欒亮亮

1 前言

PLC（Programmable Logic Controller）—可編程邏輯控制器是設(shè)備控制柜中的核心部件，用于控制設(shè)備工藝與采集儀表測(cè)量數(shù)據(jù)。其中，儀表測(cè)量數(shù)據(jù)是設(shè)備使用狀況評(píng)估、故障預(yù)判、生產(chǎn)運(yùn)行情況分析的重要依據(jù)。隨著PLC的廣泛應(yīng)用，其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，所需要采集和記錄的測(cè)量數(shù)據(jù)量不斷增加，有些基于PLC的設(shè)備控制系統(tǒng)，需要存儲(chǔ)一年甚至幾年的運(yùn)行數(shù)據(jù)。因此，如何長(zhǎng)期、可靠地通過(guò)PLC采集和記錄儀表測(cè)量數(shù)據(jù)，是控制柜設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中需要解決的重要問題。

2 數(shù)據(jù)記錄的幾種常用方法

目前，采集和記錄設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)的方法主要有以下幾種：

2.1 單片機(jī)記錄

單片機(jī)雖然成本相對(duì)較低，但其運(yùn)算速度慢，硬件抗干擾能力差，可靠性低，信號(hào)采集過(guò)程濾波能力有限。

2.2 觸摸屏或上位機(jī)記錄

觸摸屏的數(shù)據(jù)記錄功能局限性較大，主要體現(xiàn)在：存儲(chǔ)容量低，只適合記錄較少的數(shù)據(jù)，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間大規(guī)模記錄數(shù)據(jù)；查閱不便，屏幕畫面較小，記錄讀取速度慢，調(diào)閱不方便；可靠性較低，斷電引起的設(shè)備關(guān)閉可能會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。因此，觸摸屏更適于作為就地實(shí)時(shí)顯示使用。

上位機(jī)的數(shù)據(jù)記錄功能強(qiáng)，存儲(chǔ)容量大，但其綜合成本高，一般只有大型控制系統(tǒng)才會(huì)配備上位機(jī)，小型控制系統(tǒng)僅采用觸摸屏做為人機(jī)界面。

2.3 PLC記錄

PLC——可編程邏輯控制器，是一種用于工業(yè)自動(dòng)化的控制裝置，功能強(qiáng)大，集成度、可靠性高，使用靈活等，已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)。利用PLC的相關(guān)功能進(jìn)行編程組態(tài)，直接記錄儀表測(cè)量數(shù)據(jù)，有以下幾方面特點(diǎn)：成本低，存儲(chǔ)容量大；數(shù)據(jù)安全有保障，斷電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失；記錄讀取、上傳方便，與PC采用網(wǎng)線連接，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器即可讀取數(shù)據(jù)，不需安裝編程軟件，操作簡(jiǎn)便。

基于此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種以PLC作為數(shù)據(jù)記錄裝置的自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期、可靠記錄。

3 PLC數(shù)據(jù)記錄控制系統(tǒng)的組成

PLC數(shù)據(jù)記錄控制系統(tǒng)主要由觸摸屏、PLC模塊（包括CPU模塊與模擬量輸入擴(kuò)展模塊）、變送器、測(cè)量?jī)x表組成。測(cè)量?jī)x表的輸出信號(hào)通過(guò)變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)4～20mA信號(hào)，送至PLC的擴(kuò)展模塊，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字量傳送給PLC的CPU模塊；CPU將數(shù)據(jù)以相應(yīng)格式存儲(chǔ)在閃存（CPU或存儲(chǔ)卡）中，并為觸摸屏顯示提供數(shù)據(jù)，對(duì)觸摸屏的輸入信息進(jìn)行相應(yīng)的處理；觸摸屏通過(guò)以太網(wǎng)口與CPU通訊，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)觀察、報(bào)警信息處理等功能。

我們選用了西門子S7-1200系列PLC，其價(jià)格低廉，但功能強(qiáng)大，具有集成以太網(wǎng)接口、集成工藝功能強(qiáng)大和可擴(kuò)展性靈活等特點(diǎn)，可為各種工藝任務(wù)提供簡(jiǎn)單的通信和有效的解決方案，尤其可滿足多種應(yīng)用中完全不同的自動(dòng)化需求。與S7-300/400系列相比，在能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)功能的前提下，S7-1200的價(jià)格優(yōu)勢(shì)及簡(jiǎn)單易用性十分明顯，而且其組態(tài)軟件操作簡(jiǎn)便、功能強(qiáng)、集成度高。因此，S7-1200 PLC是系統(tǒng)控制器的最佳選擇。

4 PLC數(shù)據(jù)記錄功能的實(shí)現(xiàn)

如圖1所示，PLC硬件配置采用CPU1214C+SM1231（8×13Bit）+SM1231（4×13Bit）。

圖1 PLC硬件配置

S7-1200 PLC提供了數(shù)據(jù)日志功能，可以使用Data logging系列指令，將運(yùn)行數(shù)據(jù)值存儲(chǔ)在永久性日志文件中。CPU將數(shù)據(jù)日志文件以標(biāo)準(zhǔn)CSV格式，存儲(chǔ)在S7-1200 CPU的裝載存儲(chǔ)器中。CPU按大小預(yù)定的循環(huán)日志文件形式組織數(shù)據(jù)記錄。

啟用S7-1200 CPU Web服務(wù)器功能管理數(shù)據(jù)日志文件，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)日志文件的下載、清除和刪除等操作；或?qū)?shù)據(jù)日志文件傳送到PC，使用標(biāo)準(zhǔn)電子表格工具（如Excel）分析數(shù)據(jù)。

4.1 數(shù)據(jù)日志文件大小計(jì)算

S7-1200系列PLC中，數(shù)據(jù)日志與用戶程序、程序數(shù)據(jù)、PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享裝載存儲(chǔ)器空間。裝載存儲(chǔ)器又分為內(nèi)部裝載存儲(chǔ)器與外部裝載存儲(chǔ)器，可根據(jù)情況需要選擇其中一個(gè)使用，但不可同時(shí)使用。

內(nèi)部裝載存儲(chǔ)器，即CPU內(nèi)部閃存。本文所使用的CPU 1214C以及更高級(jí)別的1215C、1217C，其內(nèi)部裝載存儲(chǔ)器容量均只有4MB，如果所需存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量較大，且要求長(zhǎng)時(shí)間記錄，則無(wú)法滿足要求。

外部裝載存儲(chǔ)器，即西門子的SIMATIC存儲(chǔ)卡（可選件，非必需），可插入CPU代替內(nèi)部裝載存儲(chǔ)器使用，目前有4MB、12MB、24MB、256MB、2GB五種規(guī)格。

數(shù)據(jù)日志文件中需要系統(tǒng)分配存儲(chǔ)空間的部分包括：記錄索引標(biāo)頭（記錄文件中各行的序號(hào)）；時(shí)間戳標(biāo)頭（每條記錄形成的日期時(shí)間）；數(shù)據(jù)日志標(biāo)頭（所記錄數(shù)據(jù)的名稱，即文件中每列數(shù)據(jù)的標(biāo)題）；數(shù)據(jù)記錄（儀表數(shù)據(jù)測(cè)量值）。

為方便計(jì)算，我們把需要記錄的數(shù)據(jù)數(shù)量及類型設(shè)定為10個(gè)REAL型變量，每個(gè)變量的標(biāo)題為2個(gè)字符，記錄頻率為1min/次，文件記錄時(shí)間為1年，由此，數(shù)據(jù)日志文件大小計(jì)算如下：

4.1.1 標(biāo)頭部分

數(shù)據(jù)日志標(biāo)頭字節(jié)=標(biāo)頭字符字節(jié)+2字節(jié)

（1）

其中：

標(biāo)頭字符字節(jié)=所有列數(shù)據(jù)標(biāo)題文本（包括分隔符逗號(hào)）的字符字節(jié)數(shù)+21字節(jié) （2）

10個(gè)變量共有10個(gè)標(biāo)題，每個(gè)標(biāo)題為2個(gè)字符，10個(gè)標(biāo)題分隔逗號(hào)數(shù)量為9個(gè)，根據(jù)式（1）、（2）

計(jì)算，結(jié)果如下：

數(shù)據(jù)日志標(biāo)頭字節(jié)=10×2+9+21+2=52字節(jié)（3）

4.1.2 數(shù)據(jù)部分

根據(jù)西門子PLC技術(shù)規(guī)范，數(shù)據(jù)日志數(shù)據(jù)字節(jié)計(jì)算公式如下：

數(shù)據(jù)日志數(shù)據(jù)字節(jié)=（一條記錄中的數(shù)據(jù)字節(jié)+時(shí)間戳字節(jié)+12字節(jié)）×記錄數(shù) （4）

（1）一條記錄中的數(shù)據(jù)字節(jié)

將給出的數(shù)據(jù)類型的出現(xiàn)次數(shù)乘以該數(shù)據(jù)類型所需的字節(jié)數(shù)。

對(duì)一條記錄中的每個(gè)數(shù)據(jù)類型重復(fù)該過(guò)程，并對(duì)所有數(shù)據(jù)類型求和得到一條記錄中所有數(shù)據(jù)元素的總計(jì)字節(jié)。

本文中的數(shù)據(jù)類型為REAL，出現(xiàn)次數(shù)為10次，存儲(chǔ)REAL類型變量，每個(gè)變量需要16個(gè)字節(jié)，則：

一條記錄中的數(shù)據(jù)字節(jié)=10×16=160字節(jié)（5）

（2）數(shù)據(jù)日志文件中的記錄數(shù)

記錄數(shù)不能超過(guò)Data logging系列指令里用于設(shè)置數(shù)據(jù)日志文件中可存儲(chǔ)的最大可能數(shù)值4、294、967、295，實(shí)際最大值取決于單個(gè)記錄文件的大小、其他數(shù)據(jù)日志的大小及裝載存儲(chǔ)器的可用資源。此外，Excel對(duì)工作表中允許的行數(shù)及列數(shù)也有一定限制。

本文中，記錄頻率為1min/次，文件記錄時(shí)間為1年，則：

記錄數(shù)為60×24×365=525 600 （6）

（3）一個(gè)數(shù)據(jù)記錄中的時(shí)間戳字節(jié)

有時(shí)間戳的情況下，時(shí)間戳字節(jié)=20字節(jié)（7）

將式（5）～（7）計(jì)算所得3個(gè)參數(shù)值代入式（4），計(jì)算可得：

數(shù)據(jù)日志數(shù)據(jù)字節(jié)=（160+20+12）×525 600=100 915 200字節(jié) （8）

由式（3）、（8）可得，數(shù)據(jù)日志總大小=100 915 200+52=100 915 252字節(jié)≈96MB。

西門子PLC技術(shù)規(guī)范中規(guī)定，單個(gè)數(shù)據(jù)日志文件的大小最大不可超過(guò)可用裝載存儲(chǔ)器大小或500MB（二者之中的較小值）。如果記錄條數(shù)達(dá)到程序參數(shù)設(shè)置的最大記錄數(shù)，寫入的下一條記錄將覆蓋最早的記錄，之后再寫入的記錄將覆蓋下一條最早的數(shù)據(jù)記錄，依此類推。

根據(jù)上文的計(jì)算結(jié)果，并參考技術(shù)規(guī)范可知，如果我們選擇2GB規(guī)格的外部裝載存儲(chǔ)器，即西門子的SIMATIC存儲(chǔ)卡，并且在程序中只生成1個(gè)數(shù)據(jù)日志文件，則至少可以保存從查詢之日起向前5年之內(nèi)的數(shù)據(jù)記錄，并且不斷循環(huán)更新。

4.2 程序設(shè)計(jì)

PLC程序的主要功能是初始化系統(tǒng)、控制設(shè)備工藝、采集儀表測(cè)量信息、記錄數(shù)據(jù)、故障報(bào)警等。我們利用西門子TIA Portal V13 SP1軟件，采用梯形圖語(yǔ)言進(jìn)行編程，其中數(shù)據(jù)記錄是程序的關(guān)鍵部分。

4.2.1 創(chuàng)建數(shù)據(jù)日志名稱、標(biāo)題和Data結(jié)構(gòu)

先建立DB塊（圖2），數(shù)據(jù)日志的名稱、列標(biāo)題文本和記錄的所有數(shù)據(jù)元素的數(shù)據(jù)類型，分別由Name、Header參數(shù)和Data分配。

圖2 創(chuàng)建DB塊

4.2.2 創(chuàng)建和初始化數(shù)據(jù)日志文件

執(zhí)行DataLogCreate操作后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開數(shù)據(jù)日志文件（圖3）。

完成數(shù)據(jù)日志的創(chuàng)建需多個(gè)掃描周期，且DONE位僅在一個(gè)掃描周期內(nèi)有效，因此可通過(guò)編程捕獲“DataLogCreate”指令的DONE信號(hào)位（圖4）。

如果日志創(chuàng)建過(guò)程中存在錯(cuò)誤，則保存狀態(tài)輸出（圖5）。

4.2.3 以固定頻率觸發(fā)寫入指令（圖6）

圖3 日志文件的初始化

圖4“DatalogCreate”指令的DONE信號(hào)位

圖5 錯(cuò)誤狀態(tài)的保存

圖6 定期觸發(fā)寫入指令

4.2.4 將新過(guò)程值存儲(chǔ)在MyDatalog結(jié)構(gòu)中（圖7）

4.2.5 將數(shù)據(jù)寫入日志文件（圖8）何時(shí)開始執(zhí)行寫入命令取決于何時(shí)完成Data?LogCreate操作。數(shù)據(jù)日志的創(chuàng)建操作將跨越多個(gè)掃描周期，并且必須在執(zhí)行寫入操作之前完成。REQ輸入的上升沿信號(hào)是創(chuàng)建操作已完成的信號(hào)。

4.2.6 打開已有數(shù)據(jù)日志文件必須先將數(shù)據(jù)日志文件打開后，才能執(zhí)行Dat?aLogWrite操作。執(zhí)行DataLogCreate操作后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開數(shù)據(jù)日志文件。但如果PLC執(zhí)行RUN-STOP切換或PLC循環(huán)，上電后會(huì)自動(dòng)關(guān)閉數(shù)據(jù)日志文件，所以為保證系統(tǒng)每次上電后，可正常執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入操作，故采用了DataLogOpen命令（圖9）。

4.2.7 啟用PLC Web服務(wù)器功能（圖10）

4.2.8 通過(guò)S7-1200 CPU Web服務(wù)器查看所創(chuàng)建的數(shù)據(jù)日志文件（圖11）

5 結(jié)語(yǔ)

我們采用西門子S7-1200系列PLC作為控制器，利用其數(shù)據(jù)日志功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)儀表測(cè)量數(shù)據(jù)的記錄，這種方法具有成本低、存儲(chǔ)容量大、記錄時(shí)間長(zhǎng)、可靠性高等特點(diǎn)。

圖7 存儲(chǔ)新過(guò)程值

圖8 數(shù)據(jù)的寫入

圖9 打開已有數(shù)據(jù)日志

圖10 啟用Web服務(wù)器功能

圖11 查看日志文件