基于西門子觸摸屏智能電力儀表參數的工程設計

張萬青，姜雪菲

（濰坊工程職業學院 山工機電工程學院，山東 濰坊 262500）

0 引 言

當前，傳統的電參數表分散安裝在工業現場的各個配電柜上，彼此相隔較遠。用戶需要根據需求頻繁往返各地進行查詢，極不方便。隨著工廠工藝改進和設備增加，需要查詢的儀表個數也相應變多，集中控制的需求越來越迫切。由于設備分布式安裝的局限性，人工抄表方式費時費力且不能實時掌握各設備的運行參數，無法在設備出現問題后及時停機處理，往往在工作人員檢查設備安全時才能發現故障，對突發狀況的反應時間存在一定滯后性[1]。因此，本文設計一套基于西門子S7-200SMART系列PLC控制彬結合西門子觸摸屏，采用Modbus RTU通信采集多臺智能電力儀表的參數[2]。將所有設備參數集中反映到觸摸屏上，用戶只需切換觸摸屏畫面即可對所控制的設備參數進行查詢和監控，實時掌握設備運行情況，及時解決運行中存在的問題。系統設計的目的是通過集中控制改變傳統效率低且實時性差的的人工抄表方式，降低人力成本，提高工作效率。

1 工程總體設計

該數據監控系統由PLC控制器、多臺智能電力儀表、485通信電纜以及觸摸屏等組成。基本設計思路是將PLC的RS485通信口用電纜與各臺智能電力儀表的通信端子連接，使用以太網接口與觸摸屏連接。PLC通過與多臺智能電力儀表通信采集參數，再將數據傳輸給觸摸屏進行顯示，系統工作原理如圖1所示。

圖1 系統工作原理圖

2 參數采集程序設計

本程序根據智能電力儀表的通信協議開發而成，通信協議的作用是使數據在PLC和智能電力儀表之間有效傳遞。由于Modbus RTU是單主站協議，只允許一個主站的存在，所有通信都由主站發起，從站響應主站，因此當網絡里有多個從站時，Modbus RTU需要輪詢。如圖2所示，本程序輪詢機制采用定時器T37與計數器C0組合而成。定時器T37每200 ms輸出一次，使計數器C0的值在1～10之間循環，從而激活不同的MBUS_MSG主站讀寫指令，達到輪詢的目的。調用Modbus RTU主站初始化和控制子程序，使用SM0.0調用MBUS_CTRL完成主站的初始化，并啟動其功能控制。由于智能電力儀表僅支持RTU模式，8位數據位，無校驗位，1位停止位，因此按其技術參數進行調整即可。

圖2 通信輪詢機制

如圖3所示，當計數器C0的值在1～10之間循環時，激活不同的MBUS_MSG主站讀寫指令，分別讀取從站號為1～5的智能電力儀表的相電壓、線電壓、電流、功率、頻率及消耗的有功電度等參數。（圖中只截取從站號為1和2的部分）。

圖3 參數讀取

3 觸摸屏界面及程序設計

可編程控制器通過RS485通信接口與觸摸屏建立連接，根據系統的控制要求設計出3個界面，包括初始界面、參數查詢界面以及報警記錄界面。

3.1 初始界面

初始界面向用戶展示的是整個程序的初始畫面，包括程序的標題和當前的日期與時間等。用戶可以點擊“開始查詢”按鈕查詢參數，也可以通過下方的下拉列表框選擇要查看的機組編號來查詢。當有系統報警產生時，用戶可以點擊“報警記錄”按鈕來查詢報警信息，從而及時對相應的緊急情況作出響應，如圖4所示。

圖4 初始界面

3.2 參數查詢界面

參數查詢界面是本程序的核心組成部分，它向用戶展示了設備運行中的所有參數，包括機組的線電壓、相電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率以及有功電度等。由于設計的是5臺設備機組，因此本工程提供了5臺智能網絡儀表供用戶選擇，點擊下方的“1#參數查詢”等即可切換查看不同設備的參數，非常靈活。用戶可以點擊左下角的圖標返回初始畫面，也可以選擇右下角的圖標進入趨勢圖界面查詢，如圖5所示。

圖5 參數查詢界面

3.3 趨勢圖界面

趨勢圖界面向用戶展示的是各設備的相電壓、線電壓以及電流參數在運行中的實時變化情況。趨勢采用折線圖顯示，將PLC中的各參數變量傳輸到觸摸屏上，用戶不僅能看出參數數量的多少，而且還能清楚的看出各參數的增減變化情況以及同一參數在不同時間段的發展變化情況。用戶可以通過控制下方按鈕，查看1#～5#機組相應的運行參數趨勢圖，點擊左右兩側的箭頭可以快速切換查看設備運行的相電壓、線電壓以及電流趨勢圖。為區分三項電壓并且與實際相吻合，使用黃、綠、紅及藍4種顏色來表示不同的參數，使用戶易于分辨數據變化趨勢，直觀反映參數變化以及各組之間的差別，趨勢圖界面如圖6所示。

圖6 參數趨勢圖

3.4 觸摸屏報警界面

觸摸屏報警界面用于顯示在使用過程中產生的報警信息。為準確判斷報警類型，在觸摸屏中單獨設置了報警界面，可以直觀發現故障的來源。報警程序會對PLC傳輸過來的數據進行實時監控，如果發現某個機組參數的數值高于設定值，就會產生報警信息。此時用戶需要手動按下右下方的確認按鈕消除報警信息，否則報警信息會一直存在。這種設定可以幫助用戶在設備出現電壓過高或電流過高的情況時能第一時間掌握報警信息，及時作出反映并采取應對措施，提高設備的安全性，避免發生安全事故。同樣，在報警截面點擊下方的按鈕也可以選擇返回參數查詢、趨勢圖查詢以及返回主界面，如圖7所示。

圖7 報警界面

4 結 論

隨著工業化的發展，對生產設備的數據集中監控已經成為工業生產的重要環節。傳統的分散安裝人工抄表方式存在信息更新的滯后性，無法及時掌握設備運行過程中出現的問題，容易發生安全事故，給工業生產帶來不便。基于西門子S7-200SMART PLC與西門子觸摸屏開發的數據監控系統可以有效解決傳統方法存在的問題，此外，記錄設備在運行時的工作參數，準確判斷設備故障。該設計性能可靠且穩定性強，在提高工作效率的同時還可以延長設備使用年限，保障生產安全，為工業生產提供更好的服務。