基于S7-300 PLC 的泥沙輸送實驗臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

倪福生，余方超，楊 斌

（河海大學教育部疏浚工程中心，江蘇常州，213022）

0 引言

水力輸送是疏浚技術中的一項關鍵技術，河海大學率先在國內建成了315kW 泥砂輸送實驗臺。實驗臺原數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用美國NI 公司的PCI-6025E 多功能數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集，安裝在上位PC 機的PCI 插槽中。原系統(tǒng)的傳感器輸出信號中有7 路4-20mA 的電流模擬量信號，而原有數(shù)據(jù)采集卡接口要求為電壓信號，為了將電流信號送入計算機進行數(shù)據(jù)處理，需要設計專門的電流信號轉換盒濾波電路，增加了系統(tǒng)的復雜性。同時，采集卡的采集通道固定，擴展性差，無法滿足實驗臺傳感器擴充的要求。可編程程序控制器(Programmable Logic Controller)，以穩(wěn)定、可靠、擴展性強等特點廣泛應用于工業(yè)控制系統(tǒng)中，已經(jīng)成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一。本文提出了一種基于S7-300 PLC 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，上位機監(jiān)控軟件采用VC++ 編制，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法簡單、采集周期短，達到了100ms，系統(tǒng)的靈活性、穩(wěn)定性好。

1 系統(tǒng)的總體設計

泥砂輸送實驗臺需要進行大流量和快速變化流量的實驗，要求數(shù)據(jù)采集周期達到100ms，才能實時反映出數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。一般來說，數(shù)據(jù)采集周期會受到三個因素的影響：一是數(shù)據(jù)采集模塊的采樣速度；二是通信網(wǎng)絡對數(shù)據(jù)的傳輸速度；三是監(jiān)控計算機中的監(jiān)控軟件對數(shù)據(jù)的存儲速度。

針對以上三個因素，本系統(tǒng)以西門子S7-300 系列PLC 構建了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；使用PROFIBUS-DP 總線和工業(yè)以太網(wǎng)作為通信網(wǎng)絡；使用VC++ 編寫的監(jiān)控程序用以處理和存儲數(shù)據(jù)。

1.1 PLC 模塊選型

本系統(tǒng)的CPU 選用西門子公司的CPU315-2DP 模塊。該模塊具有128kB 工作內存，程序掃描速度高達0.1ms/1000 條指令，可以與其他模塊進行DP 通信，也可以通過以太網(wǎng)模塊與計算機進行以太網(wǎng)通信，具有故障自診斷能力，能夠在線診斷硬件故障。

本系統(tǒng)選用西門子公司的CP343-1 以太網(wǎng)模塊。該模塊支持TCP/IP、SNMP、UDP 通信協(xié)議，通信速度高達10/100Mbps。

本系統(tǒng)選用西門子公司SM331 模塊作為模擬量采集模塊，該模塊內部采用光電耦合器，能夠有效防止強電干擾。SM331 模塊的基本轉換時間（包括積分時間）為17ms。

所選的PLC 模塊均能滿足100ms 采集周期的要求。

1.2 通信網(wǎng)絡選型

本系統(tǒng)涉及到14 組模擬量的采集，每100ms 采集1 次，共約28個字節(jié)，即224bit，每秒采集10 次，此外，還有部分信號不需要高速采集，每秒采集2 次，同時通信網(wǎng)絡還需要承擔監(jiān)控計算對PLC 控制指令的傳輸，所以選取的網(wǎng)絡的通信速率應大于5kbit/s。

PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線采用RS485 通信協(xié)議，傳輸速率9.6Kbit/s～12Mbit/s，同時傳輸速率取決于電纜長度，表1為傳輸速率與線纜長度的關系：

在本系統(tǒng)中通信距離小于200m，選取了1.5Mbit/s 的傳輸速率，能夠滿足子站I/O 模塊和主站CPU 之間對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。

西門子的工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸速率為10Mbit/s～100 Mbit/s（可自適應），最多1024個網(wǎng)絡節(jié)點，最大網(wǎng)絡范圍為150km，完全能夠滿足上位機和主站CPU 模塊之間數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。

2 系統(tǒng)的軟件設計

2.1 數(shù)據(jù)緩存程序的設計

由于OPC 服務器與監(jiān)控計算機的通信周期為500ms，所以為了滿足100ms 的數(shù)據(jù)采集周期，需要在一個通信周期內采集5 組數(shù)據(jù)緩存在PLC 內，每次當OPC 服務器與監(jiān)控計算機通信時，將這5 組數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控計算機。這一功能可以通過調用循環(huán)中斷的方式來實現(xiàn)，每100ms 調用一次循環(huán)中斷程序，采集各個傳感器的數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)保存在緩存數(shù)據(jù)塊內。

在項目中配置300 站并雙擊300CPU 打開Properties窗口，選擇Cycle interrupts，將OB35 對應的時間修改為100ms。如圖1 所示：

設計PLC 數(shù)據(jù)緩存程序，在項目中插入OB35 和OB35 的背景數(shù)據(jù)塊DB2，在OB35 中編寫數(shù)據(jù)采集子程序完成傳感器數(shù)據(jù)的采集，并將500ms 內采集到的5個數(shù)據(jù)循環(huán)存入DB2中連續(xù)的5個地址中，PLC 數(shù)據(jù)緩存程序流程圖如圖2 所示：

2.2 OPC 服務器的建立

由于VC++ 編寫的監(jiān)控程序無法直接讀取/ 寫入PLC 數(shù)據(jù)，故使用OPC 接口技術實現(xiàn)VC++ 與PLC 之間的數(shù)據(jù)讀取/寫入。本系統(tǒng)中以Simatic.NET 軟件提供的OPC.SimaticNET作為OPC 服務器，其實現(xiàn)步驟如下：

第一步，配置PC 站點，在監(jiān)控計算機站點中添加OPC 服務器和IE General。

第二步，配置OPC.Simatic NET。運行SIMATIC NET，添加OPC.Server 和IE 通用。

第三步，建立工業(yè)以太網(wǎng)通信，本系統(tǒng)中監(jiān)控計算機站點IP地址：192.168.0.2，SIMATIC300站點IP地址：192.168.0.1。

四步，通過OPC.Server 建立計算機與CPU315-2DP的S7連接，右擊PC站點/OPC服務器，插入新連接S7connection_1，選擇S7連接。設置S7連接屬性和本地PC站點/OPC服務器屬性：接口為IE General，地址為192.168.0.2；伙伴CPU315-2DP 屬性：接口為CP343-1，地址為192.168.0.1 。設置完成后，進行編譯并保存，就可以建立起“OPC+工業(yè)以太網(wǎng)”的網(wǎng)絡結構。

第五步，檢測OPC 連接狀態(tài)。將工程項目下載至硬件，運行SIMATIC NET 自帶的OPC 客戶端軟件OPC Scout，在OPC Scout 中添加PLC 中的數(shù)據(jù)地址。

2.3 數(shù)據(jù)存儲程序設計

傳統(tǒng)的組態(tài)軟件如WinCC、InTouch 等其數(shù)據(jù)讀寫采集刷新周期多在250ms 以上，故本系統(tǒng)采用VC++編制監(jiān)控程序。由于Excel 操作簡單、數(shù)據(jù)處理能力強，非常適合科學實驗的數(shù)據(jù)處理，因此，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲采用Excle 作為數(shù)據(jù)庫，將PLC 緩存的數(shù)據(jù)發(fā)送到Excle 里，其編程方式簡要介紹如下：

1）在VC++工程里添加文件“excel9.h”和“excel9.cpp”。添加文件后在工程中會增加如下類：_Workbook 類、_Worksheet 類、Range 類、Workbooks 類、Worksheets 類。

2）創(chuàng)建Excel 2000 服務器，建立Excel 文件。

3）每500ms 監(jiān)控程序讀取OPC 服務器內部數(shù)據(jù)，并存入Excel 文件里。

監(jiān)控軟件采集和保存的Excel 數(shù)據(jù)文件如圖3 所示：

3 結束語

本文對PLC 的數(shù)據(jù)高速采集進行了分析研究，給出了OPC技術和數(shù)據(jù)緩存技術相結合的PLC 數(shù)據(jù)高速采集方案，實現(xiàn)了對多個傳感器信號10 次/ 秒的數(shù)據(jù)高速采集。本系統(tǒng)已經(jīng)被應用于河海大學泥砂輸送實驗臺的監(jiān)控系統(tǒng)，在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)報表中可以看到每1 秒都有10個數(shù)據(jù)被存儲到了Excel文件里，說明所有按照設計精度記錄的數(shù)據(jù)，全都沒有丟失地被記錄下來了。同時本系統(tǒng)的穩(wěn)定性、擴展性好，能夠滿足實驗臺對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的要求。

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