基于PLC的节水灌溉系统模型设计docx

  PAGE III PAGE III PAGE PAGE IV 摘 要 目前，我国虽然整体看来水资源总量居多，但是对水的利用率偏低。并且人口众多，浪费水资源非常严重。对粮食的需求很大，农业耗水量大。因此造成了我国水资源缺乏的现状。因此，在我国的农业中，需要适当的加入一些自动化设备来进行节水灌溉。 本设计分析节水灌溉系统的要求，对节水灌溉系统的供水方式和控制原理进行了分析。因此确定由PLC、变频器、压力变送器、湿度变送器、水泵和喷淋设备构成节水系统的模型。节水灌溉系统模型的构建有三个部分。首先，将湿度变送器分区域布置在土壤中。接着湿度变送器和压力变送器将测到的数据传送到控制器PLC中。其次，PLC将接收到的模拟数据来进行相应的计算转换。将转换后的模拟量与设定值作比较。最后，根据比较后的情况，相应的调节变频器运作。以此来调节水泵的转速，确保水泵的输出能够很好的满足管道的水压。这样的一个过程采用了闭环控制。这样设计既能保证作物需要的水分，又能保证对水资源的节约。 关键字：PLC，节水灌溉，湿度变送器，压力变送器 Abstract At present, although the total amount of water resources in China is mostly, the utilization rate of water is low. And a large population,water resources are wasted seriously. There is a great demand for food, and agriculture consumes a lot of water. Therefore, the lack of water resources in China is caused. Therefore, it is necessary to add some automatic equipment to water saving irrigation in Chinas agriculture. This design analyzes the requirements of water-saving irrigation system, and analyzes the water supply mode and control principle of water-saving irrigation system. Therefore, the model of water saving system is determined by PLC, frequency converter, pressure transmitter, humidity transmitter, water pump and spraying equipment. The model of water-saving irrigation system has three parts. First, the humidity transmitter is placed in the soil in different areas. Then the humidity transmitter and pressure transmitter transmit the measured data to the controller PLC. Second, the PLC will receive the simulation data for the corresponding calculation conversion. The simulation amount after conversion is compared with the set value. Finally, according to the situation after comparison, the corresponding adjustment frequency converter operation. So as to adjust the speed of the pump to ensure that the output of the pump can meet the water pressure of the pipeline. This process USES closed loop control. This design ensures both the water needed by the crops and the conservation of water resources. Key words：PLC，Water saving irrigation, Humidity transmitter, Pressure transmitter  目 录 3556_WPSOffice_Level1 1 绪论 1 11100_WPSOffice_Level2 1.1 课题的背景和目的 1 24478_WPSOffice_Level2 1.2 课题的研究现状 1 11100_WPSOffice_Level3 1.2.1 国内研究现状 1 24478_WPSOffice_Level3 1.2.2 国外研究现状 1 20920_WPSOffice_Level2 1.3 课题研究的目的和意义 1 20920_WPSOffice_Level3 1.3.1 研究目的 1 24185_WPSOffice_Level3 1.3.2 研究意义 2 24185_WPSOffice_Level2 1.4 本次设计的主要内容 2 11100_WPSOffice_Level1 2 节水灌溉系统的方案确定 3 8184_WPSOffice_Level2 2.1节水灌溉系统供水方式研究 3 12648_WPSOffice_Level2 2.2 节水灌溉系统控制原理研究 3 8184_WPSOffice_Level3 2.2.1 节水灌溉系统恒压控制理论 4 12648_WPSOffice_Level3 2.2.2 节水灌溉系统的异步电动机调速方法研究 5 5061_WPSOffice_Level2 2.3 节水灌溉系统基本模型的确定 5 8019_WPSOffice_Level2 2.4 节水灌溉系统方案的确定 8 24478_WPSOffice_Level1 3 节水灌溉系统的整体结构 10 16552_WPSOffice_Level2 3.1 节水灌溉系统的总体结构 10 15585_WPSOffice_Level2 3.2 电控部分 10 5061_WPSOffice_Level3 3.2.1 PLC及PLC扩展模块的选择 10 8019_WPSOffice_Level3 3.2.2 变频器的选择 12 25342_WPSOffice_Level2 3.3 检测部分 13 16552_WPSOffice_Level3 3.3.1 湿度变送器的选择 13 15585_WPSOffice_Level3 3.3.2 压力变送器的选择 14 11775_WPSOffice_Level2 3.4 喷淋设备、水泵及管道的选择 15 25342_WPSOffice_Level3 3.4.1 喷淋设备的选择 15 11775_WPSOffice_Level3 3.4.2 水泵的选择 16 11232_WPSOffice_Level3 3.4.3 管道、电磁阀及止回阀的选择 16 20920_WPSOffice_Level1 4 节水灌溉系统的电控部分 18 11232_WPSOffice_Level2 4.1 节水灌溉系统的总体电气部分 18 4287_WPSOffice_Level2 4.2 节水灌溉系统主电路设计 19 5391_WPSOffice_Level2 4.3 节水灌溉系统控制电路设计 20 17415_WPSOffice_Level2 4.4 节水灌溉系统PLC模块设计 21 4287_WPSOffice_Level3 4.4.1 PLC端子分配 21 5391_WPSOffice_Level3 4.4.2 PLC接线_WPSOffice_Level1 5 节水灌溉系统的软件设计 24 17752_WPSOffice_Level2 5.1软件的总体部分 24 4329_WPSOffice_Level2 5.2 PID部分 25 17415_WPSOffice_Level3 5.2.1 算法部分 25 17752_WPSOffice_Level3 5.2.2 变频器中PID的设定 26 4374_WPSOffice_Level2 5.3节水灌溉系统的程序设计部分 27 4329_WPSOffice_Level3 5.3.1 PLC内部地址分配 27 4374_WPSOffice_Level3 5.3.2 管道压力部分 28 13219_WPSOffice_Level3 5.3.3 湿度部分 29 16307_WPSOffice_Level3 5.3.4 变频器部分 31 27018_WPSOffice_Level3 5.3.5水泵电机运行控制部分 32 18017_WPSOffice_Level3 5.3.6故障部分 34 4981_WPSOffice_Level3 5.3.7电磁阀运作部分 35 8184_WPSOffice_Level1 结 论 37 12648_WPSOffice_Level1 致 谢 38 5061_WPSOffice_Level1 参考文献 39 山东交通学院毕业设计（论文） PAGE PAGE 39 王梦崎：基于PLC的节水灌溉系统模型的设计 PAGE PAGE 38 1 绪论 课题的背景和目的 水对人类来说，是非常珍贵的资源。我国虽然整体看来水资源总量居多，但是对水的利用率偏低。并且人口众多，浪费水资源非常严重。对粮食的需求很大，农业耗水量大。因此造成了我国水资源缺乏的现状。我国的农业用水量占总用水量的80%。农业传统的灌溉方式多为大水喷灌，设备单一。不仅浪费水严重，而且灌溉难度大、耗费人力多。过多的灌溉会造成水土和肥料的流失，形成资源浪费。因此，如何节约农业用水对解决我国水资源缺乏问题具备极其重大的研究价值。 节水灌溉是使用更少的水资源来取得更好的生产效益。在我国的农业中，适当的加入一些自动化设备来进行节水灌溉。一方面能够缓解我国水资源不足的压力，对水资源做到合理的利用。另一方面提高了灌溉的节能性，减少了劳作者的劳作时间。还能避免人的因素的影响，总体上提升了农作物的产量。 课题的研究现状 国内研究现状 国内从20世纪50年代开始，国内开始做一些节水浇灌土壤的研究。20世纪70年代开始，我国总体的水量开始大幅度减少。出现了灌溉不足的情况，所以开始陆续引进节水喷淋设备。80年代的时候，节水灌溉开始了迅速的发展。但是最终都没能发展起来。90年代的时候，开始引进了国外的技术生产线。使得我国节水灌溉技术获得很大的发展，实施节水灌溉的地区也慢慢变得广泛。 但是，我国的节水灌溉技术还存在很多不足。对节水灌溉的研究相对滞后。节水灌溉的设备功能不够齐全，综合性能也不够好。生产节水设备的厂家参差不齐。创造新兴事物的能力不足，质量也不够稳定。 国外研究现状 国外的节水灌溉技术已趋于成熟，全面化。灌溉技术很成熟的国家有美国、以色列、日本、荷兰、意大利、英国、法国等国家。在20年代美国慢慢的开始进行低压管道灌溉技术。二战后，多数西方国家经济发展迅速。因此节水灌溉技术也得到了快速的提升。节水灌溉应用面积很广泛[1]。 其中，以色列是节水灌溉技术的翘楚，是全球的典范。以色列处于中东地区的东部，有三分之二的面积都是沙漠。因此以色列是个极度缺乏淡水的国家。但是以色列人却通过滴水灌溉技术发展好农业。将生产的农作物对外出口，创造了沙漠农业的神话。 课题研究的目的和意义 研究目的 研究节水灌溉的最大的目的有两个方面：一方面。中国的传统农业给农作物浇水一般都会采用的是大水喷灌。这种浇灌方式最大的缺点在于浪费水资源严重。轻易造成肥料大量流失，造成资源浪费。另一方面，中国的传统农业的技术落后。无法准确、高效给农作物灌溉。因此导致农作物产量不高，使传统农业处于滞后状态。在我们的生活中，离不开粮食和水。水对我们来说是十分宝贵的资源。人们已经产生了节约用水的意识。农业也是人类赖以生存的行业。所以，如何通过节水灌溉来更好的发展农业成为当前要解决的问题。在这种情况下，应该设计出一套功能全面，适应性和可靠性好。简易方便的自动化节水灌溉系统。来解决目前所面临的困难。 研究意义 随着科学技术的发展、计算机技术的普及、传感器的日益成熟。自动化应用越加普及，因此通过自动化技术来增加农业的产率。减少对水资源的浪费是十分必要的。自动化技术的加入对于农业来说具有重大的意义。一方面，在农业中合理使用自动化设备做作物灌溉。不仅仅可以改善喷淋土壤时的浪费，减少土壤中营养的流失。而且还能够有效地缓解我国水资源紧张的局面。另一方面，自动化设备的加入能够准确做相关操作。这样做才能够大大减少人为因素产生的误差。自动化设备的使用能够大幅度减少农民的劳作量。自动化设备的准确、简便、高效能使得农作物的产量提高，成本降低。 本次设计的主要内容 该课题选取控制灵活、使用简便、接口丰富、简单易操作的PLC作为核心控制器。通过PLC和变频器设计出一个变频恒压的节水灌溉系统。 首先，经过对节水灌溉课题的分析。确定下来论文的整体方向和大体思路。明确主要的内容和重难点。 其次，对节水灌溉系统来进行理论分析。确立灌溉系统的模型，分析灌溉系统的控制原理，选择节水灌溉的供水方式。明确的分析控制管理系统的方案以此来设计出一套最合理、节水、高效的系统。 最后，对系统的整体和部分进行功能设计和器件的选择。整体部分还需要对系统的模型进行设计，对湿度变送器进行分区域的布置安排。及相应管道和喷淋设备的布置安排。硬件部分要做到合理筛选，尽可能选择配型完整、功能可靠的器件来保证灌溉系统的稳定性和安全性。软件部分要确保设计出的系统合理、安全、可靠、节能。 2 节水灌溉系统的方案确定 2.1节水灌溉系统供水方式研究 供水方式大体上分为三种。 第一种是用水泵直接从池塘或者水源里抽取水，水泵是没有经过调速控制。用水泵直接抽水不仅水质没办法保证，水压也十分不稳定。在用水量集中的阶段有几率会使管道中压力不足。这样喷淋设备能够喷洒到的区域也会受一定的影响。这种灌溉方式花费最小，结构相对比较简单，一目了然。但是管道中的水压不稳定，水质质量难以确定，这样的形式节水性很差。 第二种是电机转速不变的水泵向水箱中供水，水箱到达设定最大值后水泵停止灌水。当水箱中的水低于设定的最小值时水泵开始向水箱供水。这样看来，水泵的工作方式也处于不稳定的状态。在水箱设置的最小值时水箱的压力需要高于喷淋设备需要压力值。这种方式有几率会使供水压力不稳定。管道中的水压处于持续下降或者持续上升的情况。并且此时的水压处于某一阶段，无法调节水压。其次，这种灌溉方式需要建筑供水箱，需要的成本偏高。建造供水箱不仅需要提前准备安置，占用一定的空间。而且水箱基本上处于在空气中的状态，易产生污染。水箱中的水也处于流动不频繁的状态，长此以往水质状态堪忧。 最后一种供水方式是通过变频器调节水泵的转速来来控制管道中的水压。其原理是通过管道中的压力变送器对管道中的水压进行勘测。将得到的数据与原本设定的压力数据相比较。假如发现测量的数值比原定值大，就需要调节水泵来降低压力值。使得相应的水流进入管道，以满足喷淋设备的水压要求。此时设定的压力值最好是高于喷淋设备需要的水压值。这样能满足喷淋设备需要的水压，确保能够喷淋到全部的土地。这种方式通常使得水压处于稳定的范围内，对流量的调节十分便捷。并且省去了水箱的建设花费，还确保了水资源的质量。 经过上述的分析，选定最后一种方式作为节水系统的供水方法。因为这样的形式不仅仅可以保证管道中水压的稳定，而且能确保水资源的质量。水泵经过调速能够最大化的利用水资源，尽可能实现了节水。 2.2 节水灌溉系统控制原理研究 首先对控制原理做多元化的分析。由图2.1所示，控制原理由PLC、压力变送器、喷淋设备、水泵、变频器组成。 控制原理是通过湿度变送器测量土壤的湿度，然后将参数反馈给PLC。通过PLC对变频器进行操控，以此来调节水泵的转速。水泵的输出关系着管道中的压力，从而控制喷淋设备的出水量。所以想调节土壤的湿度，就需要水泵改变供水量。这一系列的操作形成闭环控制，以此来实现节水灌溉。这里面最重要的是恒压控制。所谓恒压控制是通过设定的水压来调节水管中水压稳定在一些范围内。首先将压力变送器的数据传输到PLC中作比较。根据比较的结果来相应的控制变频器，因此变频器改变水泵运行频率。如果将频率调高，这时管道中的压力会增高。当管道中的水压升高到特定值时，压力变送器会将检测到水管中的水压传给PLC。然后通过PLC调节变频器，以此来降低水泵的转速。使得水管中的压力稳定在设定值的范围。 图2.1闭环控制框图 Fig.2.1 Closed-loop control block diagram 2.2.1 节水灌溉系统恒压控制理论 当节水系统管道处的阀门在调开在一定的大小时保持不动。此时管道的压强和喷淋设备的扬程特性就能反映出来。节水系统中还存在一个管阻特性对喷淋设备的功能存在影响。当节水系统的的水泵转速处于某一特定值的情况下。喷淋设备扬程和流量存在一种曲线所示。从图中能够准确的看出喷淋设备的流量Q越大，喷洒的扬程H越小。所以他们处于反比关系。前面已经说了管道处的阀门是保持不动，在这个前提下再保证水泵电机的转速也保持不动。此时需水量决定着流量Q的大小，需水量越多，自然流量就大。此时扬程特性表示扬程H和用水量Qy的关系。当水泵电机的转速保持不动并且阀门调节在某一特定大小程度下。此时的管阻特性表示扬程H和供水量

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