自动喷灌系统组态设计说明书

唐 山 学 院

毕 业 设 计

设计题目： 农作物喷灌控制系统设计

系 别： 机电工程系 班 级： 07测控技术与仪器(2)班 姓 名： 李 娟 指 导 教 师： 杨旭东

2011年

6月

1 日

农作物喷灌控制系统设计

摘 要

本论文首先对我国农业用水情况进行了分析，介绍了农作物喷灌控制系统的现状。本设计中利用三菱FX2N系列的PLC作为控制设备,用其自带的PID功能指令通过变频调速实现系统对农作物喷灌的自动控制，该系统可在无人或半无人干预下自动运行。该系统将大大提提高水资源的利用率，节省大量人力物力,并为我国实现农业现代化地发展做贡献。

喷灌系统中，灌区用水量是变化的，用水量变化时会引起喷头工作不稳定，喷灌效果会受到很大影响。本系统结合工程实例，采用变频器控制水泵电机转速，实现了恒压供水，大大提高了喷灌效果。论文中详细论述了变频调速恒压供水系统原理,对系统的主电路设计、硬件选择和软件设计进行了详细阐述。本系统可通过组态软件控制参数的设定、数据处理、实时监测、报警等任务,自动化程度很高。

本文中介绍了电动机调速技术的发展和现状，对喷灌系统的电机交流变频调速系统的方案进行了论证。其次，介绍了交流异步电动机的变频调速原理和电压正弦脉宽调制波(SPWM)的微机算法。再次介绍了PLC的基本组成和各部分的作用及PLC的工作原理。最后，介绍了系统的工作流程、系统的电气结构，硬件配置和软件实现。应用表明,系统实现简单,操作方便,运行稳定、可靠,且具有较好的节能效果。

关键词：PLC PID 恒压供水 自动喷灌 组态软件

The Design of Control System for

the Farm Crop Irrigation

Abstract

At first, the present situation of the auto control of the farm crop irrigation was analyzed in this paper. The FX2N PLC of Mitsubishi was used as the control equipment of this new system and at the same time,PID function of its own to carry out the auto control of the farm crop irrigation. The utilization rate of water resources by the control system of the farm crop irrigation according to the PLC was enhanced and the design contributes to carry out the mode.

In view of the instability of the Sprinkler Irrigation System affected by the water requirement within the operation area,combined with engineering example,a water supply system with constant pressure through applying PLC and transducer in greenhouse is proposed in this paper.The schematic diagram of the frequency control,including the design of main circuit and software for the system is presented.The system,which is composed of host computer,PLC,transducer,pressure transmitter,and motor-pump system.

Firstly, this design not only introduces the development and current situation of electromotor regulating technology, but also discusses the schemes of the indirect Current Frequency Control regulation system of the Mercering machine. Secondly the frequency conversion principles of frequency control asynchronous electronic machine and the microcomputer algorithm of Sine Pulse Width Modulation (SPWM) are included. Thirdly this design introduces the basic composition and function of different Programmable Logic Controller (PLC) and the operation principle of PLC is added. Finally, the manufacturing flow of the system, the electric structure of the system, hardware collocation and software actualization are introduced.

Key words: PLC;PID; water supply with constant pressure; Automatic irrigation;

Configuration software

目录

1引言 ................................................................ 1

1.1课题背景 ....................................................... 1 1.2我国农业灌溉情况 ............................................... 1 1.3论文的研究的目的与内容 ......................................... 2

1.3.1研究目的 ................................................. 3 1.3.2研究内容 ................................................. 3

2喷灌过程变频调速恒压供水系统总体方案 ................................ 4

2.1电机调速系统方案的论证 ......................................... 4

2.1.1直流调速系统所存在的问题 ................................. 4 2.1.2交流调速系统的发展和现状及优点 ........................... 4 2.1.3基于PLC的交流变频调速系统 ............................... 6 2.2 变频恒压供水喷灌系统基本构成 .................................. 6 2.3系统的总体方案 ................................................. 7 3硬件设计 ............................................................ 9

3.1变频器的选择 .................................................. 11

3.1.1变频器的功能与构成 ...................................... 11 3.1.2变频器的型号选择 ........................................ 12 3.1.3变频器制动电阻参数的计算 ................................ 14 3.2 PLC的选择 .................................................... 14 3.3水泵机组的选择 ................................................ 15 3.4传感器的选择 .................................................. 15 3.5其它元器件的选择 .............................................. 17 4软件设计 ........................................................... 20

4.1 变频恒压供水系统原理及控制流程 ............................... 20 4.2 PID调节 ..................................................... 21 4.2.1 PID控制的原理和特点 ........................................ 21 4.2.2 PID控制器的参数整定 ....................................... 23 4.3变频器的参数设置 .............................................. 23 4.4 PLC程序设计 .................................................. 24

4.4.1 PLC的程序结构 ......................................... 24 4.4.2 PLC控制系统I/O点分配 .................................. 25 4.4.3梯形图设计 .............................................. 27

5.系统人机界面设计 ................................................... 38

5.1组态软件 ...................................................... 38 5.2喷灌系统人机界面的设计 ........................................ 38 6结论 ............................................................... 42 谢辞 ................................................................. 43 参考文献 ............................................................. 44 外文资料 ............................................................. 45

唐 山 学 院 毕 业 设 计

交流变频调速控制的优点主要有[3]:

(1)交流变频调速使用的是异步电动机，比同容量的直流电动机具有体积小、占空间小，结构简单，维护方便、可靠性高、价格低等优点。

(2)变频调速电源使用了先进的SPWM技术，电机运行质量和性能得到显著提高，动态性能得到很大改善、调速范围大大加宽、控制精度也得到显著提高，噪声小、性能好、操作方便快捷，己逐渐取代直流电机调速。

(3)明显改善了电动机供电电源的质量，减少了谐波，提高了效率和功率因数，节能明显。

(4)容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。

(5)容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。

(6)电机在带动较大负载启动时，会有较大的冲击电流，采用变频时，可以实现软启动，减小冲击电流，解决大负载的启动问题。

(7)电源功率因素高，所需容量小，对电网的公害小。

(8)具有完善的保护功能:变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别(如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等)，并立即封锁输出电压。这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏[3]。

2.1.3基于PLC的交流变频调速系统

变频调速节能技术是一项集现代电力电子技术和计算机技术于一体的高效节能技术。自20 世纪80 年代投入应用以来, 显示出强劲的竞争力, 应用领域也在迅速扩展。变频器调速经历了多段速度控制、模拟量给定控制和专用控制器几个发展阶段。新一代的变频恒压供水装置利用人机界面作为控制器, 通过RS485 通讯口, 完成了PLC 及专用控制器的功能, 做到系统可靠, 功能先进、完备, 外围器件少, 维护方便。当前, 水资源紧缺是制约我国经济发展的重要因素, 节水节能是我国社会经济持续发展的基本国策。变频恒压喷灌技术既充分发挥了灌溉效益, 又节约能耗, 是一项具有重要经济意义的技术措施, 其节水节能技术具有强大的生命力。

2.2 变频恒压供水喷灌系统基本构成

如图2-1所示为恒压供水泵站的构成示意图，压力传感器用于检测灌区管网中的水压，安装在灌区入口。当用水量大时水压降低，用水量小时，水压升高。水压传感器将水压的变化转换为电流或电压的变化送给PLC。

6

唐 山 学 院 毕 业 设 计

补水泵 M1 电动机 压力传感器

电源 SP 变频器 电动机 M2 P1 1#泵 PLC 储水池 电动机 灌 区

M3 2#泵

图2-1变频恒压供水泵站构成示意图

PLC在恒压供水泵站中起到的作用：①实现水压的给定值与反馈值的综合与调节工作，实现PID调节。一只传统的调节器往往只能实现一路PID设置，用PLC做调节器可同时实现多路PID设置。②控制水泵的运行与切换。为了使水泵均匀的磨损，水泵和电动机设置为轮换工作。在本系统中，用一台变频器控制两个水泵，与变频器相连的水泵（变频泵）是轮流工作的。变频泵在运行且达到最高频率时，增加一台工频泵投入运行，PLC则是泵组管理的执行设备。③变频器的驱动控制。恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式，这需采用PLC的模拟量扩展模块，水压传感器送来的模拟信号输入到模拟量模块的模拟量输入端，而输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID处理后得出的模拟量控制信号，并以此信号的变化改变变频器的输出频率。

2.3系统的总体方案

可编程序控制器的电源接通时，PLC 启动，选择操作方式是手动还是自动;如果选择手动，可通过控制柜上的可操作按钮，手动控制喷灌系统的运行；如果选择自动，则喷灌控制系统按照预先编制好的程序顺序工作。系统初始化后，将土壤温度、湿度上下限设定值输入到PLC，土壤湿度传感器将采集到的湿度信号传送给A/D 转换模块FX2N－4AD，将模拟量转换成数字量，然后将数字信息传给PLC; 利用湿度传感器采集到的“湿度值”与设定值进行比较，计算是否需要打开灌区电磁阀，

7

唐 山 学 院 毕 业 设 计

启动水泵对农作物进行喷灌[2]。若需要则进行正常喷灌，这一过程是通过控制水泵的输出来完成的; 否则进行湿度报警，并停止水泵的运行[2]。在喷灌过程当中，土壤温度也应当进行实时检测，若温度高于30℃则温度报警并停止对农作物持续进行喷灌，否则继续检测温度是否低于0℃，此时立即停止喷灌; 反之，系统按照程序正常运行。天气变化也应检测，若发生降雨则停止喷灌; 反之，系统也按照程序正常运行。在电机停止运行即不允许喷灌时，PLC 将进入下一个工作周期，利用采集到的“湿度值”与设定值进行比较，判断是否需要给农作物进行喷灌，直到PLC 断电停机( 由RUN 状态到STOP 状态) 。

温度湿度传感器

图2-2 控制系统框图

各开关触点

人机界面

PLC

系统中

各个 电机

各个区域

电磁阀

PLC 控制是一种常用的变频控制方式。在该方式中, 变频器为电机提供可变频率的电源, 实现对电机的无级调速。网管水压通过传感器来检测, 压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值; 将压力设定信号和压力反馈信号输入PLC, 经PLC 内部PID 控制程序计算后, 将转速控制信号输出给变频器, 改变电机的输入频率, 调整水泵的转速, 实现对水泵性能的调节. 系统采用压力传感器、PLC 和变频器作为中心控制装置, 实现对水泵性能的调节。安装在管网干线上的压力传感器用于检测管网的水压值, 将压力转化为4～20 mA 的电流信号,提供给PLC 与变频器。变频器按照水压恒定的要求, 将0～50 Hz 的频率信号供给水泵电机, 调整其转速。PID 将压力传感器电流信号和变频器输出频率信号转化为数字量, 提供给PLC, 与恒压系统要求对应的电流值、频率上限及下限进行比较, 实现泵的切换与转速的变化。

8

唐 山 学 院 毕 业 设 计

在本系统中，1#泵和2#泵的电机采用一台变频器来进行频率的调节控制。采用PLC输出的模拟量信号作为变频器的控制端输入信号。变频调速器对电机的控制具有完善的自我保护和电机保护功能的完成。它通过接受PLC的信号控制电机转速大小。由于变频调速是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现的，故在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因此具有高效率、宽范围、高精度的调速性能。

开 始 Y Y 是否下雨 N Y 下雨报警 Y 温度低于0度 N 温度高于30度 N

输入设定值 输入采样值 高于设定值 启动水泵进行喷灌 结束 N

温度报警 Y 停机 图2-3 控制流程图

根据系统的工作流程设计系统的控制流程图如图2-3

在系统流程运行之前，首先进行初始化，通过开关元件及组态软件将设备运行参数送至PLC，检查是否下雨，若下雨则报警，不进行喷灌，并一直检测，若不下

9

唐 山 学 院 毕 业 设 计

雨继续监测温度是否在适宜喷灌的范围内，若不在则进行温度报警，并一直检测直到温度适宜再进行下一项。设定最适宜农作物生长的湿度，将检测到的湿度值与设定值进行比较，若测得的湿度值小于设定值则打开灌区电磁阀，驱动水泵上水，进行喷灌，直到测得的湿度值等于设定值停止喷灌并进行湿度报警。

10

唐 山 学 院 毕 业 设 计

3硬件设计

3.1变频器的选择

3.1.1变频器的功能与构成

变频器实现的功能： (1)节能的应用

利用变频器实现调速节能运行，是变频器应用的一个最典型的优点，也成为节约能源的有效措施。其中以风机和泵类机械的节能效果最显著。

(2)提高生产效率

提高生产效率是变频器传动的重要目的： ①保证加工工艺中的最佳转速 ②适应负载不同工况的最佳转速

提升机、传送带、货物搬运车的最恰当运行速度的确定，往往遇到快速搬运和准确停车之间的矛盾。可采用两段(或多断)速度运行。高速运行可以缩短搬运时间，低速运行速度虽慢但有利于提高定位停车的精度。

③原有设备的增速运转

各类搬运机械、金属加工机械等的运行速度往往直接关系到产品的质量。原来不调速的机械设备常由主机和传动机构两部分组成，原动机则多数采用异步电动机。其运行速度被异步电动机的额定速度所限制。如果机械设备的工作情况总是保持使异步电动机工作在额定状态下，则保持着最大的生产能力。但实际上不可能如此，因为生产机械的轻载运行使很常见的一种工况，这时，采用变频器传动，适当的提高转速(超过电网频率)，则很容易提高生产率。

④高精度准确停车

提升机和自动仓库等在生产过程中间歇时间的缩短，对提高生产效率起到了很大的作用。在预定位置的准确停车，对减小间歇时间来说是十分必要的。

(3)提高产品质量

生产中引入变频器传动，可使机械、装置性能提高，而装置、机械性能的提高又使生产过程中的产品质量提高。适应生产工艺的多方面要求质量的例子很多，变频器可以通过提供：加工对象的最佳速度；平滑的加/减速;高精度的转矩控制来提高装置性能和产品质量。

(4)设备的合理化

高性能的调速系统实现交流化，逐步取代直流电动机，以克服直流电动机电刷、换向器难于维护的困难。另一方面，则是充分利用通用变频器的功能，改造传统的

11

唐 山 学 院 毕 业 设 计

恒速运行的异步电动机传动的生产机械，使一大部分生产机械的功能得以“升级”。

(5)适应和改善环境

对环境的适应性强，并且对环境引起的危害小，是变频传动的又一个特点。变频器可用于某些有爆炸危险性的气体和可燃性溶剂的生产设备，也可用于有腐蚀性气体的场合，户外、极度潮湿的场合或者水中电动机的调速传动[11]。

变频器的基本原理见图3-1

AC 整流器 DC 储能元件 控制回路 逆变器 AC M 3~ 电压、电流、频率

图3-1变频器基本原理图

变频器由整流、滤波、逆变及控制回路等部分组成。交流电源经整流、滤波后变成直流电源，控制回路有规则地控制逆变器的导通与截止，使之向异步电动机输出电压和频率可变的电源，驱动电动机运行。

(1)整流器

一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是把工频电源变换为直流电源，供给逆变电路和控制电路所需。整流电路按其控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流电流源。

(2)滤波电路

在整流器整流后的直流电压中，含有六倍电源频率的脉动电压，此外，逆变器回路产生的脉动电流也使直流电压波动。为了抑制这些电压波动，采用直流电抗器和电容器吸收脉动电压(电流)。

(3)逆变器

逆变器是变频器的主要部分之一。它是利用六个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的主开关元器件的通与断，得到任意频率的三相交流电输出。它的主要作用是在控制电路的控制下，将整流电路输出的直流电源转换为频率和电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。

3.1.2变频器的型号选择

随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速己应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速在喷灌系统中也得到了广泛应用。

12

唐 山 学 院 毕 业 设 计

本设计选用转为风机、泵用负载设计的普通功能性U/F控制方式的FR-740-15K-CH三菱变频器。变频器内置PID控制模块，可用于闭环控制系统，实现恒压喷灌。

FR-740-15K-CH变频器的特点如下:

①该变频器是基于现代控制理论的磁通观测器、神经元控制，直接控制转矩，真正的电流矢量控制达到高精度转矩控制

速度控制范围:1:1000(1:100不带PG)。 速度控制精度:土0.02%(士0.2%不带PG)。 起动转矩:150%/r/min(150%/1Hz不带PG)。 ②操作设置简单

③多种控制功能以满足各种机械需要。

④应用软件更加丰富，适用于各种系统，易于维护。 ⑤完善的保护功能

FR-740-15K-CH变频器具有电机保护、变频器过载、瞬间过电流、电压下降、过电压、输入缺相等保护功能。

(3)容量选择

常规设计的交流电动机，通常都是在额定频率、额定电压下工作的。此时，轴上输出转矩、输出功率都可以达到额定值。在变频调速的情况下，供电频率是变化的，电机的实际输出也会变化。由于变频器有一定的通用性，因此在与不同拖动场合的电机配合时，必须合理选择容量。对于现场己使用或己选定的电动机，需要选配相应的变频器[3]。

在一台变频器驱动一台电机的情况下，变频器的容量选择要保证变频器的额定电流大于该电动机的额定电流，或者是变频器所适配的电动机功率大于当前该电动机的功率[3]。

按连续恒负载运转时所需的变频器容量(KVA)的计算式计算[3]:

kPPCN≥M (3-1)

ηcosφPk3UMIM×103 (3-2) CN≥ICN≥kIM (3-3)

式中:PM——负载所要求的电动机的轴输出功率；

η——电动机的效率(通常约0.85)；

cosφ——电动机的功卒因数(通常约0.75)； UM——电动机电压(V)；

13

唐 山 学 院 毕 业 设 计

IM——电动机电流(A)，工频电源时的电流；

k——电流波形的修正系数，对PWM方式，取 k=1.05； PCN——变频器的额定容量(KVA)； ICN——变频器的额定电流(A)。

这三个式子是统一的，选择变频器容量时，应同时满足三个算式的关系，尤其变频器电流是一个较关键的量[3]。

考虑到电机性能上的差异及机械负载的不同，变频器容量应是电机容量的1-2倍。另外，也可根据生产机械所需的实际转矩与稳定运行时的转速，求其乘积，得到所需电机的轴上功率，据此确定变频器容量。

3.1.3变频器制动电阻参数的计算

由于丝光机传动装置运行过程中惯性较大，所以变频调速装置应具有制动功能。带有逆变功能的变频调速装置通过逆变器虽然能够将再生能量回馈电网，但成本太高。采用能耗制动方式通过制动单元将再生能量消耗在制动电阻上，成本较低而且具有良好的使用效果。能耗制动电阻Rz的大小应使制动电流Iz的值不超过变频器额定电流的一半，即

Iz=Uo/Rz ≤In (3-4)

其中Uo为额定情况下变频器的直流母线电压。由于制动电阻的工作不是连续长期工作，因此其功率可以大大小于通电时消耗的功率。

3.2 PLC的选择

PLC(可编程序控制器)是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其相关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

PLC的工作原理是用户程序的执行不是从头到尾只执行一遍，而是执行完一遍之后，又返回去执行第二遍、第三遍??直到停机。如果程序的每一条指令执行的足够快，整个程序的长度有限，使得每执行一次程序占用的时间足够短，这个时间短到足以保证变量条件不变。那么即使在前一次执行程序时对某一变量的状态没有捕捉到，也能保证在第二次执行程序时该条件依然存在。

FX2N系列是三菱PLC是FX家族中最先进的系列。具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。本设计选用FX2N-48MR。

14

唐 山 学 院 毕 业 设 计

3.3水泵机组的选择

根据系统要求的总流量范围、扬程大小，确定供水系统设计小时流量和设计供水压力（水泵扬程），考虑到用水量类型为连续性低流量变化性，确定采用两台主水泵（离心泵）机组和一台补水泵（深井泵）机组，

表3-1水泵机组参数

电机功

水泵

率(/kW)

补水泵

55

数量(台)

转速(r/min)

型号 流量 扬程

1台

250QJ80-14

0/7 IS100-80-1

60

80 65 100 125

140 35 32 28

主水泵 15 2台 2900

3.4传感器的选择

(1)液位传感器的选用

本设计中选用静压投入式液位传感器

静压投入式液位传感器（液位计）适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便。4～20mA、 0～5v、 0～10mA等标准信号输出方式由用户根据需要任选。

利用流体静力学原理测量液位，是压力传感器的一项重要应用。采用特种的中间带有通气导管的电缆及专门的密封技术，既保证了传感器的水密性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。 是针对化工工业中强腐蚀性的酸性液体而特制，壳体采用聚四氟乙烯材料制成，采用特种氟胶电缆及专门的密封技术进行电气连接，既保证了传感器的水密性、耐腐蚀性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。

工作原理：用静压测量原理：当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为：Ρ = ρ .g.H + Po式中：

P ：变送器迎液面所受压力 ρ：被测液体密度 g ：当地重力加速度 Po ：液面上大气压 H ：变送器投入液体的深度

15

唐 山 学 院 毕 业 设 计

同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压 Po 与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的 Po ， 使传感器测得压力为：ρ .g.H ，显然 , 通过测取压力 P ，可以得到液位深度。

功能特点：

◆稳定性好，满度、零位长期稳定性可达 0.１%FS/ 年。在补偿温度 0 ～ 70 ℃范围内，温度飘移低于 0.１%FS ，在整个允许工作温度范围内低于 0.３%FS 。

◆具有反向保护、限流保护电路，在安装时正负极接反不会损坏变送器，异常时送器会自动限流在 35MA 以内。

◆固态结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长。 ◆安装方便、结构简单、经济耐用。 主要技术参数：

工艺: 扩散硅 陶瓷电容 蓝宝石 电容任选。分体式一体式可选，量程：0---0.5---200米，输出：4---20mA (2线制)供电：7.5---36VDC 推荐24VDCCBM-2100/CBM-2700 投入式静压液位计可靠防腐并带有陶瓷测量单元的探头，用于净水、污水及盐水的物位测量。

(2)压力变送器及数显仪的选用

选用普通压力表Y-100和XMT-1270来实现压力的检测、显示和变送。压力表的测量范围位0-1MPa，精度为1.5；数显仪输出一路4-20mA的电流信号，送给变频器作为PID调节的反馈电信号，可设定压力的上限和下限，通过两路继电器控制输出压力超限信号。该压力变送器的供电电源使用本文中选的PLC内置电源。

表3-2 FX2N-4AD的性能

项目 模拟量输入范围

数字输出 总体精度 转换精度 分辨率

电流输入

四路模拟量输入，四路模拟量输出 DC-20mA到20mA(输入阻抗为250Ω) 12位的转换结果以16位二进制补码方式存储

最大值：2047 最小值：-2048 ±1%（对于-20mA到20mA范围） 15ms/通道（通常），6ms/通道（高速） 20μA（20mA默认范围：1/1000）

(3)土壤湿度传感器的选用

土壤湿度传感器主要用来测量土壤容积含水量，做土壤墒情监测及农业灌溉和林业防护 ，选用FDR型。

16

唐 山 学 院 毕 业 设 计

它利用电磁脉冲原理、根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数(ε)，从而得到土壤容积含水量(θv)，FDR具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点。是一种值得推荐的土壤水分测定仪器。

技术参数： 单 位：%( m3/m3) 量 程：0～100% 探针长度：5.3cm 探针直径：3mm 探针材料：不锈钢 密封材料：环氧树脂 测量精度：±3%

工作温度范围：-40℃～85℃ 工作电压：5～12V

工作电流：21～26mA，典型值21mA 测量主频：100Mhz 输出信号：0～1.875V DC 测量稳定时间：2秒 响应时间：＜1秒

测量区域：以中央探针为中心，围绕中央探针的直径为7cm、高为7cm的圆柱体

电缆长度：1.5米 (标配)

功能及特点：本传感器体积小巧化设计，携带方便，安装、操作及维护简单。 结构设计合理，不绣钢探针保证使用寿命。外部以环氧树脂纯胶体封装，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蚀。土质影响较小，应用地区广泛。测量精度高，性能可靠，确保正常工作。 响应速度快，数据传输效率高。适用范围广泛应用于节水农业灌溉、温室大棚、花卉蔬菜、草地牧场、土壤速测、植物培养、科学试验等场领域。

3.5其它元器件的选择

(1)按钮的选用

按钮通常是用来短时接通或断开小电流的控制电路的开关。目前按钮在结构上是多种形式的：旋钮式用手扭动旋转进行操作；指示灯式按钮内可装入信号显示信号；紧急式装入蘑菇形钮帽，以示紧急操作。

本设计采用型号为LA系列的按钮，通过按钮控制设备的运行。

17

唐 山 学 院 毕 业 设 计

(2)组合开关的选用

组合开关主要是根据电源引入开关，所以也称电源隔离开关。它也可以起停5KW以下的异步电动机，但每小时的接通次数不宜超过10-20次开关的额定电流一般取电动机额定电流的1.5～2.5倍。

组合开关主要根据电源种类、电压等级、所需触点数及电动机容量进行选用。常用组合开关为HZ-10系列，额定电流为10、25、60和100A四种。适用于交流380V以下，直流220V以下的电气设备中。

本设计采用型号为HZ-10-25/13的组合开关。 (3)热继电器的选用

热继电器用于电动机的过载保护。热继电器的选择主要是根据电动机的额定电流来确定其型号与规格。热继电器的额定电流IRT 应接近或略大于电动机的额定电流Ied即

IRT?(0.95~1.05)Ied (3-5) 热继电器的整定电流值是指热元件通过此值的20%时，热继电器应当在20min内动作，选用整定电流应于电动机额定电流一致。一般情况下，可选用两相结构的热继电器，但当三相电压的均衡性较差，工作环境恶劣或无人看管的电动机，宜选用三相结构的热继电器。对于三角形接线的电动机，应选用带断相保护装置的热继电器。常用的热继电器有JR1、JR2、JR0、JR16等系列[11]。

本系统选用JR1型号的热继电器，JR1系列热电器适用于交流50Hz、60Hz，额定电压至660V，额定电流0.2至65A的电路中，供交流电动机的过载与断相保护之用。

(4)接触器的选用

接触器用于带有负载主电路的自动接通或切断，分直流、交流两类。 选择接触器主要考虑以下技术数据：

1)电源种类：交流或直流。 2)主触点额定电压、额定电路。

3)辅助触点的种类、数量及触点额定电流。 4)电磁线圈的电源种类，频率继而额定电压。

5)额定操作频率(次/h)，即允许的每小时接通的最多次数。

接触器线圈电压一般从安全角度考虑，可以选低一些，但当控制线路简单，所用电器不多，为了节省变压器，可选380V、220V。电动机有笼型和绕线型电动机，其使用类别分别为AC-2，AC-3和AC-4，因此，对不同型式和使用类别的电动机用选用不同结构的接触器，如水泵、风机等需要选用直动式交流接触器。

本系统中采用CJ10-20直动式交流接触器。

18

唐 山 学 院 毕 业 设 计

(5)控制变压器的选用

当控制线路所用的电器较多，线路较为复杂时，一般需采用变压器降压的控制电源，提高线路的安全可靠性。控制变压器主要根据所需变压器的容量及一次侧、二次侧来选择。控制变压器可根据以下两种情况确定其容量：

根据控制线路最大工作负载所需的功率计算。一般可根据下列公式计算： PT ≥ KT ∑PX C (3-6) 式中PT―所需变压器容量(VA)；

KT―变压器容量储备系数，KT = 1.1～1.25；

∑PX C ―控制线路最大负载时工作的电器所需的总功率(VA)。

显然对于交流电器(交流接触器、交流中间继电器及交流电磁铁等)，PX C 应取吸特功率值。

②变压器的容量应满足已吸合的电器在又起动吸合另一些电器时仍能吸合，课依据下面公式计算：

P T ≥ 0.6∑PX C＋1.5∑PST (3-7) 式中∑PST ―同时起动的电器总吸特功率(VA)。

关于式中系数：变压器二次侧电压，由于电磁电器启动时负载电流的增加要下降，但一般在下降额定值的20%时，所有吸合电器不致释放，系数0.6就是从这一点而考虑的。式中第二项系数1.5为经验系数，它考虑到各种电器的起动功率换算到吸特功率，以及电磁电器在保证起动吸合的条件下，变压器的容量只是该器件起动功率的一部分等因素。

本系统中采用BK-150控制变压器。

19

唐 山 学 院 毕 业 设 计

4软件设计

4.1 变频恒压供水系统原理及控制流程

为达到良好的喷灌效果，采用自带PID调节功能的变频器调节水泵电机转速，

保证灌区管网压力恒定达到恒压喷灌的效果。

Ps ΔP 压力比较 控制算法 f 变频器 f 水泵机组 Pf Pf 压力检测表 图4.1 变频恒压供水系统原理图

从变频恒压供水系统原理图中可以看出, 在系统运行过程中, 如果实际供水压力Pf 低于设定压力PS, 控制系统将得到正的压力差 P, 这个差值经过计算和转换, 计算出变频器输出频率的增加值, 该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值, 将这个增量和变频器当前的输出值相加, 得出的值即为变频器当前应该输出的频率。该频率使水泵机组转速增大, 从而使实际供水压力提高, 在运行过程中该过程将被重复, 直到实际供水压力和设定压力相等为止。如果运行过程中实际供水压力高于设定压力, 情况刚好相反, 变频器的输出频率将会降低, 水泵机组的转速减小, 实际供水压力因此而减少。同样, 最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等[12]。

整个变频恒压供水控制系统要根据检测到的输入信号的状态、按照系统的控制流程、通过变频调速器和执行元件对水泵组进行控制实现恒压供水目的。如图2所示,其控制流程如下[12]: ①系统上电, 按照接受到有效的自控系统启动信号后, 首先启动变频器拖动1#水泵, 打开供水电动阀门, 通过恒压控制器, 根据管网实际压力和设定压力的误差调节变频器的输出频率, 控制1# 水泵的转速, 当输出压力达到设定值, 其供水量与用水量相平衡时,转速才稳定到某一定值, 这期间1#水泵工作在调速运行状态; ② 当用水量增加水压减小时, 通过压力闭环和恒压控制器, 增加水泵的转速到另一个新的稳定值, 反之, 当用水量减少水压增加时, 通过压力闭环和恒压控制器, 减小水泵的转速到另一个新的稳定值; ③ 当1#泵或DDF1电动阀故障时, PLC 给上位机报警信号, 值班调度将启动备用的2# 泵和DDF2电动阀,

20

唐 山 学 院 毕 业 设 计

同样通过压力闭环和恒压控制器控制水泵的转速将供水压力控制在设定值; ④当水池水量下降由液位计检测到设定的低水位时, PLC 系统将补水电动阀门打开, 给蓄水池补水, 当水位到设定的高水位时PLC 控制系统自动将关闭补水电动阀.

开始 N

N Y 实际压力=压力设定值? 启动运行 Y 报警信号有效 N 压力设定 Y 停泵和报警输出 满足喷灌条件 Y 进行喷灌 N N 实际压力>压力设定值? Y 降压措施

图4.2 变频恒压供水控制流程

4.2 PID调节

4.2.1 PID控制的原理和特点

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定 ，这时应用

21

唐 山 学 院 毕 业 设 计

PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

目标值 （设定值） +

- P 驱动部件 控制对象 反馈值 （测量值） I D 图4.3 模拟PID控制系统原理图

阶跃响应是指将一个阶跃输入加到系统上时，系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述[13]。

（1）比例（P）控制

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

（2）积分（I）控制

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

（3）微分（D）控制

22

唐 山 学 院 毕 业 设 计

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

4.2.2 PID控制器的参数整定

控制系统设计的核心内容是PID控制器的参数整定。根据控制过程的特性可以确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：

（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；

（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；

（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

比例积分微分调节器的简称。利用比例微分环节的领前作用来对消调节对象中的大惯性，提高精度，加快动态响应速度。

4.3变频器的参数设置

由于采用PLC作为逻辑控制部件，故变频器和PLC通讯时采用模拟量，由PLC的输出控制变频器的工作与否。而变频器的输入是PLC的模拟量输出模块的电压或电流。本设计使用FR-740-15K-CH三菱变频器，变频器内置PID控制模块，可用于

23

唐 山 学 院 毕 业 设 计

闭环控制系统，实现恒压喷灌，为了满足运行效率和安全性的要求，须设置合适的参数。

变频器的接线采用说明书上的标准接法，参数的设定基本上依照出厂设定，特殊参数见表4-1所示。

表4-1变频器特殊参数的设定

参数号 Pr.1

参数名 上限频率

设定值 50Hz

备注

用于限制变频器的最高输出频率，即使变频器失控，也不会超过此值。 用于限制变频器的最低输出频率，防止电机低速大电流超载运行。

用于设定变频器升降速时间的长短。

Pr.2 Pr.3 Pr.7 Pr.8 Pr.9 Pr.13 Pr.73 Pr.79 Pr.160

下限频率 基准频率 加速时间 减速时间 电子过电流保护 启动频率 电压信号 操作模式选择

读写控制

20Hz 50Hz 3.0s 3.0s 电动机的 额定电流 10Hz 1 2 0

用于保护电机 避免能量浪费

设定段子2-5间的频率设定为电压信号0-10V 选择外部运行 允许所有参数的读/写

4.4 PLC程序设计

4.4.1 PLC的程序结构

控制一个任务或过程，是通过在RUN方式下，使主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的，用户程序决定了一个控制系统的功能。

PLC的程序由三部分组成:用户程序、数据块和参数块。 (1)用户程序

用户程序在存储器空间中也称为组织块，它处于最高层次，可以管理其他块，它是用各种语言(LAD、STE或FBD等)编写的用户程序。用户程序一半包含三大部分即的一个主程序、若干子程序和若干中断程序。用户的程序结构比较简单。

用编程软件在计算机上编程时，利用编程软件的程序结构窗口双击主程序、子程序和中断程序的图标，即可进入各程序块的编程窗口。编译时编程软件自动对各

24

唐 山 学 院 毕 业 设 计

程序段进行连接。

(2)数据块

数据块主要存放控制程序运行所需的数据，在数据块中允许以下数据类型: 布尔型，表示编程元件的状态；十进制、二进制或十六进制数；字母、数字和字符型。

(3)参数块

参数块存放的是CPU组态数据，如果在编程软件或其他编程工具上未进行CPU的组态，则系统以默认值进行自动配置。

编程软件包使用三菱的GX Simulator6-C编程软件，它适用于三菱系列的PLC编程及调试。这种编程语言可运用于通用微机中，可以在Windows环境下进行编程。通过三菱的GX Simulator6-C编程软件可以模拟PLC运行环境在计算机中进行模拟运行和调试，给调试工作带来极大方便。

4.4.2 PLC控制系统I/O点分配

PLC常见的输入设备有按钮、开关、各种传感器等，输出设备有继电器、接触器、电磁阀、指示灯、报警器等。根据示意图和控制要求，将地址分配如表4-2、表4-3和表4-4：

表4-2 PLC模拟量的分配

变量类型

序号 1

模拟量 输入

2 3 4 5

模拟量 输出

1 2 3

变量地址 D500 D120 D160 D170 D180 D101 D102 D150

25

变量描述 水压设定值 PID参数单元 测得的实际压力值 测得温度平均值 测得当前湿度平均值

当前水压 电动机转速控制 PID调节输出控制

唐 山 学 院 毕 业 设 计

图4-7 PID参数设置及运算程序

图4-7为PID参数设置及运算程序。首先设置PID控制参数输入采样时间、动作方向、滤波常数、比例增益、积分时间、微分增益、微分时间。这些参数的设定直接影响系统的快速性及稳定性。在系统调试中，对系统测定后调节至合适值。然后进行PID运算。D500存放设定的压力值，D160存放测得的压力值，D120～D125存放设定的控制参数，D150存放执行PID运算后的结果。本系统中设置采样时间为30ms，动作方向为反方向即闭环控制系统为负反馈，滤波常数为10，比例增益为70，积分时间为10ms，微分增益为10。压力设定值为一个比值，它由选用的压力传感器和管道压力大小决定。其关系为：

压力目标值?管道允许压力?100%

压力表量程

31

唐 山 学 院 毕 业 设 计

图4-8 统计泵运行时间统计

图4-8程序用于统计泵运行时间。为了使水泵均匀的磨损，1#泵和2#泵轮换工作，自动运行时泵运行累计100小时轮换一次。

图4-9运行时间复位程序

对运行时间进行换算，将以秒为单位的时间换算为分钟，可以对运行时间进行复位，若使用手动模式，则停止计时，

图4-10 泵切换程序

统计的运行时间到达或者一个泵发生故障，则关闭此泵启动另一个水泵。 图4-10为水泵发生故障时的报警程序，若无水流则把污水流指示信息存入相应寄存器，延时3s， 若仍然无水流则进行故障报警。若两台泵同时发生故障，则对故障进行计数。

32

唐 山 学 院 毕 业 设 计

图4-11 水泵发生故障报警程序

发生报警后，引起操作人员注意，故障消除后，自动消除故障报警。

图4-12 消除故障报警程序

图4-13启动变频器程序

33

唐 山 学 院 毕 业 设 计

图4-13消除故障后1#泵或2#泵工作，延时一秒启动变频器。 以下为两泵工作状态切换程序：

图4-14两泵运行状态转换程序

图4-14中，变频器启动后打开灌区电磁阀，同时1#泵变频工作，延时五秒。五秒钟后比较压力传感器测得的压力值与设定的压力值。

图4-15两泵运行状态转换程序

图4-15变频器启动后打开灌区电磁阀，同时1#泵变频工作，延时五秒。五秒钟后比较压力传感器测得的压力值与设定的压力值。若测得值与设定值相等则一直由1#泵变频工作；若测得值小于设定值则1#泵进入工频状态，并开始计时，五秒后进行压力比较。

图4-16中5秒后进行压力比较，若压力传感器测得的压力值大于设定值则一号泵进入变频工作状态；若压力传感器测得的压力值等于设定值则一号泵始终工作在工频工作状态；若压力传感器测得的压力值小于设定值则一号泵工作在工频工作状态同时启动二号泵且二号泵工作在变频工作状态，启动定时器延时5秒；定时器计时5秒后进行压力比较，若压力传感器测得的压力值小于设定值则一号泵和二号泵都进入工频工作状态；若压力传感器测得的压力值等于设定值则一号泵始终工作在工频工作状态二号泵工作在变频工作状态；若压力传感器测得的压力值大于设定值则一号泵工作在工频工作状态同时关闭二号泵并启动定时器延时5秒；

34

唐 山 学 院 毕 业 设 计

图4-16两泵运行状态转换程序程序

图4-17两泵运行状态转换程序

35

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4m72.html