西门子PLC实现多功能电表的数据采集

冶 金 动 力 METALLURGICAL POWER 2010年第 3期 总 第 139 期 冶 金 动 力 METALLURGICAL POWER 冶 金 动 力 METALLURGICAL POWER 起始符 地址域 帧起始符 控制码 68H A0~A5 68H C 数据域长度 数据域 校验码 结束符 L DATA CS 16H 1 引言 全厂能源管理系统（Energy management system， 简称 EMS）是全厂信息化系统的一部分，实现对能 源实绩、能源、能源平衡、能源预测等全方位的 监控和管理功能。南钢 EMS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 EMS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 EMS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 S7- 300，针对以上问题选用了 CP341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 DL/T- 645- 1997 通信规约的南京三能 DTSD43三相电子式多功能电能表，通过 RS485接 口将电表中的电压、电流、电能等数据采集到 PLC 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 RS485从站，采集进西门子 S7- 300 PLC 中，并通过多个 S7- 300 PLC站点接入光纤环网，数 据进入到总控制室的 CITECT5.5 IO SERVER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 RS485 方式接入 S7- 300 CP341 模块。硬件组态阶段，将随 CP341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 CP341模板的属性窗口， 选用 ASCII 协议，ASCII 协议通讯参数设置：1200 bit/s, 8 data bits, 1 stop bit, even parity。 3 电力行业标准 DL/T645- 1997 多功能电 能表通信规约简介 DL/T- 645- 1997通讯规约是中华人民共和国电 力工业部于 1998年 2月 10日批准，1998年 6月 1 日实施，是为了统一和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，1位偶校验，1位停止位。 表 1 帧格式 西门子 PLC 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 243000） 【摘 要】介绍了西门子 S7- 300系列可编程序控制器点到点通讯模块 CP341和电力行业 DL/T 645- 1997 多功能电表通讯规约。说明了数据采集系统中西门子 PLC与多功能电表数据通信实现的过程。 【关键词】EMS;可编程序控制器;多功能电表;串行通信;通信规约 DLT- 645- 1997 【中图分类号】TP216 【文献标识码】B 【文章编号】1006-6764（2010）03-0083-04 Data Acquisition of Multifunction Kilowatt-hour Meter by SIEMENS PLC WUQiang, ZHENGYugen (Automation Engineering Co., Maanshan Iron & Steel Co., Maanshan, Anhui 243000, China) 【Abstract】CP341point- to- point communication module of SIEMENS S7- 300 series pro- grammable controller and the electric power industry's DL/T- 645- 1997 communication protocol of multi- function kilowatt- hour meter were introduced. Communication realization process of SIEMENS PLC and multi- function Kilowatt- hour meter in the data acquisition systemwas described. 【Key words】EMS; programmable controller; multi- function kilowatt- hour meter; serial com- munication; DL/T 645- 1997communication protocol 83 冶 金 动 力 METALLURGICAL POWER 2010年第 3期 总 第 139 期 冶 金 动 力 METALLURGICAL POWER 冶 金 动 力 METALLURGICAL POWER x D7 D6 D5 传送方向 从站异常标志 后续帧标志 x=0 由主站发出 的命令帧 从站正确应答 无后续数据帧 x=1 由从站发出 的应答帧 从站对异常 信息的应答 有后续数据帧 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 123456.78kWh,其传输次序如图 DI1 DI1H D7 D6 D5 D2 D1 D0 DI1L D4 D3 1001电能量 00有功 01无功 10保留 11集合 00当前 01上月 10上上月 11集合 DI0 DI0H D7 D6 D5 D2 D1 D0 DI0L D4 D3 0001正向电能 0010反向电能 0011一象限无功 0001四象限无功 0101二象限无功 0110三象限无功 0111~1110保留 1111集合 0000总电能 0001费率 1 0010费率 2 … 1110费率 k 1111本数据块集合 AB 89 67 45 + CS + 78 56 34 12 33H 发送方 + CS +78 56 34 12 33H接收方 AB 89 67 45 项目 起始符 地址域 起始符帧 控制码 数据域长度 数据域 校验码 结束符 请求帧 68H 01H,00H,00H,00H,00H,00H 68H 01H 02H C3H，52H E9H 16H 应答帧 68H 01H,00H,00H,00H,00H,00H 68H 81H 17H C3H，52H，XX…XX CS 16H D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 (1)控制码 C的格式如下所示。 其中:请求及应答功能：D4~D0, 00001：读数据 00010：读后续数据 00100：写数据 10000：最大需量清零 D7~D5格式功能如表 2。 (2)数据域 DATA包括数据标识和数据，其结构随控 制码的功能而改变。发送方按字节进行 33H处理， 接收方按字节进行减 33处理。如图 1 表 2 D7~D5控制码格式功能 (3)校验码 CS从帧起始符开始到校验码之前的 所有各字节的模 256的和，即各字节二进制算术 和，不计超过 256的溢出值。 3.2 请求和应答示例 主站 PLC请求地址为 1的电能表的当前正向 有功电能集合（包含电能数据尖值、峰值、平值、谷 值、总值），则主站请求帧和从站应答帧如表 3所 示。 图 1 数据结构及传输顺序 其中应答帧数据域中的值代表××××××. ××(kWh),共计 20字节。 4 CP341 通信模块介绍 西门子 CP341模块是串行通讯模块，也称为点 到点通信模块，有 RS232C、RS422/485及 20mA TTY 三种串行通信接口方式。本例中选择 RS422/485的 方式。 RS422/485 接口最大通信距离为 1200m， RS422/485是一个 15针串行口。其中 RS422为 4线 制全双工模式；RS485为 2线制半双工模式。RS422 串行口只能接一个设备，而 RS485串行口可以连接 多个设备。本例中选用 RS485接口。 表 3 请求及应答帧 84 冶 金 动 力 METALLURGICAL POWER 2010年第 3期 总 第 139 期 冶 金 动 力 METALLURGICAL POWER 冶 金 动 力 METALLURGICAL POWER 开始 启动秒脉冲 计数器 =1 调用“FB8”请求 当前正向有功集合 调用“FB7”请求 当前正向有功集合 计数器清零 计数器 +1 DB8 3101线发送 数据块电量 用背景块 “3101 SNDE” FB8 Send Data/Fetch Data "P_SND_RK" EN ENO SF REQM100.1 RM2.0 LADDR272 DB_NO108 DB3.DBX2.0 "CHECK WITH REC" - BOOL_OOBONE DB3.DBX2.1 "CHECK WITH REC" - BOOL_001ERRORDBB_NO0 DB3.DBW168 "CHECK WITH REC" - WORD_00STATUS LEN14 R_CPU_NO… R_TYP… … R_NO… R_OFFSET… R_CF_BYT… R_CF_BIT… 3101线接收 数据块电量 用背景块 “3101 RECE” FB7 Receive Data/Frovide Data "P_RCV_RK" EN ENO EN_RM100.1 RM2.0 LADDR272 DB_NO107 DB3.DBX2.2 "CHECK WITH REC" - BOOL_002 L_OFFSET DB3.DBX2.2 "CHECK WITH REC" - BOOL_002 NDR DBB_NO0 DB3.DBW170 "CHECK WITH REC" - WORD_001 ERROR L_TYP … L_NO … … … … L_CF_BYT L_CF_BIT LEN STATUS DB3.DBW28 "CHECK WITH REC" - TNT_00 CP341在系统中扮演一个中间人的作用。一方 面 CP341 与三相多功能电能表相连，另一方面 CP341通过背板总线与 CPU相连。CP341既受控于 CPU又有自主性，它根据 CPU的命令自主管理串行 通信口的收发工作。驱动程序安装后在 STEP7中将 会增加 CP341的相关组态信息和专用的通信功能 块 FB7“P- REC- BK”和 FB8“P- SND_BK”。 如图 2所示。 FB8是发送功能块，在 REQ上升沿到来时进入 发送状态，将 CPU 中 DB_NO 数据块中的从 DBB_NO开始长度为 LEN的数据写入到 CP341的 发送缓冲区，DB8为 FB8的背景数据块，自动生成。 FB7是接收功能块，当 EN_R为 "1"时，CPU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 CPU就将 CP341接收缓冲区的数据读入 DB_NO数据块中的从 DBB_NO开始的长度为 LEN 的数据区。数据被正确读出后，FB7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 PLC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，M100.1在计数器为 1时为真，LADDR： 272为 S7硬件组态后 CP341硬件地址，108为存放 发送数据的数据块号 DB108。0为请求数据所在的 图 3 程序流程框图 数据块的起始地址，即 DB108.DBB0，请求数据的长 度为 14Byte。107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 DB107. DBB0，接收数据的数据长度存放在 DB3.DBW28。 图 2 功能块的调用 85 冶 金 动 力 METALLURGICAL POWER 2010年第 3期 总 第 139 期 冶 金 动 力 METALLURGICAL POWER 冶 金 动 力 METALLURGICAL POWER 溜槽上升 脉冲周期自检 N Y α角 脉冲周期自检 N Y 单位角度 + _ 溜槽下降 α角 (上接第 82页) 3.10 炉顶受料斗和料罐料位 料位的模拟与称量斗重量基本相同。 3.11 炉顶各编码器 包括溜槽倾动编码器（α 角）、溜槽转动编码 器（β角）、料流调节阀编码器（γ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 脉冲周期发上升沿信号给加法器，使α角不断递 增，直至最大值停止发脉冲。 在溜槽下降时，则脉冲周期自检程序启动，按 脉冲周期发上升沿信号给减法器，使α角不断递 减，直至最小值停止发脉冲。 4 结束语 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。 现场调试的内容不再以修改程序逻辑为主，而是以 校对 I/O点和单机试车为主。仿真技术的应用大大 减轻了调试人员的现场压力，同时也减轻了外部配 合人员的工作量，为保证工程按期投产创造了有利 条件。本文阐述的仿真技术对于其他系统的调试也 有参考价值。 【参 考 文 献】 [1]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, 2008. [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,2005. 收稿日期:2010- 01- 09 作者简介：桂峰（1975-），男，1996年毕业于华东冶金学院自动化 系，2006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。 M2.0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 20 Byte，存放在 DB107.DBB0开始的 20 Byte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 DB107.DBB0- 3中，对 4BCD进行 减 33处理后，进行 BCD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 kWh。 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。CP341是 西门子 PLC与第三方设备通信比较简便经济的解 决，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.S7- 300/400 PLC应用技术[M]，北京：机械工业出版社， 2005. [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, 2000. [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, 1992. [4]刘洪涛,黄海.PLC应用开发从基础到实践[M]. 北京：电子工业出 版社,2007. [5] 崔坚. 西门子工业网络通信指南 [M]，北京：机械工业出版社， 2005. [6]SIMATIC S7- 300 CP341 Point- to- Point Communication, Installation and Parameter Assignment,09/2008, A5E02191071- 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，2009. 收稿日期：2009- 11- 05 作者简介：吴强（1976-），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。 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 86