基于西门子S7-300的工厂电度计量系统的开发与应用

图1 整个系统结构
2 系统概述
2.1 系统结构
系统用SIEMENS S7-300系列可编程控制器 CPU313C-2DP作为主站，用ET200M作为从站搭成Profibus-DP现场总线网络，操作员站工控机插有CP5611网卡，也挂接到Profibus-DP现场总线网络上。整个系统结构如图1所示。
Profibus-DP是主从结构的开放式的工业现场总线，其最大站点可达126个，最大通讯速率12Mbps。Profibus-DP能够实现现场级和车间级之间快速通讯，从I/O到自动化控制装置的信号传输仅为毫秒级，即使在干扰严重的场合，或跨越好几公里的距离，都可以保证通讯的稳定可靠。Profibus-DP总线的传输介质为双绞线或细光缆，进行网络互连时，可以大大节省时间和工作量。
本系统中，Profibus-DP总线将系统CPU、现场分布式I/O以及计算机连接起来，并确保它们之间毫无问题的进行通讯。系统共设置一个控制站，二个远程站，CPU313C-2DP放在控制站，通讯地址为2，其他5个ET200M地址分别为3～7。由于调度室与配电一距离较远，故在二者之间加装中继器一只，这样整个网络通讯波特率可达到1.5Mbps，所有电度计量数据刷新在一秒钟之内轻松完成。在系统运行中，现场电度脉冲值以及所有中间过程变量均保存在CPU313C-2DP的数据寄存器中，这就大大提高了系统的稳定性，保证了计量的准确和连续。
2.2 系统功能
(1) 实时监视各主机设备电量消耗情况;
(2) 生成历史记录, 每隔半小时记录一次电度累计数据;
(3) 自动计算每日单台设备电度、各车间电度以及全厂电度;
(4) 根据电价不同，实现分时计量功能;
(5) 根据主机设备电量消耗，监视主机设备开停情况并生成历史记录;
(6) 用户权限管理功能，不同用户允许进行不同的操作从而保证系统安全。
3 系统性能特点
配置成本较低，可靠性高，易维护，通讯速度快，实时性强，扩展灵活。
(1) S7-300可编程控制器
S7-300可编程控制器是SIEMENS的中小型PLC，CPU软硬件集成度更高，I/O模块密度更高，大大压缩了投资成本，降低了开发费用。其性能特点如下:
l 功能强:计算性能极强，指令完善，集成MPI口和Profibus-DP口，联网能力极强。内部集成功能丰富，故障诊断功能全面，口令保护完善;
l 速度快:指令处理快速，大大缩短程序循环周期。一般每1k语句执行时间为0.3~0.6ms，位操作时间仅为0.033~0.6μs;
l 扩展灵活:扩展模块品种齐全, 连接便利，硬件安装无槽位限制。最多可扩展3个机架, 即共可挂接模块32个;
(2) 模块化分布式I/O装置ET200M
ET200M是基于SIEMENS S7-300模块系列的分布式I/O，它可以通过IM153通讯接口将S7-300模块连接到PROFIBUS-DP现场总线。因为S7-300的通用模块非常丰富，从简单的开关量输入输出、模拟量输入输出到用于计数、控制和定位的功能模块应有尽有，所以ET200M具有广泛的适用性。
ET200M的组装简单快速，单个模块只需简单地插入标准背板中, 再用一个螺钉固定住即可。一个高密度模块最多可有32个I/O通道。前连接器可以提供快速的无故障连接。如果在DIN导轨和模块之间插入了有源总线装置, 则可以实现在现更换模块而不用中断整个站的正常运行。
(3) RS485中继器
RS485中继器可以放大总线和互联总线段的数据信号，提高通讯速率, 延长通讯距离。它应用于以下三种场合:
l 总线上的节点超过32个;
l 总线段运行在非接地的总线上;
l 段之间的连接电缆超过最大电缆长度。
一般来说，通讯距离越长则通讯速率越小，1.5Mbaud不加中继器总线段的最大电缆长度为200m，加上中继器则可达到2000m。
(4) 脉冲式电度表
脉冲式电度表是在普通的三相三线、三项四线电度表的基础上加装脉冲输出模块改制而成，模块电源为5V DC，三线连接，一根公共线，一根电源线，一根脉冲信号线。输出脉冲通过光电隔离装置以及信号转换装置将脉冲电平转成24V DC输入至PLC开关量输入端子。脉冲宽度为80ms。

4 软件编制
4.1 SIEMENS 编程软件STEP 7
STEP 7是用于SIMATIC可编程控制器组态和编程的标准软件包，是SIMATIC工业软件的组成部分。STEP 7可以实现硬件组态、参数设置、编程、测试、调试和文档处理等功能。STEP 7运行在Windows2000或NT平台，它可在总线上的任何位置对PLC进行编程和配置，无论是本地配置，还是分布式配置，对用户来说都是一样的。利用STEP 7软件设计一个自动化项目的基本步骤如图2所示:

图2 利用STEP 7软件的基本步骤
STEP 7编程软件允许把用户程序进行结构化，也就是可以将程序分解为单个的自成体系的程序部分。
(1) 这样做有如下优点:
l 比大规模的程序更容易理解;
l 可以对单个的程序部分进行标准化;
l 程序组织简化;
l 程序修改更容易;
l 由于可以分别测试各个部分，查错更为简单;
l 系统的调试更容易。
(2) 应用程序中各逻辑块功能介绍
在工厂电度计量系统的PLC软件编制中，把复杂的大段程序分割成了相对独立的子程序，分别实现了电度脉冲采集、电度计算、主机设备开停状态显示等诸多功能，充分体现了STEP 7编程软件的技术优势。
各逻辑块功能介绍如下:
l OB1:组织块1，循环处理主程序;
l FB1:功能块1，处理电度脉冲计数;
l FB2:功能块2，电度计算;
l FC1:功能1，处理主机设备开停显示;
l DB1-DB14:专用数据块1-14，存放不同电度计量倍率数据;
l DB15,DB16:公用数据块，DB15用于存放计算后的电度数据，DB16用于存放电度脉冲计数值;
另外，在实际进行编程操作时，所有外部内部变量均可以编进符号表中，这样梯形图程序指令显示实际工艺名称，程序清晰易读。
4.2 SIEMENS工业组态软件WinCC 5.0
WinCC(Windows Control Center 视窗控制中心)是SIEMENS开发的全面开放的新一代的人机界面软件，可有效用于控制自动化过程。WinCC成熟可靠，使用简单，适用各种简单和复杂的任务。WinCC5.0是在Windows2000+sp3的平台上运行的，其组态环境风格与Windows2000一致。WinCC软件分为全版本(组态和运行均可)和运行版(仅用于软件运行)两种。一般来说，全版本安装在工程师站计算机上，而运行版安装在操作员站计算机上。
WinCC具有如下功能:
(1) 图形编辑:主要用于工艺流程图绘制，画面组态完全通过图形对象(WinCC图形、Windows、OLE、OCX对象)进行操作, 图形对象是动态的, 且可以在线组态;
(2) 报警存档:记录和存储事件，并供显示、查询、报表;
(3) 报表系统:用户可自由选择报表格式，并按时间顺序或事件触发对信息、数据、文档、当前数据进行归档;
(4) ANSI C:通过内部的C编译器为动态连接和动作提供了高度的灵活性;
(5) 数据交换:通过DDE接口与其他Windows应用程序进行数据交换;
(6) 访问数据库:通过标准数据库接口(ODBC/SQL)访问用于组态和过程数据的Sybase数据库;
(7) 驱动连接:通过自带的各种PLC驱动，连接各种类型的控制器。
在本系统中，用WinCC 5.0对所有现场电度数据进行组态，实现流程图监视、数据运算及记录、电度查询、主机开停车状态显示等功能。
5 结束语
用SIEMENS SIMATIC系列工控产品开发的工厂电度计量系统很好的解决了工厂成本核算中用电量的计量问题，数据记录准确、及时、有效，各主要工序、生产车间及全厂的电量消耗情况一目了然，既可以促进生产过程中的降本增效工作，同时也大大提高了企业的管理水平。