黃晶,邱旋,王偉,李皓
(武昌工學(xué)院,湖北武漢,430065)
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。
我國(guó)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)?;?,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。
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)
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
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。
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。
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
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
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
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。