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农业工程技术论文 农业灌溉控制设计

2018-12-21 14:44:41来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘 要

  农业是国民经济的基础,农业发展离不开水资源。然而,中国是一个水资源短缺的国家。而农业又是我国经济发展的重头,情况很是恶劣,水利用率低,浪费严重,供需矛盾,严重影响到我国经济的发展,为确保农业的可持续发展,合理保护水资源,提高水资源利用率刻不容缓。

  本课题结合任务书,以农业灌溉为研究对象,采用了西门子PLCS7-200作为系统的控制器,士林变频器SC3系列用来通过三相异步电机控制水泵来实现喷头灌溉的功能,传感器来检测环境的情况,士林的触摸屏用来作为人机界面。并且阐述了PLC和变频器的运行原理和结构组成。详细解释了每个一步运行的过程中的步骤,以及在农业灌溉上达到节约用水的目的。本设计通过简单的设计能实现农业方面的自动化。

  关键词:三相异步电机 PLC 变频器 传感器 人机界面

  一、绪论

  1.1 引言

  水是生命之母, 没有水地球是难以生存的。农业,国之根本。自古以来, 我国南北水资源有差距, 采取北京, 虽然我国政府提出了三期南水北调工程, 现在两个已经顺利可以调水, 但北京的水仍然很紧张, 它是可以想象, 在北部的其他城市在生活中不是很丰富。南方的水资源相对北方相当丰富, 但南方的农业也使用了大量的水, 废水资源也非常可怕, 这对我国经济发展有重要的阻碍, 因此政府还提出坚持走可持续发展道路, 为保证农业可持续发展, 迫切需要提高水资源利用。

  1.2选题背景及意义

  水工业是以城市和工业为对象, 随着水的商品化、工业化的逐步形成和完善, 新行业。这是一个全面的新兴工业, 开发, 处理, 运输, 回收和利用水。南方的水资源确实比北方的要丰富, 但南方的农业用水也很多。浪费的水资源也非常可怕。这对中国的经济发展有重大的阻碍, 因此政府也提出了。

  PLC 使用可编程存储器, 在其内部存储中执行逻辑操作、顺序控制、定时、计数和算术运算等指令, 通过数字或模拟输入和输出来控制各类机械设备或生产过程。可编程逻辑控制器(PLC) 它可以简化节水灌溉控制设计中的硬件结构。PLC 使用可编程存储器, 在其内部存储中执行逻辑操作、顺序控制、定时、计数和算术运算等指令, 通过数字或模拟输入和输出来控制各类机械设备或生产过程满足各种操作模式的需求。特别是在水利系统的小型泵站中,可以实现无人值守或半无人值守,具有广泛的应用前景和使用价值。

  通过传感器检测周围环境的湿度,即使当反应环境发生变化时,信号也被传送到PLC。变频器通过控制频率来调节电机的转速,从而实现水泵的水泵控制和启停功能,人机界面可以方便操作者方便地控制整个农业灌溉系统。

  该系统可用于大型农田的灌溉管理, 也可以用于家庭名优花卉的维护。在PLC程序中,只需选择合适的传感器,调节湿度设定值即可。该系统成本低, 应用范围广, 应用前景十分乐观。

  1.3 国内外农业灌溉发展状况

  我国传统的农业灌溉模式是运河灌溉的建设。随着排水渠道的发展, 从以往的沟槽到混凝土沟槽到地下管线, 这种模式目前是最浪费水资源。到目前为止, 全国已有大量的农业灌溉措施, 云南黎族大禹节水工程、宁夏平原、河套平原、河西走廊、新疆等地, 在山前冲积扇灌溉农业中, 新疆的坎儿井、新疆吐鲁番盆地最值得注意的是, 这一农业灌溉至今已有1000年的历史, 这种节水方式在新疆, 缺水成功地孕育了吐鲁番各族人民, 这些都是区域范围的大型水利工程, 主要是农业示范区、科研项目, 以及古人的智慧结晶, 在国内大规模广泛使用或从未崛起。

  在国外, 科技自动化的概念首先由发达国家提出, 经济快速发展的同时, 也开始注重水资源的保护, 所以农业灌溉这方面的技术相对于我国来说是相当成熟的!我国传统的农业灌溉模式是运河灌溉的建设。随着排水渠道的发展, 从以往的沟槽到混凝土沟槽到地下管线, 这种模式目前是最浪费水资源。这些国家受到最早的水控制,机械控制以及后来的机械和电子混合动力控制,现在那些国家对于控制精度、智能化程度也越来越高。虽然这些先进技术也被引入中国, 但中国有着广阔的地区和复杂的气候和环境, 只能在温室和研究项目中生存。中国也有很多农业灌溉控制器和操作系统,但其中大部分都是小规模的,或者仅仅用于实验和理论讨论,在它们被充分利用之前还有一段路要走!

  二、农业灌溉的总体设计

  2.1 系统设计要求

  本次设计所要完成的任务是:

  1、首先,我们必须能够准确地检测周围的湿度。

  2、当环境湿度低于设定的额定湿度或温度高于额定温度时, 可自动灌溉, 当环境湿度达到设定额定湿度时, 自动关机。

  3、切换到手动操作时,湿度低于额定湿度,报警将提示。

  4、本次设计三相异步电机采用用三相220v,变频器单相220v

  2.2系统设计的研究方案

  本设计以 PLC 为控制回路, 实现了农业灌溉的自动化功能。这种设计需要24小时的土壤环境湿度测试, 并可以随时控制, 以同步的湿度在那个时候。该时间的主要组成部分是西门子 S7-200, 士林变频器 SC3, 水泵, 喷嘴和土壤温湿度传感器。本文主要研究了PLC控制回路的软硬件编程、变频器的参数设置以及人机界面编程。

  本设计主要操作时,将温湿度传感器一半插进土壤中测量土壤中的湿度,一般在外面测量外界温度,此时温湿度传感器也作为电阻和电路在保护分压保护。当土壤湿度达到一定值时,PLC将输出停止信号,变频器将停止输出,电机将停止运行。如果环境湿度低于设定值或环境温度高于设定值,则PLC输出信号需要灌溉, 输入变频器, 变频器启动电机驱动水泵启动运行;当湿度高于设定值时, PLC 输出停止模拟量, 变频器控制马达停止, 操作完成。本系列可用于通过触摸屏了解实时状态。它还可以通过触摸屏实时调整设定的温度和湿度值。可根据实际情况进行调整。其次, 在农业自动化灌溉系统中, 必须采用人工模式。在整个系统中, 您可以设置密钥。当需要人工灌溉时, 手动按按钮可用于选择灌溉模式。PLC控制变频器的启动电机,使水泵开启用于喷灌。

  2.3 系统设计的可行性论证

  系统组成框图如图2.1所示

  图2.1 系统组成图

  本设计以西门子 S7-200 PLC 为控制中心。控制电路主要由24V 供电的低压设备组成, 包括 PLC、模拟模块、温湿度传感器。主要电路设备是变频器和三相异步电机。该系统采用温湿度传感器来测量土壤的适度和环境温度。将温湿度电压信号传输到模拟模块转换为数字信号, 将数字信号传输到 PLC 处理。PLC 首先由书写程序确定土地的湿度, 其次确定环境温度, 确定是否根据湿度要求快速喷灌, 温度为已确定是否进行了微型喷头。如果土壤湿度低, 土壤需要灌溉。当土壤湿度达到一定的设定值时, PLC 将输出停止信号, 逆变器将停止输出, 电机将停止运行。该系统可通过按键选择自动灌溉工作状态。以及人工灌溉的工作条件。该设计比较简单,成本低,可以实现自动灌溉。

  三 、农业灌溉的系统硬件设计和选型

  3.1 系统设备及器件选型

  3.1.1 传感器的选择

  本文选取昆仑海岸的JWSL-20W1温湿度传感器。其使用参数规格如表3.1所示。

  JWSL-20W1 昆仑海岸工作电压相对湿度精度湿度测量范围相对温度精度温度测量范围DC 24V3%RH0%RH~100%RH0.5℃-20℃~60℃ 表3.1JWSL

  该温湿度传感器,可以对温湿度进行精确的测量,来准确的检测到农田里实时温度及湿度。

  3.1.2 变频器选择

  本文选择了士林的 SC3 变频器。变频器是利用开关装置的开关电源将工频电源(50或60Hz)变换为具有可调频率和电压的交流电源,实现电机变速运行的电能控制的功率控制装置。市场上的逆变器通常分为交流 - 直流 - 交流变频器和交流 - 交流变频器。通过对标准电机的连续调节来改变电机的旋转方向,可以改变其的特性。优点是明显的, 启动电流不大, 加速度和减速可以调整, 电机可以高速, 小型化, 防爆和容易, 它可以保持电机的功能。合理使用变频器,一方面可以节约能源,二是可以提高生产质量,三可以节省人力。

  变频器由主电路、控制电路和保护电路组成。主电路切换到电机电源。控制电路的核心是由高性能的主控制器组成的主控制电路,它提供主电路的电路来控制信号,保护电路完成预先设置的各种保护。目前,我们使用的大部分转换器是AC直接到AC转换器,将AC转换为DC,然后从DC变为AC。如图3.2所示。

  整流

  电路

  中间直

  流环节

  逆变

  电路

  控制电路

  交流电

  电网

  电源

  交流电

  频率、电压

  可调

  图3.1 变频器的基本结构框图

  在工程应用中,变频器的一般选型步骤如下:

  电路设置的选择

  种类的选择

  容量的选择

  性价比的选择

  一般来说作为设计者都要考虑到第4点,性价比的选择。目前变频器的市场很多,比如说西门子、三菱、汇川、欧姆龙等,其同规格的变频器的价格也相差很多,最为农业灌溉上来讲,使用要求并不是很高,只要能够达到使用功能,我们就要节约成本,所以这次我选择使用的士林SC3系列紧凑型经济型的一款,其技术参数表如表3.2所示。

  表3.2 士林SC3技术参数

  3.1.3 水泵和电机的选型

  本次选用的是电动机高崎F系列的三相异步电动,与变频器之间采星型-三角连接。表3.3所示为高崎电机规格参数。电动机三相异步电动机具有结构简单、耐久性强、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点。因此,我们将选择三相异步

  表3.3高崎F系列规格参数

  高崎电机F系列额定电压额定电流额定频率输出功率额定转速

  380V8.4A50HZ3.7KW1455r/min

  这是 QS 系列潜油泵。整个深水进水装置在水上工作, 地表水的提取用于生活用水、矿井抢救、工业冷却、农田灌溉、海水普及、船舶转运、喷泉景观、温泉浴潜水泵、深井水浸、河道抽水工程等。水槽和运河主要用于山地和畜禽的饮用水灌溉,也可用于中央空调制冷,热泵机组,冷水泵机组,城市,工厂,铁路,矿山和现场排水等。一般可以到达, 不同水泵上的升降, 流量, 水质, 价格等方面都不同, 本着性价比高的态度, 设计这一农业灌溉是选用 QS 系列潜水泵。如图3.2所示。

  图3.2QS系列的潜水泵

  3.1.4 PLC和扩展模块的选型及介绍

  本设计采用 PLC 西门子 S7-200, 其 CPU 型号为 226, 配备两个 RS-485 通信端口0和1、高数模块、PID 模块等。PLC具有较强的抗干扰能力和较强的可靠性。与单片机相比,控制系统结构简单,通用性强,编程方面比起C语言来更加简单,进行系统调试时,因为有很好的工程工具帮助,所以方便易于使用,加上其成本不高,维护起来的代价不大。PLC的组成由中央处理器、存储器、I/O端子输出输入单元、电源部分、扩展接口、通信接口、编程设备等组成。图3.3所示。所以在选型PLC的时候,我们在选择PLC时,要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。

  图3.3 PLC结构框图

  在S7-200模拟量拓展模块中,EM235是最常用的模拟量拓展模块,它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。其技术参数见表3.5。EM235模拟量输入输出拓展模块接线如图3.4。

  表3.4EM235的常用技术参数

  在表3.4中可以看出,拓展模块的电源电压为DC 24V,各通道接线如下。

  (1)输入通道 A 是一个电压输入信号。它直接连接到端口A+ 和 A-根据正和负。

  (2)输入通B是一个未连接输入信号,通道应该连接B+和B-短路。

  (3)输入通道C是一个0-20mA的电流输入信号,按其电流方向由端口C+流入、C-流出接线,将端口RC和C+短接后接入电流输入信号的“+”。

  (4)输入通道D是一个4—20mA电流输入信号,根据其电流方向D +流入和D-流出线路,RD和D +连接到电流输入信号的“+”端,而D通道电流的输出电流显然是双线发射机的输出电流。

  (5)输出通道。输出通道的电流输出范围为0—20mA,其负载电阻接端口IO和MO;电压输出范围为10V,其负载电阻接端口VO和MO。

  在使用模拟量控制模块时需要注意的问题:

  在模拟输入模块中使用的A/D转换器的数字S7-200为12位数字,单极性模拟信号的全范围输入的数字输出被设置为0~32000(由于西门子模拟模块的左移位,3位和32000)。

  (2)S7-200模拟量输出模块中使用的D/A转换器,其输入的数字量位数为12位,输出模拟量为电流0-200mA或电压10V,其对应的数字量分别为0-32000或-32000—+32000。

  (3)模拟量端口的地址必须从偶数字节开始,对于模拟量输入模块,按模块的先后顺序,进行地址分配。输入通道地址AIW0、AIW2、AIW4……;输出通道地址为AQW0、AQW2、AQW4…….由于每个模拟量拓展模块被CPU分配至少占用两个通道,在使用多个拓展模块时需要注意。

  图 3.4 EM235外围接线图

  3.1.5 低压电器选型

  本文中需要的低压电器有交流接触器、中间继电器、热继电器、空气开关及电磁阀等。具体的选型见如表3.5所示。

  表3.5 器件型号及数量

  名称品牌型号数量(个)交流接触器德力西CJX2-9105中间继电器德力西JTX-3C5德力西JZ7-441热继电器德力西JRS1D-25/Z6电磁阀亚德客4V-110/064空气开关正泰NM10-250/3301正泰DZ15-100/39024电机高崎F系列3变频器士林SC31PLC西门子S7-2001扩展模块西门子6ES7 EM2351温湿度传感器昆仑海岸JWSL-20W143.2 系统电路的设计

  3.2.1 系统主电路的设计

  该系统由两个主泵和一个辅助泵的控制组成。交流接触器完成了泵浦电机的功率频率和频率转换。因此, 各主泵分别需要两个接触器, 分别与功率频率功率和变频功率输出相连接。接触器的选择是基于电动势, 以确定泵只是运行。在工频状态下, 频率通过接触器连接, 接触器 KM2 和 KM4 分别控制1号和2号的运行频率;接触器 KM1 和 KM3 控制频率转换的1和2分别;接触器 KM5 控制供应泵的工频运行;FR1, FR2, FR3。

  QF1、QF2、QF3、QF4、QF5分别为主电路、变频器和各水泵的工频运行的空气开关。变频器的主电路输出端( U、V、W )通过接触器连接到三相电机。当旋转方向与工频不一致时,输出端( U、V、W相序)必须改变,否则不能工作。变频器与电机之间的接线长度应控制在100米以内。在变频器的启动、运行和停止操作中,必须操作触摸面板和停止键或外部控制端子STF ( STR ),不得进行主电路空气开关QF2的开关。

  3.2.2 系统控制电路的设计

  在农业灌溉设计中, 必须考虑弱电和强电的隔离。PLC接入电源的时候,其输出端口并没有和交流接触器直接连接,而是在其连接之间串联一个中间继电器,中间继电器A控制接触线圈的功率,控制电机的运动,其目的是为了保护PLC,防止电流短路,烧坏PLC。通过隔离,延长了系统的使用寿命,提高了系统的可靠性。

  图3.5 主电路图

  图3.5主电路图在控制电路中,应该考虑电路之间的联锁关系,变频器的输出端子禁止接到电源中,会导致变频器内部短路,烧坏变频器中的控制模块,导致变频器损坏。因此,在控制电路中,主泵电机的频率/频率转换接触器相互连锁。此外,变频器根据单个电机容量配置,并且不允许多个电机同时运行。为此,每个电机的频率转换也互锁。

  出于可靠性及检修方面的考虑,设计了手动/自动转换控制电路。通过转换开关及相应的电路来实现,如图3.8所示,给出了农业灌溉系统的部分电气控制线路图。

  图3.6 控制回路图

  图3.6中,SA为手动/自动转换开关,KA为中间继电器手动/自动转换用。当通开关SA接触到1触点时,电路通路,此刻整个电路为手动状态,电路通过远程开关SB1,SB2,SB3,SB4,SB5,SB6,SB7,SB8,SB9,SB10来控制各个电机的启停;当接触开关接触到2触电时,中间继电器KA吸合,电路通路,此刻整个电路处于自动状态,系统执行PLC的控制顺序,自动控制泵的起停

  在两个电机手动控制电路上的串联了4个常闭的触电的中间继电器 KA 4个通常闭合的触点连接到两个泵的手动控制电路。中间继电器KA的线圈接PLC的输出点,由程序决定手动和自动的切换。在自动状态时,两台泵在PLC的控制下能够有序而平稳地切换、运行。

  电动机电源的通断,由中间继电器KA1,KA2,KA3,KA4,KA5分别控制接触器KM1,KM2,KM3,KM4,KM5,S,SBB的线圈来实现,FR1,FR2,FR3为三台泵的热继电器的常闭触点,对电机进行过载保护和断相保护,以防电机过热而烧毁。

  3.3 浇灌系统的设计

  3.3.1 喷头的介绍

  本设计选用的高效的三乐五头喷头,其喷头采用了五头喷头超细雾化喷洒技术,克服了许多传统喷头在作业时候存在的问题,其有优势其喷雾式喷洒均匀,覆盖面积大,水利用率也高。如图3.7所示。喷头也被称为灌水器,它把水喷射到空中,散开成小水滴落下,从而灌溉种植物。喷头性能的好坏和使用是否恰当,对灌溉系统的经济新、可靠性起着决定性的作用。喷头是灌溉系统中重要的组成部件之一。

  图3.7 三乐五头喷头

  3.3.2 管道的选择

  农业灌溉工程管道应选用不锈钢管和铜管,其目的为了在输送水的时候能够减少水的蒸发,被土地吸收,目前关口连接处通过焊接、夹紧、法兰等方式连接。其大棚或者室内灌溉工程在无抗冻、抗震要求时,可选用塑料管。

  四、控制系统软件设计

  4.1 系统控制程序设计

  4.1.1 STEP7-Micro/VIN4.0编程软件

  STEP7-Micro/VIN4.0编程软件是西门子公司专为S7-200系列PLC产品设计而开发的,主要用于用户开发控制程序和实时监控用户程序的执行状态,它带有高速计数器、PID控制器,通过指令向导设置可自动生成用户程序[[] 刘美俊. 西门子PLC编程及应用[M]. 机械工业出版社, 2011.

  ]。西门子STEP7-Micro/Win指令库提供14个子程序、3个中断例行程序和8条指令,支持USS协议控制Micro Master变频器。还带有高速计数器,能通过指令向导或直接使用高数计数指令,完成用户程序设置。

  4.1.2 PLC控制程序设计

  (1)系统主程序

  系统主程序首先要进行一系列的初始化工作,并使扩展模块(通讯模块、A/D模块等)、变频器等设备与PLC的数据传输正常,在系统运行过程中要及时进行故障检测,以防止设备损坏和意外发生,当出现故障时,要在上位机上及时进行报警输出,方便维修人员维修,有利于系统恢复正常工作。其流程框图如图4.1所示。

  图 4.1 控制系统主程序

  (2)故障检测子程序

  故障检测作为整个系统的系统安全,以及时报告出程序或者硬件方面出现的问题,这是一个不可缺少的部分,很好的让我们去改善整个系统。在本文的控制系统中,检测的量主要有:水箱里的水位 、变频器故障、水泵电机故障、传感器断线等故障信

  号,如图4.2所示。

  图4.2 故障检测子程序流程图

  4.2 系统监控软件设计

  4.2.1 监控功能要求

  现代工业正朝着规模化,可持续发展的方向发展,生产工艺越来越复杂,生产安全可靠性越来越高,生产企业的经济效益不断提高。目前之前的很多企业开始转型,智能化自动化的设备慢慢的开始代替传统的人工劳动力,未来社会会更加的智能化。随着计算机技术、工业控制技术和通信技术的飞速发展, 各种智能仪表的出现, 各种工业生产过程的自动化水平得到了极大的提高。由于计算机具有运算速度快、精度高、存储量大、编程灵活以及有很强的通信能力等特点,在过程控制中得到十分广泛的应用。随着PLC的诞生,其功能强大,结构简单,成本低,所以人机界面的出现,加上工业组态软件的出现,更加清晰的通过PC上能够很容易的时刻监视现场的状况。通过对灌溉系统的业务需求和功能要求的分析, 将泵站机组作为相对独立的部分进行监控, 不仅实现了局部控制的各种功能, 而且实现了在手动控制和本地控制之间切换。当系统出现故障时, 可以实现局部控制。

  4.2.2 系统监控软件设计

  工业组态采用西门子WinccV6组态软件进行配置,WinCC为窗口控制中心(WindowsControlCenter)的简称。它集成了监控和数据采集(SCADA)、配置(配置)、脚本和OPC等先进技术,为用户提供了在MySimuloDows2000或WindowsXP下强大的HM,与STEP7编程软件系统紧密结合的I系统,缩短了项目开发周期。此外,WinCC还可以为SIMATIC PLC提供系统诊断的选择,为硬件维护提供了方便。它的配置包括变量的配置、进程动画的创建以及WinCC运行系统属性的指定。WinCC的主要界面如图4.3所示。该监控系统由系统监控的主界面、系统报警信息的配置、泵运行状态的接口、报表打印设计等部分组成。

  图 4.3 WinCC 主界面图

  系统的监控调试界面由运行监控主界面、参数设定界面构成。用户可以通过系统操作的监控器主界面使用监控系统,通过上面的按钮进入不同的监控界面,实现不同的监控功能。 其示意图见图 4.4。

  图 4.4 监控软件主界面

  水泵变频/工频运行状态界面见图 4.5,当系统进入自动操作时,用户可以知道在这个界面使用哪些水泵。泵泵工作在频率状态或频率转换状态,泵的频率在频率转换状态下运行。当选择泵时,按钮变为绿色。如果没有选择,它将不会发光,也就是说,它将不工作。自动操作界面将告诉用户系统泵的运行状态,通过该接口可以获得系统故障的信息。

  图4.5水泵变频/工频运行状态界面

  同时,为了更加清晰的了解情况,监控软件要打印生产信息报告。在WinCC有很多打印报告的方法。这样,可以更方便地实现打印工程。因此,本文使用WinCC的C脚本编写项目函数来打印报表。 打印报表程序的流程图如图4.6所示:

  图 4.6 报表打印流程图

  五、结论

  农业灌溉是现在发展现代农业上的一个迫在眉睫的问题。每年大量的水资原的浪费,每每让人心痛。农业灌溉的控制系统性能对普遍推广节水起着标志性的作用。本文着重介绍了检测采集方面,控制部分,以及PLC和组态部分,在研究农业灌溉的系统控制的特点,设计出有PLC、变频器、三相异步电机和工业组态软件构成的一套灌溉系统,理论上是可以实现预期目标的。

  在了解国内外节水灌溉自动化技术的现状和发展趋势后, 对农业喷灌系统的总体设计进行了研究和完成。研究并完成了由PLC、变频器、两台水泵机组、计算机、通信模块等主要设备构成的变频恒压喷灌控制系统,并就控制系统作了部分硬件(硬件选型、主电路、控制电路等)和软件(主程序、故障检测子程序、PID控制算法子程序等)的设计。该系统可以实现自动启动变频器,控制水泵出水,喷头喷水灌溉,自动变频操作, 遥控手动控制和现场手动控制方法, 有一定的稳定性。本文在分析了控制系统各种干扰来源的基础上,从硬件和软件两方面作了相关的抗干扰措施的设计,提高了系统运行的安全性和稳定可靠性。

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