基于西门子PLC和G120变频器的密闭鸡舍通风控制

2021-12-17黄晶邱旋王伟李皓

电子制作 2021年22期

黄晶，邱旋，王伟，李皓

（武昌工学院，湖北武汉，430065）

0 引言

S7-1200PLC主要由CPU模块、通信模块（CM）、信号模块（SM）和信号版（SB）及各种附件组成，作为市场占有率非常高的一款PLC，它设计紧凑、成本低廉的同时还具有功能强大的指令集，支持Profinet、Profibus、S7、Modbus、TCP等多种通信协议，在工业自动化控制领域发挥着巨大作用。

SINAMICS家族是西门子最新推出的变频驱动平台，包括有V、G、S三个系列，其中G系列属于通用型变频器，可以应用于一般的调速控制场合。G120变频器由控制单元（CU）、功率模块（PM）和操作面板（智能型操作面板IOP或基本操作面板BOP-2）及盲板组成，是一款模块化的变频器系统，它经济节能的同时具备多种功能，且操作简单易上手，常用于泵、风机和压缩机的控制。在实际工业控制中，G120变频器拥有智能化、模块化的控制、完全集成的安全保护功能等优势，有利于提高变频调速的精度和稳定性。与此同时，S7-1200PLC 与 G120 变频器基于PROFINET通讯实现变频调速使得通信速率大大提升，对完善自动化生产线、提升生产效率具有重要意义。

1 控制系统总体分析

我国通风控制系统的研究起步较晚，由于人多地少，很多地方养鸡还处于家庭散养状态，后来蛋鸡养殖逐渐形成规模化，对鸡舍环境通风控制问题的研究才显现出来。随着一些大型养鸡厂对鸡舍通风控制设备需求的增大，各种鸡舍通风控制设备逐步发展起来，比如利用热敏电阻、光敏电阻、继电器组成控制电路的设备；后来随着计算机的发展，带有控制功能的芯片、模块在各行各业的应用越来越多，养鸡业集约化、工业化程度不断提高，鸡舍通风控制也逐步向智能化控制方向发展。经过在养鸡厂的实地调查学习，我们发现不同季节和不同鸡龄对鸡舍通风要求不一样，因此设计一套智能化的鸡舍通风控制系统，将有利于加快鸡的生长，提高产蛋率，降低患病率，获得良好的经济效益。

鸡舍的环境对鸡的健康成长和生产性能的有着重要影响，通风换气就是为了保持鸡舍内空气清新，将温度、湿度等控制在合理范围内。传统的鸡舍采用自然通风的方式，仅仅依靠自然界的风力带来空气流动，排出鸡舍内污浊空气，引入新鲜空气，这种通风方式成本低，维修费用少，但受季节天气限制，整体效率较低。密闭鸡舍一般采用机械通风，完全依靠风机强制通风，考虑到风机启动时噪声大，会对鸡群产生刺激反应，且鸡舍要根据不同季节和不同鸡龄等需求来调整风机风速，风机应在启动时应先低速运行一段时间，待鸡群适应之后再逐步提升运转速度，通风过程中风机可随时根据需求调整运行频率。本文通过设计一款基于S7-1200PLC和SINAMICS G120变频器的通风系统来控制风机的启停及调速，从而实现密闭鸡舍的通风控制。

2 控制系统设备组态

密闭鸡舍风机风速控制采用PROFINET通信方式，S7-1200PLC通过PROFINET通讯控制G120变频器的启停及调速，通过PROFINET通讯的PZD过程通道读取G120变频器的状态及转速，即PLC通过网络来控制变频器进行调速，通过设置相应的控制字来设定变频器的工作状态，变频器通过网络把状态字和转速实际值等反馈给PLC，达到变频器控制风机启停及调速的目的，实现密闭鸡舍通风控制。

在TIA Portal V15中创建项目，添加CPU 1214C DC/DC/DC（订货号：6ES7 214-1AG40-0XB0）和SINAMICS G120 CU240E-2 PN(-F) V4.7（订货号：6SL3 244-0BB1x-1Fax），设置PLC和变频器的站点名称并分配IP地址，将它们组态在一个局域网中，如图1所示。

图1 设备与网络组态

3 SINAMICS G120变频器配置

■3.1 组态报文

报文是变频器与外部设备进行通信时候的桥梁，S7-1200PLC通过周期性通讯PZD通道（过程数据区）控制和检测变频器状态。本文中G120报文选择“标准报文20，PZD-2/6”，对应PLC端组态输入地址为 IW100、IW102、IW104、IW106、IW108、IW110，输出地址为 QW100、QW102，如图2所示。

图2 组态G120报文

这表示G120接收外部设备给它的输入2个字，它输出给外部设备6个字，即变频器接收PLC发送的控制字1（STW1）、转速设定值（NSOLL_A），变频器向PLC返回状态字 1（ZSW1）、转速实际值（NIST_AGLATT）、电流实际值（IAIST_GLATT）、经过平滑的转矩实际值（MIST_GLATT）、有功功率实际值（PIST_GLATT）和故障字（MELD_NAMUR），如表1所示。

表1 标准报文20通信说明

■3.2 参数设置

G120变频器可以通过面部的BOP面板来手动设置参数，也可以在TIA Portal 软件中通过在线访问功能来设置参数，再通过网络下载到变频器内部。在TIA Portal V15完成设备和网络组态后，即可点击在线访问设备中的变频器，选择调试向导进行设置。应用等级为标准等级，设定值指定为在PLC中给定设定值，I/O的默认配置为现场总线，报文选择标准报文20、PZD-2/6，驱动设置电机为标准IEC电机，设置输入电压220V，电机选用异步电动机，连接方式为星形，电机的额定电流为2.3Arms，额定功率为0.37kW，额定电压为230Vrms，额定频率为50Hz，重要参数中参考转速为1500rpm，OFF1斜坡下降时间为0.5s，电流极限3.45Arms，驱动功能中工艺应用选择转速可变负载，电机识别为电机数据检测（静止状态），运行后切换。设置完成后，系统经过自动计算，完成基本调试。

4 控制程序设计

控制程序主要根据密闭鸡舍通风系统的功能要求来进行编写，风机风速控制的基本需求是实现风机启停和转速设定等功能。S7- 1200 PLC与G120变频器通信，主要通过控制字对变频器进行频率设定，从而控制风机转速。PLC通过PROFINET通讯，周期性地将输出控制字QW100 和转速设定值QW102发送至G120变频器端，变频器将状态字 IW100 、转速实际值 IW102和变频器反馈故障字IW110等数据发送至PLC端。

■4.1 风机启停

当密闭鸡舍系统内温度传感器检测到鸡舍内温度超过一定范围时，风机启动开启通风模式，当鸡舍内环境温度达到要求后停止通风。风机的启停通过变频器控制，常用的控制字有047F（电机启动）、047E（电机停止）。在QW100中写入十六进制047F即可启动变频器，从而启动风机通风，在QW100中写入十六进制047E即可停止变频器，停止通风，控制程序梯形图如图3所示。

图3 控制风机启停程序梯形图

■4.2 风机转速设定

密闭鸡舍在通风过程中，风机启动时的噪声会对鸡群产生刺激反应，风机应在启动时应先低速运行一段时间，待鸡群适应之后再逐步提升运转速度，而且鸡舍要根据不同季节和不同鸡龄等需求来合理设置风机风速，要实现这些功能，就要求风机可随时根据需求调整运转速度。风机风速控制主要通过控制字对变频器进行频率设定，输入到变频器的设定值为范围在0~4000之间的十六进制数，十六进制4000对应十进制数值为16384。频率 50Hz 对应电动机额定转速 1500rpm，不同转速的设定值要按以下公式进行标准化计算。