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农业灌溉毕业论文

姓名:郭学成

专业班级:10电气自动化4班论文名称:

指导教师:常江

目录

摘要 (1)

第一章绪论 (2)

1.1技术要求 (2)

1.2农业节水灌溉自动控制系统的功能要求 (3)

第二章西门子系列软、硬件介绍 (4)

2.1西门子S7-300PLC (4)

2.1.1信号处理模块 (4)

2.1.2接口模块 (5)

2.1.3功能模块 (6)

2.1.4CPU中央处理器 (6)

2.1.5通讯处理器 (8)

2.1.6通讯网卡 (8)

2.2G110变频器 (9)

2.2.1G110变频器端子口 (9)

2.2.2G110变频器模拟信号控制时的设置与接线图 (9)

2.2.3G110变频器参数更改方法 (9)

2.2.3G110变频器内部与外部接线图 (11)

2.3SIMATIC Manager step7 5.4简介与操作 (12)

2.4WINCC的简介与新建工程及项目组态 (13)

第三章农田灌溉系统 (22)

3.1农田自动灌溉系统简介 (22)

3.2系统设计 (22)

3.2.1总体设计 (22)

3.2.2主机的选择 (23)

3.2.3其他设备的选择 (23)

3.3下位机的软件设计 (23)

3.3.1PID指令 (23)

3.3.2可编程控制器(PLC)的PID功能指令 (24)

3.4PLC程序设计 (25)

第四章常见故障及处理 (29)

附:I/O分配表 (30)

参考文献 (31)

致谢 (32)

摘要

以可编程控制器作为控制设备,利用其自带的PID功能指令及其扩展功能模块实现系统对农作物喷灌的自动控制。首先,设计了系统的硬件结构,详细分析了PID控制理论,提出了设计的整体方案、目标及功能要求;同时,对可编程控制器与控制计算机的通信进行实时监控,并将农作物的生命曲线存入计算机,按其各阶段所需水分和养分修正PID设定参数,提醒土壤当中有机物的构成比例,并在需要施肥和施哪种肥方面做出提示。该系统由上位机和下位机组成,能通过对土壤湿度、土壤温度、降雨量和气候的变化以及土壤的成分来自动实现对农作物喷灌量与喷灌时间的控制。整套装置使用起来稳定性高,易于控制,达到了既能节约水资源,又能符合农作物的生长规律的目的,提高了产量。

关键词:节水灌溉;PLC;PID;组态技术

第一章绪论

我国水资源短缺,利用率低,水浪费严重,供需矛盾突出,严重制约我国社会经济的发展。解决水资源短缺问题最根本的出路在节水,建设节水型社会是新农村建设发展节水的根本途径。我国水资源总量并不算少,但是人均水资源量仅是世界平均数的26%,而灌溉用水量偏多是多年存在的一个突出问题。因此要节约用水,合理灌溉,发展节水农业。要做到这些,深入了解作物蓄水规律,掌握合理灌溉的时期、指标和方法,实行科学供水是非常重要的。发展节水灌溉对于缓解水资源紧缺矛盾、扩大灌溉面积、实现“两个转变”、可持续发展战略、提高农业综合生产能力具有十分重要的意义。节水灌溉的基本原则就是用少量的水取得最大的效果,而合理的灌溉是农作物正常生长发育并获得高产的重要保证,可取得良好的生理效应和生态效应,增产效果显著。国外一些喷灌系统设备结构复杂、成本较高,其安装和维护过程都很复杂,不适合在我国使用。我国制造的喷灌设备成本相对低廉,但是由于绝大多数采用的是普通继电器控制系统,调试与维护困难,灵敏度不够高,不能实现定时定量喷灌,其产品市场占有率很低。PLC具有体积小、功能强、编程简单、可靠性高和组装灵活等优点,广泛应用于国防、电力和通讯等领域,但在农业领域很少应用。可编程控制器(PLC)应用在节水灌溉控制工程设计中能够简化硬件结构,具有提高可靠性、增加灵活性和适用于各种环境条件下运行等优点,并且在系统硬件组成不变的情况下,通过更改软件设置来适应多种运行方式的需要,是传统继电器控制的理想替代品,尤其在农田水利系统的小型泵站中可实现无人值守或半无人值守,具有广阔的应用前景和使用价值。

1.1技术要求

我国把节水灌溉作为国民经济可持续发展的一项重要措施和战略任务,研制和推广节水灌溉控制新技术是实现农业现代化的需要,同时也是建设和保护干旱、半干旱地区生态环境的一条重要途径。PLC是在传统电气控制的基础上发展而来的,它将继电器、接触器控制系统的优点与计算机控制系统的编程灵活、功能齐全、应用面广和计算功能强大等优点结合起来,并且汇集了超大规模集成电路的众多优点,把它应用在节水灌溉控制系统中,能够简化硬件结构,提高可靠性,增加灵活性,可收到人们常说的“以软(件)代硬(件)”的效果。基于PLC的自动喷灌控制系统是将自动控制与喷灌系统有机地结合起来,使喷灌系统在无人干预的情况下通过控制器按规定的程序自动进行喷灌。为了达到

节水的目的,灌溉区域采用分组轮灌,其灌水量的控制要求采用自动灌溉控制系统,按序开关各小区的供水电磁阀,达到既节省人力又使灌溉时间控制准确和提高灌溉质量的目的。

1.2农业节水灌溉自动控制系统的功能要求

可编程控制器是以微处理器为基础,综合了计算机、自动控制和通信等技术的一种新型通用工业控制装置,它具有结构简单、编程方便和可靠性高等优点,已广泛应用于工业生产过程和装置的自动控制中,成为工业控制的主要手段和重要的基础控制设备之一。由可编程控制器构成的节水灌溉自动控制系统根据植物生长、研究的特点和要求,系统需要提供以下控制功能:(1)实现喷灌自动化,利用其自带的PID功能指令及其扩展功能模块实现系统对农作物喷灌的自动控制,基本上实现了“无人值守”灌溉,大大节省了人工劳动。

(2)自动控制系统对作物进行灌溉时,遇到阴雨天会自动停止灌溉。灌溉不仅受时间控制,而且要求在软件中有湿度、温度控制功能,即温湿度达到某一控制点时改变运行程序,这样与传统的灌溉机械系统相比更为节水。本系统用传感器电路测量湿度和温度。当湿度达到设定值时,自动停止灌溉;当温度低于0℃时,自动停止灌溉,从而减少了水的浪费。

(3)手动和自动控制功能。考虑到系统的可靠性和经济性,要求系统有手动和自动控制功能。系统在自动(或手动)工作方式时,能自动(或手动)控制供水水泵的运行与停止。

(4)在系统硬件组成不变的情况下,通过更改上位机组态软件设置,来适应多种运行方式以及作物不同生长期的需要,适应不同运行环境的需要(如农田、果林、草场、温室大棚、草坪和沙床苗圃等),并且可以选择不同的灌溉方式(喷灌或者滴灌等)。

(5)可编程控制器(PLC)和控制计算机实现通信,通过组态王等组态软件开发设计,实现上位机控制界面,足不出户就可以控制整个系统,并且监控整个设备的运行状态。根据作物的需水规律及其整个生命状态实时调整程序的参数进行,以适应作物不同生长期对水和矿物质的需求。

(6)对断电、断水等情况加以考虑,使系统具有较高的安全性。采用PLC 程序控制,相比继电器控制系统,提高了可靠性,减少了维护工作量。

第二章西门子系列软、硬件介绍

2.1西门子S7-300PLC

SIMATIC S7-300T-CPU是专业用于复杂运动控制工艺要求的S7-300CPU,其最终的控制对象为:伺服电机,步进电机,感应电机,液压比例阀。西门子SIMATIC S7-300T-CPU,可以理解为:集成了FM定位模板的标准S7-300CPU,所有的程序编制和开发,都是借助西门子STEP7软件环境,编程语言是用户所熟悉的LAD,STL,FBD,SCL,Graph,CFC,SFC,HiGraph。所有的运动控制程序编制,都是借助STEP7编程库中的S7-Tech Library(T-CPU专用的运动控制指令库—FB块),符合PLCopen标准,方便用户直接使用现成的运动控制指令,实现复杂的运动控制任务。可最大程度地降低工程与组态、调试和维护费用。由于这些标准功能块直接集成在SIMATIC S7-300T-CPU Technology 系统固件中,因而占用S7-CPU的工作内存很少。

2.1.1信号处理模块

信号处理模块主要分为四类:开关量输入DI、开关量输出DO、模拟量输入

AI、模拟量输出AO

经常使用的开关量输入模块名称和性能:

(1)SM32116点输入,24V DC;13-30V为信号1;-30~5V为信号0;

(2)SM32116点输入,120V/230V AC;79-264V为信号1;0~40V为信号0;经常使用的开关量输出模块名称和性能:

(1)SM32216点输出,24V DC;信号1时输出L+-0.8V;

(2)每通道的最大输出电流0.5A;阻性负载的最高输出频率100HZ,感性为

0.5HZ;带短路电子保护;

(3)SM3228点输出,继电器接点;信号1时输出接点闭合;信号0时输出接点断开;接点容量8A(230V AC)或5A(24V DC);

经常使用的模拟量输入模块名称和性能:

(1)SM3318点模拟量输入;用于电阻测量时,为4点;

(2)输入信号类型:

电压+/-80mV;+/-250mV;+/-500mV;+/-1V;+/-2.5V;+/-5V+/-10V 电流+-10mA;+-20mA;0-20mA;4-20mA

电阻150欧姆;300欧姆;600欧姆

热电偶E、N、J、K型

热电阻Pt100标准;Ni100标准

分辨率14位

经常使用的模拟量输出模块名称和性能:

(1)SM3324点模拟量输出

(2)信号类型:

电压输出0-10V;+/-10V;1-5V;

电流输出4-20MA;+/-20MA;0-20MA

分辨率12位

2.1.2接口模块

接口模块主要用于连接多机架的PLC系统,即一个S7-300PLC系统的信号模块如果超过8块,就必须配置接口模块进行扩展。

经常使用的接口模块名称和性能:

(1)IM360/IM361接口模块是最为理想的扩展方案;

(2)IM360插入到CR(中央机架,CPU所在的机架);

(3)IM361插入到ER(扩展机架,扩展信号模块所在的机架);

(4)使用IM360/IM361接口模块最多可以扩展3个机架,既一个传统的PLC 系统最多处理32个信号模块;

2.1.3功能模块

(1)计数器模块;可直接连接增量编码器,实现连续、单向和循环记数;

(2)步进电机控制模块;和步进电机配套使用,实现设备的定位任务;

(3)PID控制模块;实现温度、压力和流量等的闭环控制

2.1.4CPU中央处理器

S7-300总共有8种不同的CPU

(1)CPU312IFM,带集成的数字输入/输出的紧凑型CPU,用于带或不带模拟量的小系统,最多8个模块;

(2)CPU313用于有更多编程要求的小型设备;

(3)CPU314IFM,带有集成的数字和模拟输入/输出的紧凑型CPU;

(4)CPU314用于安装中等规模的程序以及中等指令执行速度的程序;

(5)CPU315/315-2DP用于要求中到大规模的程序和通过PROFIBUS-DP进行分布式配置的设备;

(6)CPU316用于有大量编程要求的设备;

(7)CPU318-2用于有要求极大规模的程序和通过PROFIBUS-DP进行分布式配置的设备;

(8)CPU315-2DP和CPU313的重要性能参数比较:

序号参数名称CPU313CPU315-2DP

1工作存储器12K字节/4K语句64K

2装载存储器20K字节96K内置

3块数量128FC/128FB/127DB192FC/192FB/255DB

4位存储器20482048

5记数器C1-C64C1-C64

6定时器T1-T128T1-T128

7数字I/O总数256通道8192

8模拟I/O总数64I/32O512

9支持的软件STEP7STEP7/SCL/CFC

10PROFIBUS-DP口无有

图2.1模式选择开关

模式选择开关用来选择CPU的运行方式。有的该开关是一种钥匙开关,改变

运行方式需要插入钥匙,用来防止未经授权的人改变CPU的运行方式。

模式选择开关各位置的含义如下

(1)RUN-P(运行-编程)位置:CPU不仅执行程序,还可以在线读出和修改程序及改变运行方式;

(2)RUN(运行)位置:CPU执行程序,可以读出程序,但不能修改程序;

(3)STOP(停机)位置:CPU不执行程序,可以读出和修改程序;

(4)MERS(清除存储器)位置:可以复位存储器,使CPU回到初始状态,此位置不能保持,当松开后,又会回到STOP的位置。

状态和故障指示灯

(1)SF(系统故障指示,红色):CPU硬件故障或软件出错时常亮;

(2)BATF(电池故障,红色):电池电压低或无电池时常亮;

(3)DC5V(+5V电源指示,绿色):CPU和S7-300总线+5V电源正常时常亮;

(4)FRCE(强制指示,黄色):至少有一个I/O被强制时常亮;

(5)RUN(运行指示,绿色):CPU处于RUN运行方式时常亮,重启动时以2Hz的频率闪亮,HOLD状态时以0.5Hz的频率闪亮;

(6)STOP(停机指示,黄色):CPU处于STOP、HOLD状态时常亮;请求存储器复位时以0.5Hz的频率闪烁;正在复位时以2Hz的频率闪烁;

(7)BUSF(总线故障指示,红色):Profibud-DP接口硬件或软件故障时常亮。

2.1.5通讯处理器

常用的通讯处理器包括:PROFIBUS-DP处理器、PROFIBUS-FMS处理器和工业以太网处理器。

(1)PROFIBUS-DP处理器名称:CP342-5

①用于连接SIEMENS S7-300和PROFIBUS-DP的主/从的接口模块;

②通过PROFIBUS简单的进行配置和编程;

③支持的通讯协议:PROFIBUS-DP、S7通讯功能、PG\OP通讯;

④传输率:9.6~12Mbit/s自由选择;

⑤主要用于和ET200子站配合,组成分布式I/O系统;

(2)PROFIBUS-FMS处理器名称:CP343-5

①用于连接SIEMENS S7-300和PROFIBUS-FMS的接口模块;

②通过PROFIBUS简单的进行配置和编程;

③支持的通讯协议:PROFIBUS-FMS、S7通讯功能、PG\OP通讯;

④传输率:9.6~1.5Mbit/s自由选择;

⑤主要用于和操作员站的连接;

(3)工业以太网处理器名称:CP343-1

①用于连接SIEMENS S7-300和工业以太网接口模块;

②10/100M bit/s全双工,自动切换;

③接口连接:RJ45、AUI;

④支持的通讯协议:ISO、TCP/IP通讯协议;和S7通讯、PG\OP通讯;

⑤主要用于和操作员站的连接;

通讯网卡卡

2.1.6通讯网

(1)PC-ADAPTER用于PC的串口和PLC的MPI口直接连接;

(2)CP5611通讯卡,支持MPI协议、PROFIBUS-DP协议、S7connections;

用于工程师站\操作员站和PLC的多点连接;

(3)CP5613通讯卡,支持MPI协议、PROFIBUS-DP协议、S7connections;

用于工程师站\操作员站和PLC的多点连接;

(4)CP1613通讯卡,支持ISO协议、TCP/IP协议、S7connections;用于工程师站\操作员站和PLC的多点连接;

(5)CP5412A2通讯卡,支持PROFIBUS FMS协议;用于工程师站\操作员站和PLC的多点连接;

2.2G110变频器

2.2.1G110变频器端子口

2.2.2G110变频器模拟信号控制时的设置与接线图

2.2.3G110变频器参数更改方法

在进行G110变频器设置参数时,要先对参数快速调试一遍,让参数恢复至原厂设置,首先按P键,使之显示后,按键,使之显示P0010时,按P键进入所选参数,在利用或选取至1,再按P键确认,返回到选取参数,找到参数P3900,进入后选取1启动快速调试,就可以结束快速调试。

控制启动变频器的方法有很多种,可以用变频器上的键盘,最常用的是模拟信号控制,也就是通过PLC连接变频器的端口使之得到数据处理来控制变频,若要进行此方法,就要先对变频器的参数设置,如下图显示

首先,这是命令信号源的选择,可以看到1为键盘设置,就是变频器上的键盘,2为端子排输入,即为PLC的输出端连接,所以我们要选取参数P0700的2。

此时我们以得到了端口控制,现在就来看变频器频率的控制,可以看到,变频器频率变化控制有很多种,常用的就是2模拟设定值与3固定频率设定值,如果有传感器通过PLC时,我们就可以用PLC输出的模拟量来控制变频器的频率大小来维持变量平衡,我们就应该在参数P1000上选择2模拟设定值;如果只是单纯的想控制变频器启动停止,而不要求频率有动态变化时,我们就可以将频率设定到需要大小,然后在参数P1000上选择3固定频率设定值。

我们顺便说说频率的设置,请看下图,

非常明显,我们国内电机的标准是50HZ,所以我们只要在参数P0100上选取0就行,如果真需要60HZ的话,也可以在参数P0100上选取1或2。

2.2.4G110变频器内部与外部接线图

2.3SIMATIC Manager step75.4简介与操作

西门子STEP7是用于SIMATIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件,可使用梯形图逻辑、功能块图和语句表进行编程操作。

PCD1和PCD2Saia-PCD控制设备也可以用Siemens Step7来编程。使用Step7编程可以在Saia PCD上实现某些集成在Step7内的功能。不只是兼容在常规功能之外还具备以下的特点:

(1)DK3964R/RK512等标准协议已经集成到控制器内,不需要额外驱动。

(2)MPI接口集成modem支持:内置modem功能,可进行远程编程、诊断或数据传输编程不需MPI转换器,直接通过PC上的RS232口。

(3)现场总线通讯功能、控制器功能中已集成了Profibus DP Master/ Slave,Profibus FMS和LONWorks.。

(4)利用web server进行监控、储存HTML网页、图片、PDF文件等到控制器里供通用浏览器查看扩展操作系统功能如保护技术秘密,防止被非法查看或复制。

(5)用Siemens原装Step7编程直接运行Step7程序,毋需转换兼容普遍使用的编程环境,使用熟悉的编程测试功能用STL,LAD,FBD编程使用Siemens工程工具,监视修改变量,程序状态等。

(6)相同指令集(Siemens S7-300和S7-400系列)。

(7)一些特殊功能,如:串口通讯、计数等可在系统功能(SFCs)中编辑。

SIMATIC Manager step7 5.4界面

SIMATIC Manager step7 5.4组态界面

SIMATIC Manager step7 5.4编程界面

2.4WINCC的简介与新建工程及项目组态

SIMATIC WinCC是第一个使用最新的32位技术的过程监视系统,具有良好的开放性和灵活性。

从面市伊始,用户就对SIMATIC WinCC印象深刻。一方面,是其高水平的

创新,它使用户在早期就认识到即将到来的发展趋势并予以实现;另一方面,

是其基于标准的长期产品策略,可确保用户的投资利益。

凭籍这种战略思想,WinCC,这一运行于Microsoft Windows2000和XP下的Windows控制中心,已发展成为欧洲市场中的领导者,乃至业界遵循的标准。如果你想使设备和机器最优化运行,如果你想最大程度地提高工厂的可用性和生产效率,WinCC当是上乘之选。

(1)多功能

通用的应用程序,适合所有工业领域的解决方案;多语言支持,全球通用;可以集成到所有自动化解决方案内;内置所有操作和管理功能,可简单、有效地进行组态;可基于Web持续延展,采用开放性标准,集成简便;集成的Historian系统作为IT和商务集成的平台;可用选件和附加件进行扩展;“全集成自动化”的组成部分,适用于所有工业和技术领域的解决方案。

(2)示例证明

WinCC集生产自动化和过程自动化于一体,实现了相互之间的整合,这在大量应用和各种工业领域的应用实例中业已证明,包括:汽车工业、化工和制药行业、印刷行业、能源供应和分配、贸易和服务行业、塑料和橡胶行业、机械和设备成套工程、金属加工业、食品、饮料和烟草行业、造纸和纸品加工、钢铁行业、运输行业、水处理和污水净化。

(3)其他作用

WinCC是SIMATIC PCS7过程控制系统及其它西门子控制系统中的人机界面组件。

WinCC还为垂直市场解决方案提供有丰富的选件(options)和附加件(add-ons)。

通过利用“FDA选件”,并在工程与组态时采取适当的措施—这在白皮书中已阐明—SIMATIC WinCC符合制药和食品行业FDA21CFR Part11的要求(FDA =美国食品和药物管理局)。众多的任选件,将使工厂认证更为容易,而这种认证为这些工业领域的各种要求更是提供了非常有说服力的全面响应。

例如,已开发出了一些应用于垂直市场,如供水行业的WinCC附加件:应用Sinaut ST7cc的远程控制系统,应用PM-Aqua的归档和记录系统,应用Siwa-Plan的运行成本优化系统,应用FunkServer-Pro的报警管理系统等。

1、创建新项目

(1)启动WinCC,单击“开始”>SIMATIC>WinCC>windows control center 6.0;

(2)第一次运行WinCC时,出现一个对话框,选择“单用户项目”,单击“确

定”按钮;

(3)在“新建项目”对话框中输入“抽水”作为项目名,并为项目选择一个项目路径;

(4)打开WinCC资源管理器如图1-1所示,实际窗口内容根据配置情况有细微差别。窗口的左边为浏览窗口,包括所有已安装的WINCC组件。有子文件夹的组件在其前面标有符号+,单击此符号可显示此组件下的文件夹。窗口右边显示左边组件或文件夹所对应的元件。

WinCC资源管理器

2、组态变量

(1)添加一个通讯驱动程序,右击浏览窗口中的“变量管理”,在快捷菜单中选择“添加新的驱动程序”。

(2)在“添加新的驱动程序”对话框中,选择SIMATIC S7Protocol Suite. Chn,并单击“打开”按钮,所选择的驱动程序将显示在变量管理的子目录下。(3)单击所显示的驱动程序前面的“+”,将显示当前驱动程序所有可用的通道单元。通道单元可用于建立与多个自动化系统的逻辑连接。逻辑连接表示与单个的、已定义的自动化系统的接口。

(4)右击MPI通道单元,在快捷菜单中选择“添加新的驱动程序”菜单项。在随后打开的如图1-2所示的“连接属性”对话框中输入cs作为逻辑连接名,单击“确定”按钮。

建立一个逻辑连接

(5)右击刚刚建立的cs,从快捷菜单中选择“新建变量”菜单项,打开“变量属性”对话框。在“常规”选项卡上输入变量的名称,并选择变量的数据类型。

创建过程变量

(6)单击“选择”按钮,打开“地址属性”对话框,输入此变量的地址,如图1-4所示。单击“确定”按钮关闭对话框,完成外部变量的创建。

过程变量的属性对话框

3、创建过程画面并运行调试

本阶段创建:主库1、2、3以及从库:1、2、3入库层次;有船来按钮第一步:建立过程画面

(1)右击WinCC资源管理器的图形编辑器,从快捷菜单中选择“新建画面”

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