1、基于 P L C 的全自动灌溉控制系统的设计第 1 页 共 21 页摘 要介绍了可编程序控制器( P L C )在节水灌溉控制系统中的应用，我国在开发灌溉自动控制系统方面与发达国家差距较大，还处于研制、试用阶段，随着水资源的日趋紧张及信息技术的发展，开发具有自主知识产权的节水灌溉控制系统不仅具有广阔的市场前景，而且具有巨大的社会效益。系统具有手动灌溉模式，能根据用户要求设定各灌区的灌溉顺序和灌溉时间;同时系统具有自动灌溉模式，通过内置程序把湿度传感器测定的土壤湿度信号输入到 PLC，与土壤最佳含水量对比，进一步控制电机和电磁阀的启闭；为了减小水泵电机的启动电流，减轻对电网形成的冲击，减小能耗,
2、系统启动采用 Y启动。关键词 PLC；节水灌溉；土壤湿度；Y启动；梯形图常州工学院成人教育学院第 2 页 共 21 页第 1 章 基于 PLC的全自动灌溉控制系统的设计的原理1.1 绪论当前，随着电气信息技术在节水灌溉工程中的应用，发达国家如美国、以色列、荷兰、 加拿大、澳大利亚等成功开发了一系列用途广泛、功能极强的灌溉控制器。而我国在开发灌溉自动控制系统方面与发达国家差距较大，还处于研制、试用阶段，随着水资源的日趋紧张及信息技术的发展，开发具有自主知识产权的节水灌溉控制系统不仅具有广阔的市场前景，而且具有巨大的社会效益。本文以松下公司 F P 1系列的 P L C为核心， 选用 C AO C
3、型可编程控制器来开发了一套灌溉控制系统，所开发的控制系统能手动设置对各轮灌区定时灌溉，也可以通过土壤湿度传感器与控制器形成全自 动闭环控制系统。同时为了减少水泵电机启动电流，减轻对电网形成的冲击，减小能耗，水泵电机采用 Y 启动。1.2 制系统各部分功能及设计控制系统包括电机 Y启动，手动控制模式自动控制模式。因本系统除了湿度传感器和雨量传 感器输人为模拟量外，其他输入 出均为数字量，编程控制器本身的抗干扰能力能满足要求。P L C的容量包括 I O点数、用户存储器的容量。系统采用 F P 1可编程控制器专用编程软件编制梯形图。1.2.1 Y/启动系统要求当按下启动按钮时，首先电动机运行，带动
4、水泵抽水同时系统中电机采用 Y 启动，启动时继电器 KMY接通。2s 后 KMY断开，继电器 KM接通，即完成 Y 启动。1.2.2 手动灌溉模式 系统具有手动设定各电磁阀的开启时间和开启顺序的功能，当某个电磁闭合时相应的指示灯亮。当雨量传感器有信号，即下雨时，将停止灌溉，同时雨量报警器报警，本灌溉系统要求为一号灌区灌溉 10min，打开 2号灌区电磁阀灌水 5 min，然后打开 3 号灌区电磁阀灌水 15min，最后停止灌溉。基于 P L C 的全自动灌溉控制系统的设计第 3 页 共 21 页1.2.3 自动灌溉模式本灌溉控制器能根据土壤湿度传感器得到的土壤湿度信号，与设定的适于作物生长度进
5、行比较，然后决定是否灌溉，自动进行电机与各电磁阀的起闭。在本系统中选用 2 0 0Y Z型土壤负压传 感器来测量土壤湿度，测量范围为负压值 0-85Pa，基本上在植物的需水范围，一般说来，当土壤吸力大-7a 值，土壤就需要灌水，否则会影响植物的生长，该压阻传感器输出为 050mv；测量深度为 200mm l 2 000mm, 地面以下部分根据 需要而定，总精度为2左右；使用环境为 0 500。在小麦拔节抽穗期土壤最佳含水量用土壤负压表示为-0kPa -0kPa ， 即当土壤负压 小于-60kPa 时，打开灌水 阀门对作物进行灌溉 J。在该系统中把湿度传感器得到的土壤湿度 信号放入 P L C的
6、数据寄存器 DT0中，把所设定的 土壤湿度上限值( -50k P ) 放入 DT 4，下限值( -60kPa放入 D T2 ，同时当土壤缺水或适宜时，相应的指示灯亮。1.2.4 2000YZ 型土壤湿度计的技术参数指示单位kPa 以mV表示测量范围土壤负压值/kPa 085压阻传感器输出/mV 050最小显示值/mV 传感器为0.1陶土头直径/mm20测量深度/mm 地面以下部分根据需要而定200至最长2000传感器供电恒流/mA 1.53或直流/V 9 12线性度/% 0.1总精度/% 2 左右使用环境/ 05001.3 结语本文以 CAOC可编程序控制器为核心来构建节水灌溉控制系统，系统具
7、有手动设定功能，能根据用户要求设定对某一灌区的灌水时间；系统还具有全自动灌溉功能，能根据土壤湿度传感器得到的土壤信号与土壤的最佳湿度值对比，自动做出灌溉计划；系统采用 Y变换启动水泵电机来减小启动电压，减轻对电机内部绕组的损坏。常州工学院成人教育学院第 4 页 共 21 页第 2 章 基于 PLC 和触摸屏的灌注系统硬件设计CPU单元负责控制整个生产过程。触摸屏通过RS232C串口和CPU进行通讯，传达用户的指令，从而改变系统的运行状态。输出模块向外部设备传送输出信号，使不同的执行机构动作。对执行机构状态的改变，通过行程开关或光电传感器将其信号反馈给输人模块。CPU单元又从输人模块读取数据，根
8、据数据的变化执行不同的控制操作，由此构成了整个控制回路n.根据系统控制要求、所需的IO点数、工作环境等因素，可编程控制器选用日本三菱公司的FX-2N系列可编程控制器。触摸屏采用HITECH公司的PWS1760型。2.1 FX-2N系列可编程控制器简介2.1.1 可编程控制器的产生(一)PLC 的定义PLC 全称 Programmable logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机
9、械或生产过程。是工业控制的核心部分。(二)PLC 的发展过程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968 年美国 GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制20世纪 20年代起，人们把各种继电器。定时器。接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统继电接触器控制系统.由于它结构简单。容易掌握。价格便宜，在一定范围内能满足控制要求
10、，因而使用面甚广，在工业控制领域中一直占主导地位.但是继电接触器控制系统有明显的缺点：设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难与实现较复杂的控制，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制盘就要更换，所以通用性和灵活性较差.上世纪 80年代至 90年代中期，是 PLC发展最快的时期，年长率一直保持为3040%。在这个时期，PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度的提高，PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高，抗干扰
11、能力强，编程简单的特基于 P L C 的全自动灌溉控制系统的设计第 5 页 共 21 页点。PLC 在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来是无法取代的。20世纪 60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，它必然要求生产线的控制系统亦随之改变，以及对整个开展系统重新配置.为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，适应白热化的市场竞争要求，1968 年美国通用汽车公司公开向社会招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是：（1） 编程方便，可现场修改程序（2） 维修方便，采用插件式结构（3） 可靠性高于继电器控制装置（4） 体积小于继电器控制盘（5）
12、数据可直接送入管理计算机（6） 成本可与继电器控制盘竞争（7） 输入可以是交流 150V以上（8） 输出为交流 115V，容量要求在 2A以上，可直接驱动接触器，电磁阀等（9） 扩展时原系统改变最小（10）用户存储器至少能扩张到 4KB（适应当时汽车装配过程的需要）十项指标的核心要求是采用软布线（编程）方式代替继电控制的硬接线方式，实现大规模生产线的流程控制。2.1.2 可编程控制器的定义美国国际电工委员会（IEC）在 1987年对可编程序控制器做出如下定义：可编程序控制器是一类专门为在工业环境下应用而设计的数字式电子系统，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部进行存储执行逻辑运算、顺序运算、
13、定时、记数和算术运算等功能的面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入或输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器极其相关外部设备，都应按照易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。定义强调了 PLC应直接应用与工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。这也是区别与一般微机控制系统的一个重要特征。定义还强调了 PLC是“数字运算操作的电子系统” ，他也是一种计算机，它是“专为在工业环境下应用而设计的”工业计算机。这种工业计算机采用“面向用户的指令” ，因此编程方便。它能完成逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等操作，它还具有“数字量和模拟量输
14、入和输出”的能力，并且非常容易与“工业控制系统联成一体” ，易于“扩充” 。2.1.3 可编程控制器的发展趋势PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。具体表现在以下几个方面。常州工学院成人教育学院第 6 页 共 21 页（1）向小型化、专用化、低成本方向发展随着微电子技术的发展，新型器件大幅度的提高功能和降低价格，使 PLC结构更为紧凑，相当于一本精装本书的大小，操作使用十分方便。PLC 的功能不断增加，将原来大、中型 PLC才有的功能部分地移植到小型 PLC上。（2）向大容量、高速度方向发展大型 PLC采用多微处理器系统，有的采用了 32位微处理器，可
15、同时进行多任务操作，处理速度提高，特别是增强了过程控制和数据处理的功能。另外，存储容量大大增加。（3）智能型 I/O模块的发展智能型 I/O模块是以微处理器和存储器为基础的功能部件，它们的 CPU与 PLC的主CPU并行工作，占用主 CPU的时间很少，有利于提高 PLC的扫描速度。（4）基于 PC的编程软件取代编程器随着计算机的日益普及，越来越多的用户使用基于个人计算机上的编程软件。编程软件可以对 PLC控制系统的硬件组态，即设置硬件的结构和参数，例如设置各框架各个插槽上模块的型号、模块的参数、各串行通行接口的参数等。（5）PLC 编程语言的标准化与个人计算机相比，PLC 的硬件、软件的体系结
16、构都是封闭的而不是开放的。在硬件方面，各厂家的 CPU模块和 I/O模块互不通用。PLC 的编程语言和指令系统的功能和表达式也不一致，因此各厂家的可编程序控制器互不兼容。为了解决这一问题，IEC 制定了可编程序控制器标准。标准中共有 5种编程语言，允许编程者在同一程序中使用多种编程语言，这使编程能够选择不同的语言来适应特殊的工作。（6）PLC 通信的易用化PLC的通信联网功能使它能与个人计算机和其他智能控制设备交换数字信息，使系统形成一个统一的整体，实现分散控制和集中控制。（7）组态软件与 PLC的软件化个人计算机（PC）的价格便宜，有很强的数学运算、数据处理、通信和人机交互的功能。（8）PL
17、C 与现场总线相结合现场总线 I/O与 PLC可以组成功能强大的、廉价的 DCS系统。（9）开发新型特殊功能模块I/O组件可以提高 PLC的智能化、高密集度和增大处理能力。(10) CPU的处理速度进一步加快目前，PLC 的处理速度与计算机相比还比较慢，其高的 CPU也不过 80486，将来会全面使用 64位的 RISC芯片，采用多 CPU进行处理、分时处理或分任务处理方式，将各种模块智能化，部分系统程序用门阵列电路固化，这样可使 PLC的处理速度达到纳秒级。基于 P L C 的全自动灌溉控制系统的设计第 7 页 共 21 页2.1.4 可编程控制器的特点（1）抗干扰能力强，可靠性好PLC在电
18、子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路。I/O 系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。具体措施主要有以下几个方面：1）隔离：这是抗干扰的主要措施之一。PLC 的输入、输出接口电路一般采用光电耦合器来传递信号。这种光电隔离措施，使外部电路与内部电路之间避免了电的联系，可有效的抑制外部干扰源对于 PLC的影响，同时防止外部高电压串入，从而减少故障和误操作。 2）滤波：这是抗干扰的另一个主要措施。在 PLC的电源电路和输入/输出电路中设置了多种滤波电路，用以对高频干扰信号进行有效
19、的抑制。3）对内部电源还采用了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保护供电质量。另外使输入输出接口电路电源彼此独立，以避免电源之间的干扰。4）内部设置了连锁、环境检测与诊断、watchdog（“看门狗” ）等电路，一旦发现故障或程序循环执行时间超过了警戒时钟（WDT）规定时间（预示程序进入了死循环） ，立即报警，以保证 CPU可靠运行。5）利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测，并采用信息保护和恢复措施。6）对用户程序及动态工作数据进行电池备份，以保障停电后有关状态或信息不丢失。7）采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，以适应工作现场的恶劣环境。8）以集成电路为基本元件，
20、内部处理过程不依赖于机械触点，以保障高可靠性。而采用循环扫描的工作循环方式，也提高了抗干扰能力。（2）控制系统结构简单，通用性强PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。（3）编程方便，易于使用PLC是面向用户的设备，PLC 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言现象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺的知识的人员都可在短时间内学会。（4）功能完善PLC的输出/输入功能完善，性能可靠，能够适应与任何形式和性质的开关量和模
21、拟量的输入/输出。在 PLC内部具有许多控制功能，诸如时序、计算机、主控继电器以及移位寄存器、中间寄存器等。由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时、锁存、比较、跳转、和强制 I/O等诸多功能，不仅具有逻辑功能、算术运算、数制转换、以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印、及报表生成等功能。常州工学院成人教育学院第 8 页 共 21 页（5）设计、施工、调试、的周期短用继电器接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。而采用 PLC控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅
22、需按性能、容量等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在 PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。（6）体积小，维护操作方便PLC体积小，质量轻，便于安装。PLC 的输入/输出系统能够直观的反映现场总线信号的变化状态，还能通过各种方式直观的反映控制系统的运行状态。（7）易于实现网络化PLC可连成功能很强的网络系统。（8）可实现三电一体化PLC将电控（逻辑控制） 、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。2.1.5 可编程控制器的主要功能（1） 条件控制功能条件控制（或称逻辑控制或顺序控
23、制）功能是指用 PLC的与、或、非指令取代继电器接触的串联、并联极其他各种逻辑连接，进行开关控制。（2） 定时/记数控制功能定时/记数控制功能指用 PLC提供的定时器、记数器指令实现对某种操作的定时或记数控制，以取代时间继电器和记数继电器。（3） 数据处理功能数据处理功能是指 PLC能进行数据传送、比较、移位、数制转换、算术运算、逻辑运算以及编码和译码等操作。（4） 步进控制功能步进控制功能是指用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能进行下一道工序操作的控制，以取代由硬件构成的步进控制器。（5） A/D与 D/A 转换功能A/D与 D/A 转换功能是指通过 A/D
24、、D/A 模块完成模拟量和数字量之间的转换。（6） 运动控制功能运动控制功能是指通过高速记数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴运动控制。（7） 过程控制功能过程控制功能是指通过 PLC的 PID控制指令或模块实现对温度、压力、速度、流量等物理参数的闭环控制。（8） 扩展功能基于 P L C 的全自动灌溉控制系统的设计第 9 页 共 21 页扩展功能是指通过连接输入输出扩展单元（即 I/O扩展单元）模块来增加输入输出点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高 PLC的控制功能。（9） 远程 I/O功能远程 I/O功能是指通过 I/O单元将分散在远距离的各种输入、输出设备与 PLC主机相连
25、接，进行远程控制，接收输入信号、传出输出信号。（10） 通信联网功能通信联网功能是指通过 PLC之间的联网、PLC 与上位机的链接等，实现远程 I/O控制或数据交换，以完成较大规模系统的复杂控制。（11） 监控功能监控功能是指 PLC能监视系统各部分的进行状态和进程，对系统中出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行；也可在线调整、修改控制程序中的定时器、记数器等设定值或强制 I/O状态。2.1.6 PLC 的基本结构目前 PLC种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。主要包括中央处理单元 C
26、PU、存储器 RAM和 ROM、输入输出接口电路、电源、I/O 扩展接口、外部设备接口等。其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。如图 2.1所示，PLC 控制系统由输入量PLC输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为 PLC的输入量，它们经 PLC外部输入端子，作为 PLC的输出量对外围设备进行各种控制。由此可见，PLC 的基本结构有控制部分输入和输出组成。图 2.1 PLC硬件结构图常州工学院成人教育学院第 10 页 共 21 页2.1.7 PLC 各部分的作用 (1) 中央处理器CPU是由控制器和运算器组成的。运算器也称为算术逻辑单元，它的功能就是进行算
27、术运算和逻辑运算。控制器的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊地工作，它的基本功能是从内存中取指令和执行指令。他的重要功能如下：1. 诊断 PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。2. 采集由现场输入装置送来的状态或数据，并送入 PLC的寄存器中。3.按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令，进行编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作。4.将存于寄存器中的处理结果送至输出端。5.应各种外部设备的工作请求。(2) 存储器PLC的存储器分为两大部分：一大部分是系统存储器，用来存放系统管理程序、监控程序及其系统内部数据。二大部分是用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存
28、储区。(3) 输入输出接口电路PLC通过输入输出（I/O）接口电路实现与外围设备的连接。输入接口通过 PLC的输入端子接受现场输入设备的控制信号，并将这些信号转换成 CPU所能接受和处理的数字信号。(4) 电源PLC的电源是指将外部输入的交流电经过整流、滤波、稳压等处理后转换成满足PLC的 CPU、存储器、输入输出接口等内部电路工作所需要的直流电源电路或电源模块。(5) 输入输出 I/O扩展接口若主机单元的 I/O点数不能满足输入输出点数需要时，可通过此接口用扁平电缆线将 I/O扩展单元与主机单元相连接。(6) PLC的基本工作原理PLC采用的是循环扫描工作方式。对每个程序，CPU 从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。PLC 的扫描全过程如图 2.2所示。
