基于PLC的自动灌溉控制系统设计

基于PLC的自动灌溉控制系统设计

管玉嫱 ,李桦芃指导老师

（山东协和学院  济南  250107）

摘要：本文以西门子S7-200 PLC为核心，对其进行了开发，并对其进行了详细的分析。整个体系分为三个区域：区域A，区域B，区域C各分区进行灌溉。这个系统在各个地区开始和停止灌水，并与实际的钟点相对比，从而在各个地区实现了自动灌水。

同时，该系统检测实际温度和湿度，以检测降雨情况作为控制的依据。低温、无灌溉、高湿度、无灌溉和无雨。该系统具有手动和自动两种运行方式，运行可靠，操作简单，能有效地进行灌溉。

经过全面考虑，在总体设计、硬件选择、主电路与控制电路、PLC输入输出接线图、控制程序流程图以及梯形图与指令表程序调试等方面进行了精心设计，从而实现了目的。

1.引言

中国的水资源短缺，使得其利用效率非常低，导致了大量的浪费。常规灌水装备单一。由于灌溉技术的复杂性和耗时的工作量，我国的社会经济发展受到了严重的影响。因此，为了更好地利用水资源，必须加强对自动灌溉系统的研究，以实现可持续发展。实施自动化灌溉技术可以有效地缓解水资源短缺问题，并且可以节省人力。

2.总体方案设计

通常，可以使用三种不同的控制技术：单片机、继电器-接触器和PLC。单片机方式稳定性差,易受到干扰,编程维护都比较难。采用继电器作为接触器，以实现安全操作；由于整体的设计和安装复杂度极高，以至于很难实现。PLC是一种先进的、高精度的自动化控制技术，它拥有出色的耐震、耐磨、耐用、操纵简单、使用寿命长等特点，使得它成为一种非常适合用于农业灌溉的先进的智能控制方式，相对于传统的机械触点，plc的操纵更加灵活、精准，并且抵御振荡、环境变化等多种挑战，大大增强了系统的可靠性。

3.硬件选型

3.1 PLC的选型

经测试，西门子S7—200系列PL采用了15个数字信号源，9个数字信号源，能较好地适应较小规模的自动控制要求。S7-200小型PLC具有24路数字量输入和16路数字量输出，其功能可以充分地满足日常使用的需要。因此，我们最终选择了CPU226作为配置。

图3-1  CPU226

3.2  模拟量输入模块的选型

选用了西门子公司的一款模拟量输入组件EM231，它一共需要一个，包含4条模拟量输入。可以满足本控制系统所使用的2路模拟量输入使用需要。

图3-2  模拟量输入模块EM231

温湿度传感器

温湿感应器选用XK-TTH1型单片式温湿感应器，可选用0~10V的输入、聚氯乙烯探针、SHT20感应器。

图3-3  温湿度传感器

以下是技术指标：

DC电源：9V到24V之间.

功率消耗：0.4瓦

测量准确度：相对湿度+/-0.5%，温度+/-0.1摄氏度

测试温度：0-100摄氏度，相对湿度：0-100%

药效持续时间：每年1%。气温：0.01℃。

输入：0-10伏

图3-2  液位浮球开关

4.硬件设计

4.1系统的I/O分配设计

表4-1、4-2和4-3显示了PLC输入和输出IO的分配情况，以便更好地控制系统的运行。

表4-1  PLC数字量输入分配表

表4-2  PLC数字量输出分配表

表4-3  PLC模拟量输入分配表

4.2系统的PLC电路设计

这个系统使用了S7-200 PLC的226 PLC，它具有24路数据传感器，16路继电器，并配备了EM231带有4路模拟传感器，可以收集室内的温度和湿度信息。

图4-1 PLC本体输入和输出接线图

图4-2  EM231模拟量输入接线图

4.3主电路设计

主电路如图4-3所示。

图4-3  主电路图

M1为 A,M2为M3；B、C三台灌水区域泵马达，带动相应区域泵送水和灌水。QF2,QF3,QF4为A；灌水区的三台水泵马达开关B、C，其中FU2、FU3、FU4为A；灌水器区域的三台B、三台电动机的保险丝，其中FR1、FR2、FR3为A；B、C三个灌水器区域的泵马达有超温保护，可避免泵马达被烧坏。其中，KM1,KM2,KM3为A；B、C三灌区的水泵电动机起动接点。

3.3  控制电路图

根据图4-4，我们采用了220V的交流电源，并通过L和N来提供控制电路。此外，我们还使用了QF5和FU5作为断路器和熔断器，以确保系统的稳定性。

图4-4  控制电路图

A1是把220伏的AC电压转换为24伏的DC电压，为PLC的输入、输出供电。220伏的直流电源通过QF5、FU5后，供给 PLC220伏的直流电源。

PLC可以通过控制KM1线圈和KA1线圈，使得A灌溉区的水泵电机能够被激活，从而实现对该区域的灌溉。当PLC输入信号时，KA1线圈会被激活，而KA1线圈会被激活，从而使得A灌溉区的水泵电机能够被激活，这样就可以在这一地区进行灌溉了。

类似地，KM2为由KA2继电器常开式触头所控制的B灌溉区水泵马达起动式触头。KM3为C型灌溉区水泵电动机的起动触头，由KA3型继电器的常开式触头来进行起动。

对YV1型螺线管进行控制，以使 PLC对KA4中继绕组进行导通，由此将KA4

型常开式接触断开，由此将灌溉区A型电子阀门打开，以达到进行灌溉的目标。

类似地，YV2为区域B中的电动式阀门，而YV3为区域C中的电动式阀门，它们是由KA5、KA6中的常开接头所控制的。

5 软件设计

5.1  系统的功能流程设计

在开始运行时，将采用特别标记SM0.1和一个循环的扫描。该系统可设置所需的温、湿度值，并有温、湿警报声。设置灌溉区a、灌溉区b、c灌溉区的启动和终止。

读出温、湿等参数，并转换成相应的数据。

将读出的温度与开始灌水的最低温度进行对比，当温度超过该值时，可以开始灌水。在气温未达到规定的最小值时，请勿浇水。

将读出的水分与设置的水分进行对比，当水分小于该水分时，可以开始浇水。当空气中的水分超过了规定的最低水分时，就不能浇水了。

在A灌溉区，每次喷水需持续2分钟，然后暂停5分钟，重复这一过程10次，最终会自动停止。

B灌溉区采取了一种全新的技术，即采用旋转式喷头，以实现持续的喷洒。该技术可以持续5分钟，随即暂时休息20分钟，并且可以反复运行重复使用3次直到彻底停止使用。

在C号灌溉区，我们将有2个20分钟的定时自动灌水系统。

图5-1  总控制流程图

图5-2  A区灌溉控制流程

图5-3  B区灌溉流程

图5-4  C区灌溉流程

ORGANIZATION_BLOCK 主程序:OB1

TITLE=

BEGIN

网络 1

在启动启动的时候，一个循环是用SM0.1来执行的，在这个循环中，白天的时候是在A区7点，、B区9点、C区10点、VB10=16#07、VB12=16#09、VB16=16#10。

图5-1  网络1

网络2

在//启动初始化时，先用SM0.1进行一次扫描，将停止的温度设定为0摄氏度，将开始的湿度设定为70摄氏度，设置VD24=70.0为70.0，设置停止湿度为95，设置VD28=95.0为95.0。

图5-2  网络2

6.结论

这个系统是基于西门子S7-200 PLC构建的，旨在实现自动灌溉控制。我们拥有3个不同的灌溉区域，可以根据客户的需求来调整每个区域的灌溉时长；该系统拥有完善的自动化灌溉技术， 可以实时监测土壤的温度和湿度，从而实现精准的灌溉。

参考文献

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[2]丁炜,魏孔平.可编程控制器在工业控制中的应用[M].北京:化工业出版社.2021.

[3]张兵,智能化节水灌溉控制系统的设计与研究[D].镇江:江苏大学,2019.