基于PLC的自動灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計

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商丘學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計I摘 要水是我們維持生命活動必不可少的物質(zhì)。當(dāng)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?nèi)粘Ｉ钣盟貌坏奖ＷC，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(nóng)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(shè)計了一種自動灌溉裝置的PLC 控制系統(tǒng)。首先分析了自動灌溉裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理，從而確定了控制要求，然后進行了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。其中硬件設(shè)計主要包括 PLC 選型、I/O 分配表和 I/O 外部接線圖，軟件設(shè)計包括了控制流程圖設(shè)計和梯形圖程序設(shè)計。該系統(tǒng)采用 PLC 技術(shù)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。關(guān)鍵詞：自動灌溉裝置;PLC 控制系統(tǒng);硬件設(shè)計;軟件設(shè)計商丘學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計IIAbstractWater is essential for us to maintain life activities. In today's society is not reasonable in the utilization of water resources, caused great waste. Such as gansu, shanxi and other places in China water resources shortage area, water not assured that people lives daily, so we need to more rational use of water. Waste most of the waste of water resources in irrigation, because people using flood irrigation, waste water not only, make more people to increased labor. Therefore, this article designed a kind of PLC control system of an equipment of automatic irrigation. First analyzed the structure and working principle of automatic irrigation device, thus determined the work requirements. Then the hardware designed and software designed. Hardware designed including the designed of the hardware principle, type selection of PLC, I/O allocation table and external I/O wiring diagram. Software designed including the designed principle and ladder diagram programming. The system uses PLC as the designed core, small volume, strong function, simple programming, high reliability and flexible assembly.Keywords：Automatic irrigation device; PLC control system; Hardware design; Software design商丘學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計III目 錄1 緒論 .11.1 課題背景及意義 11.2 國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀 21.2.1 國外研究發(fā)展現(xiàn)狀 .21.2.2 國內(nèi)研究發(fā)展現(xiàn)狀 .32 自動灌溉裝置的控制要求 .32.1 結(jié)構(gòu)介紹 32.2 工作過程 42.3 控制要求 53 自動灌溉 PLC 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 .53.1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計原則 53.2 PLC 選型 .63.3 I/O 分配表 .73.4 I/O 外部接線圖 .84 自動灌溉 PLC 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 .94.1 系統(tǒng)軟件的設(shè)計原則 94.2 控制流程圖設(shè)計 94.3 梯形圖程序設(shè)計 104.3.1 A 類水生植物梯形圖程序設(shè)計 .104.3.2 B 類植物梯形圖程序設(shè)計 .114.3.3 C 類水生植物梯形圖程序設(shè)計 .125 PLC 控制系統(tǒng)的調(diào)試與程序的仿真 155.1 PLC 控制系統(tǒng)的安裝與布線 .155.2 程序的仿真 156 結(jié)論 .18參考文獻 .19附 錄 A20致 謝 .24商丘學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計11 緒論1.1 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(tǒng)灌溉設(shè)備單一，灌溉難度大，費時費力，嚴重制約我國社會經(jīng)濟的發(fā)展。因此需要合理灌溉，采用自動灌溉系統(tǒng)。農(nóng)業(yè)是整個人類社會中最古老，最原始的行業(yè)，是各行各業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是整個人類賴以生存的根本和先決條件。農(nóng)業(yè)發(fā)展的根本出路在于科技的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平的提高在于教育方式的轉(zhuǎn)變。由傳統(tǒng)的古老的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變，由粗放型經(jīng)營方式到集約型經(jīng)營方式的轉(zhuǎn)變，就必須要求農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)技術(shù)的革命。而且我國當(dāng)今的農(nóng)業(yè)相比于其他行業(yè),如工業(yè),交通運輸業(yè)的發(fā)展仍然處于比較落后的階段，特別是我國的農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)需要提高。灌溉系統(tǒng)自動化水平的高低是衡量我國高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個決定因素。自動灌溉系統(tǒng)的進步與提高對于緩解我國水資源緊缺現(xiàn)象、節(jié)約勞動力資源和成本，擴大灌溉面積、實現(xiàn)“ 兩個轉(zhuǎn)變 ”戰(zhàn)略發(fā)展目標、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、以及提高我國農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)力水平有著十分重大的意義。有效、合理的灌溉是農(nóng)作物正常生長和發(fā)育并獲得高產(chǎn)的重要前提和基本保障，因此可取得良好的生理效應(yīng)和生態(tài)效應(yīng)，并且增產(chǎn)效果十分顯著。另一方面，國外的一些噴灌系統(tǒng)設(shè)備，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)成本較高，而且國外產(chǎn)品在安裝和維護過程所需要的程序都很復(fù)雜，并不適合在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力大的地區(qū)使用。相比較而言,由我國研發(fā)并制造的噴灌設(shè)備其成本相對比較低廉，但是其中大部分系統(tǒng)采用的是普通繼電器控制系統(tǒng)，對其的調(diào)試與維護工作比較困難，靈敏度也不夠高，不能完全實現(xiàn)定時定量噴灌，所以該類產(chǎn)品的市場占有率不是很高。PLC 的優(yōu)點是體積小、功能強、編程簡單、可靠性高和組裝靈活，這些優(yōu)點使其能夠廣泛應(yīng)用于國防、電力和通訊等領(lǐng)域，但是在我國現(xiàn)階段的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域方面應(yīng)用很少。因此本文設(shè)計了一種自動灌溉裝置的 PLC 控制系統(tǒng)?？删幊绦蚩刂破? 簡稱 PLC) 應(yīng)用在節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的工程設(shè)計中能夠使硬件結(jié)構(gòu)，具有可靠性、靈活性好和能在各種環(huán)境條件下運行等一系列優(yōu)點，并且在維持系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)不變的情況下，僅僅通過更改軟件設(shè)置來迎合多種運行方式的需求，是繼我國傳統(tǒng)電器的理想替代品，特別是在農(nóng)田水利系統(tǒng)的小型泵站中可以實現(xiàn)無人值守或半無人值守狀態(tài)，具有廣闊的應(yīng)用前景和有效的使用價值 [1]?，F(xiàn)代化的智能型控制系統(tǒng)和程序的應(yīng)用是對現(xiàn)今農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)和田間管理的有效手段和工具，它可提高灌溉系統(tǒng)操作的準確性，有利于在灌溉過程中進行科學(xué)、有效的管理，降低對操作者本身知識素養(yǎng)的需求。現(xiàn)代化的灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用，除了能大大的減少商丘學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計Error! No text of specified style in document.2從事生產(chǎn)的生產(chǎn)者的勞動量，更重要的是它能夠、定量、準確、定時、高效地給農(nóng)作物自動補充水分，還能夠增加養(yǎng)分，以達到提高農(nóng)作物產(chǎn)量、質(zhì)量，并節(jié)水、節(jié)能的要求。PLC 控制系統(tǒng)還有以下優(yōu)點：（1）編程方便，現(xiàn)場可修改程序。（2）維修方便，有模塊化結(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裝置。（5）數(shù)據(jù)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(qū)動電磁閥，接觸器等。（9）在擴展時，原系統(tǒng)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(tǒng)中采用了 PLC，用軟件實現(xiàn)對灌溉系統(tǒng)的控制，提高可靠 性。（12）去除了大部分繼電器，控制系統(tǒng)機構(gòu)簡單，外部線路簡化。（13）PLC 可實現(xiàn)對各種繁瑣的系統(tǒng)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(diào)配和管理，并提高灌溉系統(tǒng)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(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 國外研究發(fā)展現(xiàn)狀當(dāng)今全球灌溉技術(shù)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(chǎn)力水平較高的國家 [2]。因為這些國家的自動灌溉系統(tǒng)的研究起步較早，發(fā)展較快，其研發(fā)系統(tǒng)及技術(shù)水平比我國高。特別是一些有著先進技術(shù)的國家,它們在自動灌溉控制發(fā)展和提高的基礎(chǔ)上，更不斷研究各種最先進的灌溉控制技術(shù)及適用于不同農(nóng)作物的不同營養(yǎng)液的配方和營養(yǎng)液自動混合技術(shù)的進步，并進一步發(fā)展行成并擁有了灌溉專家系統(tǒng)。這些國家同時不斷的把先進的生產(chǎn)控制技術(shù)成功的應(yīng)用于灌溉系統(tǒng)中,有效的促進了其國家的農(nóng)業(yè)發(fā)展水平 [3]。世界上灌溉技術(shù)的發(fā)展最具有代表性的國家應(yīng)首推以色列。以色列擁有像普拉斯托、商丘學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計Error! No text of specified style in document.3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(jīng)出現(xiàn)了利用電子計算機對灌溉過程實行全部控制(包括無線、有線)的農(nóng)場的場主。1.2.2 國內(nèi)研究發(fā)展現(xiàn)狀目前我國現(xiàn)代自動灌溉技術(shù)的發(fā)展主要是在引進、消化技術(shù)的基礎(chǔ)上，從無到有，逐步被人們認識和接受。雖然灌溉技術(shù)在我國近十幾年來得到了一定速度的發(fā)展，但是和西方先進國家相比,我國的綜合環(huán)境對其的控制力還不夠高，自動灌溉技術(shù)以及施肥控制系統(tǒng)的發(fā)展目前還僅僅局限于引進吸收階段。現(xiàn)今，我國的自動灌溉系統(tǒng)的發(fā)展水平相對于先進國家依然存在的差距是：（1）營養(yǎng)液的自動混合控制水平較低。營養(yǎng)液的混合技術(shù)僅僅應(yīng)用于利用施肥器混合水和液體肥，通過管網(wǎng)送到作物周圍的階段,該技術(shù)的發(fā)展水平還較低。（2）自動灌溉控制系統(tǒng)不夠完善，我們國家目前為止還沒有生產(chǎn)出成型的設(shè)備，除了購買外國的先進的設(shè)備之外，現(xiàn)今大部分還是人工控制閥門的設(shè)備的生產(chǎn)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(xiàn)和其他環(huán)境問題的協(xié)調(diào)發(fā)展。（4）不能實現(xiàn)灌溉系統(tǒng)的全面應(yīng)用。我國的灌溉技術(shù)和水平離一些先進國家還有很大的差距，我國現(xiàn)今的灌溉控制基本上還是按照勞動人民的經(jīng)驗去進行，并沒有很大的進步和提高。總而言之，在現(xiàn)代灌溉技術(shù)的開發(fā)和研制方面，一些國外的先進國家還是在很多方面領(lǐng)先與我國的，根據(jù)我國現(xiàn)階段灌溉的現(xiàn)象和狀況，當(dāng)務(wù)之急需要解決的關(guān)鍵技術(shù)還存在著很多問題，尤其是在自動控制系統(tǒng)方面需要加大研發(fā)力度。2 自動灌溉裝置的控制要求2.1 結(jié)構(gòu)介紹（1）灌溉設(shè)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(tǒng)，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(tǒng)的灌水器。（2）外圍設(shè)備：確定選用 CJ10 交流接觸器作為系統(tǒng)的自動控制的電路，電動機的過載保護由熱繼電器實現(xiàn)。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(guān)和閉合首先要確定的是液體位置的高度，然后依據(jù)這個高度來輸出進行開關(guān)量的信號。而液位傳感器的功效是將液位的高度轉(zhuǎn)化為以電為信號的形式進行商丘學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計Error! No text of specified style in document.4輸出?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，如圖 2.1 所示。根據(jù)灌溉植物的特點，對其控制應(yīng)滿足植物的需要，因此選用 PLC 作為灌溉控制系統(tǒng)的核心。該灌溉系統(tǒng)主要由 PLC 控制器 FX2N-32MR-001，220V 交流電源提供電，啟停按鈕，執(zhí)行器包括電磁閥，數(shù)據(jù)采集器件包括液位開關(guān)，實時鐘，帶動水泵的電機等組成 [7]。實時鐘信號 PLC 繼電器控制盤水泵 1 水泵 2 水泵 3 注水管 噴頭 1 噴頭 2水源 液位開關(guān)圖 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖M8012 為特殊輔助繼電器。 M8012 為 100ms 時鐘脈沖繼電器。由計數(shù)器 C0 與M8012 的組合，使計數(shù)器產(chǎn)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(shè)定時間的啟停，從而控制灌溉三種植物。2.2 工作過程如圖 2.1 所示，本系統(tǒng)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(guān)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(dāng)水位處于最低點時，液位開關(guān)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(dāng)水位處于最高點時，液位開關(guān)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(zhuǎn)，水泵 1 往水池里注水的任務(wù)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 之間打開噴商丘學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計Error! No text of specified style in document.5灌系統(tǒng)。通過實時鐘來實現(xiàn)灌溉系統(tǒng)在規(guī)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。二號電機停止運轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)動帶動水泵 2 工作，延續(xù)到 6:30，二號電磁閥斷開，二號電機停止運轉(zhuǎn)?？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(xiàn)灌溉系統(tǒng)在規(guī)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(shù)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(zhuǎn)帶動水泵 3 工作，控制噴頭 2，澆灌 C 類植物。這里關(guān)鍵是把計數(shù)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(dāng)水位處于最低點時液位開關(guān)將會輸出控制信號到 PLC 控制系統(tǒng)，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(gòu)開始連接，一號電機促動水泵 1 開始工作，往水池里注水。當(dāng)水位處于最高點時，液位開關(guān)將輸出信號到PLC 控制系統(tǒng)，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(zhuǎn)，同時停止往水池注水工作 [8]。B 類植物：通過實時鐘來實現(xiàn)灌溉系統(tǒng)在規(guī)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(zhuǎn)，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(zhuǎn)動帶動水泵 2 工作，延續(xù)到 6:30，二號電磁閥斷開，二號電機停止運轉(zhuǎn)?？刂茋婎^ 1 在 6:00-6:30 噴水。C 類植物：通過實時鐘來實現(xiàn)灌溉系統(tǒng)在規(guī)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(shù)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(zhuǎn)帶動水泵 3 工作，控制噴頭 2，澆灌 C 類植物。這里關(guān)鍵是把計數(shù)器作為時間繼電器用。3 自動灌溉 PLC 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計原則系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)遵循以下幾條原則：（1）完整性原則從系統(tǒng)論完整的觀點來說，如果要使系統(tǒng)發(fā)揮其應(yīng)該有的作用，系統(tǒng)的設(shè)置必須完商丘學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計Error! No text of specified style in document.6整。因此在對該系統(tǒng)進行設(shè)計的過程中，首先應(yīng)該考慮的是系統(tǒng)的完整性。如果沒有考慮系統(tǒng)的完整性，那么在安裝和使用該系統(tǒng)時就會出現(xiàn)這樣或者那樣的問題，并且會給系統(tǒng)在實際應(yīng)用中帶來很多本來可以避免的麻煩。而且最好使設(shè)計好的系統(tǒng)的使用性能稍高于實際的需求，如果能按這樣的要求設(shè)計，那么系統(tǒng)的擴展性相對而言就會較好，在實際應(yīng)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(shè)計好的系統(tǒng)能否正常、可靠地進行工作，即該系統(tǒng)在一定的條件下和一定的時間內(nèi)所完成規(guī)定任務(wù)的能力得大小。而且該系統(tǒng)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(tǒng)來說，無論該系統(tǒng)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(tǒng)可靠性較差，頻繁出現(xiàn)故障，而且不能夠進行長期可靠的正常運行，那么該系統(tǒng)就只有價值并沒有使用價值。（3）發(fā)展性原則發(fā)展性原則有兩個重要的方面：①就是要留有發(fā)展余地，在進行系統(tǒng)配置的同時，也要考慮如果系統(tǒng)的規(guī)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(fā)過程中盡量選擇技術(shù)壽命長，機器的維修及零部件的補充比較方便的系統(tǒng)，以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。（4）經(jīng)濟性原則在系統(tǒng)的研發(fā)過程中，還要考慮性價比的問題。在系統(tǒng)設(shè)計的過程中并不能一味的追求一些復(fù)雜、繁瑣的高級方案，要在滿足生產(chǎn)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(shè)計方法。但是由于該系統(tǒng)是要求較高的專業(yè)的測量系統(tǒng)，系統(tǒng)的研發(fā)成本是衡量系統(tǒng)造價的重要指標，所以要盡可能的采取先進、成熟的測控設(shè)備和方法，以期系統(tǒng)的性價比處于較良好的狀態(tài)。（5）開發(fā)周期短由于經(jīng)濟全球化的發(fā)展，生產(chǎn)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(tǒng)的研發(fā)所需要的時間，求獲得最大的經(jīng)濟效益和社會效益。（6）操作維護方便在系統(tǒng)總體設(shè)計時應(yīng)考慮到操作維護方便，使系統(tǒng)易學(xué)易用。3.2 PLC 選型商丘學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計Error! No text of specified style in document.7PLC 選型一般需要考慮以下因素：（1）系統(tǒng)可以方便地擴展，系統(tǒng)中輸入輸出信號均為開關(guān)量。（2）輸入和輸出模塊模塊輸出的主要工作是將機器內(nèi)部系統(tǒng)信號電流轉(zhuǎn)換為外部過程的控制信號。（3）電源小型整體式可編程控制器系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)有一個可控的開關(guān)電源，一方面可為機器內(nèi)部電路擴展為大的單元供電。（4）響應(yīng)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(xù)時間不大于掃描周期所使用的輸入信號。系統(tǒng)的響應(yīng)時間是指輸入信號產(chǎn)生的那一時刻與由此而使輸出信號狀態(tài)所發(fā)生得時刻變化的時間間隔。系統(tǒng)的響應(yīng)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(tǒng)的響應(yīng)時間。根據(jù)灌溉系統(tǒng)控制要求需要 5 個輸入點，12 個輸出點，按照預(yù)留 10%~15%容量的原則，預(yù)留該系統(tǒng)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。3.3 I/O 分配表 PLC 輸入/輸出點分配如表 3.2 所示。表 3.2 輸入、輸出點分配表商丘學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計Error! No text of specified style in document.83.4 I/O 外部接線圖I/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(fā)動的過程中，會產(chǎn)生較大的啟動電流。為了避免電網(wǎng)產(chǎn)生較大的壓降，要求啟動電流不能太大，同時希望產(chǎn)生足夠大的啟動轉(zhuǎn)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(fā)動降壓發(fā)動電路是指電動機在發(fā)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(fā)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(tǒng)采用降壓啟動方式的處理系統(tǒng)。輸入設(shè)備名稱 輸入點 輸出設(shè)備名稱 輸出點電機啟動按鈕 X000 一號電機星形接通 Y000停機按鈕 X001 一號電機三角形接通 Y001液位開關(guān)（下） X002 二號電機星形接通 Y010液位開關(guān)（上） X003 二號電機三角形接通 Y011初始化脈沖 M8002 三號電機星形接通 Y020運行監(jiān)視器 M8000 三號電機三角形接通 Y021二號電磁閥置位開關(guān) X004 一號電磁閥 Y002二號電磁閥 Y003三號電磁閥 Y004一號電磁閥指示燈 Y005二號電磁閥指示燈 Y006三 0 號電磁閥指示燈 Y007商丘學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計Error! No text of specified style in document.9圖 3.4 I/O 外部接線圖圖 3.5 電機啟動主電路圖4 自動灌溉 PLC 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)軟件的設(shè)計原則自動灌溉系統(tǒng)軟件設(shè)計應(yīng)當(dāng)做到以下幾點：（1）準確性：灌溉系統(tǒng)的全自動控制不僅能實現(xiàn)整個系統(tǒng)的不同灌溉單元精確控制打開和關(guān)閉的時間,并確保整個地區(qū)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(shè)定好的程序下自動運行，大大節(jié)省了人力的開支。（3）節(jié)水性：體現(xiàn)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商丘學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計Error! No text of specified style in document.10費。（4）便利性：田間操作控制器將管理一定區(qū)域下的灌水操作系統(tǒng)，只需進行幾個簡單的編程或是啟動一鍵開啟操作系統(tǒng)就可以完成這個區(qū)域的日常灌水任務(wù)。（5）安全性：自動控制系統(tǒng)，所有管路設(shè)施以及控制設(shè)施全部安裝隱蔽在地下。4.2 控制流程圖設(shè)計根據(jù)控制要求設(shè)計控制流程圖如圖 4.1 所示。Y主程序6:00-6:3023:00-23:30PLC初始化自動灌溉一號電磁閥斷開一號電機停止水位≤S2一號電磁閥開啟一號電機啟動水位≥S1每隔一天23:00-23:10三號電磁閥斷開三號電磁閥開啟三號電機停止二號電磁閥開啟二號電機啟動二號電磁閥斷開二號電機停止三號電機啟動YYYNNN圖 4.1 自動灌溉系統(tǒng)控制流程圖4.3 梯形圖程序設(shè)計根據(jù)控制流程圖設(shè)計梯形圖程序如附錄 A 所示。4.3.1 A 類水生植物梯形圖程序設(shè)計（1）A 類植物灌溉控制流程圖設(shè)計A 類植物灌溉控制流程圖如圖 4.2 所示。商丘學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計Error! No text of specified style in document.11主程序PLC初始化水位≤S2自動灌溉一號電磁閥開啟一號電機啟動水位≥S1一號電磁閥斷開一號電機停止NYN Y圖 4.2 A 類植物灌溉控制流程圖（2）A 類植物灌溉梯形圖程序設(shè)計根據(jù)如圖 4.2 所示的 A 類植物灌溉控制流程圖設(shè)計梯 形圖程序如圖 4.3 所示。當(dāng) PLC控制系統(tǒng)接收到啟動信息后將開啟自動灌溉系統(tǒng)，自動灌溉系統(tǒng)對水位進行檢測，當(dāng)水位低于預(yù)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(yù)期值時，此信息將被反饋到自動灌溉系統(tǒng)，此時將關(guān)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(tǒng)檢測到水位大于預(yù)期值時一號電磁閥和一號電機不會啟動。A 類水生植物梯形圖：當(dāng) X002 處于“1 ”狀態(tài)時程序下行到位后，Y002 和 M100 也都處于“1”的狀態(tài)。此時，T250 在短時間內(nèi)“0-1-0”的狀態(tài)變化。此時 Y001 處于“1”的狀態(tài)。商丘學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計Error! No text of specified style in document.12圖 4.3 A 類植物灌溉梯形圖4.3.2 B 類植物梯形圖程序設(shè)計（1）B 類植物灌溉控制流程圖設(shè)計B 類植物灌溉控制流程圖如圖 4.4 所示。①當(dāng)時鐘到達 23:00 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(dāng)時鐘到達 23:30 分時，二號電磁閥斷開，二號電機停止。②當(dāng)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(dāng)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(shè)計根據(jù)如圖 4.4 所示的 B 類植物灌溉控制流程圖設(shè)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，梯形圖如圖 4.4 所示。當(dāng) M8002 處于“1”的狀態(tài)時， D100、D101、D102、D110 、D111 、D112 也都處于“1”的狀態(tài)。當(dāng) M8000 處于“1”的狀態(tài)， D120 也處于“1” 狀態(tài)。當(dāng) M103 處于“1”的狀態(tài)時，下行到位后，Y003 處于“1”的狀態(tài)。此時，M100 也處于“1”的狀態(tài)，同時 T250 將經(jīng)過“0-1-0”狀態(tài)的變化，程序結(jié)束。4.3.3 C 類水生植物梯形圖程序設(shè)計（1）C 類植物灌溉控制流程圖設(shè)計商丘學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計Error! No text of specified style in document.13C 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 23:10 時，三號電磁閥自動斷開，三號電機停止工作，系統(tǒng)停止灌溉。如果在其他時間短內(nèi)三號電磁閥處于斷開狀態(tài)，三號電機處于斷電，系統(tǒng)不工作。（2）C 類植物灌溉梯形圖程序設(shè)計C 類植物灌溉梯形圖如圖 4.6 所示。①當(dāng) M8002 處于“1”的狀態(tài)時， D30、D31、D32、C0、C1、C2、C3 也會由“0”狀態(tài)變?yōu)椤?”狀態(tài)，如果 M109 處于“1”的狀態(tài)時，M111 和 Y004 將會由“0”變?yōu)椤?”的狀態(tài)。②當(dāng) M109 處于“1”狀態(tài)時，下行到位后， M112 也將處于“1”的狀態(tài),此時 C2 也將變?yōu)椤?”狀態(tài),當(dāng) Y004 處于“1”狀態(tài)，下行到位后，M100 變?yōu)椤?” 狀態(tài)，而 T250 的狀態(tài)會發(fā)生由“0-1-0”的變化。此時結(jié)束。圖 4.4 B 類植物灌溉控制流程圖商丘學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計Error! No text of specified style in document.14圖 4.5 B 類植物灌溉梯形圖（23:00-23:30 ）三號電機啟動三號電機停止YN圖 4.6 C 類植物灌溉控制流程圖開始初始化每隔一天23:00-23:10三號電磁閥斷開三號電磁閥開啟商丘學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計Error! No text of specified style in document.15圖 4.7 C 類植物灌溉梯形圖商丘學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計Error! No text of specified style in document.165 PLC 控制系統(tǒng)的調(diào)試與程序的仿真由于 PLC 裝置生產(chǎn)的特殊性，PLC 是專門為符合工業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境而專門設(shè)計的控制裝置系統(tǒng)，因此非特殊情況無需采取什么特別措施，就可以在工業(yè)環(huán)境中直接使用。但是如果環(huán)境情況過于惡劣、電磁波干擾強烈，或者在設(shè)備安裝和使用的過程中行為不當(dāng)，都將不能保證 PLC 安全、可靠、正常的運行。因此，在實際設(shè)計中討論 PLC 設(shè)計的調(diào)試部分就有著十分重大的意義。本設(shè)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GX Simulator 仿真軟件。5.1 PLC 控制系統(tǒng)的安裝與布線（1）輸入接線①輸入接線一般不要超過 30m。但如果環(huán)境干擾較小的情況下，電壓下降不多時，可以適當(dāng)?shù)募哟筝斎虢泳€的長度。 ②輸入、輸出線不能用同一根電纜，輸入、輸出線要分開。 ③利用普通二極管恰當(dāng)?shù)拇釉?PLC 輸入回路的過程中，能有效的防止信號干擾，使得 PLC 輸入信號的強度大大增強。（2）電源接線PLC 供電電源為 50Hz、220V?10%的交流電。由于本設(shè)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(tǒng)接地的目的一般情況下有兩個，第一是以安全為重，第二是為了抑制干擾。設(shè)計合理的接地系統(tǒng)是 PLC 控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要方法之一。使系統(tǒng)完善接地的方式有三種，一是浮地方式，二是直接接地方式，三是電容接地方式。對 PLC 可控系統(tǒng)而言，完善的接地方式屬于高速運行低電平控制的裝置，應(yīng)采用直接接地的方式。良好的接地方式是保證 PLC 可靠、有效運行的重要條件，同時可以減少特殊時候發(fā)生的電壓沖擊的危害。所以我們必須給可編程控制器接上專用的接地線。5.2 程序的仿真輸入系統(tǒng)梯形圖，轉(zhuǎn)換并點擊開始模擬，通過強制更改原件當(dāng)前值，可是看出系統(tǒng)按照模擬可以實現(xiàn) A、B、C 類植物的灌溉要求，電機按照要求實現(xiàn)了 Y-△啟動。實驗結(jié)果如下：當(dāng) A 類水生植物的水位沒有高于最小值時，下液位的開關(guān) S2 將閉合，開關(guān)量的信號源輸入到 PLC 來控制水泵電機，使其接通電源。當(dāng)水位不低于于最大值時，商丘學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計Error! No text of specified style in document.17上液位開關(guān) S1 則關(guān)閉，此時開關(guān)將輸入信號到 PLC 來控制水泵斷電。圖 5.1 A 類灌溉時序圖B 類植物通過 PLC 的實時鐘來實現(xiàn)灌溉系統(tǒng)在時間段的啟動和斷開?？刂崎_關(guān)的時間可根據(jù)實際情況進行重新設(shè)定和編程調(diào)整，B 類植物定時灌溉的時間要求為：6:00-6:30，23:00-23:30 打開噴灌系統(tǒng)。B 類植物灌時序圖如圖 5.2、圖 5.3 所示。商丘學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計Error! No text of specified style in document.18圖 5.2 B 類灌溉時序圖（6:00-6:30 ）圖 5.3 B 類灌溉時序圖（23:00-23:30 ）C 類植物通過 PLC 的實時鐘來實現(xiàn)灌溉控制系統(tǒng)在時間段的啟動或斷開，時間可根據(jù)實際情況進行調(diào)整。C 類植物需要每隔一天的晚上 23:10 灌溉一次，每次 10 分鐘。C類植物灌溉時序圖如圖 5.4 所示。商丘學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計Error! No text of specified style in document.19圖 5.4 C 類灌溉時序圖6 結(jié)論根據(jù)現(xiàn)今社會經(jīng)濟的發(fā)展和我們農(nóng)業(yè)現(xiàn)在發(fā)展的速度和狀態(tài)，中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展和改造已經(jīng)是勢在必行，而且有國家政策的大力扶植，創(chuàng)建新農(nóng)村重要舉措的實施，也為我國農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展建設(shè)提供了良好的發(fā)展時機。而在我國的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的建設(shè)中最重要的任務(wù)之一就是進行農(nóng)村水渠灌溉系統(tǒng)的現(xiàn)代化改造工程。該論文首先分析了自動灌溉裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理，從而確定了控制要求，然后進行了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。其中硬件設(shè)計主要包括 PLC 選型、I/O 分配表和 I/O 外部接線圖，軟件設(shè)計包括了控制流程圖設(shè)計和梯形圖程序設(shè)計?？偨Y(jié)歸納以后得出本論文的主要研究工作和成績有以下幾點：（1）翻閱、搜集了一些相關(guān)的中、外書籍以及一些文獻資料，結(jié)合本專業(yè)所學(xué)的專業(yè)知識，結(jié)合現(xiàn)實中水利灌溉環(huán)境的特點，利用 PLC 控制技術(shù)，設(shè)計了灌溉自動控制系統(tǒng)。（2）對系統(tǒng)難點之一定時灌溉進行了研究。針對傳感信息采取，本文采用液位開關(guān)，簡化系統(tǒng)，同時也減少系統(tǒng)的反應(yīng)時間?？朔藗鹘y(tǒng)方式中，灌溉費時、費力難度大的難題，實現(xiàn)了真正意義上的自動灌溉。商丘學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計Error! No text of specified style in document.20參考文獻[1] 張兵．智能化節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D ]．鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2003:21-22．[2] 常斗南，李全利，張學(xué)武．可編程序控制器原理·應(yīng)用·試驗[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2002：65-66．[3] 周暢.PLC 在苗圃節(jié)水灌溉中的應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2006(12):322-328.[4] 李勝多.基于組態(tài)技術(shù)和 PLC 的節(jié)水灌溉控制技術(shù) [J].農(nóng)機化研究，2010,32(10):127-130.[5] 付立思，陳春玲，金莉.利用 PLC 實現(xiàn)節(jié)水灌溉集散控制的研究 [J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003,19(z1):43-49.[6] 解建軍.PLC 技術(shù)在節(jié)水灌溉工程設(shè)計中的應(yīng)用 [J].陜西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007(4):73-81.[7] 向巍.基于 PLC 的茶苗苗圃微噴灌自動化控制系統(tǒng) [J]．中國西部科技，2010，09(28):77-82.[8] 陶宇君.PLC 在變頻恒壓供水技術(shù)中的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計算機，2003,16(11):32-38.[9] 鄢光輝.人機界面、PLC 和變頻器在灌溉節(jié)水中的應(yīng)用 [J].電工技術(shù)，2006(5)：87-93.[10] Christine Hennig，Klaus Kneupner，David Kinna. Connecting programmable logic controllers (PLC) to control and data acquisition a comparison of the JET and Wendelstein 7-X approach[J]. 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