基于西門子S7-300的工廠電度計量系統的開發與應用

圖1 整個系統結構
2 系統概述
2.1 系統結構
系統用SIEMENS S7-300系列可編程控制器 CPU313C-2DP作為主站，用ET200M作為從站搭成Profibus-DP現場總線網絡，操作員站工控機插有CP5611網卡，也掛接到Profibus-DP現場總線網絡上。整個系統結構如圖1所示。
Profibus-DP是主從結構的開放式的工業現場總線，其最大站點可達126個，最大通訊速率12Mbps。Profibus-DP能夠實現現場級和車間級之間快速通訊，從I/O到自動化控制裝置的信號傳輸僅為毫秒級，即使在干擾嚴重的場合，或跨越好幾公里的距離，都可以保證通訊的穩定可靠。Profibus-DP總線的傳輸介質為雙絞線或細光纜，進行網絡互連時，可以大大節省時間和工作量。
本系統中，Profibus-DP總線將系統CPU、現場分布式I/O以及計算機連接起來，并確保它們之間毫無問題的進行通訊。系統共設置一個控制站，二個遠程站，CPU313C-2DP放在控制站，通訊地址為2，其他5個ET200M地址分別為3～7。由于調度室與配電一距離較遠，故在二者之間加裝中繼器一只，這樣整個網絡通訊波特率可達到1.5Mbps，所有電度計量數據刷新在一秒鐘之內輕松完成。在系統運行中，現場電度脈沖值以及所有中間過程變量均保存在CPU313C-2DP的數據寄存器中，這就大大提高了系統的穩定性，保證了計量的準確和連續。
2.2 系統功能
(1) 實時監視各主機設備電量消耗情況;
(2) 生成歷史記錄, 每隔半小時記錄一次電度累計數據;
(3) 自動計算每日單臺設備電度、各車間電度以及全廠電度;
(4) 根據電價不同，實現分時計量功能;
(5) 根據主機設備電量消耗，監視主機設備開停情況并生成歷史記錄;
(6) 用戶權限管理功能，不同用戶允許進行不同的操作從而保證系統安全。
3 系統性能特點
配置成本較低，可靠性高，易維護，通訊速度快，實時性強，擴展靈活。
(1) S7-300可編程控制器
S7-300可編程控制器是SIEMENS的中小型PLC，CPU軟硬件集成度更高，I/O模塊密度更高，大大壓縮了投資成本，降低了開發費用。其性能特點如下:
l 功能強:計算性能極強，指令完善，集成MPI口和Profibus-DP口，聯網能力極強。內部集成功能豐富，故障診斷功能全面，口令保護完善;
l 速度快:指令處理快速，大大縮短程序循環周期。一般每1k語句執行時間為0.3~0.6ms，位操作時間僅為0.033~0.6μs;
l 擴展靈活:擴展模塊品種齊全, 連接便利，硬件安裝無槽位限制。最多可擴展3個機架, 即共可掛接模塊32個;
(2) 模塊化分布式I/O裝置ET200M
ET200M是基于SIEMENS S7-300模塊系列的分布式I/O，它可以通過IM153通訊接口將S7-300模塊連接到PROFIBUS-DP現場總線。因為S7-300的通用模塊非常豐富，從簡單的開關量輸入輸出、模擬量輸入輸出到用于計數、控制和定位的功能模塊應有盡有，所以ET200M具有廣泛的適用性。
ET200M的組裝簡單快速，單個模塊只需簡單地插入標準背板中, 再用一個螺釘固定住即可。一個高密度模塊最多可有32個I/O通道。前連接器可以提供快速的無故障連接。如果在DIN導軌和模塊之間插入了有源總線裝置, 則可以實現在現更換模塊而不用中斷整個站的正常運行。
(3) RS485中繼器
RS485中繼器可以放大總線和互聯總線段的數據信號，提高通訊速率, 延長通訊距離。它應用于以下三種場合:
l 總線上的節點超過32個;
l 總線段運行在非接地的總線上;
l 段之間的連接電纜超過最大電纜長度。
一般來說，通訊距離越長則通訊速率越小，1.5Mbaud不加中繼器總線段的最大電纜長度為200m，加上中繼器則可達到2000m。
(4) 脈沖式電度表
脈沖式電度表是在普通的三相三線、三項四線電度表的基礎上加裝脈沖輸出模塊改制而成，模塊電源為5V DC，三線連接，一根公共線，一根電源線，一根脈沖信號線。輸出脈沖通過光電隔離裝置以及信號轉換裝置將脈沖電平轉成24V DC輸入至PLC開關量輸入端子。脈沖寬度為80ms。

4 軟件編制
4.1 SIEMENS 編程軟件STEP 7
STEP 7是用于SIMATIC可編程控制器組態和編程的標準軟件包，是SIMATIC工業軟件的組成部分。STEP 7可以實現硬件組態、參數設置、編程、測試、調試和文檔處理等功能。STEP 7運行在Windows2000或NT平臺，它可在總線上的任何位置對PLC進行編程和配置，無論是本地配置，還是分布式配置，對用戶來說都是一樣的。利用STEP 7軟件設計一個自動化項目的基本步驟如圖2所示:

圖2 利用STEP 7軟件的基本步驟
STEP 7編程軟件允許把用戶程序進行結構化，也就是可以將程序分解為單個的自成體系的程序部分。
(1) 這樣做有如下優點:
l 比大規模的程序更容易理解;
l 可以對單個的程序部分進行標準化;
l 程序組織簡化;
l 程序修改更容易;
l 由于可以分別測試各個部分，查錯更為簡單;
l 系統的調試更容易。
(2) 應用程序中各邏輯塊功能介紹
在工廠電度計量系統的PLC軟件編制中，把復雜的大段程序分割成了相對獨立的子程序，分別實現了電度脈沖采集、電度計算、主機設備開停狀態顯示等諸多功能，充分體現了STEP 7編程軟件的技術優勢。
各邏輯塊功能介紹如下:
l OB1:組織塊1，循環處理主程序;
l FB1:功能塊1，處理電度脈沖計數;
l FB2:功能塊2，電度計算;
l FC1:功能1，處理主機設備開停顯示;
l DB1-DB14:專用數據塊1-14，存放不同電度計量倍率數據;
l DB15,DB16:公用數據塊，DB15用于存放計算后的電度數據，DB16用于存放電度脈沖計數值;
另外，在實際進行編程操作時，所有外部內部變量均可以編進符號表中，這樣梯形圖程序指令顯示實際工藝名稱，程序清晰易讀。
4.2 SIEMENS工業組態軟件WinCC 5.0
WinCC(Windows Control Center 視窗控制中心)是SIEMENS開發的全面開放的新一代的人機界面軟件，可有效用于控制自動化過程。WinCC成熟可靠，使用簡單，適用各種簡單和復雜的任務。WinCC5.0是在Windows2000+sp3的平臺上運行的，其組態環境風格與Windows2000一致。WinCC軟件分為全版本(組態和運行均可)和運行版(僅用于軟件運行)兩種。一般來說，全版本安裝在工程師站計算機上，而運行版安裝在操作員站計算機上。
WinCC具有如下功能:
(1) 圖形編輯:主要用于工藝流程圖繪制，畫面組態完全通過圖形對象(WinCC圖形、Windows、OLE、OCX對象)進行操作, 圖形對象是動態的, 且可以在線組態;
(2) 報警存檔:記錄和存儲事件，并供顯示、查詢、報表;
(3) 報表系統:用戶可自由選擇報表格式，并按時間順序或事件觸發對信息、數據、文檔、當前數據進行歸檔;
(4) ANSI C:通過內部的C編譯器為動態連接和動作提供了高度的靈活性;
(5) 數據交換:通過DDE接口與其他Windows應用程序進行數據交換;
(6) 訪問數據庫:通過標準數據庫接口(ODBC/SQL)訪問用于組態和過程數據的Sybase數據庫;
(7) 驅動連接:通過自帶的各種PLC驅動，連接各種類型的控制器。
在本系統中，用WinCC 5.0對所有現場電度數據進行組態，實現流程圖監視、數據運算及記錄、電度查詢、主機開停車狀態顯示等功能。
5 結束語
用SIEMENS SIMATIC系列工控產品開發的工廠電度計量系統很好的解決了工廠成本核算中用電量的計量問題，數據記錄準確、及時、有效，各主要工序、生產車間及全廠的電量消耗情況一目了然，既可以促進生產過程中的降本增效工作，同時也大大提高了企業的管理水平。