西门子S7-1200PLC数据日志功能的应用

西门子S7-1200PLC数据日志功能的应用
栾亮亮
【摘要】通过西门子S7-1200 PLC的数据日志功能,对设备仪表测量数据进行记录.目前,常用数据记录方法以单片机记录、上位机记录、触摸屏记录为主,但在可靠性、易用性以及成本方面,尚不能满足小型控制系统的使用要求,因此需要一种有较大优势的新方法,来解决小型控制系统的数据记录问题.
【期刊名称】《水泥技术》
【年(卷),期】2018(000)004
【总页数】5页(P53-57)
【关键词】数据日志;可靠性;存储容量;易用性
【作者】栾亮亮
【作者单位】中材装备集团有限公司,天津300400
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
1 前言
PLC（Programmable Logic Controller）—可编程逻辑控制器是设备控制柜中的核心部件，用于控制设备工艺与采集仪表测量数据。

其中，仪表测量数据是设备使用状况评估、故障预判、生产运行情况分析的重要依据。

随着PLC的广泛应用，其控制系统的设计越来越复杂，所需要采集和记录的测量数据量不断增加，有些基
于PLC的设备控制系统，需要存储一年甚至几年的运行数据。

因此，如何长期、可靠地通过PLC采集和记录仪表测量数据，是控制柜设计和使用过程中需要解决的重要问题。

2 数据记录的几种常用方法
目前，采集和记录设备生产数据的方法主要有以下几种：
2.1 单片机记录
单片机虽然成本相对较低，但其运算速度慢，硬件抗干扰能力差，可靠性低，信号采集过程滤波能力有限。

2.2 触摸屏或上位机记录
触摸屏的数据记录功能局限性较大，主要体现在：存储容量低，只适合记录较少的数据，无法长时间大规模记录数据；查阅不便，屏幕画面较小，记录读取速度慢，调阅不方便；可靠性较低，断电引起的设备关闭可能会造成数据丢失。

因此，触摸屏更适于作为就地实时显示使用。

上位机的数据记录功能强，存储容量大，但其综合成本高，一般只有大型控制系统才会配备上位机，小型控制系统仅采用触摸屏做为人机界面。

2.3 PLC记录
PLC——可编程逻辑控制器，是一种用于工业自动化的控制装置，功能强大，集成度、可靠性高，使用灵活等，已广泛应用于各行业。

利用PLC的相关功能进行编程组态，直接记录仪表测量数据，有以下几方面特点：成本低，存储容量大；数据安全有保障，断电后数据不会丢失；记录读取、上传方便，与PC采用网线连接，通过网络浏览器即可读取数据，不需安装编程软件，操作简便。

基于此，我们设计了一种以PLC作为数据记录装置的自动控制系统，实现了对数据的长期、可靠记录。

3 PLC数据记录控制系统的组成
PLC数据记录控制系统主要由触摸屏、PLC模块（包括CPU模块与模拟量输入扩展模块）、变送器、测量仪表组成。

测量仪表的输出信号通过变送器转换成标准4～20mA信号，送至PLC的扩展模块，经过A/D转换，变为数字量传送给PLC 的CPU模块；CPU将数据以相应格式存储在闪存（CPU或存储卡）中，并为触摸屏显示提供数据，对触摸屏的输入信息进行相应的处理；触摸屏通过以太网口与CPU通讯，实现参数设置、数据实时观察、报警信息处理等功能。

我们选用了西门子S7-1200系列PLC，其价格低廉，但功能强大，具有集成以太网接口、集成工艺功能强大和可扩展性灵活等特点，可为各种工艺任务提供简单的通信和有效的解决方案，尤其可满足多种应用中完全不同的自动化需求。

与S7-300/400系列相比，在能够实现相应功能的前提下，S7-1200的价格优势及简单易用性十分明显，而且其组态软件操作简便、功能强、集成度高。

因此，S7-1200 PLC是系统控制器的最佳选择。

4 PLC数据记录功能的实现
如图1所示，PLC硬件配置采用CPU1214C+SM1231（8×13Bit）+SM1231（4×13Bit）。

图1 PLC硬件配置
S7-1200 PLC提供了数据日志功能，可以使用Data logging系列指令，将运行数据值存储在永久性日志文件中。

CPU将数据日志文件以标准CSV格式，存储在S7-1200 CPU的装载存储器中。

CPU按大小预定的循环日志文件形式组织数据记录。

启用S7-1200 CPU Web服务器功能管理数据日志文件，可以实现数据日志文件的下载、清除和删除等操作；或将数据日志文件传送到PC，使用标准电子表格工具（如Excel）分析数据。

4.1 数据日志文件大小计算
S7-1200系列PLC中，数据日志与用户程序、程序数据、PLC系统数据共享装载存储器空间。

装载存储器又分为内部装载存储器与外部装载存储器，可根据情况需要选择其中一个使用，但不可同时使用。

内部装载存储器，即CPU内部闪存。

本文所使用的CPU 1214C以及更高级别的1215C、1217C，其内部装载存储器容量均只有4MB，如果所需存储数据量较大，且要求长时间记录，则无法满足要求。

外部装载存储器，即西门子的SIMATIC存储卡（可选件，非必需），可插入CPU 代替内部装载存储器使用，目前有4MB、12MB、24MB、256MB、2GB五种规格。

数据日志文件中需要系统分配存储空间的部分包括：记录索引标头（记录文件中各行的序号）；时间戳标头（每条记录形成的日期时间）；数据日志标头（所记录数据的名称，即文件中每列数据的标题）；数据记录（仪表数据测量值）。

为方便计算，我们把需要记录的数据数量及类型设定为10个REAL型变量，每个变量的标题为2个字符，记录频率为1min/次，文件记录时间为1年，由此，数
据日志文件大小计算如下：
4.1.1 标头部分
数据日志标头字节=标头字符字节+2字节
（1）
其中：
标头字符字节=所有列数据标题文本（包括分隔符逗号）的字符字节数+21字节（2）
10个变量共有10个标题，每个标题为2个字符，10个标题分隔逗号数量为9个，根据式（1）、（2）
计算，结果如下：
数据日志标头字节=10×2+9+21+2=52字节（3）
4.1.2 数据部分
根据西门子PLC技术规范，数据日志数据字节计算公式如下：
数据日志数据字节=（一条记录中的数据字节+时间戳字节+12字节）×记录数（4）
（1）一条记录中的数据字节
将给出的数据类型的出现次数乘以该数据类型所需的字节数。

对一条记录中的每个数据类型重复该过程，并对所有数据类型求和得到一条记录中所有数据元素的总计字节。

本文中的数据类型为REAL，出现次数为10次，存储REAL类型变量，每个变量需要16个字节，则：
一条记录中的数据字节=10×16=160字节（5）
（2）数据日志文件中的记录数
记录数不能超过Data logging系列指令里用于设置数据日志文件中可存储的最大可能数值4、294、967、295，实际最大值取决于单个记录文件的大小、其他数据日志的大小及装载存储器的可用资源。

此外，Excel对工作表中允许的行数及列数也有一定限制。

本文中，记录频率为1min/次，文件记录时间为1年，则：
记录数为60×24×365=525 600 （6）
（3）一个数据记录中的时间戳字节
有时间戳的情况下，时间戳字节=20字节（7）
将式（5）～（7）计算所得3个参数值代入式（4），计算可得：
数据日志数据字节=（160+20+12）×525 600=100 915 200字节（8）
由式（3）、（8）可得，数据日志总大小=100 915 200+52=100 915 252字节
≈96MB。

西门子PLC技术规范中规定，单个数据日志文件的大小最大不可超过可用装载存储器大小或500MB（二者之中的较小值）。

如果记录条数达到程序参数设置的最大记录数，写入的下一条记录将覆盖最早的记录，之后再写入的记录将覆盖下一条最早的数据记录，依此类推。

根据上文的计算结果，并参考技术规范可知，如果我们选择2GB规格的外部装载存储器，即西门子的SIMATIC存储卡，并且在程序中只生成1个数据日志文件，则至少可以保存从查询之日起向前5年之内的数据记录，并且不断循环更新。

4.2 程序设计
PLC程序的主要功能是初始化系统、控制设备工艺、采集仪表测量信息、记录数据、故障报警等。

我们利用西门子TIA Portal V13 SP1软件，采用梯形图语言进行编程，其中数据记录是程序的关键部分。

4.2.1 创建数据日志名称、标题和Data结构
先建立DB块（图2），数据日志的名称、列标题文本和记录的所有数据元素的数据类型，分别由Name、Header参数和Data分配。

图2 创建DB块
4.2.2 创建和初始化数据日志文件
执行DataLogCreate操作后，系统会自动打开数据日志文件（图3）。

完成数据日志的创建需多个扫描周期，且DONE位仅在一个扫描周期内有效，因此可通过编程捕获“DataLogCreate”指令的DONE信号位（图4）。

如果日志创建过程中存在错误，则保存状态输出（图5）。

4.2.3 以固定频率触发写入指令（图6）
图3 日志文件的初始化
图4“DatalogCreate”指令的DONE信号位
图5 错误状态的保存
图6 定期触发写入指令
4.2.4 将新过程值存储在MyDatalog结构中（图7）
4.2.5 将数据写入日志文件（图8）何时开始执行写入命令取决于何时完成
Data⁃LogCreate操作。

数据日志的创建操作将跨越多个扫描周期，并且必须在执行写入操作之前完成。

REQ输入的上升沿信号是创建操作已完成的信号。

4.2.6 打开已有数据日志文件必须先将数据日志文件打开后，才能执行
Dat⁃aLogWrite操作。

执行DataLogCreate操作后，系统会自动打开数据日志文件。

但如果PLC执行RUN-STOP切换或PLC循环，上电后会自动关闭数据日志文件，所以为保证系统每次上电后，可正常执行数据写入操作，故采用了DataLogOpen命令（图9）。

4.2.7 启用PLC Web服务器功能（图10）
4.2.8 通过S7-1200 CPU Web服务器查看所创建的数据日志文件（图11）
5 结语
我们采用西门子S7-1200系列PLC作为控制器，利用其数据日志功能，实现了对仪表测量数据的记录，这种方法具有成本低、存储容量大、记录时间长、可靠性高等特点。

图7 存储新过程值
图8 数据的写入
图9 打开已有数据日志
图10 启用Web服务器功能
图11 查看日志文件
参考文献：
【相关文献】
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[3]冯博，徐淑华，基于S7-1 200 PLC的电加热器模糊PID控制[J]，青岛大学学报（工程技术版），2011，3（1），14-18.■。