题目基于PLC的猪舍环境控制系统设计一、项目介绍摘 要本文针对现代规模化猪舍环境控制的实际需求设计了一套基于西门子S7-1500 PLC的自动化环境控制系统。系统以猪舍内的温度、湿度、氨气浓度、二氧化碳浓度为主要监控对象通过对加热设备、加湿设备、通风风机等执行机构的自动控制实现对猪舍内部环境的精准调节。系统设计了手动和自动两种工作模式手动模式便于设备调试和特殊工况下的独立操作自动模式采用PID控制算法对温湿度进行闭环调节。同时系统具备气体超标报警保护功能当氨气或二氧化碳浓度超过设定阈值时自动启动强制通风并发出报警提示。HMI人机界面采用西门子精智面板提供实时数据监控、参数设置和报警查看功能。本文从系统总体设计、硬件选型、软件编程到系统测试进行了全面阐述。测试结果表明该系统能够有效维持猪舍内环境的稳定性提高养殖自动化水平改善生猪生长环境具有较好的实用价值和推广意义。关键字PLC猪舍环境控制PID控制S7-1500气体监测自动化养殖主要研究内容本课题的主要研究内容就是设计一个以西门子S7-1500PLC为核心的猪舍环境控制系统可以对猪舍内温度、湿度、氨气浓度、二氧化碳浓度等进行自动监测和智能调节。系统可以设置手动、自动两种工作模式手动模式适合设备单独调试或者特殊情况下使用自动模式会按照传感器的反馈信号来控制相应的执行设备工作。自动模式下温湿度控制使用PID调节算法使环境参数保持在设定目标范围之内。气体安全保护上当氨气或者二氧化碳的浓度大于安全临界值的时候系统就会执行强制通风动作并发出报警信息保证猪舍的空气质量。同时设计出相应的HMI人机界面主监控画面、手动操作画面、参数设置画面、报警查看画面等供现场人员操作和管理使用。围绕以上目的本文主要做以下几个方面的工作即对猪舍环境控制实际需求的分析明确系统功能要求和性能指标完成系统总体方案设计包括系统架构、工作模式、控制策略完成硬件选型及设计确定PLC、传感器、执行机构、HMI等设备具体型号及配置完成I/O地址分配和电气接线规划完成软件设计在TIA Portal平台上完成PLC控制程序开发和HMI监控画面组态对系统进行调试和测试检验各个功能是否正确可靠。经过以上研究工作最终会形成一个完整功能、稳定运转、操作简单的猪舍环境控制系统。猪舍环境控制需求分析猪舍内部环境质量影响生猪的生理状况、采食行为、生长速度各个生长阶段的猪对环境条件的需求也不同。温度是影响猪只生长最明显的一个环境因素。仔猪由于体温调节能力差对环境温度变化很敏感需要较高的温度育肥猪耐热性差在高温环境下容易造成采食量降低、日增重减少。湿度过高有利于微生物的生长繁殖增加呼吸道和皮肤感染的机会相反也会出现同样的问题。因此将温度、湿度控制在适宜的范围之内是保证猪只健康生长的基本条件。空气质量也是重要的一个控制指标。猪舍内有毒有害气体主要是猪只的呼吸、粪便和饲料分解发酵等产生的。氨气有强烈的刺激性气味低浓度时会对猪只的呼吸道造成刺激长时间接触会造成慢性呼吸道疾病甚至肺炎。二氧化碳本身毒性较小但是当其浓度太高时会使得猪只的氧气供给变得不足从而引起猪只精神不振、食欲下降。硫化氢、一氧化碳等有害气体也不能忽略。规模化猪舍一般饲养密度过高粪便清理和通风换气不能及时进行会造成有害气体大量积聚。因此系统需要具备氨气、二氧化碳浓度实时监测的功能在浓度超过一定阈值的时候自动开启强制通风尽快改善空气质量。系统除有自动控制功能外还要考虑调试、检修和特殊工况下操作的方便性。手动控制模式让操作人员可以单独控制温度、湿度、风机等设备的开关工作方便对设备进行测试或者应急处理。报警功能是不可缺少的环境参数超出限制或者设备出现故障的时候系统应该以声光报警或者在HMI上显示出报警信息的方式通知操作人员及时处理。因此猪舍环境控制系统的中心需求就是温湿度准确调节、有害气体的安全监测、手动和自动两种工作模式的选择、故障报警及信息提示。系统总体架构设计本系统用以西门子S7-1500PLC为控制器从下到上分为现场执行及感知层、控制层和监控层。现场执行与感知层是由各种传感器、执行器等组成的。传感器用来采集猪舍内温度、湿度、氨气浓度、二氧化碳浓度这些环境参数把它们转变成标准的电信号传送到PLC上。执行设备包括加热器、加湿器、通风风机等接到PLC发出的控制信号后执行相应的动作例如加热器通电加热、变频器调节风机转速等。控制层用S7-1500 PLC为主控。PLC用模拟量输入模块接收传感器信号经过内部程序运算之后用输出模块发出控制指令。PLC按工作模式选择开关来判定此时处在手动或者自动模式之中。在自动模式下PLC执行PID控制算法把检测到的温湿度值和设定值进行比较得出控制输出量调节各个设备的运行强度。同时PLC实时检测气体浓度一旦出现氨气或者二氧化碳超标情况时就会发出警报并且迫使通风风机立即开启。PLC还要和HMI进行数据交换把实时数据、报警信息传给HMI接受操作人员对参数的设置。在控制系统中使用了西门子精智面板做为人的交互界面。HMI利用PROFINET以太网同PLC沟通设计出主监控画面、手动操作画面、参数设置画面和报警画面等多幅监控画面主监控画面显示温湿度、气体浓度等主要参数以及设备的状态手动操作画面给各个设备独立的控制功能例如启动或停止参数设置画面可以修改设定值和PID参数报警画面展示历史以及当前的报警信息。分层结构把数据采集、逻辑控制、人机交互等功能分开利于设计调试及后期维护。二、文档介绍编程软件TIA Portal本系统PLC程序的编写以及HMI画面的组态工作全部使用了西门子TIA Portal博途软件来进行。TIA Portal是西门子所发布的全集成自动化工程软件它把PLC编程、HMI组态、驱动配置、网络通信设置等全部功能整合到一起形成了一个项目的全部自动化设备参数可以被统一管理和共享的环境。相比传统的分立式编程软件来说TIA Portal大大提高了工程效率用户在PLC里定义的变量可以马上放到HMI画面当中应用不会出现重复录入或者数据不一致的现象。TIA Portal界面风格更新后操作流程简单对新手来说只需要短时间的学习就可熟练使用。TIA Portal根据不同系列的控制器给出不同的编程组件。对于S7-1500 PLC使用的是STEP 7 Professional软件包支持梯形图、功能块图、结构化文本等多种编程语言。本系统以梯形图编写逻辑控制部分由于梯形图直观易懂、接近继电器控制电路、利于调试和维护所以选择梯形图PID调节和数值运算部分采用结构化文本语言因为文本语言对复杂的数学运算和条件分支处理更简洁高效。TIA Portal有很强的在线监控与诊断功能在调试时可以实时显示变量数值的变化情况、程序执行路径、CPU的诊断缓冲区等信息迅速找到问题所在。TIA Portal的项目管理功能也很完备。完整的项目文件是由PLC硬件组态、PLC程序块、HMI画面组态、网络连接配置、所有的变量表组成的。用户可以很方便的将整个项目进行备份、归档以及恢复。TIA Portal在对程序进行修改或者版本更新的时候会提供比较、合并的功能来帮助开发者来管理各个版本之间的区别。TIA Portal还自带了仿真功能在没有实际硬件的情况下在电脑上可以模拟出PLC以及HMI的运行过程对程序逻辑做初步测试对缩短开发周期、降低调试成本有重大意义。本系统正式部署到现场前在TIA Portal仿真环境中已经完成大部分程序逻辑的检验。三、项目截图手动控制程序手动控制程序的设计思想就是实现对每一个执行设备的独立直接控制不接受传感器反馈、不接受自动控制逻辑。手动模式下操作人员通过HMI上的按钮发出启停指令PLC程序检测到按钮状态的变化之后会直接驱动相应的输出点使设备动作。为了防止由于误触碰或者按钮抖动造成设备反复启停程序中对按钮信号做消抖处理以及边沿检测保证按钮每按一次就只动作一次。手动控制程序中还包括必要的联锁保护例如加热器和强冷风机不应同时以最大功率运行以免造成能量浪费加湿器和除湿风机的控制也符合一定的逻辑在手动模式下操作人员有一定的自由度但是程序还是从设备的安全角度出发设置了一些基本限制。手动控制程序为分段式结构每个设备对应一个独立的程序网络或者功能块。这样结构清晰便于调试、维修。当某一台设备发生故障或者需要单独检修的时候维修人员可以直接找到该台设备相应的程序段进行查看或者强制执行。手动模式下设备状态反馈信号也会被HMI实时显示出来比如风机工作状态、加热器通电、加湿器工作等都可以在HMI上清楚的看到方便操作人员手动操作过程中观察设备实际反应情况防止误判。手动控制程序设有紧急停止功能即在按下急停按钮之后所有的执行设备都会被切断供电从而保证人的安全以及设备的安全。自动控制程序自动控制程序是整个系统的功能中心它包含温湿度的PID控制以及设备调度逻辑。温度控制使用PID算法将温度传感器反馈的当前值和操作人员设定的目标值相比较得到偏差再根据比例、积分、微分这三个参数计算出一个控制输出量。此输出量用作调节加热器的加热功率或者通风风机的转速具体采用哪种调节方式根据偏差的正负、大小来确定。当实际温度小于设定值的时候加热器按照PID的比例投人功率同时减小通风量以减少热量的散发当实际温度大于设定值的时候增大通风机的转速提高散热效果加热器停止工作。该种协调控制策略可以防止加热和通风同时无效做功的情况发生。温度PID控制周期设置合理既能保证反应速度又不会太频繁。湿度控制原理和温度相似用PID算法控制。湿度传感器检测当前相对湿度和设定值进行比较后发出控制信号该信号可以控制加湿器或者通风风机的工作。湿度过低的时候加湿器按照PID计算结果进行脉动工作增大水雾的释放量湿度过高的时候开启除湿模式加大通风量使水汽得以排除。由于温度调节和湿度调节共用一个通风风机所以系统中对于温湿度PID的输出做了协调处理设置了合理的优先级。一般情况下温湿度优先级的设置可以依据季节及气候条件的变化而改变在冬季先保证温度在潮湿季节先保证湿度。PID参数整定属于自动程序调试的核心部分系统初次调试时利用PID自整定功能获得大概的参数之后根据现场运行情况做细微调节努力达成快速响应、小超调、无静差的控制效果。气体超标报警与风机联动程序气体超标报警以及风机联动程序属于系统安全保护模块它与温湿度控制程序是分开运行的拥有最高的优先级。本模块对氨气传感器和二氧化碳传感器的测量值进行实时读取并将其和程序中预先设定好的报警阈值做对比。阈值分为预警值、报警值两层预警值用来提醒操作人员气体浓度正在上升报警值才会产生强制动作。当任何一个气体浓度达到报警值的时候程序就会立刻将报警标志置位并且不会受到自动模式下手动模式的影响马上启动强制通风风机。强制通风风机的启动命令由独立的数字量输出通道发出驱动大功率风机高速运转快速把舍内的有害气体排出去。报警联动程序也和HMI的报警系统进行连接。检测到气体超标的时程序就会把报警数据块发往HMI该数据块包含报警类型氨气或者二氧化碳当前的浓度值以及报警的时间等信息。HMI接到之后会显示该条报警信息并根据配置发出声光提示。当操作人员接到报警信号之后就可以立即赶到现场进行检查或者采取相应的措施。当气体浓度降至报警阈值以下并且时间超过设定值后报警标志就会自动复位强制通风风机停止工作系统回到原来的状态。为了避免气体浓度在阈值附近频繁波动造成风机频繁启停程序中设置了滞回区间以及延时确认逻辑只有当浓度连续超标一段时间之后才会触发报警在报警解除之前需要经过一定时间才能消除报警从而提高了系统稳定性。总 结本文根据规模化猪舍环境控制实际需要设计了一套以西门子S7-1500 PLC为基础的自动化环境控制系统。系统利用温度传感器、湿度传感器、氨气传感器、二氧化碳传感器等实时采集猪舍内的主要环境参数以S7-1500 PLC作为核心控制单元用PID算法对温湿度进行闭环控制并设置了气体超标报警及强制通风联动保护。系统有两种工作模式手动模式和自动模式手动模式用于设备调试、应急自动模式无需要人控制智能控制。在人机交互部分使用西门子精智面板作为HMI设备主监控、手动操作、参数设置、报警查看等各个画面设计合理。硬件方面综合考虑了性能、成本、可靠性、现场适应性这三个条件来完成设计整个项目用TI Portal平台做软件开发程序逻辑结构清晰模块化程度高。利用仿真测试、现场调试的方法对系统各项功能进行检验并保证其正确可靠。本系统很好地解决了传统人工控制模式响应慢、调节精度差、劳动强度大等难题提高了猪舍环境管理水平和生产效率有较好的推广价值。