基于PLC的小区绿化灌溉系统设计

摘要小区绿化灌溉控制系统主要对小区绿化的四个灌溉区域进行智能灌溉控制按照土壤湿度传感器的反馈实际值和设定的上限值以及下限值控制来实现对水泵、电磁阀的自动控制设计满足灌溉区域的智能灌溉要求系统设计按照手自动控制的方式达到手动调试和自动控制的要求。系统选择采用PLC作为控制单元进行设计按照设计要求分为总体功能分析设计、硬件选型和图纸设计、功能流程和梯形图设计以及可视化监控设计等。在小区绿化灌溉系统控制方案中对系统的I/O进行分配设计。系统采用手动模式和自动模式两种方式进行设计功能流程设计按照小区绿化灌溉功能要求对各种动作的逻辑关系和控制思路进行分析通过条件判断控制的基本思路实现梯形图的设计对各个控制功能进行明确阐述。系统增加了系统可视化设计通过系统的动建立、数据库编译以及画面动画设计实现了系统的可视化远程监控满足了系统的设计功能。系统设计主要优点为稳定可靠自动化程度较高能够应对小区绿化灌溉控制的工艺要求。关键词小区绿化灌溉、可编程控制器、梯形图、上位机调试AbstractThe park irrigation control system mainly carries out intelligent irrigation control on the lawns in the four irrigation areas of the park. It realizes the automatic control design of the water pump and solenoid valve according to the feedback actual value of the soil humidity sensor and the set upper limit and lower limit value, so as to meet the intelligent irrigation requirements of the lawns in the irrigation areas. The system is designed in the way of manual automatic control, Meet the requirements of manual debugging and automatic control. The system adopts PLC as the control unit for design. According to the design requirements, it is divided into overall function analysis and design, hardware selection and drawing design, function flow and ladder diagram design, visual monitoring design, etc.In the control scheme of Park irrigation system, the I / O of the system is designed. The system is designed in manual mode and automatic mode. The functional process design analyzes the logical relationship and control ideas of various actions according to the requirements of Park irrigation function, realizes the design of ladder diagram through the basic idea of condition judgment control, and clearly expounds each control function. The visual design of the system is added to the system. Through the dynamic establishment of the system, database compilation and picture animation design, the visual remote monitoring of the system is realized, which meets the design function of the system. The main advantages of the system design are stability and reliability, high degree of automation, and can meet the process requirements of Park irrigation control.Key words: Park irrigation Programmable controllerLadder diagramHost computer debugging目录摘要 3Abstract 4引言 61 小区绿化灌溉系统的总体设计 81.1 小区绿化灌溉的设计要求 81.2 小区绿化灌溉的控制策略 81.3 控制方案的确定 92 小区绿化灌溉系统的硬件设计 112.1 土壤湿度传感器的选型 112.2 可编程控制器的选型 112.3 变频器的选型 122.4 水阀的选型 132.5 水泵的选型 142.6 系统的I/O分配设计 152.7 变频器的接线设计 152.8 PLC的接线设计 163 小区绿化灌溉系统的软件设计 183.1 系统的功能流程设计 183.2 程序的设计 193.2.1 土壤湿度信号处理的程序设计 193.2.2 数据转换子程序设计 203.2.3 手动控制程序设计 213.2.4 自动控制程序设计 223.2.5 外部输出控制程序设计 264 小区绿化灌溉系统的上位机设计 284.1 上位机设计的过程 284.1.1 工程的创建 284.1.2 驱动程序的创建 294.1.3 驱动变量的添加 294.1.4 数据库的建立 294.1.5 画面的编译 304.1.6 动画的编译 314.2系统的仿真调试 31结论 33致谢 34参考文献 35引言本设计主要针对某小区绿化的四个区域进行灌溉通过每个区域的土壤湿度检测将检测值反馈到控制单元与设定的湿度上限值或下限值比较如果达到灌溉的要求自动驱动水泵和电磁阀工作来实现小区绿化自动灌溉的控制目的。在以往的灌溉系统中应用了大量的继电器-接触器式的控制系统该系统的实际应用中线路设计和安装比较复杂线路和电气元件比较容易老化平日生产中故障频发而且查询故障和系统维护时间较长如果产品更新换代这种继电器-接触器系统难以进行系统改造升级这种控制系统已经明显不能适应现代工厂的生产要求。为了适应工业现场复杂多变的环境可编程控制器的研发和应用就有了更高的环境兼容性优点可以应用于各种环境下的工业现场。可编程控制器功能强大模块类型多兼容性好通讯功能强大能够抵抗各种干扰因素安全系数高可靠性好等。所以可编程控制器成为市场上比较有发展潜力的控制器市场评价较好能够满足各种工况的现场控制应用达到很好的应用效果。对于现代化灌溉技术的发展主要跟随现代控制技术的发展变化根据目前电气行业的发展融合了通信技术、传感器技术、计算机技术、智能技术以及各种控制算法技术等使电气自动化、智能化以及组成区域系统网络化等成为现实。所以在灌溉领域的控制得到很快的发展。特别在我国福建区域引进了美国的整套微喷灌溉技术和设备不但起到很好的灌溉效果并且大大节约了水资源。在我国微喷灌溉技术已经使用达到2000万公顷面积特别在某大型小区绿化使用微喷灌溉技术使小区绿化的经济成本大大降低。根据我国现代灌溉的现状需要解决的关键技术问题还很多尤其是自动控制系统。这些技术在我国还处于研究和待开发阶段不能满足灌溉的需要。随着国家大力发展现代农业的号召。我国向国际先进的国家学习灌溉技术使我国的灌溉技术得到了快速的发展。在新的灌溉技术开发设计上我国结合当前的网络通讯技术、电力电子技术以及相关的控制技术实现大规模、全自动化、全网络监控的先进农业灌溉技术为我国的农业发展和绿色灌溉理念保驾护航。本设计结合先进的变频技术和可编程控制器技术对某小区绿化的四个区域进行自动灌溉系统设计每个区域的植物不太相同所以在灌溉时需要根据不同区域的湿度检测值以及植物生长周期的湿度要求等来自动控制水泵的频率和相应区域的电磁阀控制。系统设计的内容主要包括如下1对小区绿化灌溉的总体方案设计进行分析并绘制方案设计图2完成小区绿化灌溉的电气接线图和相关的元件选型3对小区绿化灌溉的控制流程进行设计并设计梯形图完成系统的调试。按照以上的设计内容对小区绿化灌溉控制系统进行总体设计、硬件设计、软件设计。并且按照相关的设计功能对系统进行调试达到设计的功能要求。1 小区绿化灌溉系统的总体设计1.1 小区绿化灌溉的设计要求对于小区绿化灌溉设计主要向四个区域进行自动灌溉。每个区域的生长周期和对水分的要求都不相同所以需要通过土壤湿度传感器的检测来比较该区域是否需要灌溉如果需要灌溉将自动开启水泵和相应区域的水阀从而实现自动灌溉控制。每个区域通过水阀来控制水管的接通和关闭水泵将机井的水抽上来后通过管道送往每个区域。具体的设计示意图如下图所示。图1-1 系统控制示意图按照以上的设计示意图可知水泵将机井的水抽上来后送往每个区域通过每个区域的水阀通断来实现该区域的灌溉。系统设计需要检测每个区域的土壤湿度当土壤湿度低于下限值时水泵自动运行并且相应区域的水阀打开当土壤湿度满足上限值要求后该区域的水阀自动关闭如果所有的区域土壤湿度达到要求水泵自动关闭。按照此设计要求选择合适的控制单元和变频器来进行小区绿化灌溉系统的自动控制达到系统使用基本要求。1.2 小区绿化灌溉的控制策略对于小区绿化灌溉的设计要求需要对系统进行相关的控制策略研究每个区域的植物的品种或生长周期不相同所以不同区域的土壤湿度要求也不相同必须根据不同的湿度要求对不同的区域进行自动灌溉控制。具体的控制策略研究分析如下1对于每个区域水口都需要安装水阀来通断水口如果该区域需要灌溉水阀得电并打开水口水流将流入该区域实施灌溉。如果任意一个水阀打开水泵自动运行如果所有水阀关闭水泵自动停止。2对每个区域进行土壤湿度的检测将检测的模拟量信号反馈到控制单元将模拟量信号通过换算和数据处理在控制单元显示当前的实际湿度值。设定每个区域不同的湿度上限值和湿度下限值。如果实际的湿度值小于湿度下限值将自动打开水阀和水泵如果实际的湿度值大于湿度上限值将自动关闭水阀。如果所有的水阀关闭水泵将自动停止运行。3对于系统的设计需要设计两种控制方式分别为手动控制方式和自动控制方式。在手动控制方式下可以通过外部的按钮命令输入来实现手动开启水泵和水阀手动控制方式一般应用在系统调试阶段。在自动控制方式下主要通过湿度反馈值和相应区域的湿度上限值以及下限值比较来自动控制水泵和水阀从而实现自动灌溉控制的目的。4对于水泵的控制采用变频器来实现水泵的启停和频率调节。当采用手动控制时水泵运行过程中水泵将在50HZ的频率下运行当采用自动控制时需要根据不同的区域来划分相应的频率比如区域一运行时需要15HZ的频率运行才能满足要求这样即达到灌溉的目的也实现变频节能的目的不同的区域将采用不同的频率设置要求但是所有区域的频率叠加在一起不能超过50HZ。5系统采用上位机来显示当前系统的运行状态在上位机上设置当前的上限值、下限值以及每个区域的频率值等参数。当系统发生故障时将停止系统运行并且输出故障指示。根据以上的控制策略具体的系统方案策略图如下所示。图1-2 系统控制策略图1.3 控制方案的确定对于小区绿化灌溉控制需要根据该功能的特点和后期的升级需求进行系统的控制方式选择按照系统的控制策略对系统设计采用条件判断控制和经验控制设计的方法进行设计在硬件中根据设计的输入和输出确定相应的传感器和执行机构单元。本设计的小区绿化灌溉控制系统主要设计的要求和策略1提高该系统的自动化程度对现场的干扰信号具有很强的抗干扰作用。2系统运行稳定可靠能够根据不同的产品类型对小区绿化灌溉控制系统进行调整以适应不同的产品运营。3对系统的后期升级改造创造相应的条件满足系统设计的要求。4开发周期快成本预算在合理范围内。可编程控制器方案的优点主要包括具有很强的稳定性和可靠性对现场的抗干扰能力强模块化设计可以随意组合满足各种工况要求软件功能强大对特定的功能具有特定的功能块进行调用设计周期短开发简单。可编程控制器最为小区绿化灌溉控制系统的设计控制器可以满足小区绿化灌溉控制系统的功能要求。对于系统的设计方案采用可编程控制器上位机的控制方式可编程控制器接受外部的按钮或开关信号以及土壤湿度模拟量信号控制外部的变频器、各个区域的水阀运行并且输出模拟量信号控制变频器的频率给定显示系统当前的状态。系统的控制方案图如下所示。图1-3 系统控制方案框图2 小区绿化灌溉系统的硬件设计2.1 土壤湿度传感器的选型湿度作为自然界常见的连续变量需要进行湿度信号的采集和显示比如温室大棚湿度智能调节、土壤湿度检测、室内空调湿度调节等。对于湿度的检测需要采用湿度传感器湿度传感器主要通过湿敏检测元件实现当前的空气湿度感应从而将湿度连续变量信号转换为微弱的连续变化电量信号通过放大电子电路将微弱的电量信号进行调节和转换转换为标准的模拟量信号进行传输。一般情况下标准的模拟量信号主要为0-10V模拟电压信号和4-20MA模拟电流信号两种。按照小区绿化灌溉控制系统的设计要求结合市场上常见的湿度传感器本设计选择的湿度传感器为温科科技品牌型号为RS-WS-N01该湿度传感器的供电电压主要为DC24V可以实现0-100RH的监测范围检测精度为0.1%RH。对于该产品的湿度传感器主要产品如下示意参数所示。表2-1 土壤湿度传感器的选型参数性能指标指标值型号RS-WS-N01供电电压DC24V测量范围0-100精度等级0.1%FS输出信号4-20MA防护等级IP682.2 可编程控制器的选型可编程控制器在多年的发展过程中通过硬件模块化、小型化设计软件强大的编程功能设计等很好的解决了现场的控制需求问题。可编程控制器具有良好的可靠性、较高的稳定性、能够根据各种控制需求实现模块组合。可编程控制器在抗干扰方面能力比较强能够适应各种工况环境成为日后工业社会发展的最有潜力的产品也是现代工业社会走向自动化、智能化、网络化的很好选择成为各个工业单位改善生产管理的最佳选择。S7-200SMART可编程控制器可以通过以太网电缆和驱动程序实现和计算机之间的通讯实现程序的下载和监控。对于小区绿化灌溉控制系统的设计方案要求本设计主要选择西门子S7-200SMART的可编程控制器主要型号为S7-200SMART ST40,通过产品手册的查询该类型的可编程控制器的DI输入端口为24个DO输出端口为16个完全满足了小区绿化灌溉控制系统的外部输入端口和输出端口的要求。该可编程控制器可以根据系统的要求扩展七个功能模块也可以实现和监控可视化设备的通讯要求完全满足了小区绿化灌溉控制系统的设计要求。图2-1 S7-200 SMART可编程控制器选用模拟量输入模块EMAE04。进行土壤湿度信号输入和数据换算。选用模拟量输出模块EMAQ02进行变频器给定信号的传输。图2-2 S7-200 SMART EMAE04扩展模块2.3 变频器的选型变频调速器是在现代电力电子技术的高速发展背景下结合微电子技术的控制应用基础上发展起来的。按照变频调速器的功率进行分类可以将变频调速器分为大功率变频调速器和中小功率变频调速器。大功率变频调速器是指功率超过600kW以上的高压输入型变频调速器中小功率变频调速器是指功率较低并且为低压输入型变频调速器。变频调速器按照现场安装的方式主要分为壁挂式变频调速器和装机装柜式变频调速器。根据小区绿化灌溉控制设计的电动机铭牌以及现场功能控制的要求本设计主要选择ABB品牌的变频调速器选择通用型ACS550变频器作为本设计的变频驱动单元达到电动机控制的目的。ACS550变频器的速度控制精度比较高可以实现系统要求的速度调节可以通过外部的控制端子来对变频器进行启停控制通过模拟量输入端子进行速度大小的给定调节。该变频器输入的电压为AC380V输出速度调节范围为0-50HZ通过V/F控制模式实现电动机的控制。ACS550变频器的安装空间小自带冷却风扇对现场的条件适应性强具有很好的节能效果是小区绿化灌溉控制系统设计电动机的最佳选择。图2-3 ACS550变频器示意图2.4 水阀的选型对于小区绿化灌溉控制系统设计来说需要对水阀的型号选择系统设计主要实现水的流通介质为水介质选择水阀的接口螺纹尺寸为1/2PT。根据系统设计说明电磁阀的电压等级为AC220V。所以选择国产常用的名牌产品亚德客公司的3V210-80-NC型号水阀该产品质量可靠可以实现二位二通动作。产品的具体示意图如下所示。图2-4 水阀示意图2.5 水泵的选型按照小区绿化灌溉控制系统要求水泵为离心水泵按照选型表进行查询确定该水泵的扬程参数值、流量参数值、电机功率大小以及使用介质等。离心水泵的工作原理采用水泵内部构造的叶轮高速顺时针旋转在水泵的腔内产生强大的介质压力从而将介质推送出去。在叶轮的腔体内通过强大的介质压力推送介质后将会产生真空空间此时外部的大气压力将填充真空部分从而实现了介质的流送推进。对象要求的水泵流量大小为Q20m3/H通过水泵的计算公式考虑到工作效率等参数计算水泵流量如下2-1通过以上公式可知经过工作效率修正本设计选择的水泵流量不小于33m3/H水泵的扬程考虑不小于30m水泵的功率效率考虑不小于60%。按照此计算的要求选择的水泵具体参数如下表所示。表2-2 水泵的具体参数型号ISW80-160流量35m3/H扬程35m效率63%转速2900r/min功率7.5KW2.6 系统的I/O分配设计对小区绿化灌溉系统进行I/O分配的目的是确定系统的功能对后期的PLC接线图和梯形图编译提供参考依据。对于PLC接线图来说需要定义每个输入点和每个输出点的功能对电气符号进行命名并根据相应的输入点类型和输出点类型进行接线图设计。对于梯形图编译来说需要根据I/O地址分配结果来对输入变量和输出变量地址进行功能分配具体的分配表格如下表所示。表2-3 I/O分配设计表系统输入地址功能系统输出地址功能I0.0手自动选择Q0.0变频器运行I0.1自动运行Q0.1水阀一输出I0.2自动停止Q0.2水阀二输出I0.3水泵手动启动Q0.3水阀三输出I0.4水泵手动停止Q0.4水阀四输出I0.5水阀一开关Q0.5故障指示I0.6水阀二开关Q0.6自动指示I0.7水阀三开关Q0.7运行指示I1.0水阀四开关AQW32变频速度模拟量I1.1变频故障信号AIW16区域一土壤湿度AIW18区域二土壤湿度AIW20区域三土壤湿度AIW22区域四土壤湿度2.7 变频器的接线设计对于水泵的电路设计采用变频器来进行电动机的运行停止对电动机的速度进行调节。在电源输入部分设计通过断路器来实现电源的通断断路器采用DZ系列3P断路器来进行设计断路器接线和变频器的R、S、T端子进行连接电压等级为AC380V。对电动机的回路设计将变频器的U、V、W端子接线和电动机的接线柱相连接并且将电动机的地线与变频器地线相连接。对于控制端子的电路设计确定公共端子和DI输入端子的功能PLC输出的继电器信号将接入变频器的端子对变频器进行启停控制等。如果速度给定为模拟量给定通过模拟量的信号线连接和参数设置可以改变变频器的速度给定值。通过变频器启停电动机的主电路设计要符合系统的设计标准和规范确保系统运行稳定可靠。图2-5 ACS550变频器接线图2.8 PLC的接线设计对于小区绿化灌溉控制系统的S7-200SMART可编程控制器的接线进行设计。分采用DZ系列断路器对电源进行通断输入电压为AC220V接入开关电源PLC电源输入为DC24V信号输入主要将按钮、旋钮、传感器等信号接入到可编程控制器的输入端子信号输出部分主要包含了继电器、指示灯、电磁阀等。对于信号输入和输出端子依据I/O分配设计对每个端子的功能进行定义然后通过公共线连接每个电器元件的一端另一端接入地址端子上具体的设计图如下所示。图2-6 可编程控制器接线图3 小区绿化灌溉系统的软件设计3.1 系统的功能流程设计对于小区绿化灌溉的功能流程设计主要按照系统的设计要求对水泵和水阀进行控制系统设计分为手动控制和自动控制具体的功能流程设计如下图所示。图3-1 程序设计流程功能图当系统初始化后进行手自动控制的选择。在手动控制方式下可以通过外部的按钮命令输入来实现手动开启水泵和水阀当水泵在手动状态下运行时运行。在频率为50HZ。当选择自动控制方式主要通过对N区域的湿度反馈值和该区域的湿度上限值以及下限值比较来自动控制水泵和水阀当N区域的土壤湿度低于下限值时水泵自动运行并且N区域的水阀打开当土壤湿度满足上限值要求后N区域水阀自动关闭如果所有的区域土壤湿度达到要求水泵自动关闭。按照此设计的流程图对系统进行梯形图的开发设计。3.2 程序的设计3.2.1 土壤湿度信号处理的程序设计每个区域都安装土壤湿度传感器采用4-20MA的信号进行传输对应的模拟量数值为5530到27648。调用相应的数据换算子程序将模拟量信号数值转换为实际的土壤湿度值。具体设计的程序如下。