畢業(yè)設(shè)計(jì)---采用plc控制方式來實(shí)現(xiàn)智能化施肥灌溉

1、<p><b>　　1 緒 論</b></p><p>　　農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，各種各樣的農(nóng)產(chǎn)業(yè)、蔬菜瓜果在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了很多不便和浪費(fèi)，而智能化施肥灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過實(shí)際應(yīng)用帶動(dòng)生產(chǎn)。通過智能化施肥灌溉不僅能節(jié)水、節(jié)肥，還可以提高肥料利用率，同時(shí)智能化的作用讓其更方便簡單，減少不必要的勞動(dòng)力損耗，和傳統(tǒng)的施肥灌溉有很大的變化，綜合作用更強(qiáng)、更可靠。施肥灌溉是將施肥與灌溉結(jié)合在一起

2、的一種先進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù)，它是通過壓力灌溉系統(tǒng)，配合使用固體或液體肥料，從而產(chǎn)生含有作物營養(yǎng)需求的灌溉水進(jìn)行施肥灌溉。</p><p>　　1.1 智能化施肥灌溉的提出</p><p>　　在當(dāng)今社會(huì)中，農(nóng)業(yè)的發(fā)展必不可少，所以降低損失提高產(chǎn)物量是迫在眉睫的。由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平落后，很多農(nóng)民澆地一般都采用大水漫灌，這是一種落后的、粗放的灌溉方式，其缺點(diǎn)較多。一是浪費(fèi)水嚴(yán)重；二是大量多余水滲入地下

3、，導(dǎo)致地下水位升高，水蒸發(fā)量增大，作物產(chǎn)量下降；三是肥料流失嚴(yán)重。漫溉會(huì)使水累積在田地里面，不僅浪費(fèi)水源還會(huì)導(dǎo)致作物窒息，許多供作物生長的有機(jī)成分溶入水中，滲入地下，造成肥料深層滲漏，讓作物不能吸收所需原料。灌水量較多，致使灌溉成本升高，使有機(jī)肥料不被吸收浪費(fèi)肥料，特別是在蓄水灌溉區(qū)域，浪費(fèi)電力、人力更為突出，現(xiàn)在農(nóng)業(yè)發(fā)展水平對施肥灌溉管理的要求,進(jìn)一步證明農(nóng)作物自動(dòng)化控制施肥灌溉的必要性。本課題主要是對施肥灌溉及對營養(yǎng)液攝取的研究。&

4、lt;/p><p>　　現(xiàn)在采用智能化施肥灌溉技術(shù)控制是一種簡便易行的施肥灌溉方式，這種方式投入資金少，見效快，簡單易學(xué)還方便更好的灌溉施肥。以往的灌溉水每畝次灌水量高達(dá)70～80立方米，比實(shí)際作物需水量高出40%左右。土壤是一個(gè)復(fù)雜的四維異質(zhì)體，其中包含許多使植物養(yǎng)分失效的因子，無機(jī)化學(xué)肥料施入土壤后，只有部分養(yǎng)分被作物吸收，有的分子或離子以氣態(tài)損失，有的則被土壤固定，有的則隨地下水而流失污染了水源、河流和湖泊。不

5、難想象，這種施肥灌溉方式不僅化肥利用率低造成環(huán)境污染，所浪費(fèi)的肥料和水量也很龐大。</p><p>　　伴隨近年來農(nóng)業(yè)技術(shù)生產(chǎn)水平的發(fā)展，自動(dòng)化控制是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路。很多新農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)要求產(chǎn)量價(jià)值高、技術(shù)水平拓展，希望避免鋪張浪費(fèi)讓先進(jìn)技術(shù)帶動(dòng)生產(chǎn)。如何提高施肥灌溉的研發(fā)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期，降低研發(fā)成本，借助計(jì)算機(jī)、PLC控制作為新的設(shè)計(jì)工具，來進(jìn)行智能化施肥灌溉技術(shù)的研發(fā)，已成為此項(xiàng)技術(shù)控制設(shè)計(jì)工作人員密

6、切關(guān)心和研討的問題。</p><p>　　1.2 施肥灌溉技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢</p><p>　　智能化施肥灌溉技術(shù)根據(jù)所需灌溉施肥的農(nóng)產(chǎn)物不同，可以分為幾類其目的都是將水源和肥料灌進(jìn)農(nóng)作物中。能使農(nóng)作物獲得所需的水分肥料補(bǔ)充，所以得到了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)行業(yè)中的廣泛認(rèn)可，相信在不久此項(xiàng)技術(shù)將會(huì)普遍得到農(nóng)業(yè)行業(yè)的推廣，農(nóng)產(chǎn)業(yè)也將會(huì)上升一個(gè)階段。</p><p>　　

7、在我國施肥灌溉技術(shù)的發(fā)展始于1974年，隨著科學(xué)技術(shù)的推廣，這種施肥灌溉技術(shù)在不斷的發(fā)展進(jìn)步。智能化施肥灌溉系統(tǒng)是通過PLC可編程控制器進(jìn)行施肥灌溉，把農(nóng)作物生長發(fā)育的兩個(gè)基本因素水分和養(yǎng)分相結(jié)合起來建立施肥和灌溉的技術(shù)系統(tǒng)。該技術(shù)從研發(fā)到投入生產(chǎn)使用都經(jīng)歷了一個(gè)漫長時(shí)期的推敲與考驗(yàn)，幾經(jīng)研究后，因其技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中能節(jié)水、省肥、省工、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的重要組成部分，在發(fā)達(dá)國家的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可或缺。

8、 </p><p>　　1.2.1 施肥灌溉技術(shù)的歷史</p><p>　　近30年來，智能化施肥灌溉技術(shù)在研制過程中采用PLC程序來控制可未是做到了精益求精。此項(xiàng)技術(shù)從歷史發(fā)展至今大體經(jīng)歷了三個(gè)相對來說較重要的階段：</p&g

9、t;<p>　　第一階段（1974-1980年）：進(jìn)行國內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備的研制，開展了相應(yīng)的施肥灌溉應(yīng)用試驗(yàn)。1980年我國第一代成套設(shè)備誕生?！?第二階段（1981-1996年）：引進(jìn)國外先進(jìn)工藝技術(shù)，設(shè)備國產(chǎn)規(guī)?；a(chǎn)基礎(chǔ)逐漸形成。該技術(shù)由開始的小面積應(yīng)用到較大面積的推廣，試驗(yàn)研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，被農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的很多人認(rèn)可。　 第三階段（1996年至今）：由于此技術(shù)的實(shí)用性，這種施肥灌溉技術(shù)的理論及技術(shù)的應(yīng)用日趨被

10、重視，很多地方根據(jù)各自的情況開展了技術(shù)研討和技術(shù)培訓(xùn)班，施肥灌溉技術(shù)已在大面積推廣。</p><p>　　1.2.2 施肥灌溉技術(shù)的現(xiàn)狀</p><p>　　施肥灌溉作為一種新的模式，最適合于中國目前水資源缺乏的現(xiàn)狀。近年來，中歐美地區(qū)的農(nóng)產(chǎn)業(yè)變化較大。從歐美市場對施肥灌溉技術(shù)的需求狀況來看當(dāng)前國內(nèi)外對施肥灌溉技術(shù)的研究也在抓緊。</p><p>　　從2010年

11、開始，中國西南部遭遇了特大干旱后農(nóng)產(chǎn)業(yè)量已大幅度下降，2011年春季和夏季，季節(jié)的輪回中國的北部以及周邊多個(gè)地方，還有湖北、湖南、江西、安徽及長江中上下游素來以水鄉(xiāng)著稱的城市，又分別遭遇了2次特大干旱。中國最大的內(nèi)湖鄱陽湖又干涸見底，田地干裂、莊稼幾近顆粒無收，旱情越來越嚴(yán)重?zé)o不讓人觸目驚心。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中采用的灌溉方式過于落后，輸水渠道大部分是土渠，工程巨大和配套不全，利用率較少，當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)用水的利用率只有少數(shù)40%，也就是說，農(nóng)業(yè)

12、用水的一半以上60%的水資源就被浪費(fèi)掉了。在面對嚴(yán)重旱情的面前，農(nóng)業(yè)中的節(jié)水和大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為中國未來農(nóng)業(yè)發(fā)展中的重中之重了。</p><p>　　用PLC把施肥與灌溉相結(jié)合，水肥一體化新技術(shù)已作為一項(xiàng)革命性的措施，是解決我國農(nóng)業(yè)的根本性措施。自2002年以來，農(nóng)業(yè)部把該技術(shù)引入到農(nóng)產(chǎn)業(yè)蔬菜瓜果、果樹等作物的栽培管理生產(chǎn)中，作為節(jié)水施肥灌溉發(fā)展的一個(gè)重要過程，并被公認(rèn)為是當(dāng)今世界上提高水肥資源利用率較高的

13、最佳技術(shù)。從低級到高級，從簡單到復(fù)雜，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和對控制精度要求的不斷提高，該控制技術(shù)也將迅速發(fā)展，當(dāng)前采用基于PLC 的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　1.2.3 施肥灌溉技術(shù)的發(fā)展趨勢</p><p>　　當(dāng)前，應(yīng)農(nóng)業(yè)需要社會(huì)開始參與和關(guān)注高效的施肥灌溉技術(shù)了。施肥灌溉的實(shí)質(zhì)就是“適合灌溉施肥的肥料+正確科學(xué)的施肥方法+節(jié)約用水”，農(nóng)業(yè)若能達(dá)到這樣會(huì)有很好的的發(fā)展前景。

14、而智能化施肥灌溉技術(shù)在施肥灌溉過程中，配合各個(gè)地區(qū)區(qū)域特征、氣候特征及種子品種、耕作方法、施肥配套設(shè)備等，全面開展這項(xiàng)系統(tǒng)工程，真正做到了“水從管來，肥隨水走，省肥省水，均衡高效，作物品質(zhì)好”的效果處理能力也較強(qiáng)。如果通過智能化施肥灌溉這套方法科學(xué)規(guī)范的操作，可以實(shí)現(xiàn)將市場上現(xiàn)有的優(yōu)質(zhì)復(fù)合肥和農(nóng)民的設(shè)施結(jié)合起來，既降低成本，又能最大化提高肥料利用率。</p><p>　　智能化施肥灌溉技術(shù)除了向大中地區(qū)發(fā)展之外，

15、還向很多農(nóng)業(yè)需求生產(chǎn)精良、可靠性良好、產(chǎn)量高及自動(dòng)控制技術(shù)先進(jìn)等方向發(fā)展，此外還拓寬領(lǐng)域，發(fā)展多用途的新設(shè)備。采用全自動(dòng)的施肥灌溉、自主運(yùn)行、plc計(jì)算機(jī)控制等，從而可適合遠(yuǎn)程操作。近年來除對農(nóng)業(yè)要求較高的地區(qū)在重視這一類智能化施肥灌溉技術(shù)，還有很多小農(nóng)家也在開始使用這一類智能化施肥灌溉技術(shù)，這表明智能化施肥灌溉技術(shù)已相對成熟和穩(wěn)定。其共同的技術(shù)特點(diǎn)是根據(jù)不同農(nóng)業(yè)的種類、不同地區(qū)土質(zhì)、不同生產(chǎn)要求向多樣化發(fā)展，從而滿足農(nóng)業(yè)用戶的需求。&

16、lt;/p><p><b>　　1.3 小結(jié)</b></p><p>　　對智能化施肥灌溉提出、歷史、現(xiàn)狀、發(fā)展前景等進(jìn)行了敘述。說明了在農(nóng)業(yè)發(fā)展中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)選擇方式上，智能化施肥灌溉技術(shù)已超過傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的很多倍，優(yōu)點(diǎn)較明顯，便于生產(chǎn)操作。在不同的場合下，智能化施肥灌溉技術(shù)可以作為增產(chǎn)量的一種新設(shè)備，不僅高效還省時(shí)省力，而且能讓投資少，使用在農(nóng)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)時(shí)比傳統(tǒng)的方便的

17、多。</p><p>　　2 智能化施肥灌溉控制系統(tǒng)介紹</p><p>　　智能化施肥灌溉技術(shù)是針對現(xiàn)代設(shè)計(jì)栽培技術(shù)中的自動(dòng)施肥灌溉系統(tǒng)進(jìn)行研究與開發(fā)。該設(shè)備能達(dá)到自動(dòng)施肥灌溉以及營養(yǎng)自動(dòng)混合等功能。本章針對一些相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行介紹。</p><p>　　2.1 智能化控制系統(tǒng)思想介紹</p><p>　　2.2.1 PLC控制的思想理論

18、</p><p>　　PLC控制系統(tǒng)與通常的連續(xù)控制系統(tǒng)的差別在于：控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。可以實(shí)現(xiàn)過去連續(xù)系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)的更為復(fù)雜的控制規(guī)律。PLC控制系統(tǒng)理論主要包括連續(xù)模型及性能指標(biāo)的離散化、性能指標(biāo)函數(shù)的計(jì)算。采樣控制系統(tǒng)的仿真、采樣周期的選擇、數(shù)字信號整量化效應(yīng)的研究。 </p><p>　　本設(shè)計(jì)是以PLC控制智能化施肥灌溉系統(tǒng)的，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的模型來模擬實(shí)現(xiàn)智能化施肥灌溉的過程

19、。在整個(gè)運(yùn)行過程中PLC為控制執(zhí)行元件來驅(qū)動(dòng)工作臺運(yùn)行，其傳動(dòng)部件為高精度絲杠傳動(dòng)。運(yùn)行時(shí)PLC會(huì)接收和分析操作人員在命令鍵盤上的輸入指令，做出合理的工作安排。即讀取執(zhí)行元件的信息，通過軟件做出合理的工控安排，反饋到執(zhí)行元件和操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化施肥灌溉。</p><p>　　系統(tǒng)能夠采集、監(jiān)測、決策，本設(shè)計(jì)所應(yīng)達(dá)到的具體功能如下：PLC根據(jù)命令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)施肥灌溉系統(tǒng)運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)束后自動(dòng)返回原點(diǎn)，等待下一個(gè)存放命令

20、。當(dāng)系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中發(fā)現(xiàn)其它意外等，可以點(diǎn)擊急停按鍵，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)立即停止運(yùn)行并保持原位置。該系統(tǒng)可以看成三個(gè)主要理論領(lǐng)域的交叉或會(huì)合，即:人工智能 、運(yùn)籌學(xué) 、控制理論。由于控制系統(tǒng)的工作環(huán)境比較惡劣，必須可靠性高，抗干擾性好，可躍期不間斷運(yùn)行；要求控制具有實(shí)時(shí)性。</p><p>　　推廣計(jì)算機(jī)先進(jìn)技術(shù)普及應(yīng)用的可編程序控制器(PLC) ，利用具有智能I／O模塊的PLC，將順序控制和過程控制結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對生

21、產(chǎn)過程的控制。廣泛使用智能調(diào)節(jié)器，不僅可以接受4～20mA電流信號，還具有異步串行通訊接口，可與上位機(jī)連成主從式測控網(wǎng)絡(luò)。采用先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)為基礎(chǔ)的控制結(jié)構(gòu)，并采用先進(jìn)的控制策略，向低成本綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制。 </p><p>　　2.2.2　系統(tǒng)的特點(diǎn)</p><p>　　通過對系統(tǒng)時(shí)間或土壤水分的自動(dòng)監(jiān)測、采集、判斷，實(shí)現(xiàn)施肥灌溉的自動(dòng)化控制。智能化施肥灌溉由中

22、央計(jì)算機(jī)、水泵、電磁閥、土壤水勢傳感器、pH酸堿度傳感器、EC電導(dǎo)率傳感器等組成的控制系統(tǒng)。智能化施肥灌溉試驗(yàn)區(qū)的組成和管線分布管采用中50鋼管，其上端裝1個(gè)電磁閥， 1個(gè)手動(dòng)閘閥，這兩個(gè)閥在整個(gè)試驗(yàn)基地中起分流作用，使水流進(jìn)入施肥灌溉試驗(yàn)區(qū)。同時(shí)對后面設(shè)備可起保護(hù)作用；設(shè)有節(jié)水中心控制室，室內(nèi)放置一些試驗(yàn)儀器以及控制設(shè)備等。建一個(gè)試驗(yàn)站的泵房，泵房內(nèi)是供水系統(tǒng)，裝有水泵一臺，實(shí)現(xiàn)對水泵、管道等設(shè)備恒壓控制。</p>&l

23、t;p><b>　　其優(yōu)點(diǎn)如下：</b></p><p>　　1.可靠性高和可維修性好。 </p><p>　　2.環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。 </p><p>　　3.控制的實(shí)時(shí)性。 </p><p>　　4.完善的輸入輸出通道。 </p><p><b>　　5.豐富的軟件。 </b

24、></p><p>　　6.適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)精度和運(yùn)算速度。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及其原理</p><p>　　2.2.1 設(shè)計(jì)思路</p><p>　　罐里的高濃度肥液經(jīng)過初級過濾器由施肥泵注入到灌溉主水管道中，但進(jìn)入主水管道之前須通過精密過濾器進(jìn)行二級過濾．過濾器自動(dòng)反沖洗有兩種控制方式，一種為自動(dòng)控制，一種為

25、計(jì)算機(jī)手動(dòng)控制。自動(dòng)控制是利用差壓開關(guān)監(jiān)測過濾器進(jìn)、出口兩端差壓．當(dāng)過濾器由于堵塞。兩端差壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，立即中斷當(dāng)前的工作，對過濾器組依次進(jìn)行反沖洗，沖洗時(shí)間長度可任意設(shè)定，沖洗完畢，恢復(fù)系統(tǒng)原來的運(yùn)行狀態(tài)。過濾器反沖洗手動(dòng)控制：當(dāng)認(rèn)為過濾器需要反沖洗時(shí)，通過啟動(dòng)反沖洗程序界面上的啟動(dòng)鍵，隨時(shí)可進(jìn)行過濾器的反沖洗，沖洗方式與自動(dòng)控制相同。</p><p>　　采用電導(dǎo)率測量儀檢測主水管道中的肥液濃度，將檢測得到

26、的濃度值輸入到PLC與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)差值信號來調(diào)節(jié)施肥量，使管道中的濃度值與設(shè)定值保持一致。酸堿度的調(diào)節(jié)與肥滾濃度調(diào)節(jié)類似．在主水管道上安裝設(shè)計(jì)的混肥器，使肥液與灌溉水充分混合。自動(dòng)施肥灌溉控制系統(tǒng)是獨(dú)立予灌溉系統(tǒng)之外的一個(gè)模塊，安裝、維護(hù)比較方便。</p><p>　　圖2-1 自動(dòng)施肥灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 </p><p>　　2.2.2 工作原理</p><p&

27、gt;　　智能化施肥灌溉分為人工干預(yù)、定時(shí)定量、條件控制三種灌溉控制方式。不論哪一種控制方式，當(dāng)達(dá)到灌溉開始條件時(shí)，先打開田間閥和主控閥，然后啟動(dòng)水泵，開始進(jìn)行灌溉。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)選定的配方和已設(shè)定好的營養(yǎng)液pH、EC值，利用注肥器進(jìn)行水肥混合，同時(shí)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測混合營養(yǎng)液的pH、EC值，根據(jù)pH、EC設(shè)定值與檢測值之間的偏差來調(diào)整混肥閥的注肥頻率，在短時(shí)間內(nèi)使?fàn)I養(yǎng)液的檢測值和設(shè)定值之差達(dá)到允許的范圍內(nèi)。當(dāng)一組閥門灌溉結(jié)束時(shí)，打開下一組閥

28、門，再關(guān)閉正在灌溉的閥門(水泵一直處于運(yùn)行狀態(tài))。當(dāng)所有需要灌溉的田間閥施肥灌溉完畢，先關(guān)閉水泵，再關(guān)閉主控閥和田間閥，這樣一個(gè)灌溉過程結(jié)束。</p><p>　　該系統(tǒng)的工作原理：開啟總啟動(dòng)按扭后，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，到設(shè)定時(shí)間后電磁閥a打開，一臺水泵工作，這時(shí)可進(jìn)行施肥灌溉，隨后一段時(shí)間內(nèi)，電磁閥a和b同時(shí)工作。隨后停止灌溉一段時(shí)間。之后重復(fù)這一過程，計(jì)數(shù)器計(jì)一次數(shù)。計(jì)若干次后停止。每天施肥灌溉時(shí)間可以設(shè)定，用計(jì)

29、數(shù)器使系統(tǒng)自動(dòng)循環(huán)。選用KMl、KM2為交流接觸器，分別通過繼電器連接到水泵a和水泵b。KMl、KM2組成順序起動(dòng)控制線路。水泵a起動(dòng)后，水泵b才能起動(dòng)。按下停止按鈕sBl，兩水泵同時(shí)停止。如遇到施肥量或土壤濕度達(dá)到一定的程度時(shí)，施肥量傳感器或土壤濕度傳感器給PLC信號，PLC程序使施肥灌溉停止并報(bào)警。程序見附錄一。</p><p>　　2.2.3 施肥灌溉系統(tǒng)概述</p><p>　　

30、為實(shí)現(xiàn)綜合環(huán)境控制的目標(biāo)，自動(dòng)施肥灌溉系統(tǒng)還具有控制其他環(huán)境因子的能力，如溫度，CO2濃度、空氣濕度等。水肥灌溉是將要施加給農(nóng)作物的養(yǎng)分，形成高濃度的營養(yǎng)母液，在農(nóng)作物需要施加營養(yǎng)液時(shí)，便可以將營養(yǎng)液混合到灌溉水中，再配以防止?fàn)I養(yǎng)液堿性過高或者過低而添加酸或者堿。形成農(nóng)作物需要的營養(yǎng)液，通過PLC灌溉系統(tǒng)網(wǎng)輸送給農(nóng)作物以實(shí)現(xiàn)施肥灌溉。</p><p>　　當(dāng)施肥灌溉時(shí)，其就在內(nèi)部之間受到壓力等力作用而開始灌溉，施

31、肥與灌溉在一定程度下向外排出，完成了整個(gè)過程。智能化施肥灌溉系統(tǒng)，不同于傳統(tǒng)的施肥灌溉方法，傳統(tǒng)的施肥灌溉是直接用電動(dòng)機(jī)把水灌溉到農(nóng)田，讓水自己滲透到土壤中或者是人工直接灌溉到農(nóng)作物上。</p><p>　　采用PLC來控制時(shí)能充分考慮施肥灌溉方面所需的因素，灌溉方面：土壤質(zhì)地、土壤含水量、灌溉上限、灌溉下限、土壤濕潤比，降水量，作物需水量、作物需水規(guī)律等；施肥方面：土壤質(zhì)地、土壤肥力水平、土壤速效養(yǎng)分，作物養(yǎng)分

32、吸收規(guī)律、目標(biāo)產(chǎn)量，有機(jī)肥施用量（老日光溫室）、肥料品種、肥料利用律（養(yǎng)分施吸比）等；</p><p>　　圖2-2 系統(tǒng)的設(shè)置畫面 </p><p>　　圖2-3 施肥灌溉田間工作示意圖</p><p><b>　　2.3 控制要求</b></p><p>　　灌溉管網(wǎng)構(gòu)成了施肥灌溉系統(tǒng)的骨架，灌溉區(qū)是為特定需求而將

33、施肥灌溉系統(tǒng)劃分的不同灌溉單元。施肥灌溉系統(tǒng)可以是由一個(gè)泵和一個(gè)主管道及幾個(gè)支管、閥門構(gòu)成的簡單的系統(tǒng)，也可能是由很多個(gè)泵或泵站和很多個(gè)主管及很多個(gè)灌溉區(qū)構(gòu)成的復(fù)雜的灌溉系統(tǒng)，還可能是由許多個(gè)獨(dú)立的簡單灌溉系統(tǒng)構(gòu)成多灌溉系統(tǒng)。這就要求灌溉控制系統(tǒng)具有最大靈活性和兼容性，既可以控制簡單的灌溉系統(tǒng)，又可以滿足復(fù)雜的系統(tǒng)或不同系統(tǒng)構(gòu)成的施肥灌溉網(wǎng)絡(luò)的控制要求。</p><p>　　智能化施肥灌溉系統(tǒng)要能夠滿足不同水源條

34、件，可以調(diào)控不同施肥灌溉設(shè)計(jì)所要求的壓力和灌水流量。采用群井控制、多級泵站控制、不同流量自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)等不同類型的過濾系統(tǒng)自動(dòng)反沖洗控制。由多個(gè)灌溉管網(wǎng)控制程序，根據(jù)實(shí)際情況應(yīng)用這些程序組合為不同要求的灌溉系統(tǒng)；再由各個(gè)分區(qū)控制程序，每個(gè)分區(qū)可以是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，也可以是系統(tǒng)的一部分。</p><p>　　3 施肥灌溉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和硬件選擇</p><p>　　3.1 系統(tǒng)的

35、結(jié)構(gòu)</p><p>　　3.1.1 系統(tǒng)的基本構(gòu)成</p><p>　　智能化施肥灌溉控制系統(tǒng)的構(gòu)成：</p><p>　　計(jì)算機(jī)-- 不同通訊方式 --可編程控制器--控制電纜或無線電 --田間控制單元-- 控制命令管或電纜 --灌溉閥門</p><p>　　1.計(jì)算機(jī)：用于與控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，提供操作簡單的動(dòng)態(tài)運(yùn)行界面，數(shù)據(jù)信息長期

36、存儲(chǔ)，作為網(wǎng)絡(luò)化控制的服務(wù)中心。</p><p>　　2.可編程控制器：可編程自動(dòng)控制器是整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部分，相當(dāng)于整個(gè)控制系統(tǒng)的“大腦”。它執(zhí)行整個(gè)施肥灌溉系統(tǒng)程序的運(yùn)行和操作，數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)，系統(tǒng)的報(bào)警監(jiān)控等。</p><p>　　3.田間電動(dòng)控制閥門：通過控制電纜連接到可編程控制器，根據(jù)可編程控制器上設(shè)置的施肥灌溉程序自動(dòng)執(zhí)行來自控制器的命令，實(shí)現(xiàn)灌溉的自動(dòng)啟動(dòng)和關(guān)閉。<

37、;/p><p>　　4.自動(dòng)施肥系統(tǒng)：根據(jù)不同的配方施肥要求在可編程控制器上設(shè)置相應(yīng)的施肥程序，通過施肥泵、電動(dòng)脈沖式施肥泵或其他肥料注射裝置，自動(dòng)地向施肥灌溉系統(tǒng)按比例均勻施加肥料溶液。通過這種自動(dòng)施肥系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確可控的施肥灌溉一體化的灌溉方式，從而達(dá)到真正的水肥耦合效應(yīng)，大大提高水肥利用效率，充分滿足作物生長需要。</p><p>　　5.自動(dòng)控制配電箱：用于施肥灌溉控制系統(tǒng)中的控制終

38、端設(shè)備，如水泵，電機(jī)等設(shè)備的自動(dòng)化控制。</p><p>　　6.不同規(guī)格的控制電纜：控制命令和數(shù)據(jù)信號的傳輸工具，用于連接自動(dòng)控制系統(tǒng)內(nèi)部的所有構(gòu)成設(shè)備。</p><p>　　7.無線電發(fā)送接受裝置：專業(yè)化設(shè)計(jì)的無線控制模塊，用于無線控制模式。</p><p>　　8.供電電源穩(wěn)壓裝置和雷電保護(hù)裝置：自動(dòng)灌溉施肥控制系統(tǒng)為可編程控制器和各個(gè)控制輸出設(shè)備配備了先進(jìn)的

39、電源穩(wěn)壓裝置和雷電保護(hù)裝置，盡可能減少對控制系統(tǒng)的影響，以便于控制系統(tǒng)能夠在惡劣的環(huán)境條件下正常地運(yùn)行。</p><p>　　9.傳感或信號輸入設(shè)備：系統(tǒng)用于監(jiān)控灌溉系統(tǒng)運(yùn)行狀況的傳感設(shè)備，提供控制條件或運(yùn)行數(shù)據(jù)的傳感器或信號輸入設(shè)備。</p><p>　　3.1.2 系統(tǒng)的控制模式</p><p>　　由于農(nóng)田灌溉系統(tǒng)的地形、布局、規(guī)模大小等因素的影響，控制系統(tǒng)應(yīng)

40、該具有滿足不同條件的控制連接模式，使自動(dòng)化控制能夠簡單、經(jīng)濟(jì)、有效地實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　該控制系統(tǒng)提供了三種控制連接模式：</p><p>　　多電纜連接控制模式：最普通的控制模式，系統(tǒng)中每一個(gè)控制設(shè)備需要通過一根獨(dú)立的控制電纜接入控制器。適用于距離短，連接無障礙的情況。</p><p>　　單電纜連接遠(yuǎn)程控制模式：通過同一根電纜可以連接64個(gè)遠(yuǎn)程控制單元，

41、每一個(gè)遠(yuǎn)程控制單元安裝在距離控制設(shè)備較近的地方來控制設(shè)備的運(yùn)行。適用于控制設(shè)備距離遠(yuǎn)，分布不規(guī)則的系統(tǒng)。</p><p>　　無線遠(yuǎn)程控制模式：通過無線電通訊將遠(yuǎn)程控制單元連接起來，每個(gè)無線遠(yuǎn)程控制單元安裝在距離控制設(shè)備較近的地方來控制設(shè)備的運(yùn)行。適用于有電纜鋪設(shè)障礙的情況。</p><p>　　圖3-1 無線遠(yuǎn)程控制模式</p><p>　　3.2 系統(tǒng)的主要設(shè)

42、備及規(guī)格</p><p>　　3.2.1 主要設(shè)備介紹</p><p>　　系統(tǒng)的主要控制設(shè)備及功能介紹如下：</p><p>　　報(bào)警輸出設(shè)備，當(dāng)出現(xiàn)灌溉施肥運(yùn)行錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止或報(bào)警；過濾器，能反沖洗操作；泵，用以運(yùn)行注肥器以及將營養(yǎng)液注入灌水管道；管道壓力保護(hù)設(shè)備，用于檢測灌溉壓力的水壓進(jìn)行保護(hù)；邏輯控制條件，包括終端連接端子的電動(dòng)控制配電柜；灌溉管道，

43、灌溉系統(tǒng)進(jìn)水和出水所需要的灌水管道；通用計(jì)量表，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的作物用量保證了精確的肥料施用量；施肥中心，用戶可以通過控制器鍵盤或中心計(jì)算機(jī)在控制器上直接進(jìn)行灌溉施肥程序的設(shè)計(jì)；傳感器，可實(shí)現(xiàn)依據(jù)土壤濕度，蒸發(fā)量，降雨和太陽輻射自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制灌溉施肥；監(jiān)測單元，用來與控制器相連的輸出信號轉(zhuǎn)換發(fā)送裝置，包括一個(gè)大的液晶顯示器，電流絕緣隔離裝置，以及一個(gè)用于快速、簡便校定的鍵盤。 </p><p>

44、;　　表3.1 主要設(shè)備類型和數(shù)量</p><p>　　3.2.2 控制器的規(guī)格</p><p>　　機(jī) 罩：由堅(jiān)固的,可抵抗惡劣氣候的強(qiáng)化塑料制成</p><p>　　尺 寸: 高--365 mm 寬--150 mm 厚--270 mm</p><p>　　重 量: 4.0 公斤</p><p>　　系統(tǒng)控制輸入:

45、 具有8-200 個(gè)“開-關(guān)”型數(shù)字輸入接口</p><p>　　系統(tǒng)控制輸出: 具有8-256 個(gè)開關(guān)量輸出接口, 可連接電磁閥或繼電器</p><p>　　傳感器輸入： 8-256 個(gè)傳感器接入容量</p><p>　　電源: 110 伏或230 伏交流電, 功率80-100 瓦.</p><p>　　數(shù)據(jù)備份: 控制器主板上固化式的只讀

46、內(nèi)存可以存儲(chǔ)、備份數(shù)據(jù)，由1枚鋰電池 </p><p>　　為其提供工作電源, 鋰電池最低使用壽命為5 年.</p><p>　　顯示器: 字符型液晶顯示器, 雙行顯示，每行24 字符。</p><p>　　用戶使用界面: 包含23個(gè)按鍵的輸入鍵盤和內(nèi)置顯示器，同時(shí)可以連接電腦使用</p><p>　　動(dòng)態(tài)圖形顯示界面。

47、 </p><p>　　3.3　PLC的基本結(jié)構(gòu)</p><p><b>　?。?）電源</b></p><p>　　本系統(tǒng)需要的電源有兩種，即：交流24V．50Hz，為電磁閥和繼電器供電；直流24V對土壤水分傳感器、采集模塊、輸出模塊和通信模塊供電。為給系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的工作電壓，對于交流24V電源選擇控制變壓器，而直流24V電源則

48、選用線性開關(guān)電源。其輸入電壓可為110／220／380V，輸出為24VDC，3A。</p><p>　　圖3-2 供電電源</p><p>　　此外，為保護(hù)系統(tǒng)硬件設(shè)備不易被損壞，在系統(tǒng)總輸入電源前加一個(gè)單相高精度全自動(dòng)交流穩(wěn)壓器TND．1000VA，具有延時(shí)、過壓、欠壓及過流等保護(hù)功能。該穩(wěn)壓器對交流220V電源可控制精度在±3％以內(nèi)，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。選擇了一個(gè)中

49、間繼電器，在P24、FW端子之間連接一對常開開關(guān)觸點(diǎn)，通過對繼電器的電磁線圈通電，斷電，即可控制變頻器啟，停。</p><p>　　(2)中央處理單元(CPU)</p><p>　　中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首

50、先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行</p><p><b>　　(3)采集模塊</b></p>

51、<p>　　土壤水分傳感器的輸出是電壓信號，但計(jì)算機(jī)并不能直接識別模擬信號，必須經(jīng)過模擬量輸入通道，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，才能被計(jì)算機(jī)接收。為提高系統(tǒng)的采集速度、精度以及可靠性，并縮短開發(fā)周期，選用了遠(yuǎn)程模擬量輸入模塊，有差分信號輸入，分辨率高，精度準(zhǔn)確、支持通信接口。另外這個(gè)模塊還要設(shè)計(jì)特殊的過電壓和防靜電破壞的保護(hù)電路。采集模塊管腳接法如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 采集模塊

52、管腳接法圖</p><p><b>　　(4)輸入輸出模塊</b></p><p>　　計(jì)算機(jī)輸出的信號是數(shù)字信號，不能直接控制電磁閥和繼電器(控制變頻器)，因此選擇了繼電器輸出模塊。其具有常開繼電器輸出，基于總線接口與計(jì)算機(jī)通信，輸出量直接控制電磁閥和繼電器動(dòng)作。包括模擬量輸入(AI)通道、模擬量輸出(AO)通道、數(shù)字量(或開關(guān)量)輸入(DI)通道、數(shù)字量(或開關(guān)量

53、)輸出(DO)通道。一是將生產(chǎn)過程的信號變換成主機(jī)能夠接受和識別的代碼；二是將主機(jī)輸出的控制命令和數(shù)據(jù)，經(jīng)變換后作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)或電氣開關(guān)的控制信號。 </p><p><b>　　(5)控制電路</b></p><p>　　本系統(tǒng)需要控制的設(shè)備包括電磁閥、繼電器。這種通過硬件真接手動(dòng)使控制回路接通的方式，就稱之為“硬手動(dòng)”模式。通過上位機(jī)決策軟件自動(dòng)產(chǎn)生的控制指令，控制

54、模塊開關(guān)閉合／斷開，對系統(tǒng)達(dá)到自動(dòng)控制目的的方式稱為“自動(dòng)”控制模式。</p><p><b>　　(6)通信模塊</b></p><p>　　本系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)采用總線方式用平衡傳輸技術(shù)，允許多個(gè)設(shè)備“掛”接在總線上，具有通信可靠性高，傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。為采集模塊、輸入輸出模塊與計(jì)算機(jī)提供通信接口。</p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)的是通過土壤水分

55、傳感器感測現(xiàn)場的土壤含水量，傳感器輸出的模擬電信號經(jīng)AD模塊采集后將數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)再將數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，進(jìn)行灌溉決策，產(chǎn)生灌溉指令并輸出控制信號，再通過DO模塊控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)施肥灌溉控制。</p><p>　　系統(tǒng)配置如下圖所示：</p><p><b>　　圖3-4系統(tǒng)配置圖</b></p><p>　　器件的配置如表3

56、.1所示。</p><p><b>　　表3.1 主要配置</b></p><p>　　3.4　系統(tǒng)的硬件組成</p><p>　　系統(tǒng)中的模擬量分為單端和雙端兩種，其中流量、pH和EC傳感器模擬信號為雙端，土壤水勢傳感器信號為單端。單端和雙端可通過HY-6070采集卡上跳線進(jìn)行選擇。電子控制單元控制電磁繼電器的打開或關(guān)閉狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)水泵和電磁閥

57、門的ON/OFF操作。每片占用一個(gè)I/O地址，可控制8個(gè)通道。通過輸出操作每個(gè)I/O地址和數(shù)字量輸出寄存器，可以逐個(gè)改變每個(gè)通道的輸出狀態(tài)。硬件包括主機(jī)板:CPU、RAM、ROM等進(jìn)行數(shù)值計(jì)算、邏輯判斷、數(shù)據(jù)處理。</p><p>　　此外還有以下幾部分:</p><p>　　(1)計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)用來控制施肥灌溉要求很高，要能對施肥灌溉信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、查詢、打印，必須具有可靠性高、抗干擾性

58、強(qiáng)、可長期不問斷運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)有動(dòng)態(tài)顯示功能；</p><p>　　(2)傳感器 傳感器有通斷選擇及校正功能，系統(tǒng)采用XR61-TDR2的型號； </p><p><b>　　如下圖所示：</b></p><p>　　圖3-5 測土壤水分傳感器</p><p>　　(3)電磁閥 利用正負(fù)電壓來控制閥的開

59、啟和關(guān)閉的。要有省電，消耗能量少的優(yōu)點(diǎn)線路供電適合于交直流供電的電磁閥，電池供電適合于脈沖控制的電磁閥。其中交流和直流控制一般都采用24伏，接線不分正負(fù)。</p><p>　　(4)水泵 水泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)需要三相AC380V，50Hz電源供電。在水泵的三相電源前接一臺變頻器，由控制端子控制啟，停先將變頻器控制方式設(shè)為端子方式，再短接變頻器的P24、FW端子，即可啟動(dòng)變頻器。 </p><p>

60、;　　3.5 硬件設(shè)計(jì) </p><p>　　系統(tǒng)控制硬件選用進(jìn)口的PLC和觸摸屏，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為進(jìn)口的電磁閥、水泵，保證了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備如自沖洗過濾器、注肥器、pH／EC監(jiān)測儀實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，降低了系統(tǒng)造價(jià)，該系統(tǒng)價(jià)格比同類進(jìn)口產(chǎn)品低40％左右。根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模、控制對象的特點(diǎn)和技術(shù)要求，采用計(jì)算機(jī)集中控制方式。為滿足系統(tǒng)功能，保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，降低整套系的統(tǒng)的造價(jià)，在硬件選型時(shí)采用中央控

61、制器。系統(tǒng)硬件組成包括組態(tài)軟件，服務(wù)器 ，HUB集線器，網(wǎng)卡。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，先對流量參數(shù)進(jìn)行采集，經(jīng)A/D數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行采集送到CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)把計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)和命令傳送給泵和閥門進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)智能化施肥和灌溉的目的。 </p><p>　　3.5.1　西門子S7-300</p><p>　　S7-300系列其系統(tǒng)由基本單元、擴(kuò)展單元、編程器、存儲(chǔ)卡、寫入器、文本顯示

62、器等構(gòu)成。西門子S7-300包括數(shù)字量輸入、輸出模塊；模擬量輸入、輸出模塊以外。另外還有高數(shù)計(jì)數(shù)器模塊，以太網(wǎng)通訊模塊，串口通訊模塊，分布式I/O（ET200M）等，數(shù)字量輸入一般用于閥門，閘門，位置量的開關(guān)到位反饋，數(shù)字量的輸出一般用于閥門，閘門等開關(guān)控制，當(dāng)然這里的閥門和閘門是指非調(diào)節(jié)型的，而模擬量輸入可以用于可調(diào)節(jié)型閥門閘門的開度反饋，以及向液位，流量，速度等模擬量值的反饋，而輸出則是對上述進(jìn)行控制。本論文采用的是CUP314-2

63、DP.</p><p><b>　　3.5.2　熱電偶</b></p><p>　　熱電偶是一種感溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢信號。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo) 準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不

64、及標(biāo) 準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。本文采用EM231型號的熱電偶。</p><p>　　3.5.3　PLC模擬量輸入模塊</p><p>　　傳感器檢測到溫度轉(zhuǎn)換成0～41mv的電壓信號，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再送入PLC中進(jìn)行處理。在這里，我們選用了西門子EM231 4TC模擬量輸入模塊。EM231熱電偶模塊提供一個(gè)方便的，

65、隔離的接口，用于七種熱電偶類型：J、K、E、N、S、T和R型，它也允許連接微小的模擬量信號(±80mV范圍)，所有連到模塊上的熱電偶必須是相同類型，且最好使用帶屏蔽的熱電偶傳感器。 EM231模塊需要用戶通過DIP開關(guān)進(jìn)行選擇的有：熱電偶的類型、斷線檢查、測量單位、冷端補(bǔ)償和開路故障方向，用戶可以很方便地通過位于模塊下部的組 態(tài)DIP開關(guān)進(jìn)行以上選擇。本設(shè)計(jì)采用的是K型熱電偶，結(jié)合其他的需要，我們設(shè)置DIP開關(guān)設(shè)置起作

66、用，用戶需要給PLC的電源斷電再通電。</p><p>　　3.5.4　I／O硬件設(shè)施</p><p>　　對于不同的I／O硬件設(shè)施，需通過組態(tài)為其配置相應(yīng)的通信驅(qū)動(dòng)程序，即可實(shí)現(xiàn)VO設(shè)備與組態(tài)系統(tǒng)之間的通信，從而使通訊程序和組態(tài)構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。這種I／O驅(qū)動(dòng)方式既保證了運(yùn)行系統(tǒng)的高效率，也使系統(tǒng)能夠達(dá)到很大的規(guī)</p><p><b>　　模，并且易

67、于維護(hù)。</b></p><p>　　圖3-6 I/O接線原理圖</p><p>　　3.6 PLC的簡介</p><p>　　可編程控制器是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，英文全稱：Programmable Controller，為了和個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)區(qū)分，一般稱其為PLC。可編程控制器(PLC)是繼承計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動(dòng)化裝置。其性

68、能優(yōu)越，已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。20世紀(jì)60年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，但由于價(jià)格高、輸入輸出電路不匹配、編程難度大，未能在工業(yè)領(lǐng)域中獲得推廣。 1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制出了世界上第一臺可編程序控制器，并應(yīng)用于通用汽車公司的生產(chǎn)線上。</p><p>　　自可編程控制器問世以來，發(fā)展極為迅速。如今，世界各國的一些著名的電氣工廠幾乎都在生產(chǎn)可編程控制器?？删幊炭刂?/p>

69、器從誕生到現(xiàn)在經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代，第一代1位處理器，邏輯控制功能；第二代8位處理器及存儲(chǔ)器，產(chǎn)品系列化；第三代高性能8位微處理器及位片式微處理器,處理速度提高，向多功能及聯(lián)網(wǎng)通信發(fā)展;第四代16位、32位微處理器及高性能位片式微處理器 ，邏輯、運(yùn)動(dòng)、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)功能的多功能。</p><p>　　可編程控制器（PLC）具有抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格便宜， 可靠性強(qiáng)，編程簡單，易學(xué)易用等特點(diǎn)，在很多領(lǐng)域中深受工

70、程操作人員的喜歡。目前在控制領(lǐng)域中，逐步采用了電子計(jì)算機(jī)這個(gè)先進(jìn)技術(shù)工具，這已占統(tǒng)治地位。結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好，使用中不必弄清系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，已成為控制領(lǐng)域的常青樹。</p><p>　　3.7 PLC硬件組態(tài)</p><p>　　組態(tài)的主要工作是完成硬件型號參數(shù)設(shè)置、通訊模式選擇、設(shè)定總線地址、傳輸方式、數(shù)據(jù)通訊方式等。使用西門子PLC專用編程軟件STEP 7進(jìn)行組態(tài)。</p>

71、;<p>　　雙擊Windows桌面上的SIMATIC管理器圖標(biāo)或通過Windows的“開始” SIMATIC→SIMATIC Manager菜單命令啟動(dòng)SIMATIC管理器，如果向?qū)]有自動(dòng)啟動(dòng)，請選擇菜單命令File→New Project Wizard來啟動(dòng)向?qū)А?lt;/p><p>　　圖3-7 啟動(dòng)窗口</p><p>　　按照向?qū)Ы缑嫣崾荆瑔螕鬘ext按鈕轉(zhuǎn)到下一個(gè)

72、對話框。選擇的CPU型號為CPU314C-2 DP，選擇MPI地址的默認(rèn)設(shè)置2.每個(gè)CPU都有一些特性，為了使CPU與編程設(shè)備或PC之間進(jìn)行通信，需要設(shè)置MPI地址。單擊Next按鈕確認(rèn)設(shè)置，進(jìn)入下一個(gè)對話框。</p><p>　　圖3-8 選擇CPU型號</p><p>　　如下圖所示界面中，選擇需要生成的邏輯塊，至少需要生成作為主程序的組織塊OB1。選擇組織塊OB1，OB1代表最高的

73、編程層次，它負(fù)責(zé)組織S7程序中的其他塊。選擇一種編程語言：梯形圖（LAD）、語句表（STL）或功能塊圖（FBD），也可以在以后重新改變編程語言。單擊NEXT按鈕確認(rèn)設(shè)置，進(jìn)入下一個(gè)對話框。在出現(xiàn)的對話框Project Name域中雙擊選中默認(rèn)的名稱，或者輸入新的項(xiàng)目名稱。單擊Make按鈕生成項(xiàng)目。當(dāng)單擊Make按鈕時(shí)，將一同打開SIMATIC管理器和剛剛創(chuàng)建的項(xiàng)目窗口。從這里可以啟動(dòng)所有的STEP 7功能和窗口。</p>

74、<p>　　圖3-7 生成邏輯塊</p><p>　　在組件視圖中選擇 SIMATIC 300 站，然后選擇“編輯”(Edit) >“打開對象”(Open object)命令。將打開 HW Config。如果硬件目錄不可見，請選擇“視圖”(View) >“目錄”(Catalog) 命令。</p><p><b>　　步驟如下：</b></

75、p><p>　　1.打開硬件目錄中的“PROFIBUS DP”文件夾。</p><p>　　2.打開“ET 200M”文件夾并選擇“IM 153-1”模塊。將該模塊拖放到“DP 主站 </p><p>　　系統(tǒng)”(DP master system) 總線。</p><p>　　3.打開“屬性 - PROFIBUS 接口 IM 153-1”(Pro

76、perties - PROFIBUS interfaceIM </p><p>　　153-1)。單擊“確定”(OK)。單擊硬件目錄中“IM 153-1”文件夾左側(cè)的加號。</p><p>　　4.打開“AI-300”文件夾。將“SM 331 AI8x12Bit”模塊 (6ES7 331-7KF01-0AB0) </p><p>　　拖放到IM 153-1 組態(tài)表底

77、部的插槽 4 上。關(guān)閉“AI-300”文件夾。</p><p>　　5.打開“AO-300”文件夾。將“SM 332 AO2x12Bit”模塊（6ES7 332-5HB01-0AB0）</p><p>　　拖放到IM 153-1 組態(tài)表底部的插槽 5 上。</p><p>　　6.關(guān)閉“AO-300”文件夾。</p><p>　　7.打開“D

78、I-300”文件夾。將“DI16xDC24V”模塊（6ES7 321-1BH02-0AA0）拖 </p><p>　　放到IM 153-1 組態(tài)表底部的插槽 6 上。</p><p>　　8.關(guān)閉“DI-300”文件夾。</p><p>　　9.打開“DO-300”文件夾。將“SM 322 DO8xDC24V/2A”模塊（6ES7 322-1BF01-0A

79、A0）</p><p>　　拖放到 IM 153-2 組態(tài)表底部的插槽 7 上。 </p><p>　　關(guān)閉“DO-300”文件夾。</p><p>　　圖3-8 組態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4　智能化施肥灌溉技術(shù)的軟件設(shè)計(jì)　　</p><p>　　為了提高軟件系統(tǒng)的可靠性、縮短開發(fā)周期以及降低設(shè)計(jì)界面的難度。

80、在對智能化施肥灌溉控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)采用了自動(dòng)化通用組態(tài)軟件，其特點(diǎn)是功能強(qiáng)大，操作簡便，界面美觀，并且支持國內(nèi)外流行的1500多種硬件設(shè)備。</p><p>　　4.1　軟件設(shè)備組成及設(shè)計(jì) </p><p>　　4.1.1 軟件的組成</p><p>　　編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件，是西門子公司專門為PLC系列設(shè)計(jì)開發(fā)的。該軟件功能強(qiáng)大，界面友好，

81、并有方便的聯(lián)機(jī)功能。用戶可以利用該軟件開發(fā)程序，也可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)，該軟件是西門子S7-300。 </p><p><b>　　(1)系統(tǒng)軟件 </b></p><p>　　系統(tǒng)軟件包括實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)、引導(dǎo)程序、調(diào)度執(zhí)行程序。嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)VRTX／OS，除了實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)以外，也常常使用MS—DOS和Win

82、dows等系統(tǒng)軟件。 </p><p><b>　　(2)支持軟件 </b></p><p>　　支持軟件包括匯編語言、高級語言、編譯程序、編輯程序、調(diào)試程序、診斷程序等。 </p><p><b>　　(3)應(yīng)用軟件 </b></p><p>　　應(yīng)用軟件是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員針對某個(gè)生產(chǎn)過程而編制的

83、控制和管理程序。它包括過程輸入程序、過程控制程序、過程輸出程序、打印顯示程序和公共子程序等。 </p><p>　　4.1.2　軟件的設(shè)計(jì)</p><p>　　該系統(tǒng)分為自動(dòng)控制模式和手動(dòng)控制模式。分別由一個(gè)總開關(guān)控制和單按鈕開關(guān)控制。自動(dòng)控制模式：使用前，先設(shè)定施肥灌溉時(shí)間，間隔時(shí)間、循環(huán)次數(shù)，如不作設(shè)定，則系統(tǒng)按默認(rèn)值工作。開機(jī)后，選擇控制模式，即可以讓系統(tǒng)在無人值守下工作。當(dāng)降雨量達(dá)

84、到一定值，或土壤中水充足時(shí)，或供水水管斷流時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光信號，提醒操作人員。這時(shí)可以按下“消音”按鈕以解除鈴響。直到情況消除，指示燈才停止亮，系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。手動(dòng)控制模式：在有特殊要求和檢修系統(tǒng)時(shí)使用該模式。</p><p>　　系統(tǒng)由人工選擇自動(dòng)還是手動(dòng)。當(dāng)選擇了自動(dòng)執(zhí)行，首先檢查程序的時(shí)間設(shè)定。如有錯(cuò)，應(yīng)檢查電磁閥是否打開，設(shè)定時(shí)間有無錯(cuò)誤。如設(shè)定值正確，程序?qū)⑼聢?zhí)行，當(dāng)灌溉過程中遇到下雨或斷水等情況，便

85、會(huì)發(fā)生報(bào)警，等待報(bào)警消音后，方可以繼續(xù)向下進(jìn)行，直到程序結(jié)束。程序用自鎖電路防止接點(diǎn)誤動(dòng)作。斷電保護(hù)可用PLC的記憶功能加以解決。</p><p>　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如下：</p><p>　　圖4-1 系統(tǒng)流程圖</p><p>　　4.1.3　軟件的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　在開始安裝的時(shí)候是選擇語言界面，有的版本沒有選擇中文的，但可以

86、先選擇其他語言，軟件安裝好之后可以進(jìn)行語言的切換。在安裝的最后，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)界面，按照硬件的配置，我們需要用信電纜，采用通信方式，這個(gè)時(shí)候在彈出來的窗口中選擇端口地址，通信模式，一般選擇默認(rèn)就可以了。如果想改變編程界面的語言，可在軟件的主界面的工具欄中選擇tools目錄下選擇option選項(xiàng)，在出現(xiàn)的界面中選擇general,然后在右下角就可以選擇中文了。系統(tǒng)塊用來設(shè)置CPU的系統(tǒng)選項(xiàng)和參數(shù)等，系統(tǒng)塊更改后需要下載到CPU中，新的設(shè)置才能

87、生效。需要注意的是，PLC的地址默認(rèn)是2，但本設(shè)計(jì)中需要用到的地址是1。</p><p>　　在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度執(zhí)行三個(gè)階段。具體過程如下： </p><p>　　圖4-2 系統(tǒng)運(yùn)行三階段</p><p>　?。?） 輸入采樣階段 </p><p>　　在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將

88、它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元內(nèi)，輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 </p><p>　?。?） 用戶程序執(zhí)行階段 </p><p>　　在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是由上而下的順

89、序依次地掃描用戶程序（梯形圖）。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按照先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。 </p><p>　?。?） 輸出刷新階段 </p><p

90、>　　當(dāng)用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，在經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)才是PLC真正的輸出。</p><p>　　經(jīng)過現(xiàn)場工程運(yùn)行考驗(yàn)，現(xiàn)已成為可選用的I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外部電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離，使其安全工作。各輸入端均采用RC濾波器，其濾波時(shí)間常數(shù)一般為10

91、～20ms；各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。一旦電源或其他硬件等設(shè)備發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效的措施，以防止故障擴(kuò)大。PLC可以針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備。然后進(jìn)行預(yù)施肥灌溉的閥門分組設(shè)置和如何施肥的施肥配方設(shè)置。</p><p>　　智能化施肥灌溉系統(tǒng)通電后，輸入正確的密碼后方可進(jìn)入系統(tǒng)初始的系統(tǒng)主畫面選擇設(shè)置。</p>&l

92、t;p>　　圖4-3 施肥灌溉系統(tǒng)用戶登錄界面</p><p>　　4.2　PLC與變頻器的控制過程 </p><p>　　根據(jù)控制系統(tǒng)具體功能要求以及為優(yōu)化控制輸出，設(shè)計(jì)出智能化施肥灌溉的主程序流程圖，見圖4-4所示。在生產(chǎn)過程中，存在大量的物理量，如壓力、溫度、流量等模擬量參數(shù)。需要通過PLC對這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理；需要變頻器與外界交換信息的接口，除了主電路的輸入與輸出接線

93、端外，控制電路還設(shè)有許多輸入輸出端子，另有通信接口及一個(gè)操作面板，功能碼的修訂一般就通過操作面板完成。</p><p>　　同PLC一樣，變頻器是一種可編程的電氣設(shè)備。在變頻器接入電路工作前，要根據(jù)通用變頻器的實(shí)際應(yīng)用修定變頻器的功能碼。功能碼一般有數(shù)十甚至上百條，涉及調(diào)速操作端口指定、頻率變化范圍、力矩控制、系統(tǒng)保護(hù)等各個(gè)方面。功能碼在出廠時(shí)已按默認(rèn)值存儲(chǔ)。</p><p>　　圖4-4

94、 軟件控制流程圖</p><p>　　4.3　總體布局設(shè)計(jì)</p><p>　　經(jīng)對系統(tǒng)整體分析與規(guī)劃，設(shè)計(jì)了一個(gè)電氣控制柜。這里對其相關(guān)電氣參數(shù)等不作介紹。其面板布局與柜內(nèi)元器件設(shè)計(jì)如圖所示。</p><p>　　圖4-5 面板布局設(shè)計(jì)圖</p><p>　　圖4-6 控制系統(tǒng)的電氣控制柜實(shí)物圖</p><p>　

95、　4.4 參數(shù)的設(shè)置</p><p>　　原在一般工作條件下，施肥泵的流量為300 L／h，流速V=0．06 m／s．取管道直徑D=40 l砌，計(jì)算出管道的總長度1=1．5 m，水的動(dòng)力黏性系數(shù)v=0．1</p><p>　　×10一m／s，Re=2 400．根據(jù)莫迪圖，可知管道沿程損失阻力為0．03，管道沿程壓力損失為0．037 kPa在自動(dòng)施肥控制系統(tǒng)中，管路系統(tǒng)有出、入口

96、直徑相同的5個(gè)90。彎頭，2個(gè)三通，一個(gè)單向閥，根據(jù)管道局部壓力和損失諾模圖，可知90。彎頭的局部壓力損失為3．2 kPa，三通的局部壓力損失為0．69kPa，單向閥的壓力損失為2．838 kPa，因此局部壓力損失為0．28 kP亂在自動(dòng)施肥控制系統(tǒng)中，其管道系統(tǒng)的總體壓力損失為4．28 kPa，整個(gè)施肥裝置管道的壓力損失較小，結(jié)構(gòu)更優(yōu)化。</p><p>　　保護(hù)地土壤養(yǎng)分含量分級參考指標(biāo)150- 250-40

97、0 〉400，日光照射及施用有機(jī)肥料量多質(zhì)高的情況下，在作物需要的總養(yǎng)分量中應(yīng)扣除當(dāng)年施用的有機(jī)肥料帶入的養(yǎng)分量。根據(jù)了解，有機(jī)肥料中N、P2O5 、K2O的利用率，在華北地區(qū)保護(hù)地栽培條件下可以分別以20%、25%和40%計(jì)算；根據(jù)地區(qū)三者的利用率分別為15％、15％、30％上下波動(dòng)。作為有機(jī)肥料直接還田時(shí)，不但不能扣除作物中的養(yǎng)分，還應(yīng)根據(jù)秸稈還田的數(shù)量增施一定量的氮肥。</p><p><b>　

98、　灌水定額公式：</b></p><p>　　I=0.1*(βmax-β0)*r*p*H/η</p><p>　　I =灌水定額(mm)</p><p>　　βmax =作物土壤含水量上限,以重量百分%計(jì);</p><p>　　β0=灌前土壤含水量,作物土壤含水量下限,以重量百分%計(jì);</p><p>　　

99、r =土壤容重(g/cm3);</p><p><b>　　p=土壤濕潤比；</b></p><p>　　H =計(jì)劃土層濕潤深度(cm);</p><p>　　η=微灌水的利用系數(shù),取η=0.95—0.98。</p><p><b>　　肥料配制公式</b></p><p>

100、　　設(shè)擬配制某種作物某種時(shí)期微灌用肥，應(yīng)配出的N、P2O5、K2O純養(yǎng)分量分別為A0、B0、C0，采用兩種以上基礎(chǔ)肥料配制，它們N、P2O5 、K2O的百分含量分別是：</p><p>　　基礎(chǔ)肥料1：a1、b1、c1</p><p>　　基礎(chǔ)肥料2：a2、b2、c2</p><p>　　基礎(chǔ)肥料3：a3、b3、c3</p><p>　　設(shè)三

101、種基礎(chǔ)肥料的用量分別是X、Y、Z，可通過下列方程組解出X、Y、Z。</p><p>　　A0 = a1 X/100 + a2 Y/100 + a3 Z/100</p><p>　　B0 = b1 X/100 + b2 Y/100 + b3 Z/100</p><p>　　C0 = c1 X/100 + c2 Y/100 + c3 Z/100</p>&

102、lt;p>　　本適用于農(nóng)業(yè)區(qū)施肥灌溉制度。表層水分容易散失，作物易受旱，pH為8 、有機(jī)質(zhì)含量12.8mg/kg、堿解氮含量51.4 mg/kg、有效磷含量8.8 mg/kg、速效鉀含量170 mg/kg。年降雨量40mm，蒸發(fā)量為2486mm。冬前灌水220 m3/畝。基肥畝施農(nóng)家肥4000—5000 kg，磷酸二銨18—25 kg，尿素3—5kg，硫酸鉀8 kg。施肥灌溉中氮肥使用尿素，絮期追施磷酸二氫鉀。密度為每畝1.1—1

103、.3萬株，籽棉目標(biāo)產(chǎn)量350—400 kg/畝。 </p><p>　　5　系統(tǒng)的安裝調(diào)試及運(yùn)行</p><p>　　智能化施肥灌溉控制系統(tǒng)采用了當(dāng)今社會(huì)最先進(jìn)的PLC軟件技術(shù)，利用軟件為用戶開發(fā)，直觀易懂。能夠?qū)崟r(shí)，連續(xù)地將整個(gè)施肥灌溉系統(tǒng)的生產(chǎn)，運(yùn)行情況集中顯示，并進(jìn)行記錄，分析，以及實(shí)現(xiàn)故障排查等實(shí)際有效的功能。出于設(shè)備和人員的安全考慮，自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)所收集的信息

104、確定泵房內(nèi)的灌溉設(shè)備的運(yùn)行狀況良好與否。對于超出安全標(biāo)準(zhǔn)或工藝要求的數(shù)據(jù)要設(shè)置報(bào)警功能，并且要按照即定的操作規(guī)程盡可能快速的采取措施，排除故障或危險(xiǎn)，或恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。從準(zhǔn)備安裝開始到調(diào)試驗(yàn)收結(jié)束的全過程中都應(yīng)對這些方面的因素加以監(jiān)控，以確保設(shè)備質(zhì)量。 </p><p><b>　　5.1　設(shè)備的安裝</b></p><p>　　大力推進(jìn)我區(qū)測土配方施肥項(xiàng)目，提高土

105、壤樣品化驗(yàn)速度和效率，同時(shí)為加大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)管力度，加快農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)督抽查樣品檢驗(yàn)測試，采用新型自動(dòng)化技術(shù)完成安裝投入使用。設(shè)備安裝的具體工作包括設(shè)備到貨驗(yàn)收，設(shè)備基礎(chǔ)準(zhǔn)備和基礎(chǔ)檢驗(yàn)。為了使本系統(tǒng)可以在軟件配置不同的環(huán)境下經(jīng)過簡單的配置就能立即使用，本系統(tǒng)提供了一個(gè)簡易安裝程序。它可以根據(jù)用戶的輸入將數(shù)據(jù)庫連接的參數(shù)寫入到文件中，以供程序調(diào)用：并可以自動(dòng)建立數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表。</p><p>　　5.1.1　安裝前的

106、準(zhǔn)備工作</p><p>　　首先要明確接口中各引腳的定義，確定設(shè)備所使用的通訊速度、數(shù)據(jù)格式以及通訊字符串格式等與數(shù)字儀表內(nèi)部定義的是否一致。如果存在參數(shù)不一致，安裝前必須先通過設(shè)備自帶的設(shè)置軟件將傳感器的通訊波特率和數(shù)據(jù)格式設(shè)置與運(yùn)行一致。有些具有開機(jī)自動(dòng)檢測和設(shè)置通訊參數(shù)的功能，直接將設(shè)備參數(shù)確定。</p><p>　　5.1.2　傳感器濾波</p><p>

107、　　智能化施肥灌溉技術(shù)采用的傳感器一般用計(jì)算機(jī)配專用軟件直接輸出信號，設(shè)備和傳感器，接口連接安裝調(diào)試的關(guān)鍵。傳感器自身濾波強(qiáng)度的設(shè)置沒有一個(gè)固定的標(biāo)準(zhǔn)，一般能滿足現(xiàn)場使用要求即可。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，一般傳感器設(shè)置在4級以下(0.5Hz以上)，如果沒有條件修改傳感器濾波強(qiáng)度，當(dāng)使用中發(fā)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)反應(yīng)過慢時(shí)或穩(wěn)定性差時(shí)，也可以通過降低或提高儀表濾波強(qiáng)度方式來達(dá)到同樣的效果。</p><p>　　傳感器地址最好依照安裝次