基于PLC的全自動灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計

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摘 要介紹了可編程序控制器( P L C )在節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，我國在開發(fā)灌溉自動控制系統(tǒng)方面與發(fā)達國家差距較大，還處于研制、試用階段，隨著水資源的日趨緊張及信息技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)不僅具有廣闊的市場前景，而且具有巨大的社會效益。系統(tǒng)具有手動灌溉模式，能根據(jù)用戶要求設(shè)定各灌區(qū)的灌溉順序和灌溉時間;同時系統(tǒng)具有自動灌溉模式，通過內(nèi)置程序把濕度傳感器測定的土壤濕度信號輸入到PLC，與土壤最佳含水量對比，進一步控制電機和電磁閥的啟閉；為了減小水泵電機的啟動電流，減輕對電網(wǎng)形成的沖擊，減小能耗,系統(tǒng)啟動采用 Y啟動。關(guān)鍵詞 PLC；節(jié)水灌溉；土壤濕度；Y啟動；梯形圖目 錄1 基于PLC的全自動灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計的原理1.1 緒論-11.2 制系統(tǒng)各部分功能及設(shè)計-11.2.1 Y/啟動-11.2.2 手動灌溉模式- 11.2.3 自動灌溉模式-21.2.4 2000YZ型土壤濕度計的技術(shù)參數(shù)-21.3 結(jié)語- 22 基于PLC的全自動灌溉控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計2.1 FX-2N系列可編程控制器簡介-32.1.1 可編程控制器的產(chǎn)生-32.1.2 可編程控制器的定義-42.1.3 可編程控制器的發(fā)展趨勢-42.1.4 可編程控制器的特點-52.1.5 可編程控制器的主要功能-72.1.6 PLC的基本結(jié)構(gòu)-82.1.7 PLC各部分的作用-82.2 水資源短缺整體態(tài)勢嚴峻-102.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖-123 基于PLC的全自動灌溉控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計3.1 輸入、輸出點的分配-133.2 PLC外部接線圖-143.3 PLC程序設(shè)計流程圖-153.4 PLC程序設(shè)計-16致謝 參考文獻 第1章 基于PLC的全自動灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計的原理1.1 緒論當(dāng)前，隨著電氣信息技術(shù)在節(jié)水灌溉工程中的應(yīng)用，發(fā)達國家如美國、以色列、荷蘭、 加拿大、澳大利亞等成功開發(fā)了一系列用途廣泛、功能極強的灌溉控制器。而我國在開發(fā)灌溉自動控制系統(tǒng)方面與發(fā)達國家差距較大，還處于研制、試用階段，隨著水資源的日趨緊張及信息技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)不僅具有廣闊的市場前景，而且具有巨大的社會效益。本文以松下公司 F P 1系列的P L C為核心， 選用 C AO C型可編程控制器來開發(fā)了一套灌溉控制系統(tǒng)，所開發(fā)的控制系統(tǒng)能手動設(shè)置對各輪灌區(qū)定時灌溉，也可以通過土壤濕度傳感器與控制器形成全自 動閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時為了減少水泵電機啟動電流，減輕對電網(wǎng)形成的沖擊，減小能耗，水泵電機采用 Y 啟動。1.2 制系統(tǒng)各部分功能及設(shè)計 控制系統(tǒng)包括電機 Y啟動，手動控制模式自動控制模式。因本系統(tǒng)除了濕度傳感器和雨量傳 感器輸人為模擬量外，其他輸入 出均為數(shù)字量，編程控制器本身的抗干擾能力能滿足要求。P L C的容量包括 I O點數(shù)、用戶存儲器的容量。系統(tǒng)采用 F P 1可編程控制器專用編程軟件編制梯形圖。1.2.1 Y/啟動 系統(tǒng)要求當(dāng)按下啟動按鈕時，首先電動機運行，帶動水泵抽水同時系統(tǒng)中電機采用 Y 啟動，啟動時繼電器KMY接通。2s 后KMY斷開，繼電器KM接通，即完成 Y 啟動。1.2.2 手動灌溉模式 系統(tǒng)具有手動設(shè)定各電磁閥的開啟時間和開啟順序的功能，當(dāng)某個電磁閉合時相應(yīng)的指示燈亮。當(dāng)雨量傳感器有信號，即下雨時，將停止灌溉，同時雨量報警器報警，本灌溉系統(tǒng)要求為一號灌區(qū)灌溉10min，打開2號灌區(qū)電磁閥灌水5 min，然后打開3 號灌區(qū)電磁閥灌水15min，最后停止灌溉。1.2.3 自動灌溉模式本灌溉控制器能根據(jù)土壤濕度傳感器得到的土壤濕度信號，與設(shè)定的適于作物生長度進行比較，然后決定是否灌溉，自動進行電機與各電磁閥的起閉。在本系統(tǒng)中選用2 0 0Y Z型土壤負壓傳 感器來測量土壤濕度，測量范圍為負壓值0-85Pa，基本上在植物的需水范圍，一般說來，當(dāng)土壤吸力大-7a值，土壤就需要灌水，否則會影響植物的生長，該壓阻傳感器輸出為 050mv；測量深度為200mm l 2 000mm, 地面以下部分根據(jù) 需要而定，總精度為2左右；使用環(huán)境為 0500。在小麥拔節(jié)抽穗期土壤最佳含水量用土壤負壓表示為-0kPa -0kPa ， 即當(dāng)土壤負壓 小于-60kPa時，打開灌水 閥門對作物進行灌溉 J。在該系統(tǒng)中把濕度傳感器得到的土壤濕度 信號放入 P L C的數(shù)據(jù)寄存器DT0中，把所設(shè)定的 土壤濕度上限值( -50k P ) 放入 DT 4，下限值( -60kPa放入 D T2 ，同時當(dāng)土壤缺水或適宜時，相應(yīng)的指示燈亮。1.2.4 2000YZ型土壤濕度計的技術(shù)參數(shù)指示單位kPa 以mV表示測量范圍土壤負壓值/kPa 085壓阻傳感器輸出/mV 050最小顯示值/mV 傳感器為0.1陶土頭直徑/mm20測量深度/mm 地面以下部分根據(jù)需要而定200至最長2000傳感器供電恒流/mA 1.53或直流/V 9 12線性度/% 0.1總精度/% 2 左右使用環(huán)境/ 05001.3結(jié)語本文以CAOC可編程序控制器為核心來構(gòu)建節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，系統(tǒng)具有手動設(shè)定功能，能根據(jù)用戶要求設(shè)定對某一灌區(qū)的灌水時間；系統(tǒng)還具有全自動灌溉功能，能根據(jù)土壤濕度傳感器得到的土壤信號與土壤的最佳濕度值對比，自動做出灌溉計劃；系統(tǒng)采用Y變換啟動水泵電機來減小啟動電壓，減輕對電機內(nèi)部繞組的損壞。第2章 基于PLC和觸摸屏的灌注系統(tǒng)硬件設(shè)計CPU單元負責(zé)控制整個生產(chǎn)過程。觸摸屏通過RS232C串口和CPU進行通訊，傳達用戶的指令，從而改變系統(tǒng)的運行狀態(tài)。輸出模塊向外部設(shè)備傳送輸出信號，使不同的執(zhí)行機構(gòu)動作。對執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)的改變，通過行程開關(guān)或光電傳感器將其信號反饋給輸人模塊。CPU單元又從輸人模塊讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的變化執(zhí)行不同的控制操作，由此構(gòu)成了整個控制回路n.根據(jù)系統(tǒng)控制要求、所需的IO點數(shù)、工作環(huán)境等因素，可編程控制器選用日本三菱公司的FX-2N系列可編程控制器。觸摸屏采用HITECH公司的PWS1760型。2.1 FX-2N系列可編程控制器簡介2.1.1可編程控制器的產(chǎn)生(一)PLC的定義PLC 全稱Programmable logic Controller，可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。是工業(yè)控制的核心部分。(二)PLC的發(fā)展過程在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制20世紀20年代起，人們把各種繼電器。定時器。接觸器及其觸點按一定的邏輯關(guān)系連接起來組成控制系統(tǒng)，控制各種生產(chǎn)機械，這就是大家所熟悉的傳統(tǒng)繼電接觸器控制系統(tǒng).由于它結(jié)構(gòu)簡單。容易掌握。價格便宜，在一定范圍內(nèi)能滿足控制要求，因而使用面甚廣，在工業(yè)控制領(lǐng)域中一直占主導(dǎo)地位.但是繼電接觸器控制系統(tǒng)有明顯的缺點：設(shè)備體積大，可靠性差，動作速度慢，功能少，難與實現(xiàn)較復(fù)雜的控制，特別是由于它是靠硬連線邏輯構(gòu)成的系統(tǒng)，接線復(fù)雜，當(dāng)生產(chǎn)工藝或?qū)ο蟾淖儠r，原有的接線和控制盤就要更換，所以通用性和靈活性較差.上世紀80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年長率一直保持為3040%。在這個時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度的提高，PLC逐漸進入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。PLC具有通用性強、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高，抗干擾能力強，編程簡單的特點。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來是無法取代的。20世紀60年代末期，美國的汽車制造業(yè)競爭激烈，各生產(chǎn)廠家的汽車型號不斷更新，它必然要求生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)亦隨之改變，以及對整個開展系統(tǒng)重新配置.為拋棄傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)的束縛，適應(yīng)白熱化的市場競爭要求，1968年美國通用汽車公司公開向社會招標，對汽車流水線控制系統(tǒng)提出具體要求，歸納起來是：（1） 編程方便，可現(xiàn)場修改程序（2） 維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)（3） 可靠性高于繼電器控制裝置（4） 體積小于繼電器控制盤（5） 數(shù)據(jù)可直接送入管理計算機（6） 成本可與繼電器控制盤競爭（7） 輸入可以是交流150V以上（8） 輸出為交流115V，容量要求在2A以上，可直接驅(qū)動接觸器，電磁閥等（9） 擴展時原系統(tǒng)改變最小（10） 用戶存儲器至少能擴張到4KB（適應(yīng)當(dāng)時汽車裝配過程的需要） 十項指標的核心要求是采用軟布線（編程）方式代替繼電控制的硬接線方式，實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)線的流程控制。2.1.2 可編程控制器的定義 美國國際電工委員會（IEC）在1987年對可編程序控制器做出如下定義：可編程序控制器是一類專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字式電子系統(tǒng)，它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部進行存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、定時、記數(shù)和算術(shù)運算等功能的面向用戶的指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入或輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破鳂O其相關(guān)外部設(shè)備，都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。定義強調(diào)了PLC應(yīng)直接應(yīng)用與工業(yè)環(huán)境，它必須具有很強的抗干擾能力，廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍。這也是區(qū)別與一般微機控制系統(tǒng)的一個重要特征。定義還強調(diào)了PLC是“數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)”，他也是一種計算機，它是“專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的”工業(yè)計算機。這種工業(yè)計算機采用“面向用戶的指令”，因此編程方便。它能完成邏輯運算、順序運算、定時、記數(shù)和算術(shù)運算等操作，它還具有“數(shù)字量和模擬量輸入和輸出”的能力，并且非常容易與“工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一體”，易于“擴充”。2.1.3 可編程控制器的發(fā)展趨勢PLC總的發(fā)展趨勢是向高集成度、小體積、大容量、高速度、易使用、高性能方向發(fā)展。具體表現(xiàn)在以下幾個方面。（1）向小型化、專用化、低成本方向發(fā)展隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，新型器件大幅度的提高功能和降低價格，使PLC結(jié)構(gòu)更為緊湊，相當(dāng)于一本精裝本書的大小，操作使用十分方便。PLC的功能不斷增加，將原來大、中型PLC才有的功能部分地移植到小型PLC上。（2）向大容量、高速度方向發(fā)展 大型PLC采用多微處理器系統(tǒng)，有的采用了32位微處理器，可同時進行多任務(wù)操作，處理速度提高，特別是增強了過程控制和數(shù)據(jù)處理的功能。另外，存儲容量大大增加。（3）智能型I/O模塊的發(fā)展 智能型I/O模塊是以微處理器和存儲器為基礎(chǔ)的功能部件，它們的CPU與PLC的主CPU并行工作，占用主CPU的時間很少，有利于提高PLC的掃描速度。（4）基于PC的編程軟件取代編程器 隨著計算機的日益普及，越來越多的用戶使用基于個人計算機上的編程軟件。編程軟件可以對PLC控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)，即設(shè)置硬件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，例如設(shè)置各框架各個插槽上模塊的型號、模塊的參數(shù)、各串行通行接口的參數(shù)等。（5）PLC編程語言的標準化 與個人計算機相比，PLC的硬件、軟件的體系結(jié)構(gòu)都是封閉的而不是開放的。在硬件方面，各廠家的CPU模塊和I/O模塊互不通用。PLC的編程語言和指令系統(tǒng)的功能和表達式也不一致，因此各廠家的可編程序控制器互不兼容。為了解決這一問題，IEC制定了可編程序控制器標準。標準中共有5種編程語言，允許編程者在同一程序中使用多種編程語言，這使編程能夠選擇不同的語言來適應(yīng)特殊的工作。（6）PLC通信的易用化PLC的通信聯(lián)網(wǎng)功能使它能與個人計算機和其他智能控制設(shè)備交換數(shù)字信息，使系統(tǒng)形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散控制和集中控制。（7）組態(tài)軟件與PLC的軟件化 個人計算機（PC）的價格便宜，有很強的數(shù)學(xué)運算、數(shù)據(jù)處理、通信和人機交互的功能。（8）PLC與現(xiàn)場總線相結(jié)合 現(xiàn)場總線I/O與PLC可以組成功能強大的、廉價的DCS系統(tǒng)。（9）開發(fā)新型特殊功能模塊 I/O組件可以提高PLC的智能化、高密集度和增大處理能力。(10) CPU的處理速度進一步加快目前，PLC的處理速度與計算機相比還比較慢，其高的CPU也不過80486，將來會全面使用64位的RISC芯片，采用多CPU進行處理、分時處理或分任務(wù)處理方式，將各種模塊智能化，部分系統(tǒng)程序用門陣列電路固化，這樣可使PLC的處理速度達到納秒級。 2.1.4 可編程控制器的特點（1）抗干擾能力強，可靠性好PLC在電子線路、機械結(jié)構(gòu)以及軟件結(jié)構(gòu)上都吸取了生產(chǎn)廠家長期積累的生產(chǎn)控制經(jīng)驗，主要模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路。I/O系統(tǒng)設(shè)計有完善的通道保護與信號調(diào)理電路；在結(jié)構(gòu)上對耐熱、防潮、防塵、抗震等都有周到的考慮。具體措施主要有以下幾個方面：1）隔離：這是抗干擾的主要措施之一。PLC的輸入、輸出接口電路一般采用光電耦合器來傳遞信號。這種光電隔離措施，使外部電路與內(nèi)部電路之間避免了電的聯(lián)系，可有效的抑制外部干擾源對于PLC的影響，同時防止外部高電壓串入，從而減少故障和誤操作。 2）濾波：這是抗干擾的另一個主要措施。在PLC的電源電路和輸入/輸出電路中設(shè)置了多種濾波電路，用以對高頻干擾信號進行有效的抑制。3）對內(nèi)部電源還采用了屏蔽、穩(wěn)壓、保護等措施，以減少外界干擾，保護供電質(zhì)量。另外使輸入輸出接口電路電源彼此獨立，以避免電源之間的干擾。4）內(nèi)部設(shè)置了連鎖、環(huán)境檢測與診斷、watchdog（“看門狗”）等電路，一旦發(fā)現(xiàn)故障或程序循環(huán)執(zhí)行時間超過了警戒時鐘（WDT）規(guī)定時間（預(yù)示程序進入了死循環(huán)），立即報警，以保證CPU可靠運行。5）利用系統(tǒng)軟件定期進行系統(tǒng)狀態(tài)、用戶程序、工作環(huán)境和故障檢測，并采用信息保護和恢復(fù)措施。6）對用戶程序及動態(tài)工作數(shù)據(jù)進行電池備份，以保障停電后有關(guān)狀態(tài)或信息不丟失。7）采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)工作現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。8）以集成電路為基本元件，內(nèi)部處理過程不依賴于機械觸點，以保障高可靠性。而采用循環(huán)掃描的工作循環(huán)方式，也提高了抗干擾能力。（2）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強PLC及外圍模塊品種多，可由各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。（3）編程方便，易于使用PLC是面向用戶的設(shè)備，PLC的設(shè)計者充分考慮到現(xiàn)場工程技術(shù)人員的技能和習(xí)慣，PLC程序的編制，采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡單指令形式。梯形圖與繼電器原理圖相類似，這種編程語言現(xiàn)象直觀，容易掌握，不需要專門的計算機知識和語言，只要具有一定的電工和工藝的知識的人員都可在短時間內(nèi)學(xué)會。（4）功能完善PLC的輸出/輸入功能完善，性能可靠，能夠適應(yīng)與任何形式和性質(zhì)的開關(guān)量和模擬量的輸入/輸出。在PLC內(nèi)部具有許多控制功能，諸如時序、計算機、主控繼電器以及移位寄存器、中間寄存器等。由于采用了微處理器，它能夠很方便地實現(xiàn)延時、鎖存、比較、跳轉(zhuǎn)、和強制I/O等諸多功能，不僅具有邏輯功能、算術(shù)運算、數(shù)制轉(zhuǎn)換、以及順序控制功能，而且還具備模擬運算、顯示、監(jiān)控、打印、及報表生成等功能。（5）設(shè)計、施工、調(diào)試、的周期短用繼電器接觸器控制完成一項控制工程，必須首先按工藝要求畫出電氣原理圖，然后畫出繼電器屏的布置和接線圖等，進行安裝調(diào)試，以后修改起來十分不便。而采用PLC控制，由于其硬軟件齊全，為模塊化積木式結(jié)構(gòu)，且已商品化，故僅需按性能、容量等選用組裝，而大量具體的程序編制工作也可在PLC到貨前進行，因而縮短了設(shè)計周期，使設(shè)計和施工可同時進行。（6）體積小，維護操作方便PLC體積小，質(zhì)量輕，便于安裝。PLC的輸入/輸出系統(tǒng)能夠直觀的反映現(xiàn)場總線信號的變化狀態(tài)，還能通過各種方式直觀的反映控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)。（7）易于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化 PLC可連成功能很強的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。（8）可實現(xiàn)三電一體化PLC將電控（邏輯控制）、電儀（過程控制）和電結(jié)（運動控制）這三電集于一體，可以方便、靈活地組合成各種不同規(guī)模和要求的控制系統(tǒng)，以適應(yīng)各種工業(yè)控制的需要。2.1.5 可編程控制器的主要功能（1） 條件控制功能 條件控制（或稱邏輯控制或順序控制）功能是指用PLC的與、或、非指令取代繼電器接觸的串聯(lián)、并聯(lián)極其他各種邏輯連接，進行開關(guān)控制。（2） 定時/記數(shù)控制功能定時/記數(shù)控制功能指用PLC提供的定時器、記數(shù)器指令實現(xiàn)對某種操作的定時或記數(shù)控制，以取代時間繼電器和記數(shù)繼電器。（3） 數(shù)據(jù)處理功能 數(shù)據(jù)處理功能是指PLC能進行數(shù)據(jù)傳送、比較、移位、數(shù)制轉(zhuǎn)換、算術(shù)運算、邏輯運算以及編碼和譯碼等操作。（4） 步進控制功能 步進控制功能是指用步進指令來實現(xiàn)在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能進行下一道工序操作的控制，以取代由硬件構(gòu)成的步進控制器。（5） A/D與D/A 轉(zhuǎn)換功能 A/D與D/A 轉(zhuǎn)換功能是指通過A/D、D/A模塊完成模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。（6） 運動控制功能 運動控制功能是指通過高速記數(shù)模塊和位置控制模塊等進行單軸或多軸運動控制。（7） 過程控制功能 過程控制功能是指通過PLC的PID控制指令或模塊實現(xiàn)對溫度、壓力、速度、流量等物理參數(shù)的閉環(huán)控制。（8） 擴展功能 擴展功能是指通過連接輸入輸出擴展單元（即I/O擴展單元）模塊來增加輸入輸出點數(shù)，也可通過附加各種智能單元及特殊功能單元來提高PLC的控制功能。（9） 遠程I/O功能 遠程I/O功能是指通過I/O單元將分散在遠距離的各種輸入、輸出設(shè)備與PLC主機相連接，進行遠程控制，接收輸入信號、傳出輸出信號。（10） 通信聯(lián)網(wǎng)功能通信聯(lián)網(wǎng)功能是指通過PLC之間的聯(lián)網(wǎng)、PLC與上位機的鏈接等，實現(xiàn)遠程I/O控制或數(shù)據(jù)交換，以完成較大規(guī)模系統(tǒng)的復(fù)雜控制。（11） 監(jiān)控功能監(jiān)控功能是指PLC能監(jiān)視系統(tǒng)各部分的進行狀態(tài)和進程，對系統(tǒng)中出現(xiàn)的異常情況進行報警和記錄，甚至自動終止運行；也可在線調(diào)整、修改控制程序中的定時器、記數(shù)器等設(shè)定值或強制I/O狀態(tài)。2.1.6 PLC的基本結(jié)構(gòu)目前PLC種類繁多，功能和指令系統(tǒng)也都各不相同，但都是以微處理器為核心用做工業(yè)控制的專用計算機，所以其結(jié)構(gòu)和工作原理都大致相同，硬件結(jié)構(gòu)與微機相似。主要包括中央處理單元CPU、存儲器RAM和ROM、輸入輸出接口電路、電源、I/O擴展接口、外部設(shè)備接口等。其內(nèi)部也是采用總線結(jié)構(gòu)來進行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。如圖2.1所示，PLC控制系統(tǒng)由輸入量PLC輸出量組成，外部的各種開關(guān)信號、模擬信號、傳感器檢測的各種信號均作為PLC的輸入量，它們經(jīng)PLC外部輸入端子，作為PLC的輸出量對外圍設(shè)備進行各種控制。由此可見，PLC的基本結(jié)構(gòu)有控制部分輸入和輸出組成。圖2.1 PLC硬件結(jié)構(gòu)圖2.1.7 PLC各部分的作用 (1) 中央處理器CPU是由控制器和運算器組成的。運算器也稱為算術(shù)邏輯單元，它的功能就是進行算術(shù)運算和邏輯運算?？刂破鞯淖饔檬强刂普麄€計算機的各個部件有條不紊地工作，它的基本功能是從內(nèi)存中取指令和執(zhí)行指令。他的重要功能如下：1. 診斷PLC電源、內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編制程序中的語法錯誤。2. 采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并送入PLC的寄存器中。3.按用戶程序存儲器中存放的先后順序逐條讀取指令，進行編譯解釋后，按指令規(guī)定的任務(wù)完成各種運算和操作。4.將存于寄存器中的處理結(jié)果送至輸出端。5.應(yīng)各種外部設(shè)備的工作請求。(2) 存儲器 PLC的存儲器分為兩大部分： 一大部分是系統(tǒng)存儲器，用來存放系統(tǒng)管理程序、監(jiān)控程序及其系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)。 二大部分是用戶存儲器，包括用戶程序存儲區(qū)及工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)。(3) 輸入輸出接口電路PLC通過輸入輸出（I/O）接口電路實現(xiàn)與外圍設(shè)備的連接。輸入接口通過PLC的輸入端子接受現(xiàn)場輸入設(shè)備的控制信號，并將這些信號轉(zhuǎn)換成CPU所能接受和處理的數(shù)字信號。(4) 電源 PLC的電源是指將外部輸入的交流電經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓等處理后轉(zhuǎn)換成滿足PLC的CPU、存儲器、輸入輸出接口等內(nèi)部電路工作所需要的直流電源電路或電源模塊。(5) 輸入輸出I/O擴展接口若主機單元的I/O點數(shù)不能滿足輸入輸出點數(shù)需要時，可通過此接口用扁平電纜線將I/O擴展單元與主機單元相連接。(6) PLC的基本工作原理PLC采用的是循環(huán)掃描工作方式。對每個程序，CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，則從則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。PLC的掃描全過程如圖2.2所示。圖2.2 PLC的掃描全過程1 輸入刷新階段在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完成后關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。2 程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐條執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運算結(jié)果存入對應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。3 輸出刷新階段當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路，并通過一定輸出方式輸出，驅(qū)動外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實際輸出。顯然掃描周期的長短主要取決與程序的長短。掃描周期越長，響應(yīng)速度越慢。由于每一個掃描周期只進行一次I/O刷新，即每一個掃描周期PLC只對輸入、輸出狀態(tài)寄存器更新一次，故使系統(tǒng)存在輸入、輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。由此可見，若輸入變量在I/O刷新期間狀態(tài)發(fā)生變化，則本次掃描期間輸出會相應(yīng)地發(fā)生變化。反之，若在本次刷新之后輸入變量才發(fā)生變化，則本次掃描輸出不變，而要到下一次掃描的I/O刷新期間輸出才會發(fā)生變化。這對于一般的開關(guān)量控制系統(tǒng)來說是完全允許的，不但不會造成不利影響，反而可以增強系統(tǒng)的抗干擾能力。這是因為輸入采樣僅在輸入刷新階段進行，PLC在一個工作周期的大部分時間里實際上是外設(shè)隔離的。而工業(yè)現(xiàn)場的干擾常常是脈沖式的、短時的，由于系統(tǒng)響應(yīng)較慢，往往要幾個掃描周期才響應(yīng)一次，而多次掃描后，因瞬間干擾而引起的誤操作將會大大減少，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。但是對于控制時間要求較嚴格、響應(yīng)速度要求較快的系統(tǒng)，就需要精心編制程序，必要時采用一些特殊功能，以減少因掃描周期造成的響應(yīng)滯后等不良影響。2.2水資源短缺整體態(tài)勢嚴峻當(dāng)今世界普遍關(guān)注水危機問題，其中最突出的矛盾就是干旱缺水。19世紀世界矛盾的交點是煤，20世紀世界矛盾的交點是石油，21世紀世界矛盾的交點是水，因此，21世紀被稱之為水的世紀。專家們認為，我們正進入一個新的水源緊缺時代，水將成為21世紀可持續(xù)發(fā)展的嚴重制約因素。今年8月28日在南非約翰內(nèi)斯堡舉行的聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展首腦會議上，全體與會代表一致通過將水危機列為未來10年人類面臨的最嚴重挑戰(zhàn)之一。在會議上通過的政治宣言指出：“全球環(huán)境繼續(xù)惡化。生物多樣性在不斷喪失，魚類資源不斷減少，荒漠化在吞噬越來越多的良田，氣候變化的不利影響已顯而易見，自然災(zāi)害日趨頻繁，其危害日趨嚴重，發(fā)展中國家越來越脆弱，空氣污染、水污染和海洋污染繼續(xù)奪去數(shù)百萬的無辜生命”。宣言重申，我們將特別關(guān)注和優(yōu)先重視威脅人類可持續(xù)發(fā)展的世界局勢。聯(lián)合國首腦會議政治宣言表明，經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和水資源可持續(xù)利用巳成為世界各國共同承諾和行動準則。 20世紀80年代以來，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略已成為各國經(jīng)濟社會與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的共同準則。當(dāng)今世界大多數(shù)則。當(dāng)今世界大多數(shù)國家，水已變成了一種稀少和昂貴的商品。為了滿足經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的需求，保障水的安全供給，各國對可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略達成共識，并日益深入人心，治水思想已從“人與水抗爭”轉(zhuǎn)向“人與水共存”，從過去的“防御洪水”轉(zhuǎn)向“管理泄水”，從“單一目標的水資源開發(fā)”轉(zhuǎn)向“多目標、多功能的配置、節(jié)約和保護，并尋求環(huán)境和生態(tài)功能”，從“單一的工程管理”轉(zhuǎn)向“流域內(nèi)人類生產(chǎn)生活行為和生產(chǎn)方式的管理”，從“多目標開發(fā)為主的大規(guī)模水利建設(shè)時期”轉(zhuǎn)向“以水法規(guī)和現(xiàn)代水管理為中心的綜合治理時期?！笨偠灾?dāng)今世界“人與水和諧共處”、“可持續(xù)發(fā)展”等思想已全面深入水資源領(lǐng)域。過去人們沒有考慮水資源有限的問題。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和用水量的急劇增加，在一些國家和地區(qū)，水短缺和水污染日趨嚴重，水資源已成為經(jīng)濟社會發(fā)展的嚴重制約因素，此時水資源的有限性及其節(jié)約和保護問題引起世界各國的關(guān)注。我國是世界上人均水資源短缺的國家之一，按照國際上常用的缺水標準，我國有2/3的國土面積屬于資源性缺水地區(qū)。加之水是自然資源，是可流動的資源，因此，水資源的性質(zhì)及其基本特征決定了厲行節(jié)約用水，建立節(jié)水型社會不是一項局部性的、臨時性的政策措施。而是我國經(jīng)濟社會發(fā)展中的戰(zhàn)略性、全局性，必須長期堅持的基本國策。進入21世紀以后，水資源的短缺形勢會更加嚴峻，對經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展將構(gòu)成嚴重威脅。專家們警告，中國解決了溫飽以后要防止有可能面臨第二個貧困水貧困。因此，未來中國水資源的短缺形勢將更為嚴峻，將成為經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的嚴重制約因素。針對水資源面臨的新形勢、新問題，黨中央、國務(wù)院根據(jù)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，提出了新時期治水思路是實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，這是一條主線。因此，在國家實施可持續(xù)發(fā)展和科教興國兩大戰(zhàn)略指導(dǎo)下，依靠科技進步、體制機制創(chuàng)新，以及配套的法規(guī)和政策，目標是全方位提高用水效率，建立節(jié)水型的經(jīng)濟社會發(fā)展體系。農(nóng)業(yè)是用水大戶，在未來用水總量中具有舉足輕重的地位，因此，21世紀農(nóng)業(yè)灌溉發(fā)展的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)是節(jié)水，這是形勢的需要，客觀的需要，勢在必行。2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)灌溉控制系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)由PLC控制器C4OC，直流24V電源，起停按鈕，數(shù)據(jù)采集器件包括土壤濕度傳感器、雨量傳感器和各類按鈕，執(zhí)行輸出器件包括電磁閥，帶動水泵的電機，報警裝置為報警指示閃爍燈或報警電鈴，同時當(dāng)系統(tǒng)處于某個工作狀態(tài)時對應(yīng)的指示燈亮，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖2.3圖2. 3控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖第3章 基于PLC的全自動灌溉控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計3.1 輸入、輸出點的分配根據(jù)輸入、輸出點分配情況畫出PLC輸入、輸出分配表（圖3.1）和PLC外部接線圖（圖3.2）。 PLC輸入、輸出點分配表圖3.1名稱代號輸入點輸出點代號名稱電機啟動按鈕SB1X0Y0KMY電機KMy接通按鈕停機按鈕SB2X1Y1 KM電機KM接通按鈕手動模式按鈕SB3X2Y2HL1手動顯示燈 自動模式按鈕SB4X3Y3HL2自動顯示燈 雨量傳感器SQ1X4Y4YV1一號電磁閥報警消音按鈕SB5X5Y5YV2二號電磁閥土壤濕度過量開關(guān)SB6X7Y6YV3三號電磁閥土壤濕度適中開關(guān)SB7X10Y7HL3一號電磁閥運行指示燈缺水開關(guān)SB8X11Y10HL4二號電磁閥運行指示燈土壤濕度檢測開關(guān)SB9X6Y11HL5三號電磁閥運行指示燈Y12HL6電源指示燈Y13HL7系統(tǒng)運行指示燈Y14HL8雨量報警器 Y15HL9土壤缺水指示燈 Y16HL10土壤濕度適宜指示燈 Y17HL11土壤水分過量指示燈3.2 PLC外部接線圖：圖3.2 PLC外部接線圖3.3 PLC程序設(shè)計流程圖FX-2N可編程控制器是三菱公司為其生產(chǎn)的PLC而設(shè)計的編程軟件，其運行在Windows操作系統(tǒng)下，具有豐富、簡捷的操作環(huán)境和強大的編程、調(diào)試功能。程序采用梯形編寫,流程圖如下圖所示Y3.4 PLC程序設(shè)計梯形圖如下圖所示。圖3.4致 謝論文完成，三年的大專生涯即將結(jié)束，感慨萬千！首先，感謝我的指導(dǎo)老師鄭暉暉老師。一個月，在這一段并不長的日子里。我時刻體會著鄭老師嚴肅的教學(xué)態(tài)度，不辭辛苦的指導(dǎo)精神，一絲不茍的工作作風(fēng)，我想這是夠我一生受用的人格魅力。從課題選擇到論文寫作，整個過程，鄭老師都傾注了大量的心血。正是在鄭老師的辛苦指導(dǎo)下，我的畢業(yè)設(shè)計才能順利進行，這篇畢業(yè)論文也才得以順利完成。在此我向我的指導(dǎo)鄭暉暉老師表示深深的敬意和感謝！我還要感謝我班的一些同學(xué)們，在這次畢業(yè)論文的寫作過程中，他們也給了我不少幫助。謝謝你們，你們永遠是我的好朋友。參 考 文 獻1.張兵，袁壽其，成立.國內(nèi)外節(jié)水灌溉自動化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望。排灌機械，2003.2.張兵.智能化節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究 鎮(zhèn)江。江蘇大學(xué)，2003.3.常斗南,李全利，張學(xué)武可編程序控制器原理應(yīng)用試驗北京：機械工業(yè)出版社，2002.4.孫振強.可編程控制器原理及應(yīng)用教程.北京：清華大學(xué)出版社.2005.5.王也房.可編程控制器應(yīng)用技術(shù). 北京：機械工業(yè)出版社.2001.6.王兆義.小型可編程控制器實用技術(shù).北京；機械工業(yè)出版社.2000.7.趙國良.維修電工.北京：中國勞動社會保障出版社.2007.8.廖常初.可編程序控制器的編程方法與工程應(yīng)用.重慶大學(xué)出版社.2002.9.宋長池.電力拖動控制線路與技能訓(xùn)練. 北京：中國勞動社會保障出版社.2001.第17頁 共22頁