可流動(dòng)的資源，因此，水資源的性質(zhì)及其基本特征決定了厲行節(jié)約用水，建立節(jié)水型社會不是一項(xiàng)局部性的、臨時(shí)性的政策措施。而是我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中的戰(zhàn)略性、全局性，必須長期堅(jiān)持的基本國策。進(jìn)入21世紀(jì)以后，水資源的短缺形勢會更加嚴(yán)峻，對經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展將構(gòu)成嚴(yán)重威脅。專家們警告，中國解決了溫飽以后要防止有可能面臨第二個(gè)貧困—水貧困。因此，未來中國水資源的短缺形勢將更為嚴(yán)峻，將成為經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重制約因素。針對水資源面臨的新形勢、新問題，黨中央、國務(wù)院根據(jù)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，提出了新時(shí)期治水思路是實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，這是一條主線。因此，在國家實(shí)施可持續(xù)發(fā)展和科教興國兩大戰(zhàn)略指導(dǎo)下，依靠科技進(jìn)步、體制機(jī)制創(chuàng)新，以及配套的法規(guī)和政策，目標(biāo)是全方位提高用水效率，建立節(jié)水型的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展體系。農(nóng)業(yè)是用水大戶，在未來用水總量中具有舉足輕重的地位，因此，21世紀(jì)農(nóng)業(yè)灌溉發(fā)展的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)是節(jié)水，這是形勢的需要，客觀的需要，勢在必行。 2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 根據(jù)灌溉控制系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)由PLC控制器C4OC，直流24V電源，起／停按鈕，數(shù)據(jù)采集器件包括土壤濕度傳感器、雨量傳感器和各類按鈕，執(zhí)行輸出器件包括電磁閥，帶動(dòng)水泵的電機(jī)，報(bào)警裝置為報(bào)警指示閃爍燈或報(bào)警電鈴，同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)處于某個(gè)工作狀態(tài)時(shí)對應(yīng)的指示燈亮，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖2.3 圖2. 3控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 第3章 基于PLC的全自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 3.1 輸入、輸出點(diǎn)的分配 根據(jù)輸入、輸出點(diǎn)分配情況畫出PLC輸入、輸出分配表（圖3.1）和PLC外部接線圖（圖3.2）。 PLC輸入、輸出點(diǎn)分配表 圖3.1 名稱 代號 輸入點(diǎn) 輸出點(diǎn) 代號 名稱 電機(jī)啟動(dòng)按鈕 SB1 X0 Y0 KMY 電機(jī)KMy接通按鈕 停機(jī)按鈕 SB2 X1 Y1 KM△ 電機(jī)KM△接通按鈕 手動(dòng)模式按鈕 SB3 X2 Y2 HL1 手動(dòng)顯示燈 自動(dòng)模式按鈕 SB4 X3 Y3 HL2 自動(dòng)顯示燈 雨量傳感器 SQ1 X4 Y4 YV1 一號電磁閥 報(bào)警消音按鈕 SB5 X5 Y5 YV2 二號電磁閥 土壤濕度過量開關(guān) SB6 X7 Y6 YV3 三號電磁閥 土壤濕度適中開關(guān) SB7 X10 Y7 HL3 一號電磁閥運(yùn)行指示燈 缺水開關(guān) SB8 X11 Y10 HL4 二號電磁閥運(yùn)行指示燈 土壤濕度檢測開關(guān) SB9 X6 Y11 HL5 三號電磁閥運(yùn)行指示燈 Y12 HL6 電源指示燈 Y13 HL7 系統(tǒng)運(yùn)行指示燈 Y14 HL8 雨量報(bào)警器 Y15 HL9 土壤缺水指示燈 Y16 HL10 土壤濕度適宜指示燈 Y17 HL11 土壤水分過量指示燈 3.2 PLC外部接線圖： 圖3.2 PLC外部接線圖 3.3 PLC程序設(shè)計(jì)流程圖 FX-2N可編程控制器是三菱公司為其生產(chǎn)的PLC而設(shè)計(jì)的編程軟件，其運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)下，具有豐富、簡捷的操作環(huán)境和強(qiáng)大的編程、調(diào)試功能。程序采用梯形編寫,流程圖如下圖所示 Y 3.4 PLC程序設(shè)計(jì) 梯形圖如下圖所示。 圖3.4 致 謝 論文完成，三年的大專生涯即將結(jié)束，感慨萬千！ 首先，感謝我的指導(dǎo)老師鄭暉暉老師。一個(gè)月，在這一段并不長的日子里。我時(shí)刻體會著鄭老師嚴(yán)肅的教學(xué)態(tài)度，不辭辛苦的指導(dǎo)精神，一絲不茍的工作作風(fēng)，我想這是夠我一生受用的人格魅力。從課題選擇到論文寫作，整個(gè)過程，鄭老師都傾注了大量的心血。正是在鄭老師的辛苦指導(dǎo)下，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)才能順利進(jìn)行，這篇畢業(yè)論文也才得以順利完成。在此我向我的指導(dǎo)鄭暉暉老師表示深深的敬意和感謝！ 我還要感謝我班的一些同學(xué)們，在這次畢業(yè)論文的寫作過程中，他們也給了我不少幫助。謝謝你們，你們永遠(yuǎn)是我的好朋友。 參 考 文 獻(xiàn) 1.張兵，袁壽其，成立.國內(nèi)外節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望。排灌機(jī)械，2003. 2.張兵.智能化節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究 ．鎮(zhèn)江。江蘇大學(xué)，2003. 3.常斗南,李全利，張學(xué)武．可編程序控制器原理應(yīng)用試驗(yàn)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002. 4.孫振強(qiáng).可編程控制器原理及應(yīng)用教程.北京：清華大學(xué)出版社.2005. 5.王也房.可編程控制器應(yīng)用技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2001. 6.王兆義.小型可編程控制器實(shí)用技術(shù).北京；機(jī)械工業(yè)出版社.2000. 7.趙國良.維修電工.北京：中國勞動(dòng)社會保障出版社.2007. 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