巢湖西门子PLC总代理商
引言
在工厂的生产成本核算中，电费占据着相当大的比例，对主机设备进行实时电度计量可以准确算出每台主机每道工序的耗电量，可以监控主副机配套开车情况，也可以根据电度历史曲线和历史记录来及时发现设备耗电量异常变化从而杜绝浪费。我们开发的工厂电度计量系统用西门子工业组态软件WinCC对操作员站进行组态实现监控管理功能，整个系统运行稳定可靠，计量准确，既有利于控制电量消耗，也大大提高了工厂的管理水平。
图1 整个系统结构
2 系统概述
2.1 系统结构
系统用SIEMENSS7-300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，其大站点可达126个，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，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。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SIEMENSS7-300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，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5VDC，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24VDC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。STEP7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。STEP7运行在bbbbbbs2000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STEP7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STEP7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;
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(bbbbbbs 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bbbbbbs2000+sp3的平台上运行的，其组态环境风格与bbbbbbs2000一致。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、bbbbbbs、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bbbbbbs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WinCC5.0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SIEMENSSIMATIC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，也大大提高了企业的管理水平。
图1 方向判定流程图
图2是编码器过零读数图。当编码器由正向过零时，在过零前的读数值为8X，过零后的读数值为0X;当编码器反向过零时，在过零前的读数值为0X,过零后的读数值为9X，根据单转值型编码器读数的这一特征，通过检测过零前后的变化情况，即可决定累计圈数是加一还是减一。
图2编码器过零前后读数示意图
3.3 简单友好的人机接口功能
TD200文本显示器是功能比较简单的人机接口设备，如何把它的功能充分开发出来，并进行合理应用，是开发过程中重点考虑的问题。机械设备控制点的设定是在TD200文本显示器上进行的，使用MicroWINSTEP 7 V3.2E编程软件中的TD200向导，为TD200编程，根据控制点数量，设定文本显示的条目数。在每一条目中，输入相应控制点的汉语显示文本以及要求确认的提示。在S7-200中编制相应程序，在TD200上实时显示设备位置，如果用户认为某一点可作为一个控制点，只需在TD200上按“ENTER”键，PLC把该点的位置读数存入内存，作为控制点位置比较值，当机械运动过程中，位置检测值等于存储的比较值时，对应的Q点输出一个控制信号，控制机械的启停或速度。所有控制点均按上述方法设定。本系统可以根据需要增加控制点，只需选配相应的输出模块即可，如不扩展，本系统可支持8个控制点，对于一般运动机械的位控已经够用。
3.4 设备位置数据连续跟踪
运动机械在整个行程上，减速机可能转动若干圈,编码器也随动同样的圈数，PLC必须能够对圈数进行累计，以在整个行程上跟踪运动位置。现在采用的单圈编码器加软件圈数累计的方法,兼顾了成本和精度，但存在一个问题，如果在系统掉电时圈数的累计值不能保持，则一旦重新上电，定位就会产生混乱，设备可能误动作，不但不能发挥值编码器掉电保持的优点，后果严重。问题的解决是基于S7-224一个重要功能:CPU224的内存掉电保持时间小为190小时，可以保证系统掉电后，圈数计数值不丢失，重新上电后，定位功能不受影响。
3.5 故障判定与保护
本系统可对系统本身和机械设备的故障类型进行判定，不同故障有相应的判定规则:
如PLC判断机械为正转，而从机械的电气控制回路反馈来的信号为反转，则判断为机械故障;如PLC的位置读数有变化，而从机械的电气控制回路反馈来的信号没有运转,则判断为机械故障;如PLC的位置读数没有变化，而从机械的电气控制回路反馈来的信号有运转信号，则判断为系统故障等。当故障出现时,系统强制用户设定的个和后一个位置控制点对应的Q点输出高电平，强制设备停机。一般推荐这两个点为上下极限点。用户可以屏蔽这一保护功能。
4.1 彻底解决机械主令缺陷
与传统机械主令控制器比较，数字化数据处理，无触点输出，彻底解决了机械主令控制器噪音大、精度低、故障多的缺点，成为机械主令的替代产品。
4.2 系统具有可扩展性
机械主令控制器控制点数固定，无法扩展，智能位控系统点数可从8点扩展到256点。多可有7个I/O扩展模块。系列化产品可为设备量身定做，具有良好的通用性。
4.3 系统具有二次开发与应用的特性
系统软硬件均具有二次开发与应用接口，使用领域不仅局限于终用户，考虑到本系统用于与其他设备成套的特殊需求，预留了与其他机电设备的电气和机械接口。用户可以自主改变系统的应用机械。
结束语:该系统已在六项工程项目中使用，累计使用20套。系统性能稳定，工作可靠，近于免维护状态。系统使用范围广，具有良好的可移植性和可扩展性。系统定位精度高，在替代机械式主令控制器后，生产效率和设备开机率明显提高;系统人机对话功能简单灵活，维护效率提高。该系统故障率极少，所有信号处理及联锁控制均由PLC完成，系统结构紧凑，电气线路简捷、可靠，查故障和解决故障的时间明显减少，减少了不安全因素，提高了劳动生产率，改善了工作人员的工作环境，减轻了工作人员的劳动强度，取得了显著的社会经济效益
3项目评估
3.1 硬件评估
PLC采用SIEMENS SIMATICS7-200系列PLC。S7-200适用于全面的过程与逻辑检测、监测及控制的自动化。它的强大功能使其无论在独立的运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。并且，S7-200具有极高的性能价格比。
(1) SIMATIC S7-200系列PLC具有如下特点:
●SIMATIC S7-200的结构牢固紧凑;易于安装和接线。
●SIMATICS7-200在电气上符合VDE、UL、CSA、CE、FM标准和船籍社船用电器认证，其体系已获得ISO9001认证。
●SIMATIC S7-200的CPU配有EEPROM，可性地存储用户程序和其它重要的系统参数。
●SIMATIC S7-200的CPU内设有硬件实现的实时时钟，以便用户作故障报警时间记录工作以及其它基于时间控制的工作。
●SIMATICS7-200可对外供给传感器/负载直流24V电源，输出电流可达180mA~400mA。还有电源模块可供选用。
●SIMATIC S7-200备有专用的扩展模块，可以很方便地对系统的输入输出点作扩展。
SIMATIC S7-200具有极高的可靠性;极丰富的指令集、集成功能和强劲的通讯能力;易于掌握和操作。
●SIMATIC S7-200 PLC具有极高的抗干扰能力，特别适用于电磁干扰大的场合。
●S7-200 PLC编程灵活、调试方便，便于工程技术人员现场根据实际情况随时修改调整参数，节省调试周期。
●S7-200PLC通过液晶中文文本显示器，方便用户管理人员现场察看设备运行使用情况及报警信息，可以操作现场液晶中文文本显示器调整参数。
●S7-200PLC通过EM277模块接口，就能够联网到现场总线PROFIBUS-DP上进行高速数据传输，高波特率为12Mbps。
(2) Pro-face Simple Touch可编程触摸屏特点
HMI则采用Pro-face公司新推出的小型可编程触摸屏SimpleTouch系列。Pro-face(即Digital)公司是一家一直致力于Human MachineInterface(HMI)的领域，从1989年开发出一台可编程触摸屏以来，一直以高品质的产品满足客户的使用要求。SimpleTouch系列小型可编程触摸屏作为Pro-face新推出的产品，具有以下特点:
●3.8英寸亮丽外观、体积小仅104mm×130mm,安装方便节约空间。
●强大的编程功能，6个功能键可自由定义。
●可连接国内外多种PLC，适应各种恶劣运行环境。
●琥珀色背光灯，支持2级亮度8级灰度。且可更换背光灯，维护简易。
●ST402型具有RS285(MPI)口，专门用于和SIEMENS PLC通信，速度可高达187.5kbps。
●和GP系列触摸屏共用一套编程软件GP-PROPBIII，该软件具有强大的网络通信功能，使用简单、组态方便。使用时，只需要设置PLC的类型和通信参数，并在监控画面的部件属性中设置正确的PLC位地址或字址，触摸屏工作时就能根据不同PLC的通信协议建立起与PLC内部地址的连接和通信。
3.2 软件评估
(1) 中央监控软件—WINCC6.0
“WINCC”即“bbbbbbS CONTROLCENTER”(窗口控制中心)，它是应用于标准PC机和bbbbbbS标准环境中的,拥有各种便利功能，确保安全可靠地对生产和工艺过程进行控制的人机界面(HMI)。WINCC是结合SIEMENS在过程自动化领域中的先进技术和Microsoft的强大功能的产物。其zhuoyue的技术突出地表现再以下几个方面:
●全面开放—WINCC采用开放性标准，集成更简便。Microsoft SQL Server2000—高性能的实时数据库，在任何场合下，可在压缩的基础上每秒大存储10,000个测量值或100条消息，通过WINCC内置工具进行分析。通过各种开放性接口(SQL，ODBC，OLE-DB和OPC)，可以随时应用外部工具进行数据归档处理。
●组态简便、高效—WINCC提供方便组态的用户界面、工具提示以及范围广泛的在线帮助和应用实例。超级控制面板、组态向导、图形库、交叉引用表、多语言应用、离线检查、在线组态等一系列功能可使原本烦琐单调的组态工作变得简便和有趣。
●生动的用户界面—WINCC提供大量的图形库、开放的结构能导入各种制图软件所生成的图形，并能通过C++或VB对图形的各种属性进行变量连接或控制，从而使用户界面生动漂亮。
●可靠性高—WINCC是SIEMENS公司与Microsoft公司共同开发的人机界面产品，结合SIEMENS公司在自动化控制领域的zhuoyue技术与Microsoft公司在IT行业的优势，WINCC在运行和控制上都非常稳定可靠。
●强大的延展能力—WINCC提供大量的扩展功能，用户如有需要，只需花少量的价格,便能选购WINCC的其余功能软件，实现诸如多用户系统、服务器/客户机系统、WebNavigator、ProAgent、冗余、过程可视化和数据分析等功能。
(2) 远程数据caijiruanjian—WINAC4.0
由于本工程有210台单机控制设备,而WINCC只能提供126个PROFIBUS从站的连接。故本系统采用WINAC4.0作为从站设备数据采集。
西门子公司提供全范围的基于PC的自动化产品。作为工业领域中成熟的市场领导人，它已发展成为全集成自动化的中流砥柱，并把PC科技的开放性引入到了所有的自动化任务中。其优点在于:
●NAC4.0与上位监控软件WINCC通过bbbbbbS内部连接,将可视化功能和数据采集运算功能完美结合在同一台工控机,为用户节省投资成本。
将IT科技与远程数据采集结合在同一平台上，SIM- ATICNET通过PROFIBUS现场总线使基于PC的自动化与高端管理系统以及现场领域的I/O之间得以通讯。
上传的采集数据由CP5613卡通过PCI总线与工控机CPU数据交换,PCI总线具有133MB/S的数据传输率及很强的带负载能力,故与传统的RS-232串口115.2K/S的数据传输率相比提高了上千倍的速率,突破了大型建筑楼宇自控中央监控系统的数据传输速率的瓶颈,为本系统成功实现提供了有力的保障。
工控机内插三个CP5613卡通过三条PROFIBUS-DP总线与208台单机控制设备相连，PROFIBUS是目前国际上通用的现场总线标准之一，它主要特点如下:
●高12M的通信速率和可靠的通信质量(海明距离=4)
●适用多种通信介质(电、光、红外、导轨以及混合方式)
●灵活的拓扑结构,支持线型、树型、环型结构以及冗余的通信模型
●强大的通信功能,支持基于总线的驱动技术和符合IEC61508的总线安全通信技术
●先进的网络规模(多支持126个总线站,网络规格可达90公里)
4触摸屏(HMI)典型画面设计
共分为三个画面:控制画面、数据显示画面及报警信息画面
4.1 控制画面
用于选择空调运行模式:夏季模式和过渡季模式,设备启动和停止并显示设备状态,如图2:
图2 控制画面
4.2 报警信息画面
用于显示设备错误报警及报警发生的时间,如图3:
图3 报警信息画面
5 结束语
系统采用SIEMENS公司以及Pro-face公司高端科技产品，其产品质量和性能是不用致疑的，的产品使得本系统的自动化和先进性保持，以确保中央空调系统的正常稳定运行。