基于西門子PLC密閉雞舍環(huán)境控制系統(tǒng)人機界面設計

邱旋，王偉，李皓，黃晶，蔡雪偉，肖陽，鄔家喜

（1.武昌工學院，湖北武漢，430065；2.中冶南方（武漢）自動化有限公司，湖北武漢， 430065）

0 引言

觸摸屏作為一種新型的人機交互界面，是在操作人員和機器設備之間作雙向溝通的橋梁，用戶可以自由的組合文字、按鈕、圖形、數(shù)字等來處理或監(jiān)控管理及應付隨時可能變化信息的多功能顯示屏幕。隨著設備的飛速發(fā)展，以往的操作界面需由熟練的操作員才能操作，無法提高工作效率，但使用人機界面能夠明確指示并告知操作員機器設備目前的狀況，使操作變的簡單生動，并且可以減少操作上的失誤。使用人機界面還可以減少PLC控制器所需的IO點數(shù)，降低生產的成本同時由于面板控制的小型化及高性能。相對的提高了整套設備的附加價值。本文主要對密閉雞舍環(huán)境控制系統(tǒng)人機界面的設計進行了探討。

1 密閉雞舍環(huán)境自動控制系統(tǒng)研究與分析

對于大型養(yǎng)雞場而言，影響雞舍內空氣質量的因素有：蛋雞呼出的二氧化碳氣體、舍內溫度、蛋雞糞便所產生的有害氣體氨氣等，一般可通過風機的通風換氣來改善雞舍內的環(huán)境，從工廠規(guī)?；B(yǎng)殖的意義出發(fā)，設計一套功能齊全的雞舍環(huán)境通風控制系統(tǒng)，將有利于加快雞只的生長，提高產蛋率，降低患病率，獲得良好的經(jīng)濟效益。

2 密閉雞舍環(huán)境自動控制系統(tǒng)的總體方案

密閉雞舍模型圖如圖1所示，密閉雞舍長為120米、寬13米、高3.2米，雞舍屋頂?shù)降孛娓叨葹?.7m，雞舍可一次性飼養(yǎng)16000只蛋雞，為了提高蛋雞產蛋量，需要建立一套完善的環(huán)境控制系統(tǒng)。由于蛋雞數(shù)量多，影響雞舍環(huán)境的主要因素有：蛋雞呼出的二氧化碳氣體、舍內溫度、蛋雞糞便所產生的有害氣體氨氣等。系統(tǒng)設計總體方案為，在雞舍的左端安裝濕簾，頂部安裝光照加熱系統(tǒng)，右端安裝8臺SH-1380型負壓風機，根據(jù)雞舍內的溫度控制風機開啟的數(shù)量，從而起到調節(jié)雞舍內溫度的作用以及排出二氧化碳、氨氣等有害氣體，吸入新鮮空氣通風換氣的作用。夏季雞舍內溫度較高，若8臺風機同時開啟舍內溫度仍然較高，則左端的濕簾開啟，進入雞舍內的新鮮空氣會先經(jīng)過濕簾降溫，從而調節(jié)舍內溫度；冬季天氣較冷，氣溫較低，雞舍內溫度以保溫為主，但為了保持舍內空氣新鮮，仍然開啟1臺風機進行換氣，若舍內溫度過低，則開啟頂部照加熱系統(tǒng)。

密閉雞舍環(huán)境控制系統(tǒng)采用的控制器是西門子1200PLC以及觸摸屏。針對密閉雞舍的主體環(huán)境因素：溫度，設計基于PLC結合西門子觸摸屏的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動降溫，加熱等工作要求。各傳感器采集雞舍內的環(huán)境參數(shù)通過IO連線將即時信息傳遞給PLC，PLC與風機、濕簾、燈、暖風機進行IO連線，通過PLC程序的編寫，觸摸屏人機界面的設計，實現(xiàn)人機交互，管理人員通過西門子觸摸屏可以很方便的進行內部程序及系統(tǒng)相關參數(shù)的設置與調試，完成密閉雞舍環(huán)境自動控制系統(tǒng)的設計方案。

圖1 密閉雞舍模型圖

3 密閉雞舍環(huán)境自動控制系統(tǒng)的工作流程

系統(tǒng)具體工作流程如下：首先根據(jù)不同的季節(jié)選擇工作模式，其次當密閉雞舍內出現(xiàn)環(huán)境因素改變時，如溫度超過32℃時，溫度傳感器數(shù)據(jù)會傳遞給PLC，PLC對數(shù)據(jù)進行處理比較過后再把開啟信號傳輸給風機與濕簾，8風機相應打開開始工作，同時濕簾開啟。傳感器及時將室內數(shù)據(jù)收集并再次準確傳給PLC，PLC再將數(shù)據(jù)與溫度臨界值與即時數(shù)據(jù)相比較，當即時數(shù)據(jù)在安全范圍時，風機就會關閉；反之風機將持續(xù)工作，直到溫度下降至適宜范圍。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 雞舍溫度控制系統(tǒng)流程圖

4 PLC與人機界面雞舍控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1 人機界面總設計方案

前期針對密閉雞舍自動環(huán)境控制要求編寫了PLC控制程序，為了使工作人員在實際工作中更方便對系統(tǒng)參數(shù)進行修改、調試、使用。故而需設計相應的觸摸屏畫面，人機界面是基于1200PLC控制程序的基礎上設計的，PLC控制程序分為手動控制部分，主要功能是檢查調試各硬件設備如：8臺風機、濕簾、加熱器能否正常工作；如果各設備均正常，則進入自動控制程序部分，主要功能是根據(jù)系統(tǒng)流程圖要求首先選擇季節(jié)模式，不同的季節(jié)模式控制要求不一樣，在自動控制畫面中，可在觸摸屏中實時顯示雞舍內的溫度，溫度控制著啟動風機的數(shù)量，風機是否運行通過設計不同顏色的動畫可以很方便在觸摸屏界面上顯示出來；同時程序中還有報警相關的程序，當設備出現(xiàn)故障或雞舍內溫度過高時，可以在觸摸屏報警畫面中查看報警信息，供工作人員處理。綜上所述，雞舍控制系統(tǒng)人機界面主要由：手動控制畫面、自動控制畫面、報警畫面組成，由于每個畫面內容不一樣，為方便操作故還需設計主畫面來連接這些子畫面。

密閉雞舍環(huán)境自動控制系統(tǒng)主畫面如圖3所示，通過點擊主畫面中的按鈕開關可以切換到不同的控制畫面中。圖4為手動控制畫面，當系統(tǒng)程序開始運行之前，應首先在手動控制畫面中檢查各硬件設備是否正常，如下圖4所示每個按鈕均控制一個硬件設備，工作人員按下風機1啟動按鈕對應的風機1在觸摸屏上變?yōu)榧t色，表明PLC程序已執(zhí)行，同時檢查雞舍右端實物風機1是否開始工作，未啟動的風機顯示為藍色，這樣逐個將風機以及濕簾，加熱裝置手動檢查均正常之后，可以返回主畫面切換到自動控制畫面中去。

圖3 密閉雞舍環(huán)境自動控制系統(tǒng)觸摸屏主畫面

圖4 手動控制畫面

圖5為自動控制畫面，當進入自動控制后，首先是通過季節(jié)按鈕對季節(jié)模式進行選擇，當選擇某一季節(jié)后，對應的指示燈會變?yōu)榫G色，以方便表征所選的季節(jié)模式。如上圖5所示選擇的夏季控制模式，傳感器檢測雞舍內的溫度為30.5℃，通過設置觸摸屏上的數(shù)字IO域屬性與PLC程序中的雞舍平均溫度變量相關聯(lián)，就能夠在觸摸屏上將雞舍內的溫度實時的顯示出來，并且自動畫面顯示各設備的狀態(tài)要與控制要求一致，比如根據(jù)上述控制流程圖，當雞舍內溫度為30.5℃應當啟動6臺通風風機，圖5所示有6臺風機顯示為紅色表明正在運行中。不同季節(jié)，不同溫度所啟動的設備不同，設計的觸摸屏畫面要能正確的反映設備運行狀態(tài)。圖6為系統(tǒng)報警畫面，主要顯示的是風機轉速以及雞舍內溫度相關的報警信息，雞舍內主要設備有8臺通風風機，風機的轉速由變頻器控制，在風機末端安裝有傳感器檢測風機的轉速，若風機的轉速過高可能會因為過熱導致風機燒壞，若風機通電不轉則出現(xiàn)故障，因此需對風機的轉速進行監(jiān)測，當風機的轉速過高或者不轉則在觸摸屏上提示報警信息，供工作人員前來處理。這里我們設置的每臺風機的頻率大于150HZ時轉速為速度過快，大于10HZ小于20HZ時的轉速為故障狀態(tài)，出現(xiàn)轉速過快或故障時，故障的信息要顯示在報警畫面中；雞舍內的平均溫度需低于40℃，當高于40℃也要提示報警信息。如圖6所示的報警信息，已提示4號風機與6號風機轉速過快。

圖5 自動控制畫面

圖6 報警畫面

4.2 人機界面設計過程

首先在PLC中建立變量表，即定義控制系統(tǒng)中各控制對象的名稱、地址與數(shù)據(jù)類型，如圖7所示，比如每個溫度傳感器轉換的目標溫度，換算成雞舍內的平均溫度，這些變量將于觸摸屏中的按鈕，指示燈等相關聯(lián)，從而起到觸摸屏修改顯示程序的作用。

圖7 建立人機界面PLC變量表

指示燈顏色動畫效果制作如圖8所示，先選中某一指示燈在動畫屬性中關聯(lián)PLC中“春秋季指示燈”變量，并在下方選擇顏色，0的時候顯示灰色，1的時候顯示綠色，則系統(tǒng)運行時，“春秋季指示燈”變量為1時觸摸屏上顯示為綠色，否則為灰色，以達到仿真的效果。

圖8 組態(tài)界面設置

要制作風機動畫，首先選擇圖形IO域工具，然后在觸摸屏的文本和圖形列表中新建一個“風機顯示”的變量，當變量為0時選擇對應圖形為藍色風機動畫，表示風機是未啟用狀態(tài)，為1時選擇對應圖形為紅色風機動畫，表示風機是啟用狀態(tài)如圖9所示；如圖10所示在圖形IO域的屬性中設置圖形列表為剛才建立的“風機顯示”變量，在變量窗口中關聯(lián)PLC變量中每個風機對應變量的地址，則完成了風機動畫的制作。系統(tǒng)運行時，自動控制畫面觸摸屏右上角顯示雞舍內的即時溫度，按照控制流程程序啟動對應的風機，則觸摸屏上相應風機動畫會由綠色變?yōu)榧t色。組態(tài)好8臺風機動畫界面后續(xù)使用過程中可以良好的進行仿真。

圖9 風機動畫信號界面設置

圖10 風機動畫信號變量關聯(lián)界面設置

5 結論

本文分析了密閉雞舍環(huán)境的控制要求，在實際控制要求的基礎上介紹了基于西門子1200PLC和觸摸屏控制系統(tǒng)人機界面的設計過程，結合PLC程序聯(lián)合仿真，仿真結果正確，說明設計的觸摸屏人機界面能滿足實際使用要求且使用方便。