1. 绪论1.1课题背景随着全球淡水资源的日益减少，世界农业发达国家都着眼于节水灌溉，而以喷灌、滴灌设备为主的灌水技术是世界上普遍采用的节水灌溉技术，它可将作物所需的水分均匀、准确地直接喷洒到作物的需水部位并被吸收利用，与普通沟灌方式相比，灌溉节水率达40%以上。
在诸多的节水灌溉设备中，移动式喷灌机因其运移方便、节水、实用、省工省时，满足农艺要求、确保温室环境条件的要求、适时喷灌、保证作物和苗木的快速生长、提高产量等特点，更适合在大型温室内进行机械化作业。
随着我国农业经济的快速发展以及工厂化高效农业的快速推进，各地对用于温室内先进的节水灌溉技术和设备需求越来越大。
目前我国连栋温室配套使用的喷灌机，大部分是从以色列、美国、韩国进口设备，进口喷灌机具有自动化程度高，运行速度快，范围可随意调整，悬挂行走，可越跨使用等优点。
但是，也存在投资大、操作不当故障率高，售后服务跟不上，配件更换困难等缺点，有些产品也不完全适合中国的土壤水质、微生物滋长情况、气候及作物种植习惯。
因此采用先进制造技术和信息技术，根据我国节水农业的发展与自然和社会经济条件，研制出可靠性好、使用灵活、适用面广、价格低、在技术上达到国际先进水平的节水灌溉设备是非常有必要的。
1.2我国喷灌设备的现状及国外自行走式喷灌机介绍1.2.1我国喷灌设备的现状进入20世纪80年代，喷灌设备机型发展已趋向稳定，目前世界上有的主要机型我国几乎全有。
按其配套动力和作业幅宽可分为大型喷灌机、中型喷灌机、轻小型喷灌机组，其技术差距如下：（1）大型喷灌机主要包括圆型、平移式和滚移式喷灌机。
代表当今世界先进技术水平的公司是美国的Valmont公司、Lindsay公司和Wade公司。
我国大型喷灌机自20世纪70年代中期开始研制，其中电动圆型喷灌机技术水平已达到世界20世纪90年代初期水平。
平移式和滚移式喷灌机已在高起点上，由国家立项进行研制。
与国外同类产品的主要技术差距表现在制造精度、电机减速器效率、以及桁架和喷洒器的规格种类偏少。
目前，我国大型喷灌机的喷灌面积约占全国喷灌面积的10%左右。
（2）中型喷灌机主要包括绞盘式、双臂式、悬挂式远射程喷灌机。
我国绞盘式喷灌机是从20世纪70年代末开始研制的，目前有50、75、90三个品种近10种规格，整体上处于国际20世纪80年代技术水平。
其主要问题在于：品种、规格少，制造质量不稳定；特质PE 软管性能不过关；水力驱动装置尚不成系列；调整装置与国外的电子调整装置相比精度偏低，影响了喷灌机的喷洒均匀性；垂直摇臂式喷枪可靠性较差，没有形成系列，与绞盘式喷灌机配套的水泵及动力也尚未成系列，严重地制约了这种机型的推广。
到1999年止，全国绞盘式喷灌机保有量约在3000台，其中从国外引进约2000多台。
（3）轻小型喷灌机组主要包括手提式、手抬式、手推车式、小型拖拉机悬挂式、小型绞盘式喷灌机。
代表当代世界先进技术水平的公司是澳大利亚的Southern Cross公司、奥地利的Bauer公司。
我国轻小型喷灌机组是20世纪70年代中期由国家组织、联合攻关研制的。
目前，全国保有量达60多万台套，喷灌面积占全国喷灌面积的80%左右。
其机型20多年来没有多大变化，急需更新换代。
其主要问题表现在：喷头系列长，档次疏，用户选配困难；喷灌泵铸造工艺落后，与电机、柴油机配套后的机组效率低，结构笨重，机型落后，不能很好地满足目前农村的农业生产结构调整的需要。
1.2.2国外自行走式喷灌机介绍来自美国的ITS双臂自走式喷灌机，专为温室喷灌设计。
喷灌机运行在悬挂于温室顶部的轨道上进行灌溉作业，以减少对温室其他作业的影响；同时喷灌机可从一条运行轨道轻松转移到另一条运行轨道，利用一台喷灌机可实现多跨温室不同区域的灌溉，可大大降低设备投资。
ITS喷灌机的基本机型包括：ITS基本型喷灌机、ITS顶级型喷灌机和ITS经济型喷灌机，三种机型的主要区别在于控制系统。
喷灌机有两种供水方式：垂管供水(端部供水)方式和平管(中间供水)供水方式。
垂管供水方式的供水管通过轨道上的悬挂滑轮垂吊在温室上部，这种方式的优点是安装方便、供水管和供电电缆可随喷灌机一起转移到下一跨中进行灌溉，因此设备投资较低；但这种方式限制了供水管的使用长度、即限制了喷灌机的行程，且垂下的供水管有可能影响植物的生长。
平管供水方式的供水管通过盘卷小车平铺在轨道两侧的滑轮上，这种方式的优点是美观实用、供水管不影响温室生产、允许喷灌机有较大的行程、喷灌机工作平稳安全；但这种方式供水管和供电电缆无法随喷灌机一起转移到下一跨中进行灌溉，因此设备投资较高。
喷灌机采用电子程序控制器，可以一次输入20个程序，每个程序均可独立进行启动时间、重复运行时间、停止时间、水肥量设定和左右喷杆选择等功能的设置。
程序设置完成后可以自动执行。
PG型双臂自走式喷灌机，又一款专为温室喷灌设计喷灌机。
喷灌机运行在悬挂于温室顶部的轨道上进行灌溉作业，以减少对温室其他作业的影响；采用垂管供水(端部供水)方式，供水管和供电电缆通过轨道上的悬挂滑轮垂吊在温室上部；喷灌机连同供水管和供电电缆可一起转移到下一跨中进行灌溉，利用一台喷灌机可实现多跨温室不同区域的灌溉。
图1-1美国的ITS双臂自走式喷灌机图1-2美国的PG型双臂自走式喷灌机2. 基于DCS的自行走式喷灌机控制系统整体方案设计2.1 DCS系统介绍DCS系统是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统。
该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一、人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。
DCS系统综合了计算机技术、通信技术、过程控制技术和显示技术（简称4C技术），在现代化生产过程控制中起着重要的作用。
2.1.1 DCS系统的基本组成和特点1．DCS系统的基本组成DCS系统通常由过程控制单元、过程输入/输出接口单元、CRT显示操作站、管理计算机和高速数据通路五个主要部分组成。
（1）过程输入/输出接口过程输入/输出接口又称数据采集装置（采集站），主要是为过程非控变量专门设置的数据采集系统，它不但能完成数据采集和预处理，而且还可以对实时数据进一步加工处理，供CRT操作站显示和打印，从而实现开环监视，还可以通过通信系统将所采集到的数据传输到监控计算机。
在有上位机的情况下，它能以开关量和模拟信号的方式，向过程终端元件输出计算机控制命令。
（2）过程控制单元过程控制单元又称现场控制单元或基本控制器（或闭环控制站），是DCS系统的核心部分，主要完成连续控制、顺序控制、算术运算、报警检查、过程I/O、数据处理和通信等功能。
（3）CRT操作站CRT操作站是DCS系统的人机接口装置，普遍配有高分辨率、大屏幕的色彩CRT、操作者键盘、工程师键盘、打印机、硬拷贝机和大容量存储器。
操作员可通过操作者键盘在CRT 显示器上选择各种操作和监视用的画面、信息画面和用户画面等。
（4）高速数据通路高速数据通路又称高速通信总线、公路等，实际是一种具有高速通信能力的信息总线，一般采用双绞线、同轴电缆或光纤构成。
为了实现DCS系统各站之间数据的合理传送，通信系统必须采用一定的网络结构，并遵循一定的网络通信协议。
（5）管理计算机管理计算机又称上位计算机，它功能强、速度快、存储容量大。
通过专门的通信接口与高速数据通路相连，综合监视系统的各单元，管理全系统的所有信息。
也可用高级语言编程，实现复杂运算、工厂的集中管理、优化控制、后台计算以及软件开发等特殊功能。
2．DCS系统的特点（1）实现分散控制；（2）实现集中监视、操作和管理，具有强有力的人机接口功能；（3）采用局部网络通信技术；（4）系统扩展灵活方便，安装调试方便；（5）丰富的软件功能；（6）采用高可靠性的技术。
2.1.2 DCS系统的结构与功能现场控制站、CRT操作站（操作员、工程师站）是DCS系统的基本组成部分，起到“集中监视和集中管理、分散控制”的作用。
1．现场控制站现场控制站是完成对过程现场I/O信号处理，并实现直接数字控制（DDC）的网络节点。
2．CRT操作站（操作员站、工程师站）CRT操作站是为了便于过程全面协调和监控，实现过程状态的显示、报警、记录和操作而提供的操作接口，其主要功能是为系统运行管理的操作人员提供人机界面，使操作人员通过操作站及时了解现场状态、各运行参数的当前值、是否有异常情况发生等。
2.2 连栋温室喷灌控制系统的方案设计针对我国喷灌设备的现状以及与国外的差距，开发设计出先进的喷灌设备迫在眉睫。
由此设计这款基于DCS的自行走式喷灌机控制系统，该系统具有体积小、重量轻、运行操作方便、可靠性高、配套齐全、经济实用等诸多特点，适于在各种温室内进行机械化作业的控制，能根据温室内所种植物的不同生长习性及生理特点，进行不同的水量和施肥量调节设置，为植物提供最佳的水肥条件，保证作物高效快速地生长，从而实现工厂化生产。
我国是淡水资源严重短缺的国家之一，发展节水灌溉技术势在必行。
自行走式喷灌机控制系统促使喷灌机的节水灌溉技术有了新的突破，这种灌溉方式对省水、省工、省时、省地和增加作物产量，提高农副产品品质，改善生态环境具有重要的作用。
试验表明，采用该种方式灌水均匀，节省用水量，其喷洒均匀系数≥85%，与地面灌溉比，可节水30%~40%；该种方式还可提高作物产量，一般可增产20%~30%，另外比地面灌溉节省约50%的劳力。
设计此自行走式喷灌机控制系统可根据温室内温度和作物生长特性及需水规律，确定最佳喷水时刻和最佳喷水量；操作简便、使用可靠，自动化程度高；省工、省水，不占用土地面积，不影响作物生长，通过该节水设备的试验推广，可实现农业领域的节水灌溉，保证国民经济和社会可持续发展。
比较PLC与单片机作为控制器的优缺点，由于单片机的设计排布线路烦琐复杂，维修困难，维修周期较长，资金投入大加之单片机的抗干扰能力弱的等缺陷，选择PLC作为控制器能够弥补以上缺陷，且易学易用，能够适应广大用户。
随着我国连栋温室的不断增加，为满足连栋温室喷灌效率、喷灌质量的提高，以及资金投入和方便管理等纵多方面，由分布式控制系统（DCS）的原理可以采用一台计算机与多台PLC连接控制多台喷灌机同时喷灌。
以3栋温室为例，计算机与PLC之间采用FX-485PC-IF和专用的通讯电缆，实现计算机与3台PLC的连接，采取个人PC作为上位机与可编程控制器作为下位机之间的通信来完成一台计算机控制3台PLC的。
如图2-1。
