基于S7-300 PLC 的泥沙输送实验台数据采集系统设计

倪福生，余方超，杨 斌

（河海大学教育部疏浚工程中心，江苏常州，213022）

0 引言

水力输送是疏浚技术中的一项关键技术，河海大学率先在国内建成了315kW 泥砂输送实验台。实验台原数据采集系统采用美国NI 公司的PCI-6025E 多功能数据采集卡进行数据采集，安装在上位PC 机的PCI 插槽中。原系统的传感器输出信号中有7 路4-20mA 的电流模拟量信号，而原有数据采集卡接口要求为电压信号，为了将电流信号送入计算机进行数据处理，需要设计专门的电流信号转换盒滤波电路，增加了系统的复杂性。同时，采集卡的采集通道固定，扩展性差，无法满足实验台传感器扩充的要求。可编程程序控制器(Programmable Logic Controller)，以稳定、可靠、扩展性强等特点广泛应用于工业控制系统中，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。本文提出了一种基于S7-300 PLC 的数据采集系统，上位机监控软件采用VC++ 编制，该系统的数据采集方法简单、采集周期短，达到了100ms，系统的灵活性、稳定性好。

1 系统的总体设计

泥砂输送实验台需要进行大流量和快速变化流量的实验，要求数据采集周期达到100ms，才能实时反映出数据的变化规律。一般来说，数据采集周期会受到三个因素的影响：一是数据采集模块的采样速度；二是通信网络对数据的传输速度；三是监控计算机中的监控软件对数据的存储速度。

针对以上三个因素，本系统以西门子S7-300 系列PLC 构建了数据采集系统；使用PROFIBUS-DP 总线和工业以太网作为通信网络；使用VC++ 编写的监控程序用以处理和存储数据。

1.1 PLC 模块选型

本系统的CPU 选用西门子公司的CPU315-2DP 模块。该模块具有128kB 工作内存，程序扫描速度高达0.1ms/1000 条指令，可以与其他模块进行DP 通信，也可以通过以太网模块与计算机进行以太网通信，具有故障自诊断能力，能够在线诊断硬件故障。

本系统选用西门子公司的CP343-1 以太网模块。该模块支持TCP/IP、SNMP、UDP 通信协议，通信速度高达10/100Mbps。

本系统选用西门子公司SM331 模块作为模拟量采集模块，该模块内部采用光电耦合器，能够有效防止强电干扰。SM331 模块的基本转换时间（包括积分时间）为17ms。

所选的PLC 模块均能满足100ms 采集周期的要求。

1.2 通信网络选型

本系统涉及到14 组模拟量的采集，每100ms 采集1 次，共约28个字节，即224bit，每秒采集10 次，此外，还有部分信号不需要高速采集，每秒采集2 次，同时通信网络还需要承担监控计算对PLC 控制指令的传输，所以选取的网络的通信速率应大于5kbit/s。

PROFIBUS-DP 现场总线采用RS485 通信协议，传输速率9.6Kbit/s～12Mbit/s，同时传输速率取决于电缆长度，表1为传输速率与线缆长度的关系：

在本系统中通信距离小于200m，选取了1.5Mbit/s 的传输速率，能够满足子站I/O 模块和主站CPU 之间对数据传输速率的要求。

西门子的工业以太网的传输速率为10Mbit/s～100 Mbit/s（可自适应），最多1024个网络节点，最大网络范围为150km，完全能够满足上位机和主站CPU 模块之间数据传输速率的要求。

2 系统的软件设计

2.1 数据缓存程序的设计

由于OPC 服务器与监控计算机的通信周期为500ms，所以为了满足100ms 的数据采集周期，需要在一个通信周期内采集5 组数据缓存在PLC 内，每次当OPC 服务器与监控计算机通信时，将这5 组数据传输给监控计算机。这一功能可以通过调用循环中断的方式来实现，每100ms 调用一次循环中断程序，采集各个传感器的数据，并将采集到的数据保存在缓存数据块内。

在项目中配置300 站并双击300CPU 打开Properties窗口，选择Cycle interrupts，将OB35 对应的时间修改为100ms。如图1 所示：

设计PLC 数据缓存程序，在项目中插入OB35 和OB35 的背景数据块DB2，在OB35 中编写数据采集子程序完成传感器数据的采集，并将500ms 内采集到的5个数据循环存入DB2中连续的5个地址中，PLC 数据缓存程序流程图如图2 所示：

2.2 OPC 服务器的建立

由于VC++ 编写的监控程序无法直接读取/ 写入PLC 数据，故使用OPC 接口技术实现VC++ 与PLC 之间的数据读取/写入。本系统中以Simatic.NET 软件提供的OPC.SimaticNET作为OPC 服务器，其实现步骤如下：

第一步，配置PC 站点，在监控计算机站点中添加OPC 服务器和IE General。

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

第三步，建立工业以太网通信，本系统中监控计算机站点IP地址：192.168.0.2，SIMATIC300站点IP地址：192.168.0.1。

四步，通过OPC.Server 建立计算机与CPU315-2DP的S7连接，右击PC站点/OPC服务器，插入新连接S7connection_1，选择S7连接。设置S7连接属性和本地PC站点/OPC服务器属性：接口为IE General，地址为192.168.0.2；伙伴CPU315-2DP 属性：接口为CP343-1，地址为192.168.0.1 。设置完成后，进行编译并保存，就可以建立起“OPC+工业以太网”的网络结构。

第五步，检测OPC 连接状态。将工程项目下载至硬件，运行SIMATIC NET 自带的OPC 客户端软件OPC Scout，在OPC Scout 中添加PLC 中的数据地址。

2.3 数据存储程序设计

传统的组态软件如WinCC、InTouch 等其数据读写采集刷新周期多在250ms 以上，故本系统采用VC++编制监控程序。由于Excel 操作简单、数据处理能力强，非常适合科学实验的数据处理，因此，本系统的数据存储采用Excle 作为数据库，将PLC 缓存的数据发送到Excle 里，其编程方式简要介绍如下：

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

2）创建Excel 2000 服务器，建立Excel 文件。

3）每500ms 监控程序读取OPC 服务器内部数据，并存入Excel 文件里。

监控软件采集和保存的Excel 数据文件如图3 所示：

3 结束语

本文对PLC 的数据高速采集进行了分析研究，给出了OPC技术和数据缓存技术相结合的PLC 数据高速采集方案，实现了对多个传感器信号10 次/ 秒的数据高速采集。本系统已经被应用于河海大学泥砂输送实验台的监控系统，在系统的数据报表中可以看到每1 秒都有10个数据被存储到了Excel文件里，说明所有按照设计精度记录的数据，全都没有丢失地被记录下来了。同时本系统的稳定性、扩展性好，能够满足实验台对数据采集系统性能的要求。

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