基于PLC的全自動灌溉控制系統(tǒng)的設計

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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)的設計的原理 1.1 緒論-------------------------------------------------------------------------------------------1 1.2 制系統(tǒng)各部分功能及設計-----------------------------------------------------------1 1.2.1 Y/△啟動----------------------------------------------------------------------------------1 1.2.2 手動灌溉模式--------------------------------------------------------------------------- 1 1.2.3 自動灌溉模式----------------------------------------------------------------------------2 1.2.4 2000YZ型土壤濕度計的技術(shù)參數(shù)--------------------------------------------------2 1.3 結(jié)語------------------------------------------------------------------------------------------ 2 2 基于PLC的全自動灌溉控制系統(tǒng)的硬件設計 2.1 FX-2N系列可編程控制器簡介----------------------------------------------------3 2.1.1 可編程控制器的產(chǎn)生---------------------------------------------------------------3 2.1.2 可編程控制器的定義---------------------------------------------------------------4 2.1.3 可編程控制器的發(fā)展趨勢---------------------------------------------------------4 2.1.4 可編程控制器的特點---------------------------------------------------------------5 2.1.5 可編程控制器的主要功能---------------------------------------------------------7 2.1.6 PLC的基本結(jié)構(gòu)--------------------------------------------------------------------8 2.1.7 PLC各部分的作用-----------------------------------------------------------------8 2.2 水資源短缺整體態(tài)勢嚴峻------------------------------------------------------10 2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖------------------------------------------------------------------------12 3 基于PLC的全自動灌溉控制系統(tǒng)的軟件設計 3.1 輸入、輸出點的分配---------------------------------------------------------------13 3.2 PLC外部接線圖-------------------------------------------------------------------------14 3.3 PLC程序設計流程圖-------------------------------------------------------------------15 3.4 PLC程序設計----------------------------------------------------------------------------16 致謝 參考文獻 第1章 基于PLC的全自動灌溉控制系統(tǒng)的設計的原理 1.1 緒論 當前，隨著電氣信息技術(shù)在節(jié)水灌溉工程中的應用，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)具有手動設定各電磁閥的開啟時間和開啟順序的功能，當某個電磁閉合時相應的指示燈亮。當雨量傳感器有信號，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 0—50mv；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 0～500℃。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 ，同時當土壤缺水或適宜時，相應的指示燈亮。 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 0—85 壓阻傳感器輸出/mV 0—>50 最小顯示值/mV 傳感器為0.1 陶土頭直徑/mm—20 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 1.5—3 或直流/V 9 12 線性度/% 0.1 總精度/% 2 左右 使用環(huán)境/℃ 0—500 1.3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)具有手動設定功能，能根據(jù)用戶要求設定對某一灌區(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)硬件設計 CPU單元負責控制整個生產(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I／O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)境應用而設計的。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)域中一直占主導地位.但是繼電接觸器控制系統(tǒng)有明顯的缺點：設備體積大，可靠性差，動作速度慢，功能少，難與實現(xiàn)較復雜的控制，特別是由于它是靠硬連線邏輯構(gòu)成的系統(tǒng)，接線復雜，當生產(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30~40%。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（適應當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)境下應用而設計的數(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)外部設備，都應按照易于與工業(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計。 定義強調(diào)了PLC應直接應用與工業(yè)環(huán)境，它必須具有很強的抗干擾能力，廣泛的適應能力和應用范圍。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)境下應用而設計的”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)，即設置硬件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，例如設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是面向用戶的設備，PLC的設計者充分考慮到現(xiàn)場工程技術(shù)人員的技能和習慣，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)學會。 （4）功能完善 PLC的輸出/輸入功能完善，性能可靠，能夠適應與任何形式和性質(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，因而縮短了設計周期，使設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)絡化 PLC可連成功能很強的網(wǎng)絡系統(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。控制器的作用是控制整個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.應各種外部設備的工作請求。 (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)與外圍設備的連接。輸入接口通過PLC的輸入端子接受現(xiàn)場輸入設備的控制信號，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，并將相應的邏輯運算結(jié)果存入對應的內(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)響應較慢，往往要幾個掃描周期才響應一次，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滯后等不良影響。 2.2水資源短缺整體態(tài)勢嚴峻 當今世界普遍關(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。當今世界大多數(shù)則。當今世界大多數(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。”總而言之，當今世界“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，同時當系統(tǒng)處于某個工作狀態(tài)時對應的指示燈亮，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 SB1 X0 Y0 KMY 電機KMy接通按鈕 停機按鈕 SB2 X1 Y1 KM△ 電機KM△接通按鈕 手動模式按鈕 SB3 X2 Y2 HL1 手動顯示燈 自動模式按鈕 SB4 X3 Y3 HL2 自動顯示燈 雨量傳感器 SQ1 X4 Y4 YV1 一號電磁閥 報警消音按鈕 SB5 X5 Y5 YV2 二號電磁閥 土壤濕度過量開關(guān) SB6 X7 Y6 YV3 三號電磁閥 土壤濕度適中開關(guān) SB7 X10 Y7 HL3 一號電磁閥運行指示燈 缺水開關(guān) SB8 X11 Y10 HL4 二號電磁閥運行指示燈 土壤濕度檢測開關(guān) SB9 X6 Y11 HL5 三號電磁閥運行指示燈 Y12 HL6 電源指示燈 Y13 HL7 系統(tǒng)運行指示燈 Y14 HL8 雨量報警器 Y15 HL9 土壤缺水指示燈 Y16 HL10 土壤濕度適宜指示燈 Y17 HL11 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 Y 3.4 PLC程序設計 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態(tài)度，不辭辛苦的指導精神，一絲不茍的工作作風，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下，我的畢業(yè)設計才能順利進行，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)的設計與研究 ．鎮(zhèn)江。江蘇大學，2003. 3.常斗南,李全利，張學武．可編程序控制器原理應用試驗．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用教程.北京：清華大學出版社.2005. 5.王也房.可編程控制器應用技術(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用.重慶大學出版社.2002. 9.宋長池.電力拖動控制線路與技能訓練. 北京：中國勞動社會保障出版社.2001. 第17頁 共22頁