基于西門子觸摸屏智能電力儀表參數(shù)的工程設(shè)計(jì)

張萬青，姜雪菲

（濰坊工程職業(yè)學(xué)院 山工機(jī)電工程學(xué)院，山東 濰坊 262500）

0 引 言

當(dāng)前，傳統(tǒng)的電參數(shù)表分散安裝在工業(yè)現(xiàn)場的各個(gè)配電柜上，彼此相隔較遠(yuǎn)。用戶需要根據(jù)需求頻繁往返各地進(jìn)行查詢，極不方便。隨著工廠工藝改進(jìn)和設(shè)備增加，需要查詢的儀表個(gè)數(shù)也相應(yīng)變多，集中控制的需求越來越迫切。由于設(shè)備分布式安裝的局限性，人工抄表方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力且不能實(shí)時(shí)掌握各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，無法在設(shè)備出現(xiàn)問題后及時(shí)停機(jī)處理，往往在工作人員檢查設(shè)備安全時(shí)才能發(fā)現(xiàn)故障，對突發(fā)狀況的反應(yīng)時(shí)間存在一定滯后性[1]。因此，本文設(shè)計(jì)一套基于西門子S7-200SMART系列PLC控制彬結(jié)合西門子觸摸屏，采用Modbus RTU通信采集多臺(tái)智能電力儀表的參數(shù)[2]。將所有設(shè)備參數(shù)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(shè)備參數(shù)進(jìn)行查詢和監(jiān)控，實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行情況，及時(shí)解決運(yùn)行中存在的問題。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是通過集中控制改變傳統(tǒng)效率低且實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)

該數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)由PLC控制器、多臺(tái)智能電力儀表、485通信電纜以及觸摸屏等組成?；驹O(shè)計(jì)思路是將PLC的RS485通信口用電纜與各臺(tái)智能電力儀表的通信端子連接，使用以太網(wǎng)接口與觸摸屏連接。PLC通過與多臺(tái)智能電力儀表通信采集參數(shù)，再將數(shù)據(jù)傳輸給觸摸屏進(jìn)行顯示，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

2 參數(shù)采集程序設(shè)計(jì)

本程序根據(jù)智能電力儀表的通信協(xié)議開發(fā)而成，通信協(xié)議的作用是使數(shù)據(jù)在PLC和智能電力儀表之間有效傳遞。由于Modbus RTU是單主站協(xié)議，只允許一個(gè)主站的存在，所有通信都由主站發(fā)起，從站響應(yīng)主站，因此當(dāng)網(wǎng)絡(luò)里有多個(gè)從站時(shí)，Modbus RTU需要輪詢。如圖2所示，本程序輪詢機(jī)制采用定時(shí)器T37與計(jì)數(shù)器C0組合而成。定時(shí)器T37每200 ms輸出一次，使計(jì)數(shù)器C0的值在1～10之間循環(huán)，從而激活不同的MBUS_MSG主站讀寫指令，達(dá)到輪詢的目的。調(diào)用Modbus RTU主站初始化和控制子程序，使用SM0.0調(diào)用MBUS_CTRL完成主站的初始化，并啟動(dòng)其功能控制。由于智能電力儀表僅支持RTU模式，8位數(shù)據(jù)位，無校驗(yàn)位，1位停止位，因此按其技術(shù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整即可。

圖2 通信輪詢機(jī)制

如圖3所示，當(dāng)計(jì)數(shù)器C0的值在1～10之間循環(huán)時(shí)，激活不同的MBUS_MSG主站讀寫指令，分別讀取從站號(hào)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(shù)。（圖中只截取從站號(hào)為1和2的部分）。

圖3 參數(shù)讀取

3 觸摸屏界面及程序設(shè)計(jì)

可編程控制器通過RS485通信接口與觸摸屏建立連接，根據(jù)系統(tǒng)的控制要求設(shè)計(jì)出3個(gè)界面，包括初始界面、參數(shù)查詢界面以及報(bào)警記錄界面。

3.1 初始界面

初始界面向用戶展示的是整個(gè)程序的初始畫面，包括程序的標(biāo)題和當(dāng)前的日期與時(shí)間等。用戶可以點(diǎn)擊“開始查詢”按鈕查詢參數(shù)，也可以通過下方的下拉列表框選擇要查看的機(jī)組編號(hào)來查詢。當(dāng)有系統(tǒng)報(bào)警產(chǎn)生時(shí)，用戶可以點(diǎn)擊“報(bào)警記錄”按鈕來查詢報(bào)警信息，從而及時(shí)對相應(yīng)的緊急情況作出響應(yīng)，如圖4所示。

圖4 初始界面

3.2 參數(shù)查詢界面

參數(shù)查詢界面是本程序的核心組成部分，它向用戶展示了設(shè)備運(yùn)行中的所有參數(shù)，包括機(jī)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(shè)計(jì)的是5臺(tái)設(shè)備機(jī)組，因此本工程提供了5臺(tái)智能網(wǎng)絡(luò)儀表供用戶選擇，點(diǎn)擊下方的“1#參數(shù)查詢”等即可切換查看不同設(shè)備的參數(shù)，非常靈活。用戶可以點(diǎn)擊左下角的圖標(biāo)返回初始畫面，也可以選擇右下角的圖標(biāo)進(jìn)入趨勢圖界面查詢，如圖5所示。

圖5 參數(shù)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(shè)備的相電壓、線電壓以及電流參數(shù)在運(yùn)行中的實(shí)時(shí)變化情況。趨勢采用折線圖顯示，將PLC中的各參數(shù)變量傳輸?shù)接|摸屏上，用戶不僅能看出參數(shù)數(shù)量的多少，而且還能清楚的看出各參數(shù)的增減變化情況以及同一參數(shù)在不同時(shí)間段的發(fā)展變化情況。用戶可以通過控制下方按鈕，查看1#～5#機(jī)組相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)趨勢圖，點(diǎn)擊左右兩側(cè)的箭頭可以快速切換查看設(shè)備運(yùn)行的相電壓、線電壓以及電流趨勢圖。為區(qū)分三項(xiàng)電壓并且與實(shí)際相吻合，使用黃、綠、紅及藍(lán)4種顏色來表示不同的參數(shù)，使用戶易于分辨數(shù)據(jù)變化趨勢，直觀反映參數(shù)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(shù)趨勢圖

3.4 觸摸屏報(bào)警界面

觸摸屏報(bào)警界面用于顯示在使用過程中產(chǎn)生的報(bào)警信息。為準(zhǔn)確判斷報(bào)警類型，在觸摸屏中單獨(dú)設(shè)置了報(bào)警界面，可以直觀發(fā)現(xiàn)故障的來源。報(bào)警程序會(huì)對PLC傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)機(jī)組參數(shù)的數(shù)值高于設(shè)定值，就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信息。此時(shí)用戶需要手動(dòng)按下右下方的確認(rèn)按鈕消除報(bào)警信息，否則報(bào)警信息會(huì)一直存在。這種設(shè)定可以幫助用戶在設(shè)備出現(xiàn)電壓過高或電流過高的情況時(shí)能第一時(shí)間掌握報(bào)警信息，及時(shí)作出反映并采取應(yīng)對措施，提高設(shè)備的安全性，避免發(fā)生安全事故。同樣，在報(bào)警截面點(diǎn)擊下方的按鈕也可以選擇返回參數(shù)查詢、趨勢圖查詢以及返回主界面，如圖7所示。

圖7 報(bào)警界面

4 結(jié) 論

隨著工業(yè)化的發(fā)展，對生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)集中監(jiān)控已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)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(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題，容易發(fā)生安全事故，給工業(yè)生產(chǎn)帶來不便。基于西門子S7-200SMART PLC與西門子觸摸屏開發(fā)的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)可以有效解決傳統(tǒng)方法存在的問題，此外，記錄設(shè)備在運(yùn)行時(shí)的工作參數(shù)，準(zhǔn)確判斷設(shè)備故障。該設(shè)計(jì)性能可靠且穩(wěn)定性強(qiáng)，在提高工作效率的同時(shí)還可以延長設(shè)備使用年限，保障生產(chǎn)安全，為工業(yè)生產(chǎn)提供更好的服務(wù)。