基于西門子PLC和G120變頻器的密閉雞舍通風控制

黃晶，邱旋，王偉，李皓

（武昌工學院，湖北武漢，430065）

0 引言

S7-1200PLC主要由CPU模塊、通信模塊（CM）、信號模塊（SM）和信號版（SB）及各種附件組成，作為市場占有率非常高的一款PLC，它設計緊湊、成本低廉的同時還具有功能強大的指令集，支持Profinet、Profibus、S7、Modbus、TCP等多種通信協(xié)議，在工業(yè)自動化控制領域發(fā)揮著巨大作用。

SINAMICS家族是西門子最新推出的變頻驅動平臺，包括有V、G、S三個系列，其中G系列屬于通用型變頻器，可以應用于一般的調(diào)速控制場合。G120變頻器由控制單元（CU）、功率模塊（PM）和操作面板（智能型操作面板IOP或基本操作面板BOP-2）及盲板組成，是一款模塊化的變頻器系統(tǒng)，它經(jīng)濟節(jié)能的同時具備多種功能，且操作簡單易上手，常用于泵、風機和壓縮機的控制。在實際工業(yè)控制中，G120變頻器擁有智能化、模塊化的控制、完全集成的安全保護功能等優(yōu)勢，有利于提高變頻調(diào)速的精度和穩(wěn)定性。與此同時，S7-1200PLC 與 G120 變頻器基于PROFINET通訊實現(xiàn)變頻調(diào)速使得通信速率大大提升，對完善自動化生產(chǎn)線、提升生產(chǎn)效率具有重要意義。

1 控制系統(tǒng)總體分析

我國通風控制系統(tǒng)的研究起步較晚，由于人多地少，很多地方養(yǎng)雞還處于家庭散養(yǎng)狀態(tài)，后來蛋雞養(yǎng)殖逐漸形成規(guī)模化，對雞舍環(huán)境通風控制問題的研究才顯現(xiàn)出來。隨著一些大型養(yǎng)雞廠對雞舍通風控制設備需求的增大，各種雞舍通風控制設備逐步發(fā)展起來，比如利用熱敏電阻、光敏電阻、繼電器組成控制電路的設備；后來隨著計算機的發(fā)展，帶有控制功能的芯片、模塊在各行各業(yè)的應用越來越多，養(yǎng)雞業(yè)集約化、工業(yè)化程度不斷提高，雞舍通風控制也逐步向智能化控制方向發(fā)展。經(jīng)過在養(yǎng)雞廠的實地調(diào)查學習，我們發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)和不同雞齡對雞舍通風要求不一樣，因此設計一套智能化的雞舍通風控制系統(tǒng)，將有利于加快雞的生長，提高產(chǎn)蛋率，降低患病率，獲得良好的經(jīng)濟效益。

雞舍的環(huán)境對雞的健康成長和生產(chǎn)性能的有著重要影響，通風換氣就是為了保持雞舍內(nèi)空氣清新，將溫度、濕度等控制在合理范圍內(nèi)。傳統(tǒng)的雞舍采用自然通風的方式，僅僅依靠自然界的風力帶來空氣流動，排出雞舍內(nèi)污濁空氣，引入新鮮空氣，這種通風方式成本低，維修費用少，但受季節(jié)天氣限制，整體效率較低。密閉雞舍一般采用機械通風，完全依靠風機強制通風，考慮到風機啟動時噪聲大，會對雞群產(chǎn)生刺激反應，且雞舍要根據(jù)不同季節(jié)和不同雞齡等需求來調(diào)整風機風速，風機應在啟動時應先低速運行一段時間，待雞群適應之后再逐步提升運轉速度，通風過程中風機可隨時根據(jù)需求調(diào)整運行頻率。本文通過設計一款基于S7-1200PLC和SINAMICS G120變頻器的通風系統(tǒng)來控制風機的啟停及調(diào)速，從而實現(xiàn)密閉雞舍的通風控制。

2 控制系統(tǒng)設備組態(tài)

密閉雞舍風機風速控制采用PROFINET通信方式，S7-1200PLC通過PROFINET通訊控制G120變頻器的啟停及調(diào)速，通過PROFINET通訊的PZD過程通道讀取G120變頻器的狀態(tài)及轉速，即PLC通過網(wǎng)絡來控制變頻器進行調(diào)速，通過設置相應的控制字來設定變頻器的工作狀態(tài)，變頻器通過網(wǎng)絡把狀態(tài)字和轉速實際值等反饋給PLC，達到變頻器控制風機啟停及調(diào)速的目的，實現(xiàn)密閉雞舍通風控制。

在TIA Portal V15中創(chuàng)建項目，添加CPU 1214C DC/DC/DC（訂貨號：6ES7 214-1AG40-0XB0）和SINAMICS G120 CU240E-2 PN(-F) V4.7（訂貨號：6SL3 244-0BB1x-1Fax），設置PLC和變頻器的站點名稱并分配IP地址，將它們組態(tài)在一個局域網(wǎng)中，如圖1所示。

圖1 設備與網(wǎng)絡組態(tài)

3 SINAMICS G120變頻器配置

■3.1 組態(tài)報文

報文是變頻器與外部設備進行通信時候的橋梁，S7-1200PLC通過周期性通訊PZD通道（過程數(shù)據(jù)區(qū)）控制和檢測變頻器狀態(tài)。本文中G120報文選擇“標準報文20，PZD-2/6”，對應PLC端組態(tài)輸入地址為 IW100、IW102、IW104、IW106、IW108、IW110，輸出地址為 QW100、QW102，如圖2所示。

圖2 組態(tài)G120報文

這表示G120接收外部設備給它的輸入2個字，它輸出給外部設備6個字，即變頻器接收PLC發(fā)送的控制字1（STW1）、轉速設定值（NSOLL_A），變頻器向PLC返回狀態(tài)字 1（ZSW1）、轉速實際值（NIST_AGLATT）、電流實際值（IAIST_GLATT）、經(jīng)過平滑的轉矩實際值（MIST_GLATT）、有功功率實際值（PIST_GLATT）和故障字（MELD_NAMUR），如表1所示。

表1 標準報文20通信說明

■3.2 參數(shù)設置

G120變頻器可以通過面部的BOP面板來手動設置參數(shù)，也可以在TIA Portal 軟件中通過在線訪問功能來設置參數(shù)，再通過網(wǎng)絡下載到變頻器內(nèi)部。在TIA Portal V15完成設備和網(wǎng)絡組態(tài)后，即可點擊在線訪問設備中的變頻器，選擇調(diào)試向導進行設置。應用等級為標準等級，設定值指定為在PLC中給定設定值，I/O的默認配置為現(xiàn)場總線，報文選擇標準報文20、PZD-2/6，驅動設置電機為標準IEC電機，設置輸入電壓220V，電機選用異步電動機，連接方式為星形，電機的額定電流為2.3Arms，額定功率為0.37kW，額定電壓為230Vrms，額定頻率為50Hz，重要參數(shù)中參考轉速為1500rpm，OFF1斜坡下降時間為0.5s，電流極限3.45Arms，驅動功能中工藝應用選擇轉速可變負載，電機識別為電機數(shù)據(jù)檢測（靜止狀態(tài)），運行后切換。設置完成后，系統(tǒng)經(jīng)過自動計算，完成基本調(diào)試。

4 控制程序設計

控制程序主要根據(jù)密閉雞舍通風系統(tǒng)的功能要求來進行編寫，風機風速控制的基本需求是實現(xiàn)風機啟停和轉速設定等功能。S7- 1200 PLC與G120變頻器通信，主要通過控制字對變頻器進行頻率設定，從而控制風機轉速。PLC通過PROFINET通訊，周期性地將輸出控制字QW100 和轉速設定值QW102發(fā)送至G120變頻器端，變頻器將狀態(tài)字 IW100 、轉速實際值 IW102和變頻器反饋故障字IW110等數(shù)據(jù)發(fā)送至PLC端。

■4.1 風機啟停

當密閉雞舍系統(tǒng)內(nèi)溫度傳感器檢測到雞舍內(nèi)溫度超過一定范圍時，風機啟動開啟通風模式，當雞舍內(nèi)環(huán)境溫度達到要求后停止通風。風機的啟停通過變頻器控制，常用的控制字有047F（電機啟動）、047E（電機停止）。在QW100中寫入十六進制047F即可啟動變頻器，從而啟動風機通風，在QW100中寫入十六進制047E即可停止變頻器，停止通風，控制程序梯形圖如圖3所示。

圖3 控制風機啟停程序梯形圖

■4.2 風機轉速設定

密閉雞舍在通風過程中，風機啟動時的噪聲會對雞群產(chǎn)生刺激反應，風機應在啟動時應先低速運行一段時間，待雞群適應之后再逐步提升運轉速度，而且雞舍要根據(jù)不同季節(jié)和不同雞齡等需求來合理設置風機風速，要實現(xiàn)這些功能，就要求風機可隨時根據(jù)需求調(diào)整運轉速度。風機風速控制主要通過控制字對變頻器進行頻率設定，輸入到變頻器的設定值為范圍在0~4000之間的十六進制數(shù)，十六進制4000對應十進制數(shù)值為16384。頻率 50Hz 對應電動機額定轉速 1500rpm，不同轉速的設定值要按以下公式進行標準化計算。

該計算過程可直接編寫到PLC程序中，將換算結果十六進制轉速設定值寫入 QW102，控制程序梯形圖如圖4所示。

圖4 控制風機轉速設定程序梯形圖

■4.3 讀取變頻器狀態(tài)

密閉雞舍通風過程中，可以根據(jù)需要實時讀取變頻器狀態(tài)。變頻器反饋的狀態(tài)字IW100、變頻器反饋轉速實際值IW102、變頻器反饋故障字IW110輸出給PLC，程序梯形圖如圖5所示。

圖5 讀取變頻器狀態(tài)程序梯形圖

5 結語

通過研究分析密閉雞舍的通風需求，設計了一款基于S7-1200PLC和SINAMICS G120變 頻器的風機風速控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過PROFINET通訊控制變頻器的啟停及調(diào)速，從而實現(xiàn)了密閉雞舍通風控制。