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等多種通信協議，在工業自動化控制領域發揮著巨大作用。

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，它經濟節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勢，有利于提高變頻調速的精度和穩定性。與此同時，S7-1200PLC 與 G120 變頻器基于PROFINET通訊實現變頻調速使得通信速率大大提升，對完善自動化生產線、提升生產效率具有重要意義。

1 控制系統總體分析

我國通風控制系統的研究起步較晚，由于人多地少，很多地方養雞還處于家庭散養狀態，后來蛋雞養殖逐漸形成規模化，對雞舍環境通風控制問題的研究才顯現出來。隨著一些大型養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展，帶有控制功能的芯片、模塊在各行各業的應用越來越多，養雞業集約化、工業化程度不斷提高，雞舍通風控制也逐步向智能化控制方向發展。經過在養雞廠的實地調查學習，我們發現不同季節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，將有利于加快雞的生長，提高產蛋率，降低患病率，獲得良好的經濟效益。

雞舍的環境對雞的健康成長和生產性能的有著重要影響，通風換氣就是為了保持雞舍內空氣清新，將溫度、濕度等控制在合理范圍內。傳統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，會對雞群產生刺激反應，且雞舍要根據不同季節和不同雞齡等需求來調整風機風速，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需求調整運行頻率。本文通過設計一款基于S7-1200PLC和SINAMICS G120變頻器的通風系統來控制風機的啟停及調速，從而實現密閉雞舍的通風控制。

2 控制系統設備組態

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變頻器的啟停及調速，通過PROFINET通訊的PZD過程通道讀取G120變頻器的狀態及轉速，即PLC通過網絡來控制變頻器進行調速，通過設置相應的控制字來設定變頻器的工作狀態，變頻器通過網絡把狀態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速的目的，實現密閉雞舍通風控制。

在TIA Portal V15中創建項目，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，將它們組態在一個局域網中，如圖1所示。

圖1 設備與網絡組態

3 SINAMICS G120變頻器配置

■3.1 組態報文

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（過程數據區）控制和檢測變頻器狀態。本文中G120報文選擇“標準報文20，PZD-2/6”，對應PLC端組態輸入地址為 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發送的控制字1（STW1）、轉速設定值（NSOLL_A），變頻器向PLC返回狀態字 1（ZSW1）、轉速實際值（NIST_AGLATT）、電流實際值（IAIST_GLATT）、經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 參數設置

G120變頻器可以通過面部的BOP面板來手動設置參數，也可以在TIA Portal 軟件中通過在線訪問功能來設置參數，再通過網絡下載到變頻器內部。在TIA Portal V15完成設備和網絡組態后，即可點擊在線訪問設備中的變頻器，選擇調試向導進行設置。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，電機識別為電機數據檢測（靜止狀態），運行后切換。設置完成后，系統經過自動計算，完成基本調試。

4 控制程序設計

控制程序主要根據密閉雞舍通風系統的功能要求來進行編寫，風機風速控制的基本需求是實現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發送至G120變頻器端，變頻器將狀態字 IW100 、轉速實際值 IW102和變頻器反饋故障字IW110等數據發送至PLC端。

■4.1 風機啟停

當密閉雞舍系統內溫度傳感器檢測到雞舍內溫度超過一定范圍時，風機啟動開啟通風模式，當雞舍內環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，而且雞舍要根據不同季節和不同雞齡等需求來合理設置風機風速，要實現這些功能，就要求風機可隨時根據需求調整運轉速度。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，十六進制4000對應十進制數值為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

密閉雞舍通風過程中，可以根據需要實時讀取變頻器狀態。變頻器反饋的狀態字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，該系統通過PROFINET通訊控制變頻器的啟停及調速，從而實現了密閉雞舍通風控制。