基于西门子PLC密闭鸡舍环境控制系统人机界面设计

2022-02-19邱旋王伟李皓黄晶蔡雪伟肖阳邬家喜

电子测试 2022年1期

邱旋，王伟，李皓，黄晶，蔡雪伟，肖阳，邬家喜

（1.武昌工学院，湖北武汉，430065；2.中冶南方（武汉）自动化有限公司，湖北武汉， 430065）

0 引言

触摸屏作为一种新型的人机交互界面，是在操作人员和机器设备之间作双向沟通的桥梁，用户可以自由的组合文字、按钮、图形、数字等来处理或监控管理及应付随时可能变化信息的多功能显示屏幕。随着设备的飞速发展，以往的操作界面需由熟练的操作员才能操作，无法提高工作效率，但使用人机界面能够明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变的简单生动，并且可以减少操作上的失误。使用人机界面还可以减少PLC控制器所需的IO点数，降低生产的成本同时由于面板控制的小型化及高性能。相对的提高了整套设备的附加价值。本文主要对密闭鸡舍环境控制系统人机界面的设计进行了探讨。

1 密闭鸡舍环境自动控制系统研究与分析

对于大型养鸡场而言，影响鸡舍内空气质量的因素有：蛋鸡呼出的二氧化碳气体、舍内温度、蛋鸡粪便所产生的有害气体氨气等，一般可通过风机的通风换气来改善鸡舍内的环境，从工厂规模化养殖的意义出发，设计一套功能齐全的鸡舍环境通风控制系统，将有利于加快鸡只的生长，提高产蛋率，降低患病率，获得良好的经济效益。

2 密闭鸡舍环境自动控制系统的总体方案

密闭鸡舍模型图如图1所示，密闭鸡舍长为120米、宽13米、高3.2米，鸡舍屋顶到地面高度为4.7m，鸡舍可一次性饲养16000只蛋鸡，为了提高蛋鸡产蛋量，需要建立一套完善的环境控制系统。由于蛋鸡数量多，影响鸡舍环境的主要因素有：蛋鸡呼出的二氧化碳气体、舍内温度、蛋鸡粪便所产生的有害气体氨气等。系统设计总体方案为，在鸡舍的左端安装湿帘，顶部安装光照加热系统，右端安装8台SH-1380型负压风机，根据鸡舍内的温度控制风机开启的数量，从而起到调节鸡舍内温度的作用以及排出二氧化碳、氨气等有害气体，吸入新鲜空气通风换气的作用。夏季鸡舍内温度较高，若8台风机同时开启舍内温度仍然较高，则左端的湿帘开启，进入鸡舍内的新鲜空气会先经过湿帘降温，从而调节舍内温度；冬季天气较冷，气温较低，鸡舍内温度以保温为主，但为了保持舍内空气新鲜，仍然开启1台风机进行换气，若舍内温度过低，则开启顶部照加热系统。

密闭鸡舍环境控制系统采用的控制器是西门子1200PLC以及触摸屏。针对密闭鸡舍的主体环境因素：温度，设计基于PLC结合西门子触摸屏的控制系统，实现自动降温，加热等工作要求。各传感器采集鸡舍内的环境参数通过IO连线将即时信息传递给PLC，PLC与风机、湿帘、灯、暖风机进行IO连线，通过PLC程序的编写，触摸屏人机界面的设计，实现人机交互，管理人员通过西门子触摸屏可以很方便的进行内部程序及系统相关参数的设置与调试，完成密闭鸡舍环境自动控制系统的设计方案。

图1 密闭鸡舍模型图

3 密闭鸡舍环境自动控制系统的工作流程

系统具体工作流程如下：首先根据不同的季节选择工作模式，其次当密闭鸡舍内出现环境因素改变时，如温度超过32℃时，温度传感器数据会传递给PLC，PLC对数据进行处理比较过后再把开启信号传输给风机与湿帘，8风机相应打开开始工作，同时湿帘开启。传感器及时将室内数据收集并再次准确传给PLC，PLC再将数据与温度临界值与即时数据相比较，当即时数据在安全范围时，风机就会关闭；反之风机将持续工作，直到温度下降至适宜范围。系统工作流程如图2所示。

图2 鸡舍温度控制系统流程图

4 PLC与人机界面鸡舍控制系统的实现

4.1 人机界面总设计方案

前期针对密闭鸡舍自动环境控制要求编写了PLC控制程序，为了使工作人员在实际工作中更方便对系统参数进行修改、调试、使用。故而需设计相应的触摸屏画面，人机界面是基于1200PLC控制程序的基础上设计的，PLC控制程序分为手动控制部分，主要功能是检查调试各硬件设备如：8台风机、湿帘、加热器能否正常工作；如果各设备均正常，则进入自动控制程序部分，主要功能是根据系统流程图要求首先选择季节模式，不同的季节模式控制要求不一样，在自动控制画面中，可在触摸屏中实时显示鸡舍内的温度，温度控制着启动风机的数量，风机是否运行通过设计不同颜色的动画可以很方便在触摸屏界面上显示出来；同时程序中还有报警相关的程序，当设备出现故障或鸡舍内温度过高时，可以在触摸屏报警画面中查看报警信息，供工作人员处理。综上所述，鸡舍控制系统人机界面主要由：手动控制画面、自动控制画面、报警画面组成，由于每个画面内容不一样，为方便操作故还需设计主画面来连接这些子画面。

密闭鸡舍环境自动控制系统主画面如图3所示，通过点击主画面中的按钮开关可以切换到不同的控制画面中。图4为手动控制画面，当系统程序开始运行之前，应首先在手动控制画面中检查各硬件设备是否正常，如下图4所示每个按钮均控制一个硬件设备，工作人员按下风机1启动按钮对应的风机1在触摸屏上变为红色，表明PLC程序已执行，同时检查鸡舍右端实物风机1是否开始工作，未启动的风机显示为蓝色，这样逐个将风机以及湿帘，加热装置手动检查均正常之后，可以返回主画面切换到自动控制画面中去。

图3 密闭鸡舍环境自动控制系统触摸屏主画面

图4 手动控制画面

图5为自动控制画面，当进入自动控制后，首先是通过季节按钮对季节模式进行选择，当选择某一季节后，对应的指示灯会变为绿色，以方便表征所选的季节模式。如上图5所示选择的夏季控制模式，传感器检测鸡舍内的温度为30.5℃，通过设置触摸屏上的数字IO域属性与PLC程序中的鸡舍平均温度变量相关联，就能够在触摸屏上将鸡舍内的温度实时的显示出来，并且自动画面显示各设备的状态要与控制要求一致，比如根据上述控制流程图，当鸡舍内温度为30.5℃应当启动6台通风风机，图5所示有6台风机显示为红色表明正在运行中。不同季节，不同温度所启动的设备不同，设计的触摸屏画面要能正确的反映设备运行状态。图6为系统报警画面，主要显示的是风机转速以及鸡舍内温度相关的报警信息，鸡舍内主要设备有8台通风风机，风机的转速由变频器控制，在风机末端安装有传感器检测风机的转速，若风机的转速过高可能会因为过热导致风机烧坏，若风机通电不转则出现故障，因此需对风机的转速进行监测，当风机的转速过高或者不转则在触摸屏上提示报警信息，供工作人员前来处理。这里我们设置的每台风机的频率大于150HZ时转速为速度过快，大于10HZ小于20HZ时的转速为故障状态，出现转速过快或故障时，故障的信息要显示在报警画面中；鸡舍内的平均温度需低于40℃，当高于40℃也要提示报警信息。如图6所示的报警信息，已提示4号风机与6号风机转速过快。

图5 自动控制画面

图6 报警画面

4.2 人机界面设计过程

首先在PLC中建立变量表，即定义控制系统中各控制对象的名称、地址与数据类型，如图7所示，比如每个温度传感器转换的目标温度，换算成鸡舍内的平均温度，这些变量将于触摸屏中的按钮，指示灯等相关联，从而起到触摸屏修改显示程序的作用。

图7 建立人机界面PLC变量表

指示灯颜色动画效果制作如图8所示，先选中某一指示灯在动画属性中关联PLC中“春秋季指示灯”变量，并在下方选择颜色，0的时候显示灰色，1的时候显示绿色，则系统运行时，“春秋季指示灯”变量为1时触摸屏上显示为绿色，否则为灰色，以达到仿真的效果。

图8 组态界面设置

要制作风机动画，首先选择图形IO域工具，然后在触摸屏的文本和图形列表中新建一个“风机显示”的变量，当变量为0时选择对应图形为蓝色风机动画，表示风机是未启用状态，为1时选择对应图形为红色风机动画，表示风机是启用状态如图9所示；如图10所示在图形IO域的属性中设置图形列表为刚才建立的“风机显示”变量，在变量窗口中关联PLC变量中每个风机对应变量的地址，则完成了风机动画的制作。系统运行时，自动控制画面触摸屏右上角显示鸡舍内的即时温度，按照控制流程程序启动对应的风机，则触摸屏上相应风机动画会由绿色变为红色。组态好8台风机动画界面后续使用过程中可以良好的进行仿真。