全渠道灌溉系统水文遥控终端机的研制

摘要

随着水资源短缺情况的逐渐加剧，节约水资源已逐渐上升为全人类共同的行动目标。我国属于人均水资源极度匮乏的国家之一，合理利用水资源已成为我国重要的可持续发展战略，因此如何科学高效地利用灌溉用水已成为当前研究的重要课题。针对我国灌区传统灌溉方式存在的水资源浪费及用水效率低等缺陷，通过查阅农田灌区自动化建设相关资料与调研灌区实际现场，分析和总结了先进灌区自动化与信息化建设的研究现状，并重点分析了澳大利亚Rubicon公司的全渠道灌溉系统(TCC)在我国推广及应用的阻力及其原因。
　　本文就目前我国灌区发展现状，结合调研实际现场的功能需求，研究设计了一套应用于全渠道灌溉系统的集水文数据采集、闸门控制及远程监控等功能为一体的自动遥控终端装置。水文遥控终端机的研发历经前期调研，制定总体设计方案，硬件设备的选型与开发，软件系统的设计与实现，最后对装置的控制理论进行仿真分析等过程。
　　装置采用模块化设计思想，选择监视与控制通用系统(MCGS)工控机作为装置的核心控制单元，选取适用的水位、雨量及闸门传感器监测现场水文信息，选用S7-200 PLC作为现场控制器，结合GPRS DTU实现监控中心与装置的远程数据交互，从而达到装置的远程监控灌区水情、手动/自动控制渠道水闸、报警预警等功能目的。
　　装置的工作能力取决于监控软件的设计，本文按照装置的功能需求开发了基于MCGS组态软件的应用环境及功能界面，对PLC下位机控制器做了编程设计，以标准的无线通讯规约设计了GPRS通讯驱动程序，并通过配置通信参数将MCGS与PLC下位机控制器进行了连接。
　　为研究装置的控制性能，文中以下位机控制器S7-200 PLC作为载体，引入了模糊控制理论提高装置对闸门控制的精度，实现了装置对闸门的自动闭环控制，并利用Simulink仿真软件分析对比了传统PID控制与模糊控制理论对闸门开度的影响特性，结果显示该模糊控制器能较传统PID控制方式更好地稳定控制闸门工作。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究发展现状

1．2．1 灌区信息化与智能化的研究现状

1．2．2 水文遥控终端机的发展现状

1．3 本文的研究内容

2 水文遥控终端机装置总体方案设计

2．1 装置的功能需求

2．2 装置设计思路及原则

2．2．1 装置设计思路

2．2．2 装置设计原则

2．3 总体结构设计方案

2．4 监控系统方案设计

2．4．1 远程监控系统

2．4．2 现场监测系统

2．4．3 下位机控制系统

2．5 本草小结

3 水文遥控终端机的硬件结构设计

3．1 硬件结构设计方案

3．2 MCGS工控机

3．3 传感器的选型

3．3．1 传感器的性能指标

3．3．2 传感器的选用原则

3．3．3 液位传感器

3．3．4 雨量传感器

3．3．5 闸门开度传感器

3．4 数据采集模块的选用

3．5 GPRS无线通讯模块

3．5．1 GPRS模块的选用

3．5．2 GPRS DTU工作模式

3．5．3 GPRS DTU的硬件连接

3．6 下位机控制系统

3．6．1 PLC基本结构及工作原理

3．6．2 PLC的选型及功能

3．6．3 I／O地址分配及硬件接线

3．7 终端机控制柜外观设计

3．8 本章小结

4监控及控制系统软件设计与实现

4．1 组态软件介绍

4．1．1 MCGS组态软件功能及特点

4．1．2 MCGS组态软件结构

4．2 装置运行流程图。

4．3 MCGS监控系统软件设计

4．3．1 监控系统软件功能设计需求

4．3．2 定义数据变量

4．3．3 用户窗口组态设计

4．3．4 运行策略设计

4．4 通讯驱动程序设计

4．4．1 设备驱动程序工作流程

4．4．2 远程监控中心软件通信协议

4．4．3 通讯驱动接口编程

4．5 PLC控制系统软件设计

4．5．1 S7-200PLC编程软件

4．5．2 PLC控制程序

4．6 连接设备

4．6．1 GPRS DTU设备驱动程序挂接

4．6．2 设备驱动构件调取及属性配置

4．6．3 S7-200PLC与MCGS连接

4．7 MCGS组态软件工程下载及调试

4．8 本章小结

5 模糊控制器及装置抗干扰设计

5．1 下位机控制系统控制策略分析

5．1．1 PID控制算法

5．1．2 PID控制算法参数作用及整定

5．1．3 模糊控制应用于闸门控制原因

5．2 模糊控制器的设计

5．2．1 模糊控制器控制量的确定

5．2．2 模糊控制器的模糊化及模糊控制规则

5．3 模糊控制的PLC实现

5．4 模糊控制器仿真与分析

5．4．1 模糊控制的MATLAB实现

5．4．2 模糊控制器的仿真

5．5 装置抗干扰设计

5．5．1 硬件抗干扰措施

5．5．2 软件抗干扰措施

5．6 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果