西门子PLC实现多功能电表的数据采集.pdf

2 0 1 0 年第 3 期 总 第 1 3 9期 冶 金 动 力 ME TA LL URG I C AL P OWER 西门子 P L C实现多功能电表的数据采集 吴强 ， 郑 玉根 马钢自动化工程公司， 安徽马鞍山2 4 3 0 0 0 【 摘要 】 介绍了西门子 s 7 3 0 0 系列可编程序控制器点到点通讯模块 C P 3 4 1 和电力行业 D IJ F 6 4 5 1 9 9 7 多功能电表通讯规约。说明了数据采集系统中西门子 P L C与多功能电表数据通信实现的过程。 【 关键词 】 E M s ； 可编程序控制器； 多功能电表； 串行通信； 通信规约 D L T 一 645 1 9 9 7 【 中图分类号】T P 2 1 6 【 文献标识码】B 【 ] 1 0 0 6 6 7 64 2 0 1 0 0 3 0 0 8 3 0 4 Da t a Ac q u i s i t i o n o f M u l t i f u n c t i o n Ki l o wa t t - - h o u r M e t e r b y S I EM ENS P LC wU Q i a n g ．Z H E N G Y u g e n Au t o m a t io nE n g i n e e r i n gC o ． ， Ma a n s h a nI r o n＆S t e e l Co． ， Ma a mh a n , A n h u i 2 4 3 0 0 0 , C h i n a 【 A b s t r a c t ] C P 3 4 1 p o i n t t o p o i n t c o m m u n ic a t i o n m o d u l e o f S I E M E N S 7 - 3 0 0 s e r i e s p r o - g r a mma b l e c o n t r o l l e r a n d t h e e l e c t ri c p o we r i n d u s t r y ’ s DI J T - 6 4 5 - 1 9 9 7 c o mmu n i c a t i o n p r o t o c o l o f mu h i f u n c t i o n k i l o wa t t h o u r me t e r w e r e i n t r o d u c e d ． C o mmu n i c a t i o n r e a l i z a t i o n p r o c e s s o f S I EME NS PLC a n d mu l t i f u n c t i o n Ki l o wa t t h o u r me t e r i n t h e d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m wa s d e s c ribe d． 【 K e y w o r d s ] E M S ； p r o g r a m m a b l e c o n t r o ll e r ； m u l t i f u n c t i o n k i l o w a t t h o u r m e t e r ； s e ri al c o rn mu n i c a t i o n ； DL ／ T 6 4 5 ． 1 9 9 7 c o mmu n i c a t i o n p r o t o c o l 1 引言 全厂能源管理系统 E n e r g y m a n a g e m e n t s y s t e m， 简称 E M S 是全厂信息化系统的一部分， 实现对能 源实绩、 能源计划、 能源平衡、 能源预测等全方位的 监控和管理功能。 南钢 E MS是一个厂级管控一体化 计算机系统 ， 监控管理的能源介质主要有 电力、 煤 气、 氧气、 氮气、 氩、 蒸汽、 生产水、 生活水等。 作者在完成南钢 E MS系统数据采集 的增补工 程时， 厂方要求将电力系统的线电压、 线电流， 断路 器状态， 功率因数、 有功功率、 耗电量以及水、 气等能 源介质的数据采集进 E M S系统。 此增补工程主要采集对象为电力数据 ，采用的 是西门子 S 7 3 0 0 ， 针对以上问题选用了 C P 3 4 1 点对 点通信模块，电能表则选用符合中华人民共和国电 力行业标准 D I l r 一 6 4 5 1 9 9 7 通信规约的南京三能 D T S D 4 3 三相电子式多功能电能表，通过 R S 4 8 5 接 口将电表中的电压 、电流、电能等数据采集到 P L C 中， 很好地满足 了用户要求。 2 系统说明 本系统中有多块电能表分散在整个南钢集团区 域 ，作为 R S 4 8 5 从站 ，采集进西门子 S 7 3 0 0 P L C 中，并通过多个 S 7 3 0 0 P L C站点接人光纤环网， 数 据进入到总控制室的C I T E C T 5 ．5 I O S E R V E R上 ， 就 可以对这些数据进行显示， 归档， 上传， 打印等。 多功能电表以 R S 4 8 5 方式接人 S 7 3 0 0 C P 3 4 1 模块。硬件组态阶段， 将随 C P 3 4 1 模块附带光盘上 的驱动程序安装到系统中，在硬件组态窗口中记录 下模板的硬件地址，打开 C P 3 4 1 模板的属性窗口， 选用 A S C I I 协议 ， A S C I I 协议通讯参数设置 1 2 0 0 b i ff s ， 8 d a t a b i t s ， 1 s t o p b i t ， e v e n p a r i t y o 3 电力行业标准 D L ／ T 6 4 5 1 9 9 7多功能电 能表通信规约简介 D L r P 一 6 4 5 1 9 9 7 通讯规约是中华人民共和国电 力工业部于 1 9 9 8年 2月 1 0日批准 ， 1 9 9 8年 6月 1 日实施，是为了统一和规范多功能电能表的费率装 置与数据终端设备进行数据交换时的物理连接和协 议 。 3 ． 1 通信格式 帧是传送信息的基本单元。 帧格式如表 1 所示 1 位起始位， 8 位数据位， l 位偶校验， 1 位停止位。 表 1 帧格式 起始符 地址域 帧起始符 控制码 6 8 H A0 A5 6 8 H C 数据域长度 数据域 校验码 结束符 L DATA CS 1 6 H 冶 金 动 力 MEr AI ．I ．URG I C AL P OWE R 2 0 1 0 年第 3 期 总 第 1 3 9期 1 控制码 C的格式如下所示。 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 肋 其中 请求及应答功能 D 4 ～ D O ， 0 0 0 0 1 读数据 0 0 0 1 0 读后续数据 0 0 1 0 0 写数据 1 0 0 0 0 最大需量清零 D 7 D 5 格式功能如表 2 。 2 数据域 D A T A包括数据标识和数据， 其结构随控 广一广 1 0 0 1 电能量 o o 当前 O 1 上月 1 O 上上月 1 l 集合 广一 o o 有功 O 1 无功 1 蟓 留 1 1 集合 制码的功能而改变。发送方按字节进行 3 3 H处理， 接收方按字节进行减 3 3处理 。如图 1 表 2 D 7 一 D 5控制码格式功能 D7 D6 D5 传送方向 从站异常标志 后续帧标志 由主站发出 x 0 从站正确应答 无后续数据帧 的命令帧 由从站发出 从站对异常 x l 有后续数据帧 的应答帧 信 息的应答 所有数据项均先传送低位字节， 后传送高位字节。 数据传输的举例 电能量值为 1 2 3 4 5 6 ． 7 8 k Wh ，其传输次序如图 接 收方 匝卫Ⅱ 0 0 0 1 正 向电能 0 0 1 0 反 向电能 0 0 1 1 一象限无功 0 0 0 1 四象限无功 0 1 0 1 - “ 象 限无功 O l 1 O 三象限无功 O l 1 1 1 1 1 O保 留 1 1 l 1 集合 一 一 叵巨圈 囱 0 0 0 0 总电能 0 0 0 1 费率 1 0 0 1 0 费率 2 1 1 1 0 费率 k 1 1 I l 本数据块集合 图 1 数据结构及传输顺序 3 校验码 C S 从帧起始符开始到校验码之前的 主站 P L C请求地址为 1 的电能表的当前正向 所有各字节的模 2 5 6的和，即各字节二进制算术 有功电能集合 包含电能数据尖值、 峰值、 平值、 谷 和， 不计超过 2 5 6的溢出值。 值、总值 ，则主站请求帧和从站应答帧如表 3 所 3 ． 2 请求和应答示例 示。 表 3 请求及应答帧 其中应答帧数据域中的值代表 X XX． X X k Wh ， 共计 2 0字节。 4 C P 3 4 1 通信模块介绍 西门子 C P 3 4 1 模块是串行通讯模块， 也称为点 到点通信模块， 有 R S 2 3 2 C 、 R S 4 2 2 ／ 4 8 5 及 2 0 m A，I 1 1 Y 三种串行通信接口方式。本例中选择 R S 4 2 2 ／ 4 8 5 的 方式。 R S 4 2 2 ／ 4 8 5接 口最 大 通 信 距 离 为 1 2 0 0 m ， R S 4 2 2 ／ 4 8 5 是一个 1 5 针串行口。 其中R S 4 2 2 为4 线 制全双工模式； R S 4 8 5为 2 线制半双工模式。R S 4 2 2 串行口只能接一个设备 ， 而 R S 4 8 5串行口可以连接 多个设备。本例中选用 R S 4 8 5 接口。 2 0 1 0 第 3 期 总第 1 3 9期 冶 金动 力 ME T AL L URG【 CA L P OWE R C P 3 4 1 在系统中扮演一个中间人的作用。一方 面 C P 3 4 1 与三相多功能电能表相连 ，另一方面 C P 3 4 1 通过背板总线与C P U相连。 C P 3 4 1 既受控于 C P U又有自主性， 它根据 C P U的命令自主管理串行 M1 o o ． 1 M2 ．O 2 7 2 1 0 8 O 1 4 DB8 3 1 0 1 线 发送 数据块 电量 用 背景块 “ 3 1 0 1 S ND E” FB8 S e l a d Da t a ／ Fe t e h Da t a ” P S ND _RK” EN ENO S F DB3 ． DBX2 ． O ” CHECK R E Q Wr r H REC” R B 0 NE - B O OL _ 0 0 LA DDR DB3 ． DB X2． 1 ” CHECK D B - N 0 W删 REC” DBB _NO ERROI q -BOOL _O 01 I 正N DB3．DB W 1 6 8 ” CHE CK R．_ CP U NO W r r H P S T ATUS REC” 一 WORD_ 0 0 R _NO R _OF F S ET a_c F ． ． B YT R _ C F B I T 通信口的收发工作。 驱动程序安装后在 S T E P 7中将 会增加 C P 3 4 1 的相关组态信息和专用的通信功能 块 F B 7“ P - R E C B K”和 F B 8“ P S N D B K ”。 女 Ⅱ 图 2所示。 图2 功能块的调用 F B 8 是发送功能块 ， 在 R E Q上升沿到来时进入 发 送状 态 ，将 C P U中 D B _ N O数据 块 中 的从 DBB _N O开始长度为 L E N的数据写入到 C P 3 4 1 的 发送缓冲区， D B 8 为 F B 8 的背景数据块， 自动生成。 F B 7 是接收功能块， 当E N R为 ⋯ 1 ’ 时， C P U就 以查询的方式随时准备读取数据， 如果从站返回数 据了 ，则 C P U就将 C P 3 4 1接收缓冲区的数据读人 DB N O数据块中的从 D B B _ N O开始的长度为 L E N 的数据区。 数据被正确读出后， F B 7 则从接收状态重 新转入查询状态 。 5实际工程软件应 用 本工程中要求 P L C采集多个电表的多个参数， 本文仅以采集当前正向有功集合为例。程序中采用 分时读取编程方式完成。设计一个秒脉冲计数器， 对秒信号循环计数。如图 3 所示。 图2中， M 1 0 0 ． 1 在计数器为 1 时为真， L A D D R 2 7 2 为 S 7 硬件组态后 C P 3 4 1 硬件地址， 1 0 8 为存放 发送数据的数据块号 D B 1 0 8 。0 为请求数据所在的 I开始I I ．． ．． ．．． ．． ．． ．．． ．．_ _ J 启动秒脉冲 计数器 1 l调用 “ F B 8 ” 请求 l 当前正向有功集合 l调用 “ F B 7 ” 请求 l 当前正向有功集合 l 计 数 器 清 零l 计数器 l 图 3 程序流程框图 数据块的起始地址， 即 D B 1 0 8 ．D B B 0 ， 请求数据的长 度为 1 4 B y t e 。1 0 7 为存放接收数据的数据块号， 0 为接收数据所在 的数据块的起始地址 D B 1 0 7 ． D B B 0 ， 接收数据的数据长度存放在 D B 3 ． D B W2 8 。 8 6 冶 金 动 力 ME TA I ．I ．URGI CA L P OWER 2 0 1 0 年第 3 期 总 第 1 3 9期 M 2 ．0 始终为假， 不进行终止操作。 返回的当前正向有功数据集合数据域共有 2 O B y t e ，存放在 D B 1 0 7 ． D B B 0开始的 2 0 B y t e 地址中， 包括当前正 向有功尖值 、 峰值 、 平值 、 谷值和总值 。 例如峰值存储在 D B 1 0 7 ． D B B 0 3中，对 4 B C D进行 减 3 3 处理后 ， 进行 B C D转浮点数 ， 乘 以电压、 电流 互感器变比后， 就得到实际的用电量 k Wh 。 6 结束语 现场设备常由于其本身固有的通讯接 口及协 议不同使得自动化控制系统陷入尴尬的地步， 给系 统集成增加了技术难度和成本 ， 多种协议转换也使 得系统应用实时性和可靠性降低。 本方法可实现多功能电能表的点到点通信。 项 目已投入应用， 能够满足系统使用要求。C P 3 4 1 是 西门子 P L C与第三方设备通信比较简便经济的解 决方案， 可以与所有的提供标准接口的第三方设备 相连接。 【 参 考 文 献】 [ 1 ] 廖常初． s 7 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C应用技术【 M ] ， 北京 机械工业出版社， 20 o 5． [ 2 ] 邱公伟． 可编程控制器网络通信及应用【 M ] ， 北京 清华大学出版 社， 2 0 0 0 ． [ 3 】 朱善军． 可编程序控制系统原理、 应用、 维护【 M 】 ， 北京 清华大学出 版社， 1 9 9 2 ． 【 4 ] 刘洪涛， 黄海．P L C应用开发从基础到实践【 M ] ． 北京 电子工业出 版社， 2 0 0 7 ． [ 5 ] 崔坚． 西门子工业网络通信指南 【 M ] ， 北京 机械工业出版社 ， 2 0 o 5 ． [ 6 ] S I MA T I C 7 - 3 0 0 C P 3 4 1 P o i n t - t o - P o i n t C o mmu n i c a t i o n ，I n s t a ll a t i o n a n d P a r a me t e r As s i g n me n t ， 0 9 ／ 2 0 0 8 ， A5 E0 2 1 91 0 71 - 01 ． 【 7 ] 孙志辉， 机电系统控制软件设计【 M 】 ， 北京 机械工业出版社， 2 0 0 9 ． 收稿 日期 2 0 0 9 - 1 1 0 5 作者简介 吴强 1 9 7 6 一 ， 男 ， 工程师 ， 现在北京科技大学机电工程 专业研究生在读， 现从事自动化工程设计和调试方面的工作。 上接第8 2页 3 ． 1 0 炉顶受料斗和料罐料位 料位的模拟方法与称量斗重量基本相同。 3 。 1 1 炉顶各编码器 包括溜槽倾动编码器 O L 角 、 溜槽转动编码 器 p角 、 料流调节 阀编码器 角 、 探尺编码 器。 以溜槽倾动编码器为例说明编码器的仿真方法。 溜槽倾动角度变化仿真如图 3 所示。 图 3 溜槽倾动仿真逻辑框 图 在溜槽上升时，则脉冲周期自检程序启动， 按 现场调试的内容不再以修改程序逻辑为主， 而是以 脉冲周期发上升沿信号给加法器，使 O L 角不断递 校对 I ／ O点和单机试车为主。仿真技术的应用大大 增， 直至最大值停止发脉冲。 减轻了调试人员的现场压力， 同时也减轻了外部配 在溜槽下降时，则脉冲周期自检程序启动， 按 合人员的工作量， 为保证工程按期投产创造了有利 脉冲周期发上升沿信号给减法器，使 角不断递 条件。本文阐述的仿真技术对于其他系统的调试也 减， 直至最小值停止发脉冲。 有参考价值。 4 结束语 【 参 考 文 献】 将仿真技术应用到高炉上料系统的程序编制 工作中， 使调试人员有机会在实验室内测试程序功 能， 修改逻辑错误 ， 优化程序结构。程序仿真结束 后，上料操作工可预先在实验室内模拟上岗操作， 熟悉画面内容。 经过仿真调试的程序完全能够满足工艺要求。 【 1 J 宣慧玉， 张发著． 复杂系统仿真及应用[ M 】 ． 北京 清华大学出版社， 2 o 08 ． 【 2 】 马 竹梧编著． 炼铁生产自 动化技术【 M 】 ． 北京 冶 金工业出版社 ， 2 0 0 5 ． 收稿 日期 2 0 1 0 - 0 1 - 0 9 作者简介 桂峰 1 9 7 5 一 ， 男， 1 9 9 6 年毕业于华东冶金学院自 动化 系， 2 0 0 6 年获上海交通大学电气工程硕士学位， 高级工程师， 中国电 机工程学会会员， 现从事设计管理及电气传动设计工作。