毕业设计采用PLC控制方式来实现智能化施肥灌溉

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1、 1 绪 论 农业生产中，各种各样的农产业、蔬菜瓜果在生产过程中出现了很多不便和浪费，而智能化施肥灌溉控制系统设计通过实际应用带动生产。通过智能化施肥灌溉不仅能节水、节肥，还可以提高肥料利用率，同时智能化的作用让其更方便简单，减少不必要的劳动力损耗，和传统的施肥灌溉有很大的变化，综合作用更强、更可靠。施肥灌溉是将施肥与灌溉结合在一起的一种先进农业技术，它是通过压力灌溉系统，配合使用固体或液体肥料，从而产生含有作物营养需求的灌溉水进行施肥灌溉。1.1 智能化施肥灌溉的提出在当今社会中，农业的发展必不可少，所以降低损失提高产物量是迫在眉睫的。由于经济技术水平落后，很多农民浇地一般都采用大水漫灌，这

2、是一种落后的、粗放的灌溉方式，其缺点较多。一是浪费水严重；二是大量多余水渗入地下，导致地下水位升高，水蒸发量增大，作物产量下降；三是肥料流失严重。漫溉会使水累积在田地里面，不仅浪费水源还会导致作物窒息，许多供作物生长的有机成分溶入水中，渗入地下，造成肥料深层渗漏，让作物不能吸收所需原料。灌水量较多，致使灌溉成本升高，使有机肥料不被吸收浪费肥料，特别是在蓄水灌溉区域，浪费电力、人力更为突出，现在农业发展水平对施肥灌溉管理的要求,进一步证明农作物自动化控制施肥灌溉的必要性。本课题主要是对施肥灌溉及对营养液摄取的研究。 现在采用智能化施肥灌溉技术控制是一种简便易行的施肥灌溉方式，这种方式投入资金少，

3、见效快，简单易学还方便更好的灌溉施肥。以往的灌溉水每亩次灌水量高达7080立方米，比实际作物需水量高出40%左右。土壤是一个复杂的四维异质体，其中包含许多使植物养分失效的因子，无机化学肥料施入土壤后，只有部分养分被作物吸收，有的分子或离子以气态损失，有的则被土壤固定，有的则随地下水而流失污染了水源、河流和湖泊。不难想象，这种施肥灌溉方式不仅化肥利用率低造成环境污染，所浪费的肥料和水量也很庞大。 伴随近年来农业技术生产水平的发展，自动化控制是现代农业发展的必由之路。很多新农业的出现要求产量价值高、技术水平拓展，希望避免铺张浪费让先进技术带动生产。如何提高施肥灌溉的研发质量，缩短设计周期，降低研发

4、成本，借助计算机、PLC控制作为新的设计工具，来进行智能化施肥灌溉技术的研发，已成为此项技术控制设计工作人员密切关心和研讨的问题。1.2 施肥灌溉技术的历史、现状与发展趋势智能化施肥灌溉技术根据所需灌溉施肥的农产物不同，可以分为几类其目的都是将水源和肥料灌进农作物中。能使农作物获得所需的水分肥料补充，所以得到了农业生产行业中的广泛认可，相信在不久此项技术将会普遍得到农业行业的推广，农产业也将会上升一个阶段。在我国施肥灌溉技术的发展始于1974年，随着科学技术的推广，这种施肥灌溉技术在不断的发展进步。智能化施肥灌溉系统是通过PLC可编程控制器进行施肥灌溉，把农作物生长发育的两个基本因素水分和养分

5、相结合起来建立施肥和灌溉的技术系统。该技术从研发到投入生产使用都经历了一个漫长时期的推敲与考验，几经研究后，因其技术在农业生产中能节水、省肥、省工、高产、优质、高效、环保等优点成为现代农业技术的重要组成部分，在发达国家的农业生产中不可或缺。 1.2.1 施肥灌溉技术的历史 近30年来，智能化施肥灌溉技术在研制过程中采用PLC程序来控制可未是做到了精益求精。此项技术从历史发展至今大体经历了三个相对来说较重要的阶段：第一阶段（1974-1980年）：进行国内生产设备的研制，开展了相应的施肥灌溉应用试验。1980年我国第一代成套设备诞生。 第二阶段（1981-1996年）：引进国外先进工艺技术，设备

6、国产规模化生产基础逐渐形成。该技术由开始的小面积应用到较大面积的推广，试验研究已经取得了丰硕的成果，被农业生产的很多人认可。 第三阶段（1996年至今）：由于此技术的实用性，这种施肥灌溉技术的理论及技术的应用日趋被重视，很多地方根据各自的情况开展了技术研讨和技术培训班，施肥灌溉技术已在大面积推广。1.2.2 施肥灌溉技术的现状施肥灌溉作为一种新的模式，最适合于中国目前水资源缺乏的现状。近年来，中欧美地区的农产业变化较大。从欧美市场对施肥灌溉技术的需求状况来看当前国内外对施肥灌溉技术的研究也在抓紧。从2010年开始，中国西南部遭遇了特大干旱后农产业量已大幅度下降，2011年春季和夏季，季节的轮回

7、中国的北部以及周边多个地方，还有湖北、湖南、江西、安徽及长江中上下游素来以水乡著称的城市，又分别遭遇了2次特大干旱。中国最大的内湖鄱阳湖又干涸见底，田地干裂、庄稼几近颗粒无收，旱情越来越严重无不让人触目惊心。传统农业生产中采用的灌溉方式过于落后，输水渠道大部分是土渠，工程巨大和配套不全，利用率较少，当前我国农业用水的利用率只有少数40%，也就是说，农业用水的一半以上60%的水资源就被浪费掉了。在面对严重旱情的面前，农业中的节水和大力发展节水农业已经成为中国未来农业发展中的重中之重了。用PLC把施肥与灌溉相结合，水肥一体化新技术已作为一项革命性的措施，是解决我国农业的根本性措施。自2002年以来

8、，农业部把该技术引入到农产业蔬菜瓜果、果树等作物的栽培管理生产中，作为节水施肥灌溉发展的一个重要过程，并被公认为是当今世界上提高水肥资源利用率较高的最佳技术。从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对控制精度要求的不断提高，该控制技术也将迅速发展，当前采用基于PLC 的控制系统进行设计。1.2.3 施肥灌溉技术的发展趋势 当前，应农业需要社会开始参与和关注高效的施肥灌溉技术了。施肥灌溉的实质就是“适合灌溉施肥的肥料+正确科学的施肥方法+节约用水”，农业若能达到这样会有很好的的发展前景。而智能化施肥灌溉技术在施肥灌溉过程中，配合各个地区区域特征、气候特征及种子品种、耕作方法、施肥配套设备等

9、，全面开展这项系统工程，真正做到了“水从管来，肥随水走，省肥省水，均衡高效，作物品质好”的效果处理能力也较强。如果通过智能化施肥灌溉这套方法科学规范的操作，可以实现将市场上现有的优质复合肥和农民的设施结合起来，既降低成本，又能最大化提高肥料利用率。智能化施肥灌溉技术除了向大中地区发展之外，还向很多农业需求生产精良、可靠性良好、产量高及自动控制技术先进等方向发展，此外还拓宽领域，发展多用途的新设备。采用全自动的施肥灌溉、自主运行、plc计算机控制等，从而可适合远程操作。近年来除对农业要求较高的地区在重视这一类智能化施肥灌溉技术，还有很多小农家也在开始使用这一类智能化施肥灌溉技术，这表明智能化施肥

10、灌溉技术已相对成熟和稳定。其共同的技术特点是根据不同农业的种类、不同地区土质、不同生产要求向多样化发展，从而满足农业用户的需求。1.3 小结对智能化施肥灌溉提出、历史、现状、发展前景等进行了叙述。说明了在农业发展中，农业生产选择方式上，智能化施肥灌溉技术已超过传统生产方式的很多倍，优点较明显，便于生产操作。在不同的场合下，智能化施肥灌溉技术可以作为增产量的一种新设备，不仅高效还省时省力，而且能让投资少，使用在农产业生产时比传统的方便的多。2 智能化施肥灌溉控制系统介绍智能化施肥灌溉技术是针对现代设计栽培技术中的自动施肥灌溉系统进行研究与开发。该设备能达到自动施肥灌溉以及营养自动混合等功能。本章

11、针对一些相关内容进行介绍。2.1 智能化控制系统思想介绍2.2.1 PLC控制的思想理论PLC控制系统与通常的连续控制系统的差别在于：控制规律由计算机来实现。可以实现过去连续系统难以实现的更为复杂的控制规律。PLC控制系统理论主要包括连续模型及性能指标的离散化、性能指标函数的计算。采样控制系统的仿真、采样周期的选择、数字信号整量化效应的研究。 本设计是以PLC控制智能化施肥灌溉系统的，驱动系统运行的模型来模拟实现智能化施肥灌溉的过程。在整个运行过程中PLC为控制执行元件来驱动工作台运行，其传动部件为高精度丝杠传动。运行时PLC会接收和分析操作人员在命令键盘上的输入指令，做出合理的工作安排。即读

12、取执行元件的信息，通过软件做出合理的工控安排，反馈到执行元件和操作系统，实现智能化施肥灌溉。系统能够采集、监测、决策，本设计所应达到的具体功能如下：PLC根据命令实现自动施肥灌溉系统运行，运行结束后自动返回原点，等待下一个存放命令。当系统在运行的过程中发现其它意外等，可以点击急停按键，此时系统会立即停止运行并保持原位置。该系统可以看成三个主要理论领域的交叉或会合，即:人工智能 、运筹学 、控制理论。由于控制系统的工作环境比较恶劣，必须可靠性高，抗干扰性好，可跃期不间断运行；要求控制具有实时性。推广计算机先进技术普及应用的可编程序控制器(PLC) ，利用具有智能IO模块的PLC，将顺序控制和过程

13、控制结合起来，实现对生产过程的控制。广泛使用智能调节器，不仅可以接受420mA电流信号，还具有异步串行通讯接口，可与上位机连成主从式测控网络。采用先进网络通讯技术为基础的控制结构，并采用先进的控制策略，向低成本综合自动化系统的方向发展，实现系统的控制。 2.2.2系统的特点通过对系统时间或土壤水分的自动监测、采集、判断，实现施肥灌溉的自动化控制。智能化施肥灌溉由中央计算机、水泵、电磁阀、土壤水势传感器、pH酸碱度传感器、EC电导率传感器等组成的控制系统。智能化施肥灌溉试验区的组成和管线分布管采用中50钢管，其上端装1个电磁阀， 1个手动闸阀，这两个阀在整个试验基地中起分流作用，使水流进入施肥灌

14、溉试验区。同时对后面设备可起保护作用；设有节水中心控制室，室内放置一些试验仪器以及控制设备等。建一个试验站的泵房，泵房内是供水系统，装有水泵一台，实现对水泵、管道等设备恒压控制。其优点如下：1.可靠性高和可维修性好。 2.环境适应性强。 3.控制的实时性。 4.完善的输入输出通道。 5.丰富的软件。 6.适当的计算机精度和运算速度。2.2 系统的设计思路及其原理2.2.1 设计思路罐里的高浓度肥液经过初级过滤器由施肥泵注入到灌溉主水管道中，但进入主水管道之前须通过精密过滤器进行二级过滤过滤器自动反冲洗有两种控制方式，一种为自动控制，一种为计算机手动控制。自动控制是利用差压开关监测过滤器进、出口

15、两端差压当过滤器由于堵塞。两端差压达到设定值时，立即中断当前的工作，对过滤器组依次进行反冲洗，冲洗时间长度可任意设定，冲洗完毕，恢复系统原来的运行状态。过滤器反冲洗手动控制：当认为过滤器需要反冲洗时，通过启动反冲洗程序界面上的启动键，随时可进行过滤器的反冲洗，冲洗方式与自动控制相同。 采用电导率测量仪检测主水管道中的肥液浓度，将检测得到的浓度值输入到PLC与设定值进行比较，根据差值信号来调节施肥量，使管道中的浓度值与设定值保持一致。酸碱度的调节与肥滚浓度调节类似在主水管道上安装设计的混肥器，使肥液与灌溉水充分混合。自动施肥灌溉控制系统是独立予灌溉系统之外的一个模块，安装、维护比较方便。 图2-

16、1 自动施肥灌溉系统结构图 2.2.2 工作原理 智能化施肥灌溉分为人工干预、定时定量、条件控制三种灌溉控制方式。不论哪一种控制方式，当达到灌溉开始条件时，先打开田间阀和主控阀，然后启动水泵，开始进行灌溉。计算机系统根据选定的配方和已设定好的营养液pH、EC值，利用注肥器进行水肥混合，同时在线实时监测混合营养液的pH、EC值，根据pH、EC设定值与检测值之间的偏差来调整混肥阀的注肥频率，在短时间内使营养液的检测值和设定值之差达到允许的范围内。当一组阀门灌溉结束时，打开下一组阀门，再关闭正在灌溉的阀门(水泵一直处于运行状态)。当所有需要灌溉的田间阀施肥灌溉完毕，先关闭水泵，再关闭主控阀和田间阀，

17、这样一个灌溉过程结束。 该系统的工作原理：开启总启动按扭后，定时器开始计时，到设定时间后电磁阀a打开，一台水泵工作，这时可进行施肥灌溉，随后一段时间内，电磁阀a和b同时工作。随后停止灌溉一段时间。之后重复这一过程，计数器计一次数。计若干次后停止。每天施肥灌溉时间可以设定，用计数器使系统自动循环。选用KMl、KM2为交流接触器，分别通过继电器连接到水泵a和水泵b。KMl、KM2组成顺序起动控制线路。水泵a起动后，水泵b才能起动。按下停止按钮sBl，两水泵同时停止。如遇到施肥量或土壤湿度达到一定的程度时，施肥量传感器或土壤湿度传感器给PLC信号，PLC程序使施肥灌溉停止并报警。程序见附录一。 2.

18、2.3 施肥灌溉系统概述 为实现综合环境控制的目标，自动施肥灌溉系统还具有控制其他环境因子的能力，如温度，CO2浓度、空气湿度等。水肥灌溉是将要施加给农作物的养分，形成高浓度的营养母液，在农作物需要施加营养液时，便可以将营养液混合到灌溉水中，再配以防止营养液碱性过高或者过低而添加酸或者碱。形成农作物需要的营养液，通过PLC灌溉系统网输送给农作物以实现施肥灌溉。当施肥灌溉时，其就在内部之间受到压力等力作用而开始灌溉，施肥与灌溉在一定程度下向外排出，完成了整个过程。智能化施肥灌溉系统，不同于传统的施肥灌溉方法，传统的施肥灌溉是直接用电动机把水灌溉到农田，让水自己渗透到土壤中或者是人工直接灌溉到农作

19、物上。采用PLC来控制时能充分考虑施肥灌溉方面所需的因素，灌溉方面：土壤质地、土壤含水量、灌溉上限、灌溉下限、土壤湿润比，降水量，作物需水量、作物需水规律等；施肥方面：土壤质地、土壤肥力水平、土壤速效养分，作物养分吸收规律、目标产量，有机肥施用量（老日光温室）、肥料品种、肥料利用律（养分施吸比）等； 图2-2 系统的设置画面 图2-3 施肥灌溉田间工作示意图2.3 控制要求 灌溉管网构成了施肥灌溉系统的骨架，灌溉区是为特定需求而将施肥灌溉系统划分的不同灌溉单元。施肥灌溉系统可以是由一个泵和一个主管道及几个支管、阀门构成的简单的系统，也可能是由很多个泵或泵站和很多个主管及很多个灌溉区构成的复杂的

20、灌溉系统，还可能是由许多个独立的简单灌溉系统构成多灌溉系统。这就要求灌溉控制系统具有最大灵活性和兼容性，既可以控制简单的灌溉系统，又可以满足复杂的系统或不同系统构成的施肥灌溉网络的控制要求。 智能化施肥灌溉系统要能够满足不同水源条件，可以调控不同施肥灌溉设计所要求的压力和灌水流量。采用群井控制、多级泵站控制、不同流量自动调节控制，压力自动调节等不同类型的过滤系统自动反冲洗控制。由多个灌溉管网控制程序，根据实际情况应用这些程序组合为不同要求的灌溉系统；再由各个分区控制程序，每个分区可以是一个独立的系统，也可以是系统的一部分。3 施肥灌溉系统的结构和硬件选择3.1 系统的结构3.1.1 系统的基本

21、构成智能化施肥灌溉控制系统的构成：计算机- 不同通讯方式 -可编程控制器-控制电缆或无线电 -田间控制单元- 控制命令管或电缆 -灌溉阀门 1.计算机：用于与控制器进行实时通讯，提供操作简单的动态运行界面，数据信息长期存储，作为网络化控制的服务中心。 2.可编程控制器：可编程自动控制器是整个自动控制系统的核心部分，相当于整个控制系统的“大脑”。它执行整个施肥灌溉系统程序的运行和操作，数据的采集存储，系统的报警监控等。 3.田间电动控制阀门：通过控制电缆连接到可编程控制器，根据可编程控制器上设置的施肥灌溉程序自动执行来自控制器的命令，实现灌溉的自动启动和关闭。 4.自动施肥系统：根据不同的配方施

22、肥要求在可编程控制器上设置相应的施肥程序，通过施肥泵、电动脉冲式施肥泵或其他肥料注射装置，自动地向施肥灌溉系统按比例均匀施加肥料溶液。通过这种自动施肥系统能够实现精确可控的施肥灌溉一体化的灌溉方式，从而达到真正的水肥耦合效应，大大提高水肥利用效率，充分满足作物生长需要。 5.自动控制配电箱：用于施肥灌溉控制系统中的控制终端设备，如水泵，电机等设备的自动化控制。 6.不同规格的控制电缆：控制命令和数据信号的传输工具，用于连接自动控制系统内部的所有构成设备。 7.无线电发送接受装置：专业化设计的无线控制模块，用于无线控制模式。 8.供电电源稳压装置和雷电保护装置：自动灌溉施肥控制系统为可编程控制器

23、和各个控制输出设备配备了先进的电源稳压装置和雷电保护装置，尽可能减少对控制系统的影响，以便于控制系统能够在恶劣的环境条件下正常地运行。 9.传感或信号输入设备：系统用于监控灌溉系统运行状况的传感设备，提供控制条件或运行数据的传感器或信号输入设备。3.1.2 系统的控制模式由于农田灌溉系统的地形、布局、规模大小等因素的影响，控制系统应该具有满足不同条件的控制连接模式，使自动化控制能够简单、经济、有效地实现。该控制系统提供了三种控制连接模式： 多电缆连接控制模式：最普通的控制模式，系统中每一个控制设备需要通过一根独立的控制电缆接入控制器。适用于距离短，连接无障碍的情况。 单电缆连接远程控制模式：通

24、过同一根电缆可以连接64个远程控制单元，每一个远程控制单元安装在距离控制设备较近的地方来控制设备的运行。适用于控制设备距离远，分布不规则的系统。无线远程控制模式：通过无线电通讯将远程控制单元连接起来，每个无线远程控制单元安装在距离控制设备较近的地方来控制设备的运行。适用于有电缆铺设障碍的情况。图3-1 无线远程控制模式3.2 系统的主要设备及规格3.2.1 主要设备介绍 系统的主要控制设备及功能介绍如下： 报警输出设备，当出现灌溉施肥运行错误时，系统自动停止或报警；过滤器，能反冲洗操作；泵，用以运行注肥器以及将营养液注入灌水管道；管道压力保护设备，用于检测灌溉压力的水压进行保护；逻辑控制条件，

25、包括终端连接端子的电动控制配电柜；灌溉管道，灌溉系统进水和出水所需要的灌水管道；通用计量表，根据预先设置的作物用量保证了精确的肥料施用量；施肥中心，用户可以通过控制器键盘或中心计算机在控制器上直接进行灌溉施肥程序的设计；传感器，可实现依据土壤湿度，蒸发量，降雨和太阳辐射自动调节和控制灌溉施肥；监测单元，用来与控制器相连的输出信号转换发送装置，包括一个大的液晶显示器，电流绝缘隔离装置，以及一个用于快速、简便校定的键盘。 表3.1 主要设备类型和数量灌溉控制设备每个控制器允许的最大数量 灌溉输水管道70 灌溉主阀门 70 灌溉阀门100 灌溉区域100 水表20 虚拟水表30 肥料泵30 肥料表1

26、0 施肥中心30 水泵4 水泵组/泵站15 过滤器20 过滤器站15 传感器20 报警输出设备20 监测单元15 气象站5 管道压力保护设备15 通用计量表15 逻辑控制条件203.2.2 控制器的规格机 罩：由坚固的,可抵抗恶劣气候的强化塑料制成尺 寸: 高-365 mm 宽-150 mm 厚-270 mm重 量: 4.0 公斤系统控制输入: 具有8-200 个“开-关”型数字输入接口系统控制输出: 具有8-256 个开关量输出接口, 可连接电磁阀或继电器传感器输入： 8-256 个传感器接入容量电源: 110 伏或230 伏交流电, 功率80-100 瓦.数据备份: 控制器主板上固化式的只

27、读内存可以存储、备份数据，由1枚锂电池 为其提供工作电源, 锂电池最低使用寿命为5 年.显示器: 字符型液晶显示器, 双行显示，每行24 字符。用户使用界面: 包含23个按键的输入键盘和内置显示器，同时可以连接电脑使用 动态图形显示界面。 3.3PLC的基本结构（1）电源本系统需要的电源有两种，即：交流24V50Hz，为电磁阀和继电器供电；直流24V对土壤水分传感器、采集模块、输出模块和通信模块供电。为给系统提供稳定可靠的工作电压，对于交流24V电源选择控制变压器，而直流24V电源则选用线性开关电源。其输入电压可为110220380V，输出为24VDC，3A。 图3-2 供电电源此外，为保护系

28、统硬件设备不易被损坏，在系统总输入电源前加一个单相高精度全自动交流稳压器TND1000VA，具有延时、过压、欠压及过流等保护功能。该稳压器对交流220V电源可控制精度在3以内，提高了系统的可靠性和安全性。选择了一个中间继电器，在P24、FW端子之间连接一对常开开关触点，通过对继电器的电磁线圈通电，断电，即可控制变频器启，停。(2)中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的

29、状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行(3)采集模块土壤水分传感器的输出是电压信号，但计算机并不能直接识别模拟信号，必须经过模拟量输入通道，将模拟信号转换成数字信号，才能被计算机接收。为提高系统的采集速度、精度以及可靠性，并缩短开发周期，选用了远程模拟量输入模块，有差分信号输入，分辨率高，精度准确、支持通信接口。另外这个模块还要设计特殊的过电压和防静

30、电破坏的保护电路。采集模块管脚接法如图3-3所示。图3-3 采集模块管脚接法图(4)输入输出模块计算机输出的信号是数字信号，不能直接控制电磁阀和继电器(控制变频器)，因此选择了继电器输出模块。其具有常开继电器输出，基于总线接口与计算机通信，输出量直接控制电磁阀和继电器动作。包括模拟量输入(AI)通道、模拟量输出(AO)通道、数字量(或开关量)输入(DI)通道、数字量(或开关量)输出(DO)通道。一是将生产过程的信号变换成主机能够接受和识别的代码；二是将主机输出的控制命令和数据，经变换后作为执行机构或电气开关的控制信号。 (5)控制电路本系统需要控制的设备包括电磁阀、继电器。这种通过硬件真接手动

31、使控制回路接通的方式，就称之为“硬手动”模式。通过上位机决策软件自动产生的控制指令，控制模块开关闭合断开，对系统达到自动控制目的的方式称为“自动”控制模式。(6)通信模块本系统的通信网络采用总线方式用平衡传输技术，允许多个设备“挂”接在总线上，具有通信可靠性高，传输距离远的特点。为采集模块、输入输出模块与计算机提供通信接口。整个系统的是通过土壤水分传感器感测现场的土壤含水量，传感器输出的模拟电信号经AD模块采集后将数据上传到计算机，计算机再将数据进行计算处理，进行灌溉决策，产生灌溉指令并输出控制信号，再通过DO模块控制执行机构，从而实现自动施肥灌溉控制。系统配置如下图所示：图3-4系统配置图器

32、件的配置如表3.1所示。 表3.1 主要配置序号名称规格及型号数量1CPU6ES7 314-6CF00-0AB01块2RAM卡6ES7 952-1AK00-0AA01块3PS3076ES7 307-1EA00-0AA04块4以太网模块6ES7 343-1EX30-0XE01块5接口模块6ES7 153-1AA03-0XB04块6DI模块6ES7 321-1BL00-0AA06块7DO模块6ES7 322-1BL00-0AA04块8AI模块6ES7 331-7KF02-0AB08块9总线连接器6ES7 972-0BA12-0XA05块10开关电源PS307-5A3块11彩色显示器PHLIP 21

33、2台12系统软件WIN2000+SP41套13开发软件WINCC6.01套14运行软件WINCC6.02套15编程软件STEP71套16UPS电源10KVA1台17操作台2台18PLC柜5台19现场仪表箱5台3.4系统的硬件组成 系统中的模拟量分为单端和双端两种，其中流量、pH和EC传感器模拟信号为双端，土壤水势传感器信号为单端。单端和双端可通过HY-6070采集卡上跳线进行选择。电子控制单元控制电磁继电器的打开或关闭状态，实现水泵和电磁阀门的ON/OFF操作。每片占用一个I/O地址，可控制8个通道。通过输出操作每个I/O地址和数字量输出寄存器，可以逐个改变每个通道的输出状态。硬件包括主机板:

34、CPU、RAM、ROM等进行数值计算、逻辑判断、数据处理。此外还有以下几部分: (1)计算机 计算机用来控制施肥灌溉要求很高，要能对施肥灌溉信息进行统计、查询、打印，必须具有可靠性高、抗干扰性强、可长期不问断运行等优点，系统运行状态有动态显示功能； (2)传感器 传感器有通断选择及校正功能，系统采用XR61-TDR2的型号； 如下图所示：图3-5 测土壤水分传感器 (3)电磁阀 利用正负电压来控制阀的开启和关闭的。要有省电，消耗能量少的优点线路供电适合于交直流供电的电磁阀，电池供电适合于脉冲控制的电磁阀。其中交流和直流控制一般都采用24伏，接线不分正负。(4)水泵 水泵电机运转需要三相AC38

35、0V，50Hz电源供电。在水泵的三相电源前接一台变频器，由控制端子控制启，停先将变频器控制方式设为端子方式，再短接变频器的P24、FW端子，即可启动变频器。 3.5 硬件设计 系统控制硬件选用进口的PLC和触摸屏，执行机构为进口的电磁阀、水泵，保证了系统的可靠性和稳定性。系统关键设备如自冲洗过滤器、注肥器、pHEC监测仪实现了国产化，降低了系统造价，该系统价格比同类进口产品低40左右。根据系统的规模、控制对象的特点和技术要求，采用计算机集中控制方式。为满足系统功能，保证系统的可靠性和稳定性，降低整套系的统的造价，在硬件选型时采用中央控制器。系统硬件组成包括组态软件，服务器，HUB集线器，网卡。

36、系统运行时，先对流量参数进行采集，经A/D数据处理器进行采集送到CPU进行数据处理，同时把计算机数据和命令传送给泵和阀门进行控制，实现智能化施肥和灌溉的目的。 3.5.1西门子S7-300S7-300系列其系统由基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等构成。西门子S7-300包括数字量输入、输出模块；模拟量输入、输出模块以外。另外还有高数计数器模块，以太网通讯模块，串口通讯模块，分布式I/O（ET200M）等，数字量输入一般用于阀门，闸门，位置量的开关到位反馈，数字量的输出一般用于阀门，闸门等开关控制，当然这里的阀门和闸门是指非调节型的，而模拟量输入可以用于可调节型阀门闸门的开

37、度反馈，以及向液位，流量，速度等模拟量值的反馈，而输出则是对上述进行控制。本论文采用的是CUP314-2DP.3.5.2热电偶热电偶是一种感温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标 准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标 准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。本文采用EM231型号的热电偶。3.5.3PLC模拟量输入模块传感器检测到温度转换成041mv的电压信号，系统需要配置

38、模拟量输入模块把电压信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。在这里，我们选用了西门子EM231 4TC模拟量输入模块。EM231热电偶模块提供一个方便的，隔离的接口，用于七种热电偶类型：J、K、E、N、S、T和R型，它也允许连接微小的模拟量信号(80mV范围)，所有连到模块上的热电偶必须是相同类型，且最好使用带屏蔽的热电偶传感器。 EM231模块需要用户通过DIP开关进行选择的有：热电偶的类型、断线检查、测量单位、冷端补偿和开路故障方向，用户可以很方便地通过位于模块下部的组 态DIP开关进行以上选择。本设计采用的是K型热电偶，结合其他的需要，我们设置DIP开关设置起作用，用户需要给PLC的电

39、源断电再通电。3.5.4IO硬件设施对于不同的IO硬件设施，需通过组态为其配置相应的通信驱动程序，即可实现VO设备与组态系统之间的通信，从而使通讯程序和组态构成一个完整的系统。这种IO驱动方式既保证了运行系统的高效率，也使系统能够达到很大的规模，并且易于维护。 图3-6 I/O接线原理图3.6 PLC的简介可编程控制器是一种工业控制计算机，英文全称：Programmable Controller，为了和个人计算机(PC)区分，一般称其为PLC。可编程控制器(PLC)是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动化装置。其性能优越，已被广泛地应用于工业控制的各个领域。20世纪60年代，计算

40、机技术开始应用于工业控制领域，但由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大，未能在工业领域中获得推广。1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台可编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。自可编程控制器问世以来，发展极为迅速。如今，世界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产可编程控制器。可编程控制器从诞生到现在经历了四次更新换代，第一代1位处理器，逻辑控制功能；第二代8位处理器及存储器，产品系列化；第三代高性能8位微处理器及位片式微处理器,处理速度提高，向多功能及联网通信发展;第四代16位、32位微处理器及高性能位片式微处理器，逻辑、运动、数据处理、联网功能的多功能。可编程控

41、制器（PLC）具有抗干扰能力强，价格便宜， 可靠性强，编程简单，易学易用等特点，在很多领域中深受工程操作人员的喜欢。目前在控制领域中，逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，这已占统治地位。结构简单、稳定性好，使用中不必弄清系统的数学模型，已成为控制领域的常青树。3.7 PLC硬件组态组态的主要工作是完成硬件型号参数设置、通讯模式选择、设定总线地址、传输方式、数据通讯方式等。使用西门子PLC专用编程软件STEP 7进行组态。双击Windows桌面上的SIMATIC管理器图标或通过Windows的“开始” SIMATICSIMATIC Manager菜单命令启动SIMATIC管理器，如果向导没有自

42、动启动，请选择菜单命令FileNew Project Wizard来启动向导。 图3-7 启动窗口 按照向导界面提示，单击Next按钮转到下一个对话框。选择的CPU型号为CPU314C-2 DP，选择MPI地址的默认设置2.每个CPU都有一些特性，为了使CPU与编程设备或PC之间进行通信，需要设置MPI地址。单击Next按钮确认设置，进入下一个对话框。图3-8 选择CPU型号如下图所示界面中，选择需要生成的逻辑块，至少需要生成作为主程序的组织块OB1。选择组织块OB1，OB1代表最高的编程层次，它负责组织S7程序中的其他块。选择一种编程语言：梯形图（LAD）、语句表（STL）或功能块图（FBD

43、），也可以在以后重新改变编程语言。单击NEXT按钮确认设置，进入下一个对话框。在出现的对话框Project Name域中双击选中默认的名称，或者输入新的项目名称。单击Make按钮生成项目。当单击Make按钮时，将一同打开SIMATIC管理器和刚刚创建的项目窗口。从这里可以启动所有的STEP 7功能和窗口。图3-7 生成逻辑块在组件视图中选择 SIMATIC 300 站，然后选择“编辑”(Edit) “打开对象”(Open object)命令。将打开 HW Config。如果硬件目录不可见，请选择“视图”(View) “目录”(Catalog) 命令。步骤如下：1.打开硬件目录中的“PROFIB

44、US DP”文件夹。2.打开“ET 200M”文件夹并选择“IM 153-1”模块。将该模块拖放到“DP 主站 系统”(DP master system) 总线。3.打开“属性 - PROFIBUS 接口 IM 153-1”(Properties - PROFIBUS interfaceIM 153-1)。单击“确定”(OK)。单击硬件目录中“IM 153-1”文件夹左侧的加号。4.打开“AI-300”文件夹。将“SM 331 AI8x12Bit”模块 (6ES7 331-7KF01-0AB0) 拖放到IM 153-1 组态表底部的插槽 4 上。关闭“AI-300”文件夹。5.打开“AO-30

45、0”文件夹。将“SM 332 AO2x12Bit”模块（6ES7 332-5HB01-0AB0） 拖放到IM 153-1 组态表底部的插槽 5 上。6.关闭“AO-300”文件夹。7.打开“DI-300”文件夹。将“DI16xDC24V”模块（6ES7 321-1BH02-0AA0）拖 放到IM 153-1 组态表底部的插槽 6 上。8.关闭“DI-300”文件夹。9.打开“DO-300”文件夹。将“SM 322 DO8xDC24V/2A”模块（6ES7 322-1BF01-0AA0） 拖放到 IM 153-2 组态表底部的插槽 7 上。 10. 关闭“DO-300”文件夹。 图3-8 组态结

46、构图4智能化施肥灌溉技术的软件设计 为了提高软件系统的可靠性、缩短开发周期以及降低设计界面的难度。在对智能化施肥灌溉控制系统软件的开发采用了自动化通用组态软件，其特点是功能强大，操作简便，界面美观，并且支持国内外流行的1500多种硬件设备。4.1软件设备组成及设计 4.1.1 软件的组成编程软件是基于Windows的应用软件，是西门子公司专门为PLC系列设计开发的。该软件功能强大，界面友好，并有方便的联机功能。用户可以利用该软件开发程序，也可以实现监控用户程序的执行状态，该软件是西门子S7-300。 (1)系统软件 系统软件包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序。嵌入式实时多任务操作系

47、统VRTXOS，除了实时多任务操作系统以外，也常常使用MSDOS和Windows等系统软件。 (2)支持软件 支持软件包括汇编语言、高级语言、编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程序等。 (3)应用软件 应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和管理程序。它包括过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、打印显示程序和公共子程序等。 4.1.2软件的设计该系统分为自动控制模式和手动控制模式。分别由一个总开关控制和单按钮开关控制。自动控制模式：使用前，先设定施肥灌溉时间，间隔时间、循环次数，如不作设定，则系统按默认值工作。开机后，选择控制模式，即可以让系统在无人值守下工作。当降雨量达到一定

48、值，或土壤中水充足时，或供水水管断流时，系统会发出声光信号，提醒操作人员。这时可以按下“消音”按钮以解除铃响。直到情况消除，指示灯才停止亮，系统继续运行。手动控制模式：在有特殊要求和检修系统时使用该模式。系统由人工选择自动还是手动。当选择了自动执行，首先检查程序的时间设定。如有错，应检查电磁阀是否打开，设定时间有无错误。如设定值正确，程序将往下执行，当灌溉过程中遇到下雨或断水等情况，便会发生报警，等待报警消音后，方可以继续向下进行，直到程序结束。程序用自锁电路防止接点误动作。断电保护可用PLC的记忆功能加以解决。系统设计流程图如下： 图4-1 系统流程图4.1.3软件的实现 在开始安装的时候是

49、选择语言界面，有的版本没有选择中文的，但可以先选择其他语言，软件安装好之后可以进行语言的切换。在安装的最后，会出现一个界面，按照硬件的配置，我们需要用信电缆，采用通信方式，这个时候在弹出来的窗口中选择端口地址，通信模式，一般选择默认就可以了。如果想改变编程界面的语言，可在软件的主界面的工具栏中选择tools目录下选择option选项，在出现的界面中选择general,然后在右下角就可以选择中文了。系统块用来设置CPU的系统选项和参数等，系统块更改后需要下载到CPU中，新的设置才能生效。需要注意的是，PLC的地址默认是2，但本设计中需要用到的地址是1。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速

50、度执行三个阶段。具体过程如下： 三个阶段输入采样阶段用户程序执行阶段输出刷新阶段 图4-2 系统运行三阶段（1） 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应单元内，输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的数据和状态也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 （2） 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先

51、扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按照先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 （3） 输出刷新阶段 当用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，在经输出电路驱动相应的外设。这时才是PLC真正的输出。 经过现场工程运行考验，现已成为可选用的I/O设备驱动程序。所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外部电路与PLC内部电

52、路之间电气上隔离，使其安全工作。各输入端均采用RC滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms；各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。采用性能优良的开关电源。一旦电源或其他硬件等设备发生异常情况，CPU立即采用有效的措施，以防止故障扩大。PLC可以针对不同的工业现场信号有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备。然后进行预施肥灌溉的阀门分组设置和如何施肥的施肥配方设置。智能化施肥灌溉系统通电后，输入正确的密码后方可进入系统初始的系统主画面选择设置。 图4-3 施肥灌溉系统用户登录界面4.2PLC与变频器的控制过程 根据控制系统具体功能要求以及为优化控制输出，设计出智能化施肥灌溉的主程序流程图，见图4

53、-4所示。在生产过程中，存在大量的物理量，如压力、温度、流量等模拟量参数。需要通过PLC对这些参数进行实时采集和处理；需要变频器与外界交换信息的接口，除了主电路的输入与输出接线端外，控制电路还设有许多输入输出端子，另有通信接口及一个操作面板，功能码的修订一般就通过操作面板完成。同PLC一样，变频器是一种可编程的电气设备。在变频器接入电路工作前，要根据通用变频器的实际应用修定变频器的功能码。功能码一般有数十甚至上百条，涉及调速操作端口指定、频率变化范围、力矩控制、系统保护等各个方面。功能码在出厂时已按默认值存储。图4-4 软件控制流程图4.3总体布局设计经对系统整体分析与规划，设计了一个电气控制

54、柜。这里对其相关电气参数等不作介绍。其面板布局与柜内元器件设计如图所示。 图4-5 面板布局设计图图4-6 控制系统的电气控制柜实物图4.4 参数的设置原在一般工作条件下，施肥泵的流量为300 Lh，流速V=006 ms取管道直径D=40 l砌，计算出管道的总长度1=15 m，水的动力黏性系数v=0110一ms，Re=2 400根据莫迪图，可知管道沿程损失阻力为003，管道沿程压力损失为0037 kPa在自动施肥控制系统中，管路系统有出、入口直径相同的5个90。弯头，2个三通，一个单向阀，根据管道局部压力和损失诺模图，可知90。弯头的局部压力损失为32 kPa，三通的局部压力损失为069kPa

55、，单向阀的压力损失为2838 kPa，因此局部压力损失为028 kP乱在自动施肥控制系统中，其管道系统的总体压力损失为428 kPa，整个施肥装置管道的压力损失较小，结构更优化。 保护地土壤养分含量分级参考指标150- 250-400 400，日光照射及施用有机肥料量多质高的情况下，在作物需要的总养分量中应扣除当年施用的有机肥料带入的养分量。根据了解，有机肥料中N、P2O5 、K2O的利用率，在华北地区保护地栽培条件下可以分别以20%、25%和40%计算；根据地区三者的利用率分别为15、15、30上下波动。作为有机肥料直接还田时，不但不能扣除作物中的养分，还应根据秸秆还田的数量增施一定量的氮肥

56、。灌水定额公式：I=0.1*(max-0)*r*p*H/I =灌水定额(mm)max =作物土壤含水量上限,以重量百分%计;0=灌前土壤含水量,作物土壤含水量下限,以重量百分%计;r =土壤容重(g/cm3);p=土壤湿润比；H =计划土层湿润深度(cm);=微灌水的利用系数,取=0.950.98。肥料配制公式 设拟配制某种作物某种时期微灌用肥，应配出的N、P2O5、K2O纯养分量分别为A0、B0、C0，采用两种以上基础肥料配制，它们N、P2O5 、K2O的百分含量分别是：基础肥料1：a1、b1、c1基础肥料2：a2、b2、c2基础肥料3：a3、b3、c3 设三种基础肥料的用量分别是X、Y、Z

57、，可通过下列方程组解出X、Y、Z。A0 = a1 X/100 + a2 Y/100 + a3 Z/100B0 = b1 X/100 + b2 Y/100 + b3 Z/100C0 = c1 X/100 + c2 Y/100 + c3 Z/100本适用于农业区施肥灌溉制度。表层水分容易散失，作物易受旱，pH为8 、有机质含量12.8mg/kg、碱解氮含量51.4 mg/kg、有效磷含量8.8 mg/kg、速效钾含量170 mg/kg。年降雨量40mm，蒸发量为2486mm。冬前灌水220 m3/亩。基肥亩施农家肥40005000 kg，磷酸二铵1825 kg，尿素35kg，硫酸钾8 kg。施肥灌

58、溉中氮肥使用尿素，絮期追施磷酸二氢钾。密度为每亩1.11.3万株，籽棉目标产量350400 kg/亩。 5系统的安装调试及运行 智能化施肥灌溉控制系统采用了当今社会最先进的PLC软件技术，利用软件为用户开发，直观易懂。能够实时，连续地将整个施肥灌溉系统的生产，运行情况集中显示，并进行记录，分析，以及实现故障排查等实际有效的功能。出于设备和人员的安全考虑，自动控制系统能够根据所收集的信息确定泵房内的灌溉设备的运行状况良好与否。对于超出安全标准或工艺要求的数据要设置报警功能，并且要按照即定的操作规程尽可能快速的采取措施，排除故障或危险，或恢复系统正常运行。从准备安装开始到调试验收结束的全过程中都应

59、对这些方面的因素加以监控，以确保设备质量。 5.1设备的安装大力推进我区测土配方施肥项目，提高土壤样品化验速度和效率，同时为加大农业生产监管力度，加快农业生产监督抽查样品检验测试，采用新型自动化技术完成安装投入使用。设备安装的具体工作包括设备到货验收，设备基础准备和基础检验。为了使本系统可以在软件配置不同的环境下经过简单的配置就能立即使用，本系统提供了一个简易安装程序。它可以根据用户的输入将数据库连接的参数写入到文件中，以供程序调用：并可以自动建立数据库中的数据表。5.1.1安装前的准备工作首先要明确接口中各引脚的定义，确定设备所使用的通讯速度、数据格式以及通讯字符串格式等与数字仪表内部定义的

60、是否一致。如果存在参数不一致，安装前必须先通过设备自带的设置软件将传感器的通讯波特率和数据格式设置与运行一致。有些具有开机自动检测和设置通讯参数的功能，直接将设备参数确定。5.1.2传感器滤波 智能化施肥灌溉技术采用的传感器一般用计算机配专用软件直接输出信号，设备和传感器，接口连接安装调试的关键。传感器自身滤波强度的设置没有一个固定的标准，一般能满足现场使用要求即可。根据现场经验，一般传感器设置在4级以下(0.5Hz以上)，如果没有条件修改传感器滤波强度，当使用中发现传感器数据反应过慢时或稳定性差时，也可以通过降低或提高仪表滤波强度方式来达到同样的效果。传感器地址最好依照安装次序由小到大编码，

61、每个传感器设置完毕后，最好在传感器醒目位置及与接线盒的接口端做出明显的标识，便于后续的安装和连接。传感器一般均采用通讯方式接口，但由于使用习惯和设计习惯等差异，这中间又存两线制和四线制接口方式的差异，连接时需要加以区分。两线制的接口属于我们常规使用中见的最多的一种方式，传感器输出总共5根线，分别为：屏蔽在外界干扰电线、电源正、地(GND)、接收正/发送正(A/T+)和接收负/发送负。5.1.3设置通讯地址安装设备通讯地址，有人会习惯于安装完毕后再进行。为了方便后期安装调试工作，建议最好在安装前完成此项工作。设置操作即可使用有些自带的软件，也可使用提供的通讯地址设置功能来完成。对此没有统一要求，用户可根据现场条件选择。强烈建议不要使用在两线制接口的设备上，否则会出现数据通讯故障。注意，无论哪种接线方式，接线时首先一定要确保电源线连接正确，尤其在整个安装完毕后通电调试前，一定要仔细核对和检查电源线接线的正确性，否则极易造成设备内部电路损坏。5.1.4设备安装策划的管理过程 审核设备安装所依据的技术标准及验收规范。审核业绩承包商制定的设备安装技术方案和安装措施，审核其经济合理性、技术可行性、安全可靠性，并提