控制系統相關論文范文素材,與寒地水稻水層管理控制系統的設計相關專科畢業論文開題報告

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摘 要 :系統通過上位機利用無線通信方式對水稻生長環境包括溫度、濕度、露點、雨量、太陽輻射、光合有效輻射、水面蒸發、水溫、水量、水深、泥溫等數據进行實時監測與分析,并通過下位機可編程控制器(PLC)控制執行設備,實現寒地水稻在不同生長期對水層管理的需求.初步試驗表明系統的自動控制過程穩定,為今后水稻生長全過程的自動節水灌溉控制提供了新的思路.

關 鍵 詞 :生長環境;水層管理;可編程控制器(PLC);無線通信

中圖分類號:S274.2;S511 文獻標識碼:A 文章編號:0439-8114(2013)11-2657-04

寒地水稻是我國北方地區大面積種植的作物,種植技術日趨成熟.寒地水稻的整个生長過程可分為大棚育秧和田間生長兩個階段.隨著數字化大農業的快速發展,越來越多的數字化和信息化手段應用于農業生產、農產品加工等領域[1].其中,对于農田灌溉的監控還處于早期的人工監控階段,工作效率較低且成本高.

可編程控制器(簡稱PLC)具有結構簡單、性能優良、抗干擾性能好、可靠性高和易于功能擴展等諸多優點[2],在機械、化工、電力、石油天然氣等行業已得到廣泛應用,成為工業現場进行實時控制的最主要的控制手段[3].同時,利用PLC所具有的串行通信和計算機的網絡通信功能,可實現計算機對多臺PLC控制裝置进行遠程集中監控[4].因此,本研究借鑒PLC在工業生產中的成功經驗,通過無線網絡傳輸方式,對農田作物的生長和灌溉狀況进行實時監控,以提高農田水稻生產效率.

1.系統組成及功能

寒地水稻水層管理控制系統組成如圖1所示.水層管理系統以PLC作為控制核心,PC機作為上位機通過無線網絡實時對格田作物生長環境、執行裝置等信息进行定期的數據收集和存儲.將PLC與電動執行器、水位傳感器和無線傳輸模塊等設備相連,共同構成系統的基本RTU單元,在現場對農田水層进行智能化管理和監控.上位機與下位機可以構成主從式一點對一點或者一點對多點的遠程無線監控網絡.在上位機和現場控制終端PLC之間采用異步串行通信協議,以半雙工輪詢方式通過無線數傳模塊與PLC通信.其中,無線數傳模塊采用透明方式工作,只起數據傳輸作用,整个網絡數據收發采用同一頻率,通信時站點的識別是通過對PLC进行不同地址編號來實現的.


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寒地水稻水層管理控制系統的主要功能是按照農作物的不同生長期,根據外界環境變化的影響自動完成秧苗供水控制,達到按需供水的目的,從而有效提高農作物的產量和水的利用率.

1.1 電動執行器

電動執行器是控制系統終端的執行設備,為了實現遠程控制和操作,系統采用電動蝶閥完成對格田的給排水.通過與控制器相連的觸摸屏,操作人員可以對格田閥門进行手動操作,同時在觸摸屏上也可以設置格田所需水位高低,控制器可以根據設置水位參數自動完成閥門的開啟和關閉以達到作物所需的用水量.電動蝶閥除本身能夠電動開啟和關閉外,還具有開啟和關閉的位置信號,上位機可以通過與控制器PLC的數據傳輸,實時監測現場閥門的工作狀態,實現對農田作物給水和排水的遠程實時監控.

由于工作現場環境條件較差,為保證工作的可靠性和安全性,電動蝶閥執行器采用24 V直流電動機,電動執行器端子接線如圖2.通過端子1和2輸入給電動機+24 V或-24 V的電壓信號,實現對閥門的開啟和關閉.當電動蝶閥開啟到位或關閉到位時,通過閥門內部限位開關的觸點,通過端子4、端子5和端子6輸出閥門的開關位置信號供PLC使用.

1.2 超聲波水位計

1.3 UT620通信轉換模塊

UT620是為TCP/IP到RS-232/422/485之間完成數據轉換的通訊接口轉換器,UT620型轉換模塊外部端子接線如圖4.UT620內建的RTOS(實時操作系統)及完整的TCP/IP通訊協議,可使UT-620不只提供可靠穩定的操作平臺,更可使原有系統簡便快速地經由Inter进行遠程管理.UT620可通過配套軟件在計算機上进行參數設置,最后可生成多個虛擬串口,來實現以太網與RS485通信方式之間的數據轉換與傳輸.

2.PLC控制器軟件設計

系統的PLC采用的是三菱FX2N系列的可編程控制器.三菱FX2N系列可根據具體情況 特殊功能的產品,如溫度控制模塊、位置控制模塊、模擬量輸入輸出模塊等[5,6].它具有體積小、工作可靠性高、高性價比的優勢,在國內外很多監控系統中都有廣泛的應用.

2.1 主程序設計

PLC作為整个控制系統的底層單元,對整个控制系統的數據采集和處理具有重要作用,PLC編程軟件為GX Developer,為了方便現場人員使用操作,利用觸摸屏作為現場操作界面.PLC的主程序流程如圖5.下位機控制器通過FX2N-4AD模擬量采集模塊进行水位數據的實時監測,通過格田內水位和明渠內水位與設定水位上、下限值的邏輯控制關系,自動完成水稻生長過程中的水層控制.同時,通過流量的采集能夠監測整个生長期中水稻的全年用水量,為下季水稻生產合理配置用水量起到參考作用.

2.2 通信協議

系統采用FX2N與計算機鏈路格式1方式,即主從站協議通信方式,因此只對數據寄存器D进行字讀和字寫操作.通訊格式:數據長度8位,停止位1位,無奇偶校驗位,傳輸速率9 600 bps.

1)主站讀從站數據格式.主站讀從站數據格式如圖6所示,橫線上方表示主站發送的數據,橫線下方表示從站發送的數據,數據發送順序從左到右.其中,站號用2字符十六進制數,范圍1-F,对应十進制1-15,即表示可帶15個從站;當站號為0時,表示PLC做主站.PC號固定為FF,頭元件只能是數據寄存器D,用5個字符表示,如D0100.元件數用2位十六進制的字符表示,如0A,表示十個字元件.指定元件數據,一個元件數據用4個十六進制的字符表示,如AB96,錯誤碼暫未使用.


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2)主站向從站寫數據格式.主站向從站傳送信息如圖7所示,傳送格式中字符含義同主站讀從站數據格式相似.

3.上位機軟件設計

系統上位機選用華研工業級計算機,配備不間斷電源實現短時間掉電保護功能,并提供大屏幕顯示系統的所有監控數據.上位機軟件選用DELPHY7編程軟件,實現對現場數據的實時監控,提供友好的畫面顯示,上位機軟件主界面(圖8)中主界面(1)為格田水層管理控制界面,主界面(2)為水稻生長環境監測界面,根據現場實時采集的監測數據,通過上位機分析處理能夠實現多種數據報表、數據歷史查詢、溫度趨勢曲線、報警記錄、遠程控制管理等功能,有效提高了生產工作效率,實現工業級的全自動智能化監控.

4.小結

水層管理自動控制系統通過無線網絡數據傳輸對水稻格田的主要參數进行實時采集,在上位機中进行數據處理,能夠按照水稻不同生長期對格田的水層进行科學管理和調配,也可以通過上位機對水稻生長環境进行監測,如水溫、土壤溫濕度、雨量蒸發量等氣象數據,實現在水稻的全生育期對水稻进行按期、按需自動高效合理的灌溉控制,從而達到農業生產的自動化管理新模式.同時,該系統具有較強的數據處理功能,經半年多的實際運行,其性能穩定、運行可靠、人機界面友好、易操作,使用維護方便,具有很好的可擴展性和較高的實用價值.

參考文獻:

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