基于Wincc平台开发的PC-PLC通讯状态在线检测技术

叶海燕

引言

随着计算机控制领域深刻的技术变革，控制系统结构向网络化、开放性方向发展已成为一种趋势。网络通讯是控制系统的重要组成部分，通讯状态直接关系到控制系统的运行效果。以太网作为目前应用最为广泛的局域网技术，在工业自动化和过程控制领域得到了越来越多的应用。目前宝钢有多套西门子控制系统，控制系统PLC与监控系统HMI采用以太网TCP/IP通讯。

故障在线检测系统在现代社会具有至关重要的作用，PLC和PC作为其检测控制的重要设备，相互之间具有很强的互补性，一般搭配使用。故障在线检测系统以“状态监测”为指导思想，通过现场获取设备运行的实时状态信号，然后对状态信号进行分析和处理，得出系统故障状态，判断设备性能劣化趋势，并制定出相应对策和处理方法，其中前端数据采集设备和后端数据处理设备之间的通讯是其关键部分，两者之间通讯的实现方法及通讯完成后的数据解码直接影响到系统的精度和可靠性。目前西门子Wincc平台开发的上位机软件可以通过实时显示窗口判断网络通讯的状态，即上位机（PC）与下位机(PLC)通讯是否正常，但并没有提供一个网络通讯是否正常的变量可以直接应用在程序当中，即通讯状态无法参与系统控制。

1　系统组成

马迹山区域电网有功冲击负荷动态控制系统由3台置于中央控制操作室的上位机（HMI）、1台置于电气室的控制器（PLC）、5台置于卸船机上的数据采集远程I/O站和多台网络设备组成。其控制系统网络结构如图1所示。

图1　控制系统网络结构图

顶层的系统上位机HMI监控采用Simens公司组态软件平台Wincc开发，具有完备的组态开发环境和调试环境[1]；中层的控制系统采用可编程逻辑控制器来实现系统动态有功实时控制模型，具体产品为Simens公司S7-300系列PLC硬件和STEP7开发软件平台，用户程序中包括了位逻辑计数器、定时器、复杂数学运算器以及与其它智能模块通讯等指令内容，能够控制各种设备以满足自动化控制需求[2]；底层数据采集系统为安装在五台卸船机上的控制远程I/O站，用于采集该控制系统所需要的现场设备信号。

本系统上位机PC与中央控制器PLC之间的通讯方式为工业以太网，PLC与远程I/O站之间的通信方式为现场总线Profibus。

2　系统控制

马迹山区域电网有功冲击负荷动态控制系统需根据PC与PLC的通讯状态判断进行有功冲击负荷动态控制。系统控制方式设计为远程自动控制、本地自动控制和本地手动控制三种，这三种控制方式具有互斥性，每次操作只能选择一种控制方式。在通讯正常时，系统可以进行所有电网运行方式的选择和设备数据上传显示，当通讯故障时显示故障报警同时限制电网运行方式不能选择远程自动方式。

2.1　远程自动控制

所有通讯状态正常前提下，选择远程自动控制方式，电网运行和调相方式、基本负荷、冲击负荷等所有控制和显示用数据均由PLC采集上传，系统根据PLC上传数据进行计算和判断，自动进行有功冲击动态负荷控制，不需要任何人工操作。

2.2　本地自动控制

当PC-PLC通讯正常，有部分远程I/O站与主PLC通讯异常时，选择本地自动控制方式，人工手动输入运行和调相方式以及电网基本负荷值，系统根据手工输入数据进行系统仿真，进行计算和判断后，自动进行有功冲击动态负荷控制。

2.3　本地手动控制

PC-PLC通讯异常情况下，选择本地手动控制方式，根据现场工况和港区冲击负荷输入选择区间、方向限制、冲击限制的要求，人工手动输入方向限制、冲击限制原则以及电网冲击负荷限值。系统根据手工输入数据进行仿真、计算和判断，根据手工输入控制方式进行有功冲击动态负荷控制。

3　通讯设计

马迹山港负荷波动激烈，短时峰值很大，且正峰与负峰交错，可能出现峰值叠加的情况，因此，有功冲击负荷动态控制系统和监控系统均要求响应快、稳定性好。在原控制系统设计中，监控系统与控制系统之间的通讯是双向的，PLC主要接收上位机PC端传来的参数与指令，同时反馈状态信息和上位机监控所需要的参数实时数据。基于Wincc软件平台开发的监控系统能根据通讯状态实时进行数据显示，但并没有提供一个网络通讯是否正常的变量参与系统控制，一旦通讯故障，上位机所显示的现场设备数据会一直保持断线以前的数值，不能反映真实设备状态和自动进行控制方式切换，导致区域电网因冲击负荷造成电压和频率恶性下降，并可能导致系统崩溃，严重影响生产。

针对原马迹山区域电网有功冲击负荷动态监控系统中网络通讯不能参与控制的问题，基于Wincc平台开发了PC-PLC通讯状态在线检测功能，通过编程将PC与PLC之间的通讯状态、PLC与远程I/O站之间的通讯状态分别以变量的形势表现出来，并参与有功冲击负荷控制方式组态控制，保证了数据信号传输的实时准确性，同时也避免了因通讯故障导致控制系统不能反映实时设备状态和自动进行控制方式切换从而影响生产事故发生。

4　关键技术

4.1　通讯状态在线检测脚本设计

马迹山区域电网有功冲击负荷动态控制系统在控制过程中经常需要判断PC-PLC通讯状态，并需要有直接反映通讯状态的变量参与系统控制。基于Wincc平台开发的PC-PLC通讯状态在线检测技术，就是利用Wincc全局脚本编程将网络通讯状态以变量的形式表现出来，参与系统控制和监控显示。具体实现方式是在Wincc上位机软件中创建一个全局脚本，定义一个变量A用于表示PC与PLC之间的通讯状态。脚本函数编程示例如下：

#include"apdefap.h"

int gscAction(void)

{

#define plc"plcdushu"

#define A"A"

static old=0,count=0;

if(GetTagSDWordWait(plc)==old)

{old=GetTagSDWordWait(plc);

if(count＞5)

SetTagBit(A,FALSE);

elsecount++;

}

else

{old=GetTagSDWordWait(plc);

SetTagBit(A,TRUE);

count=0;

}

return 0;

}

上述脚本程序实现的功能是：PLC通过一个数据传输点发出一个递增的函数值（plcdushu）；old变量用来存储plcdushu的更新前的数值；当两者相等表明传上来的数据没有发生变化（即plcdushu变量没有增加），count记数加1，根据现场设备状态情况考虑，当扫描两者相等超过5次的话（即count＞5），认为通讯中断，HMI输出0。否则，表明通讯正常，HMI输出 1，count清零。

4.2　通讯状态参数控制设计

在马迹山区域电网有功冲击负荷动态控制系统的程序中设定一个中间变量M1对应于通讯状态参数Wincc变量A，参与控制方式选择程序编制。对于不同通讯状态下进行有功冲击负荷动态控制方式选择的控制逻辑流程图如图2所示。

图2　动态控制方式选择逻辑控制图

4.3　通讯状态在线检测组态设计

在马迹山区域电网有功冲击负荷动态监控系统中组态通讯状态监测显示功能，用不同网络链路颜色动态显示PC-PLC、PLC-I/O站之间的通讯状态，并根据通讯状态显示不同控制方式下可操作的中控按钮。网路通讯监控画面如图3所示。

图3　网络通讯监控画面

5　应用效果

基于Wincc平台PC-PLC通讯状态在线检测技术，采用Wincc全局脚本方便灵活地实现了PLC和PC机的通讯状态监测，将原本内置与Wincc软件平台的通讯监测功能外化为可参与控制的参数，实现了马迹山区域电网有功冲击负荷动态监控系统中上位机监控画面HMI实时显示系统的通讯状态，并根据不同的通讯状态动态调整有功冲击负荷控制策略和选择马迹山港电网作业工作方式，确保了正常情况下马迹山电网有功冲击负荷控制系统的稳态稳定运行。

本系统基于西门子软硬件平台开发，具有较强的通用性和可扩展性，具有很好的推广应用价值，可广泛应用于控制测试领域，特别适合三电一体化的控制系统通讯监测解决方案。

[参 考 文 献]

[1]苏昆哲.深入浅出西门子Wincc V6[M].北京：北京航空航天出版社，2004:148-166.

[2]张平.PLC应用开发技术与工程实践（第1版）[M].北京：人民邮电出版社，2008:25-35.