基于西門子PLC和G120變頻器的密閉雞舍通風(fēng)控制

黃晶，邱旋，王偉，李皓

（武昌工學(xué)院，湖北武漢，430065）

0 引言

S7-1200PLC主要由CPU模塊、通信模塊（CM）、信號(hào)模塊（SM）和信號(hào)版（SB）及各種附件組成，作為市場(chǎng)占有率非常高的一款PLC，它設(shè)計(jì)緊湊、成本低廉的同時(shí)還具有功能強(qiáng)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(dòng)化控制領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用。

SINAMICS家族是西門子最新推出的變頻驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，包括有V、G、S三個(gè)系列，其中G系列屬于通用型變頻器，可以應(yīng)用于一般的調(diào)速控制場(chǎng)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(jì)節(jié)能的同時(shí)具備多種功能，且操作簡(jiǎn)單易上手，常用于泵、風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)的控制。在實(shí)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(hù)功能等優(yōu)勢(shì)，有利于提高變頻調(diào)速的精度和穩(wěn)定性。與此同時(shí)，S7-1200PLC 與 G120 變頻器基于PROFINET通訊實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速使得通信速率大大提升，對(duì)完善自動(dòng)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(fēng)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(duì)雞舍環(huán)境通風(fēng)控制問題的研究才顯現(xiàn)出來。隨著一些大型養(yǎng)雞廠對(duì)雞舍通風(fēng)控制設(shè)備需求的增大，各種雞舍通風(fēng)控制設(shè)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(shè)備；后來隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，帶有控制功能的芯片、模塊在各行各業(yè)的應(yīng)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(fēng)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(shí)地調(diào)查學(xué)習(xí)，我們發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)和不同雞齡對(duì)雞舍通風(fēng)要求不一樣，因此設(shè)計(jì)一套智能化的雞舍通風(fēng)控制系統(tǒng)，將有利于加快雞的生長(zhǎng)，提高產(chǎn)蛋率，降低患病率，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

雞舍的環(huán)境對(duì)雞的健康成長(zhǎng)和生產(chǎn)性能的有著重要影響，通風(fēng)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(fēng)的方式，僅僅依靠自然界的風(fēng)力帶來空氣流動(dòng)，排出雞舍內(nèi)污濁空氣，引入新鮮空氣，這種通風(fēng)方式成本低，維修費(fèi)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(jī)械通風(fēng)，完全依靠風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)，考慮到風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)噪聲大，會(huì)對(duì)雞群產(chǎn)生刺激反應(yīng)，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(fēng)機(jī)風(fēng)速，風(fēng)機(jī)應(yīng)在啟動(dòng)時(shí)應(yīng)先低速運(yùn)行一段時(shí)間，待雞群適應(yīng)之后再逐步提升運(yùn)轉(zhuǎn)速度，通風(fēng)過程中風(fēng)機(jī)可隨時(shí)根據(jù)需求調(diào)整運(yùn)行頻率。本文通過設(shè)計(jì)一款基于S7-1200PLC和SINAMICS G120變頻器的通風(fēng)系統(tǒng)來控制風(fēng)機(jī)的啟停及調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)密閉雞舍的通風(fēng)控制。

2 控制系統(tǒng)設(shè)備組態(tài)

密閉雞舍風(fēng)機(jī)風(fēng)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(zhuǎn)速，即PLC通過網(wǎng)絡(luò)來控制變頻器進(jìn)行調(diào)速，通過設(shè)置相應(yīng)的控制字來設(shè)定變頻器的工作狀態(tài)，變頻器通過網(wǎng)絡(luò)把狀態(tài)字和轉(zhuǎn)速實(shí)際值等反饋給PLC，達(dá)到變頻器控制風(fēng)機(jī)啟停及調(diào)速的目的，實(shí)現(xiàn)密閉雞舍通風(fēng)控制。

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

圖1 設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

3 SINAMICS G120變頻器配置

■3.1 組態(tài)報(bào)文

報(bào)文是變頻器與外部設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)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(cè)變頻器狀態(tài)。本文中G120報(bào)文選擇“標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文20，PZD-2/6”，對(duì)應(yīng)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(bào)文

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

表1 標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文20通信說明

■3.2 參數(shù)設(shè)置

G120變頻器可以通過面部的BOP面板來手動(dòng)設(shè)置參數(shù)，也可以在TIA Portal 軟件中通過在線訪問功能來設(shè)置參數(shù)，再通過網(wǎng)絡(luò)下載到變頻器內(nèi)部。在TIA Portal V15完成設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)后，即可點(diǎn)擊在線訪問設(shè)備中的變頻器，選擇調(diào)試向?qū)нM(jìn)行設(shè)置。應(yīng)用等級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)，設(shè)定值指定為在PLC中給定設(shè)定值，I/O的默認(rèn)配置為現(xiàn)場(chǎng)總線，報(bào)文選擇標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文20、PZD-2/6，驅(qū)動(dòng)設(shè)置電機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)IEC電機(jī)，設(shè)置輸入電壓220V，電機(jī)選用異步電動(dòng)機(jī)，連接方式為星形，電機(jī)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(zhuǎn)速為1500rpm，OFF1斜坡下降時(shí)間為0.5s，電流極限3.45Arms，驅(qū)動(dòng)功能中工藝應(yīng)用選擇轉(zhuǎn)速可變負(fù)載，電機(jī)識(shí)別為電機(jī)數(shù)據(jù)檢測(cè)（靜止?fàn)顟B(tài)），運(yùn)行后切換。設(shè)置完成后，系統(tǒng)經(jīng)過自動(dòng)計(jì)算，完成基本調(diào)試。

4 控制程序設(shè)計(jì)

控制程序主要根據(jù)密閉雞舍通風(fēng)系統(tǒng)的功能要求來進(jìn)行編寫，風(fēng)機(jī)風(fēng)速控制的基本需求是實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)啟停和轉(zhuǎn)速設(shè)定等功能。S7- 1200 PLC與G120變頻器通信，主要通過控制字對(duì)變頻器進(jìn)行頻率設(shè)定，從而控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。PLC通過PROFINET通訊，周期性地將輸出控制字QW100 和轉(zhuǎn)速設(shè)定值QW102發(fā)送至G120變頻器端，變頻器將狀態(tài)字 IW100 、轉(zhuǎn)速實(shí)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(fēng)機(jī)啟停

當(dāng)密閉雞舍系統(tǒng)內(nèi)溫度傳感器檢測(cè)到雞舍內(nèi)溫度超過一定范圍時(shí)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)開啟通風(fēng)模式，當(dāng)雞舍內(nèi)環(huán)境溫度達(dá)到要求后停止通風(fēng)。風(fēng)機(jī)的啟停通過變頻器控制，常用的控制字有047F（電機(jī)啟動(dòng)）、047E（電機(jī)停止）。在QW100中寫入十六進(jìn)制047F即可啟動(dòng)變頻器，從而啟動(dòng)風(fēng)機(jī)通風(fēng)，在QW100中寫入十六進(jìn)制047E即可停止變頻器，停止通風(fēng)，控制程序梯形圖如圖3所示。

圖3 控制風(fēng)機(jī)啟停程序梯形圖

■4.2 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定

密閉雞舍在通風(fēng)過程中，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的噪聲會(huì)對(duì)雞群產(chǎn)生刺激反應(yīng)，風(fēng)機(jī)應(yīng)在啟動(dòng)時(shí)應(yīng)先低速運(yùn)行一段時(shí)間，待雞群適應(yīng)之后再逐步提升運(yùn)轉(zhuǎn)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(shè)置風(fēng)機(jī)風(fēng)速，要實(shí)現(xiàn)這些功能，就要求風(fēng)機(jī)可隨時(shí)根據(jù)需求調(diào)整運(yùn)轉(zhuǎn)速度。風(fēng)機(jī)風(fēng)速控制主要通過控制字對(duì)變頻器進(jìn)行頻率設(shè)定，輸入到變頻器的設(shè)定值為范圍在0~4000之間的十六進(jìn)制數(shù)，十六進(jìn)制4000對(duì)應(yīng)十進(jìn)制數(shù)值為16384。頻率 50Hz 對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速 1500rpm，不同轉(zhuǎn)速的設(shè)定值要按以下公式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算。

該計(jì)算過程可直接編寫到PLC程序中，將換算結(jié)果十六進(jìn)制轉(zhuǎn)速設(shè)定值寫入 QW102，控制程序梯形圖如圖4所示。

圖4 控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定程序梯形圖

■4.3 讀取變頻器狀態(tài)

密閉雞舍通風(fēng)過程中，可以根據(jù)需要實(shí)時(shí)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(zhuǎn)速實(shí)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(jié)語

通過研究分析密閉雞舍的通風(fēng)需求，設(shè)計(jì)了一款基于S7-1200PLC和SINAMICS G120變 頻器的風(fēng)機(jī)風(fēng)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(shí)現(xiàn)了密閉雞舍通風(fēng)控制。