圖1 整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2 系統(tǒng)概述
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)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(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，操作員站工控機(jī)插有CP5611網(wǎng)卡，也掛接到Profibus-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
Profibus-DP是主從結(jié)構(gòu)的開放式的工業(yè)現(xiàn)場總線，其最大站點(diǎn)可達(dá)126個(gè)，最大通訊速率12Mbps。Profibus-DP能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場級(jí)和車間級(jí)之間快速通訊，從I/O到自動(dòng)化控制裝置的信號(hào)傳輸僅為毫秒級(jí)，即使在干擾嚴(yán)重的場合，或跨越好幾公里的距離，都可以保證通訊的穩(wěn)定可靠。Profibus-DP總線的傳輸介質(zhì)為雙絞線或細(xì)光纜，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互連時(shí)，可以大大節(jié)省時(shí)間和工作量。
本系統(tǒng)中，Profibus-DP總線將系統(tǒng)CPU、現(xiàn)場分布式I/O以及計(jì)算機(jī)連接起來，并確保它們之間毫無問題的進(jìn)行通訊。系統(tǒng)共設(shè)置一個(gè)控制站，二個(gè)遠(yuǎn)程站，CPU313C-2DP放在控制站，通訊地址為2，其他5個(gè)ET200M地址分別為3～7。由于調(diào)度室與配電一距離較遠(yuǎn)，故在二者之間加裝中繼器一只，這樣整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通訊波特率可達(dá)到1.5Mbps，所有電度計(jì)量數(shù)據(jù)刷新在一秒鐘之內(nèi)輕松完成。在系統(tǒng)運(yùn)行中，現(xiàn)場電度脈沖值以及所有中間過程變量均保存在CPU313C-2DP的數(shù)據(jù)寄存器中，這就大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證了計(jì)量的準(zhǔn)確和連續(xù)。
2.2 系統(tǒng)功能
(1) 實(shí)時(shí)監(jiān)視各主機(jī)設(shè)備電量消耗情況;
(2) 生成歷史記錄, 每隔半小時(shí)記錄一次電度累計(jì)數(shù)據(jù);
(3) 自動(dòng)計(jì)算每日單臺(tái)設(shè)備電度、各車間電度以及全廠電度;
(4) 根據(jù)電價(jià)不同，實(shí)現(xiàn)分時(shí)計(jì)量功能;
(5) 根據(jù)主機(jī)設(shè)備電量消耗，監(jiān)視主機(jī)設(shè)備開停情況并生成歷史記錄;
(6) 用戶權(quán)限管理功能，不同用戶允許進(jìn)行不同的操作從而保證系統(tǒng)安全。
3 系統(tǒng)性能特點(diǎn)
配置成本較低，可靠性高，易維護(hù)，通訊速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，擴(kuò)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(fā)費(fèi)用。其性能特點(diǎn)如下:
l 功能強(qiáng):計(jì)算性能極強(qiáng)，指令完善，集成MPI口和Profibus-DP口，聯(lián)網(wǎng)能力極強(qiáng)。內(nèi)部集成功能豐富，故障診斷功能全面，口令保護(hù)完善;
l 速度快:指令處理快速，大大縮短程序循環(huán)周期。一般每1k語句執(zhí)行時(shí)間為0.3~0.6ms，位操作時(shí)間僅為0.033~0.6μs;
l 擴(kuò)展靈活:擴(kuò)展模塊品種齊全, 連接便利，硬件安裝無槽位限制。最多可擴(kuò)展3個(gè)機(jī)架, 即共可掛接模塊32個(gè);
(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(xiàn)場總線。因?yàn)镾7-300的通用模塊非常豐富，從簡單的開關(guān)量輸入輸出、模擬量輸入輸出到用于計(jì)數(shù)、控制和定位的功能模塊應(yīng)有盡有，所以ET200M具有廣泛的適用性。
ET200M的組裝簡單快速，單個(gè)模塊只需簡單地插入標(biāo)準(zhǔn)背板中, 再用一個(gè)螺釘固定住即可。一個(gè)高密度模塊最多可有32個(gè)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(dǎo)軌和模塊之間插入了有源總線裝置, 則可以實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)更換模塊而不用中斷整個(gè)站的正常運(yùn)行。
(3) RS485中繼器
RS485中繼器可以放大總線和互聯(lián)總線段的數(shù)據(jù)信號(hào)，提高通訊速率, 延長通訊距離。它應(yīng)用于以下三種場合:
l 總線上的節(jié)點(diǎn)超過32個(gè);
l 總線段運(yùn)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(dá)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(xiàng)四線電度表的基礎(chǔ)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(hào)線。輸出脈沖通過光電隔離裝置以及信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置將脈沖電平轉(zhuǎn)成24V DC輸入至PLC開關(guān)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(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，是SIMATIC工業(yè)軟件的組成部分。STEP 7可以實(shí)現(xiàn)硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、編程、測試、調(diào)試和文檔處理等功能。STEP 7運(yùn)行在Windows2000或NT平臺(tái)，它可在總線上的任何位置對(duì)PLC進(jìn)行編程和配置，無論是本地配置，還是分布式配置，對(duì)用戶來說都是一樣的。利用STEP 7軟件設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)化項(xiàng)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(jìn)行結(jié)構(gòu)化，也就是可以將程序分解為單個(gè)的自成體系的程序部分。
(1) 這樣做有如下優(yōu)點(diǎn):
l 比大規(guī)模的程序更容易理解;
l 可以對(duì)單個(gè)的程序部分進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(gè)部分，查錯(cuò)更為簡單;
l 系統(tǒng)的調(diào)試更容易。
(2) 應(yīng)用程序中各邏輯塊功能介紹
在工廠電度計(jì)量系統(tǒng)的PLC軟件編制中，把復(fù)雜的大段程序分割成了相對(duì)獨(dú)立的子程序，分別實(shí)現(xiàn)了電度脈沖采集、電度計(jì)算、主機(jī)設(shè)備開停狀態(tài)顯示等諸多功能，充分體現(xiàn)了STEP 7編程軟件的技術(shù)優(yōu)勢。
各邏輯塊功能介紹如下:
l OB1:組織塊1，循環(huán)處理主程序;
l FB1:功能塊1，處理電度脈沖計(jì)數(shù);
l FB2:功能塊2，電度計(jì)算;
l FC1:功能1，處理主機(jī)設(shè)備開停顯示;
l DB1-DB14:專用數(shù)據(jù)塊1-14，存放不同電度計(jì)量倍率數(shù)據(jù);
l DB15,DB16:公用數(shù)據(jù)塊，DB15用于存放計(jì)算后的電度數(shù)據(jù)，DB16用于存放電度脈沖計(jì)數(shù)值;
另外，在實(shí)際進(jìn)行編程操作時(shí)，所有外部內(nèi)部變量均可以編進(jìn)符號(hào)表中，這樣梯形圖程序指令顯示實(shí)際工藝名稱，程序清晰易讀。
4.2 SIEMENS工業(yè)組態(tài)軟件WinCC 5.0
WinCC(Windows Control Center 視窗控制中心)是SIEMENS開發(fā)的全面開放的新一代的人機(jī)界面軟件，可有效用于控制自動(dòng)化過程。WinCC成熟可靠，使用簡單，適用各種簡單和復(fù)雜的任務(wù)。WinCC5.0是在Windows2000+sp3的平臺(tái)上運(yùn)行的，其組態(tài)環(huán)境風(fēng)格與Windows2000一致。WinCC軟件分為全版本(組態(tài)和運(yùn)行均可)和運(yùn)行版(僅用于軟件運(yùn)行)兩種。一般來說，全版本安裝在工程師站計(jì)算機(jī)上，而運(yùn)行版安裝在操作員站計(jì)算機(jī)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(tài)完全通過圖形對(duì)象(WinCC圖形、Windows、OLE、OCX對(duì)象)進(jìn)行操作, 圖形對(duì)象是動(dòng)態(tài)的, 且可以在線組態(tài);
(2) 報(bào)警存檔:記錄和存儲(chǔ)事件，并供顯示、查詢、報(bào)表;
(3) 報(bào)表系統(tǒng):用戶可自由選擇報(bào)表格式，并按時(shí)間順序或事件觸發(fā)對(duì)信息、數(shù)據(jù)、文檔、當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔;
(4) ANSI C:通過內(nèi)部的C編譯器為動(dòng)態(tài)連接和動(dòng)作提供了高度的靈活性;
(5) 數(shù)據(jù)交換:通過DDE接口與其他Windows應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;
(6) 訪問數(shù)據(jù)庫:通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫接口(ODBC/SQL)訪問用于組態(tài)和過程數(shù)據(jù)的Sybase數(shù)據(jù)庫;
(7) 驅(qū)動(dòng)連接:通過自帶的各種PLC驅(qū)動(dòng)，連接各種類型的控制器。
在本系統(tǒng)中，用WinCC 5.0對(duì)所有現(xiàn)場電度數(shù)據(jù)進(jìn)行組態(tài)，實(shí)現(xiàn)流程圖監(jiān)視、數(shù)據(jù)運(yùn)算及記錄、電度查詢、主機(jī)開停車狀態(tài)顯示等功能。
5 結(jié)束語
用SIEMENS SIMATIC系列工控產(chǎn)品開發(fā)的工廠電度計(jì)量系統(tǒng)很好的解決了工廠成本核算中用電量的計(jì)量問題，數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確、及時(shí)、有效，各主要工序、生產(chǎn)車間及全廠的電量消耗情況一目了然，既可以促進(jìn)生產(chǎn)過程中的降本增效工作，同時(shí)也大大提高了企業(yè)的管理水平。