控制设计的农业灌溉论文

1硬件系统设计

1.1主控系统

主控系统采用欧姆龙公司的可编程控制器CP1H型PLC，该类型的PLC具备与各种组件连接的相容性，因为它的工具有USB端口，还可以扩展2个串行端口，可方便同时连接多种组件。最大可安装2个串行通信选件板（RS－232C×1端口或RS－422A／485×1端口）。

1.2多传感器系统

1.2.1水位控制系统全量机械液位计WFH－2编码型传感器是通过浮子感测水位的，该仪器根据轴角编码进行编码。在进行闸门上下游水位测量时，安装一个浮子，作为水位传感元件；当水位变化时，浮子水位产生变化，从而带动水轮做圆周运动，并准确地转成相应的角位移量；水轮转动轴编码器是一个输入轴，所以当水轮旋转时，轴编码器的电平已转换成相应的数字代码D，这种数字代码D通过多芯电缆并行输出，并在监测站的显示器上显示，即在人机界面上显示。该浮子在转换过程中采用的机械编码是格雷码转换，测量范围为40m，分辨率为1cm。1.2.2温湿度控制系统PT100铂热电阻温度传感器精度高、稳定性好，使用方便，温度范围为－200℃～650℃。IH3605型湿度传感器测量相对湿度（RH）范围为0％～100％，环境温度为0℃～85℃。该电路配有集成放大电路，输出电压为0V～10V，具有温度补偿和调零功能。其工作原理都是把电阻值转化成电压或电流再显示。其系统信号传输流程如图2所示。1.2.3电压电流控制系统电流、电压传感器均选用珠海仪器仪表公司生产的HR－WP－AC系列交流电压表、电流表。电机电压电流的测量、温度的测量、湿度的测量以及管道压力的测量都是由PLC通过扩展I／O单元口采集传感器送来的信号，然后进行A／D转换和标度变换。以4mA～20mA模拟信号输出为例，其A／D转换如图3所示。4mA～20mA的电流输入对应于16进制数（10进制数）为0000～1770（0000～6000）。完整的数据输出范围是16进制数FED4～189C（对应的10进制数为－300～6300）。软件编程时输入电流在3．2mA～4mA之间时使用补码来表示转换数据。如果输入的电流小于3．2mA时，断线检测功能将被激活并且转换数据变为8000。

1.3系统人机界面的设计

1.3.1人机界面画面设计和数据管理（1）电气参数界面：显示测得的水泵电压、电流和转动频率。（2）参数设定界面：设定采集数据的标准值以及模拟数据采集。（3）数据采集界面：显示从外界采集并且处理完的相关数据，包括1＃、2＃、3＃田的温度、湿度和农田中水源的水位。（4）历史数据显示画面：显示采集的1＃、2＃、3＃田的温度、湿度，并以表格的形式显示出来，在此画面上，还设置了可以通过下拉菜单选择日期查看前一天和当天的历史数据，以及可以跳转到趋势图画面的功能。（5）田间情况界面：该画面可以看到农田中的总体情况和农田的整个画面。（6）监控状况界面：该界面主要实现对田间的相关设备如水泵、电动阀的开和关设置以及相关的报警显示的设置。（7）历史数据趋势界面：该界面主要显示采集到的历史数据的趋势图，从而有助于分析采集到的数据，使得采集到的数据更形象化地呈现在用户面前。1.3.2人机界面的报警设计人机界面中的报警设置使用事件登录来进行系统报警。例如事件记录文件名称为EL＿20070915．evt，即表示此文件记录2007年9月15日所发生的事件。1.3.3人机界面的通讯MT8000所提供的穿透通讯功能允许PC上的应用程序透过HMI直接连接PLC，此时HMI所扮演的角色类似转接器（converter），具体通讯如图5所示。数据目标端口（DestinationCOMPort）是指MT8000与PLC连接的端口，数据来源端口（SourceCOMPort）是指MT8000与PC连接的端口。在使用穿透功能时，需正确设定这两个端口的属性。串行通讯口使用的是9针D型公座。PLC软件设置时需要设置通讯端口的通讯协议为Hostlink。

2软件系统设计

2.1系统软件总体设计结构

该软件部分功能如下：先采集外部各传感器的信号并在人机界面上显示相关数据，然后判断是手动还是自动；如果是手动，则执行手动部分的程序；否则，则执行自动部分的程序。总的软件流程图如图6所示。

2.2各参数检测软件设计

在该系统中的自动控制模式下，由水位传感器将田间水位参数变化成格雷码形式输出，传到控制单元，然后将此格雷码送入PLC中经两步转换后成为BCD码与设置的水位上下限（BCD码）进行比较，如果实测田间水位小于设置的启动水位，则阀门开启，过45s阀门全开之后再自动开启泵；如果实测田间水位大于设置的停止水位，则此时泵关闭，阀门经过45s延时后全关闭。在手动控制系统模式中，只需将相应的阀门开关按钮按下即可控制阀门的开启和关闭，同时阀门开启之后才能开启泵。在实际系统中，为防止泵开启之后管道压力过大造成管道破裂，可以设计成阀门开启至少3台之后才能开启泵，从而实现保护管路的效果。其他参数如温度、湿度、电压电流的采集及软件处理和水位的检测方法类似。软件编程系统外部总接线图如图7所示。

3测试结果

测试结果在触摸屏的数据采集界面上显示，方便人们对现场的观测和控制。图8为监控状况画面，在室内就能实现对农田现场的自动控制。

作者：于虹 蒋亚 蒋明华 李永波 单位：扬州大学 机械工程学院