《工业控制计算机》2008 年 21 卷第 6 期 77 基于 S7- 400 PLC 及 WinCC 的高速数据采集系统的设计 S7- 400 PLC and WinCC Hig h Sp eed Data Gathering Sys tem （1 长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410124；2 华中科技大学光电子科学与工程学院，湖北 武汉 430074） 刘悦音 1，2 描述 WinCC 端利用原始数据方式，S7- 400 PLC 端使用数据块作为数据缓冲区，实现高速数据采集的方法。数据采集 摘 要 周期达到 10ms 。 关键词：PLC 机制，WinCC 组态，数据采集，缓冲区，动态效果 Abs tract This paper des cribes the WinCC end us e primary data way,SIMATICS7- 400 the PLC end us e block data has taken the data buffer,the realization high s peed data gathering method.The data acquis ition cycle achieves 10ms . Keywords :PLC mechanis m,WinCC configuration,data acquis ition,buffer,dynamic effect 在使用 PLC 机制实现控制的领域，大多使用 WinCC 等组 态工具实现对现场信号的采集功能并将数据存储到上位机数据 库，但由于受到通讯性能等原因的限制，通常的方法所能实现的 数据采集周期局限于秒级。对于一般意义的现场信号，对它的测 控所要求的数据周期要求并不高，通常 1～2s 的采集周期，就足 以满足我们对现场信号的监控精度。但在某些特定领域，譬如快 速反应系统，其整个反应过程小于 5s ，要分析了解其在整个反 应过程中的参数变化情况，即便以 500ms 的采集周期，数据采 集量仍然太少，分析结果仍然不够精确。而在此情况下，上位机 用于与控制器通讯的系统资源耗费已经非常高，再加上数据处 理、画面、数据库等任务，在变量规模尚不算多的情况下，上位机 的负荷已经不堪重负。 1 PLC+WinCC 模式下的高速数据采集系统设计 对以上情况的数据处理，通常的解决方案是使用带高速处 理功能的数据采集板卡，数据卡插在计算机插槽中，通过板卡提 供的驱动程序接口，使用高级语言如 C++等编程实现。但同时， 此解决方案的缺点又是非常明显的，首先，整个系统的规模受到 非常大的限制。即便系统的其他控制对象均为普通信号，但由于 计算机的扩展插槽数量受限制，导致能实现的点数往往仅限于 最多不超过几十个点。这样，如果面对的是稍大规模的项目，数 据采集卡的模式就无能 为 力 了 。 因 而 我 们 尝 试 使 用 PLC + WinCC 模式下问题的解决方法。 在数据采集卡中，根据数据采集的周期不同，会分为普通采 集卡和高速采集卡，而在高速采集卡的性能指标中，非常重要的 就是它提供的缓存区的容量。许多采集卡会有如 1KB 或者 2KB 的数据缓冲区，用于实现高速采集数据的缓存。采集卡从现场获 得信号并进行 A/D 转换之后，将数据存储在缓存区中，而 PC 通过它的扩展 PCI 插槽从板卡获取数据。这个过程说到底其实 也是一种通讯的过程。同时为了保证数据采集的连续性，通常的 方法是设定一个缓冲区半满的标志，或者说将整个缓冲区分成 两部分，采集来的数据，首先堆栈到缓冲区 1 中，当缓冲区 1 存 满，则发出一个半满标志到计算机，计算机收到这个半满信号， 则启动读取程序，将缓冲区 1 内的数据读取到计算机内存中。当 数据读取结束，清空缓冲区 1 内的数据，而在此期间，高速采集 的数据，缓存在缓冲区 2 中。同样的道理，当缓冲区 2 满之后，同 样发出半满信号，数据从缓冲区 2 转移到计算机。如此形成循 环。整个逻辑实现的基础就是，数据的集中通讯比分散通讯的效 率高得多，在远远低于数据堆满一个缓冲区的时间内，已满数据 能够有充分的时间转移到计算机中。根据缓冲区大小的不同，在 缓冲区比较小的情况下，为了保证数据半满之后，能够尽快将数 据读出，以满足下一个周期的使用，半满信号往往需要较高的优 先级，在计算机内以中断的方式，通知后续的处理过程。但如果 缓冲区尺寸能够提供得比较大，留给主机与板卡通讯的查询时 间能够足够长，那么即便是用普通 I/O 方式来处理半满信号，也 同样可行。基于上述思想同样的思路，我们可以应用到 WinCC+ S7- 400 PLC 的系统中来。 2 PLC+WinCC 模式下的高速数据采集系统的实现 2.1 在 WinCC 中连续数据的读取 在 WinCC 中可以建立原始数据类型的变量。所谓的原始数 据类型，就是在 WinCC 中定义变量的时候，只需要指定数据在 PLC 中的开始地址和长度，而具体数据的排列方式定义，可以由 用 户 自 行 定 义 。 而 同 时 在 WinCC 的 趋 势 变 量 记 录 中 支 持 AR_SEND 功能块的原始数据类型，它分别设计了趋势变量记 录可以接受的将近十种原始数据类型的结构，这些数据结构原 理大同小异，无非所定义的变量数不同，有针对一个采集数的， 也有针对多个采集数的。时间标签的记录方式也不同，有不带时 间标签的，也有带时间标签的，有的每条记录均带时间标签，而 有的仅仅首条记录带有时间标签，后续的记录以相同的时间间 隔平移后推。 只对一个归档变量进行记录，同时，为了节省数据存储的空 间和节省通讯耗时，我们选择其中的第二种数据类型，即“具有 等间隔时间标志的过程值”。这种数据类型的描述如下： 1）DB 块地址内容 0.0 报文类型=1 2.0 年 月 4.0 日 小时 6.0 分钟 秒 8.0 0.1s 0.01s 001s 工作日 10.0 周期=10 14.0 单元（类型）=1 单位（范围）=3 16.0 AR_ID 子编号=0 18.0 过程数据：数据类型 20.0 过程值数量=2000 24.0 过程值 1 

78 28.0 过程值 2 其中 22.0 之前的 22 个 BYTE 存放的报文头，之后为实质 的数据序列。 2）报文头的各参数含义如下： 报头类型=1 报头类型定义了报头中所包含的信息的类型。 报头类型 时间标志 AR_ID 子编号 0 不带时间标志的报头 不带 AR_ID 子编号的报头 1 带时间标志的报头 不带 AR_ID 子编号的报头 8 不带时间标志的报头 带 AR_ID 子编号的报头 9 带时间标志的报头 带 AR_ID 子编号的报头 3）时间标志 时 间 标 志 包 含 SIMATIC S7 BCD 格 式 的 日 期 和 时 间 。 WinCC 不使用工作日条目。 周期=10 在周期中读取过程值。该参数是在单位(范围)处指定的时间 单位的因子。数据长度：双字。 “周期”=10；“单位(范围)”=3 意思是：过程值读取周期=10ms 单元(类型)=1 指定时间信息的类型并修改参数“过程值的数目”。 根据以上的定义，我们在 S7 - 400 PLC 中建立数据块 DB10，分别在 Step7 和 WinCC 中做相应的调用。建立 FB37 调 用 SFC37 AR_SEND 函数发送数据。其中 MW14=8022，表示 整个发送数据区长度为 8022 个字节，除了包含 22 个报文头之 外，我们建立 2000 个 REAL 型的数据，长度 8000 个字节。所使 用的变量 M10.0 即为归档的使能位，使能之后 PLC 主动与 WinCC 进行通讯，完成后 M10.2=1。在 OB1 调用的 FC 块中调 用 FB37，自动分配 AR_ID=16#1。然后在 WinCC 中建立一个 RAW DATA TYPE 的变量，变量记录中，选择过程变量，并制定 AR_ID 一致。这样，通过使能位 M10.0 的控制命令，就可以将数 据区中的 2000 个数据发送到 WinCC 数据库中。这里的数据区 尚没有任何数据，需要我们编程实现数据序列。 2.2 双缓冲区模式实现连续记录的过程 （1）生成信号 正常应用时，数据大多直接从模拟量模块采集，实验中为了 方便检查效果，在 OB35（10ms ） 中生成争弦曲线，周期为 20s ，2000 个数据。采集的数据放 在 MD404 中，实数形式。 （2）数据记录到缓冲区 首先建立长度 4000 个 REAL 的数据块 DB400，作为我们 的双缓冲区： 基于 S7- 400 PLC 及 WinCC 的高速数据采集系统的设计 OB35 中使用间接寻址编程，每采集一个数据，依次放入缓 冲区，并在指针分别达到 2000 和 4000 的时候，生成半满信号。 M495.0 和 M495.1 分别为缓冲区 1 和缓冲区 2 的满标志，当缓 冲区 2 满的同时，切换指针回 0。另外，在每个缓冲区记录首行 数据的时候，记录下当前的系统时间。 （3）数据从缓冲区发送到 WinCC 在 OB1 调用的 FC 中编程实现：根据半满标志位状态，分 别完成的工作：记录开始时间值送到数据区 8 个字节。2000 个 数据送到数据区 8000 个字节。指定数据长度 2000，使能通讯标 志。完成后此半满标志复位。 2.3 调试效果 在 WinCC 的趋势图画面中添加对此归档的监视，可以看到 动态效果，每过 20s ，图像刷新一次，一个完整的正弦曲线周期 被添加，2000 个数据记录被保存。 每条记录之间的时间间隔为足够精确的 10ms ，说明所有按 照设计精度记录的数据，全都没有丢失的被记录下来了。 3 结束语 由于高速数据采集所站用的系统资源较多，采集来的数据 占用空间也很大，所以通常情况下，这种高速数据的采集应当有 一个开关，就是只有在需要的时候才进行数据采集。所以程序还 需要做一些相应的处理，使用一个 WinCC 能控制的中间量作 为触发开关。在触发的上升沿，数据指针指向首行，下降沿时，判 断指针位置，判断在缓冲区 1 还是缓冲区 2，并且在缓冲区中的 有效数据数量，在发送任务中根据实际的数量，而不是正常半满 下的 2000。 使用 S7- 400 PLC 配合 WinCC，我们成功实现了高速数据 的采集，采集周期达到了 10ms ，而且通过不同的通讯协议接口， 也做了耗时统计，结果在使用 MPI 接口 187.5kbit /s 时，当数据 量为 6000 个时，写入时间大概要 10s ，而使用 10M 工业以太网 ISO 协议，需要的时间大概为 600ms 。可见在高速采集情况下， 工业以太网的效果要好得多，应当尽量采用工业以太网。参数设 置表中，也可以使用比 10ms 更小的周期，理论上的最高限能达 到 1ms ，但这时除了 PLC 的定时中断需要使用 1ms 周期，从而 占用了 PLC 更大的运行资源之外，缓冲区的尺寸设计也需要非 常谨慎。 参考文献 ［1］杨路明，雷亚军.组态软件 WinCC 在自动监控系统中的应用［J ］.计 算技术与自动化，2003，22（4） ［2］区益善.计算机网络工程手册［Z］.北京：电子工业出版社，1993 ［收稿日期：2007.7.10］ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! NI 为交互式动手课程引入新版原型开发平台 6 月，NI 发布了 NI ELVIS II 硬件，它是设计与原型开发平台的最新版本，被全球众多教师应用于动手实验和项目学习中。NI ELVIS II 基于强大的 LabVIEW 图形化系统设计软件，为教师提供了 12 种新型 USB 即插即用仪器。它与用于 SPICE 仿真的 Mul- tis im 10.1 软件的完全整合，简化了电路设计教学。此外，教师可以将 NI ELVIS II 与第三方板卡以及课程资源套件结合在一起使 用，教授控制设计、通信以及微控制器的概念。 NI 院校关系部门副总裁 Ray Almgren 说：“NI ELVIS II、LabVIEW 图形化系统设计软件以及它们与 Multis im 10.1 的紧密整 合将最尖端的硬件和软件技术结合在一起，为科学和工程实验室创建了理想的动手平台。NI ELVIS II 汇总了来自世界各地教师的 宝贵意见，按照教师的需求演示课堂教学中的理论概念，同时为学生提供了使用 LabVIEW 和 Multis im 在交互式环境中对概念进行 探索和设计的机会。” 全新的 NI ELVIS II 包括对过去版本的向下兼容特性、USB 即插即用连接的友好特性以及较小的外形尺寸，从而可以简化安 装与实验室维护。NI ELVIS II 还在低成本、简单易用的平台中包含了工程和科学实验室中最为常用的 12 种仪器，包括示波器、函 数发生器、可变电源以及隔离式数字万用表。由于 NI ELVIS II 基于 LabVIEW 软件，教师还能方便地自定义 12 种仪器，或使用提供 的源代码创建他们自己的仪器。