西門子S7-1200PLC數據日志功能的應用

欒亮亮

1 前言

PLC（Programmable Logic Controller）—可編程邏輯控制器是設備控制柜中的核心部件，用于控制設備工藝與采集儀表測量數據。其中，儀表測量數據是設備使用狀況評估、故障預判、生產運行情況分析的重要依據。隨著PLC的廣泛應用，其控制系統的設計越來越復雜，所需要采集和記錄的測量數據量不斷增加，有些基于PLC的設備控制系統，需要存儲一年甚至幾年的運行數據。因此，如何長期、可靠地通過PLC采集和記錄儀表測量數據，是控制柜設計和使用過程中需要解決的重要問題。

2 數據記錄的幾種常用方法

目前，采集和記錄設備生產數據的方法主要有以下幾種：

2.1 單片機記錄

單片機雖然成本相對較低，但其運算速度慢，硬件抗干擾能力差，可靠性低，信號采集過程濾波能力有限。

2.2 觸摸屏或上位機記錄

觸摸屏的數據記錄功能局限性較大，主要體現在：存儲容量低，只適合記錄較少的數據，無法長時間大規模記錄數據；查閱不便，屏幕畫面較小，記錄讀取速度慢，調閱不方便；可靠性較低，斷電引起的設備關閉可能會造成數據丟失。因此，觸摸屏更適于作為就地實時顯示使用。

上位機的數據記錄功能強，存儲容量大，但其綜合成本高，一般只有大型控制系統才會配備上位機，小型控制系統僅采用觸摸屏做為人機界面。

2.3 PLC記錄

PLC——可編程邏輯控制器，是一種用于工業自動化的控制裝置，功能強大，集成度、可靠性高，使用靈活等，已廣泛應用于各行業。利用PLC的相關功能進行編程組態，直接記錄儀表測量數據，有以下幾方面特點：成本低，存儲容量大；數據安全有保障，斷電后數據不會丟失；記錄讀取、上傳方便，與PC采用網線連接，通過網絡瀏覽器即可讀取數據，不需安裝編程軟件，操作簡便。

基于此，我們設計了一種以PLC作為數據記錄裝置的自動控制系統，實現了對數據的長期、可靠記錄。

3 PLC數據記錄控制系統的組成

PLC數據記錄控制系統主要由觸摸屏、PLC模塊（包括CPU模塊與模擬量輸入擴展模塊）、變送器、測量儀表組成。測量儀表的輸出信號通過變送器轉換成標準4～20mA信號，送至PLC的擴展模塊，經過A/D轉換，變為數字量傳送給PLC的CPU模塊；CPU將數據以相應格式存儲在閃存（CPU或存儲卡）中，并為觸摸屏顯示提供數據，對觸摸屏的輸入信息進行相應的處理；觸摸屏通過以太網口與CPU通訊，實現參數設置、數據實時觀察、報警信息處理等功能。

我們選用了西門子S7-1200系列PLC，其價格低廉，但功能強大，具有集成以太網接口、集成工藝功能強大和可擴展性靈活等特點，可為各種工藝任務提供簡單的通信和有效的解決方案，尤其可滿足多種應用中完全不同的自動化需求。與S7-300/400系列相比，在能夠實現相應功能的前提下，S7-1200的價格優勢及簡單易用性十分明顯，而且其組態軟件操作簡便、功能強、集成度高。因此，S7-1200 PLC是系統控制器的最佳選擇。

4 PLC數據記錄功能的實現

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提供了數據日志功能，可以使用Data logging系列指令，將運行數據值存儲在永久性日志文件中。CPU將數據日志文件以標準CSV格式，存儲在S7-1200 CPU的裝載存儲器中。CPU按大小預定的循環日志文件形式組織數據記錄。

啟用S7-1200 CPU Web服務器功能管理數據日志文件，可以實現數據日志文件的下載、清除和刪除等操作；或將數據日志文件傳送到PC，使用標準電子表格工具（如Excel）分析數據。

4.1 數據日志文件大小計算

S7-1200系列PLC中，數據日志與用戶程序、程序數據、PLC系統數據共享裝載存儲器空間。裝載存儲器又分為內部裝載存儲器與外部裝載存儲器，可根據情況需要選擇其中一個使用，但不可同時使用。

內部裝載存儲器，即CPU內部閃存。本文所使用的CPU 1214C以及更高級別的1215C、1217C，其內部裝載存儲器容量均只有4MB，如果所需存儲數據量較大，且要求長時間記錄，則無法滿足要求。

外部裝載存儲器，即西門子的SIMATIC存儲卡（可選件，非必需），可插入CPU代替內部裝載存儲器使用，目前有4MB、12MB、24MB、256MB、2GB五種規格。

數據日志文件中需要系統分配存儲空間的部分包括：記錄索引標頭（記錄文件中各行的序號）；時間戳標頭（每條記錄形成的日期時間）；數據日志標頭（所記錄數據的名稱，即文件中每列數據的標題）；數據記錄（儀表數據測量值）。

為方便計算，我們把需要記錄的數據數量及類型設定為10個REAL型變量，每個變量的標題為2個字符，記錄頻率為1min/次，文件記錄時間為1年，由此，數據日志文件大小計算如下：

4.1.1 標頭部分

數據日志標頭字節=標頭字符字節+2字節

（1）

其中：

標頭字符字節=所有列數據標題文本（包括分隔符逗號）的字符字節數+21字節 （2）

10個變量共有10個標題，每個標題為2個字符，10個標題分隔逗號數量為9個，根據式（1）、（2）

計算，結果如下：

數據日志標頭字節=10×2+9+21+2=52字節（3）

4.1.2 數據部分

根據西門子PLC技術規范，數據日志數據字節計算公式如下：

數據日志數據字節=（一條記錄中的數據字節+時間戳字節+12字節）×記錄數 （4）

（1）一條記錄中的數據字節

將給出的數據類型的出現次數乘以該數據類型所需的字節數。

對一條記錄中的每個數據類型重復該過程，并對所有數據類型求和得到一條記錄中所有數據元素的總計字節。

本文中的數據類型為REAL，出現次數為10次，存儲REAL類型變量，每個變量需要16個字節，則：

一條記錄中的數據字節=10×16=160字節（5）

（2）數據日志文件中的記錄數

記錄數不能超過Data logging系列指令里用于設置數據日志文件中可存儲的最大可能數值4、294、967、295，實際最大值取決于單個記錄文件的大小、其他數據日志的大小及裝載存儲器的可用資源。此外，Excel對工作表中允許的行數及列數也有一定限制。

本文中，記錄頻率為1min/次，文件記錄時間為1年，則：

記錄數為60×24×365=525 600 （6）

（3）一個數據記錄中的時間戳字節

有時間戳的情況下，時間戳字節=20字節（7）

將式（5）～（7）計算所得3個參數值代入式（4），計算可得：

數據日志數據字節=（160+20+12）×525 600=100 915 200字節 （8）

由式（3）、（8）可得，數據日志總大小=100 915 200+52=100 915 252字節≈96MB。

西門子PLC技術規范中規定，單個數據日志文件的大小最大不可超過可用裝載存儲器大小或500MB（二者之中的較小值）。如果記錄條數達到程序參數設置的最大記錄數，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據記錄，依此類推。

根據上文的計算結果，并參考技術規范可知，如果我們選擇2GB規格的外部裝載存儲器，即西門子的SIMATIC存儲卡，并且在程序中只生成1個數據日志文件，則至少可以保存從查詢之日起向前5年之內的數據記錄，并且不斷循環更新。

4.2 程序設計

PLC程序的主要功能是初始化系統、控制設備工藝、采集儀表測量信息、記錄數據、故障報警等。我們利用西門子TIA Portal V13 SP1軟件，采用梯形圖語言進行編程，其中數據記錄是程序的關鍵部分。

4.2.1 創建數據日志名稱、標題和Data結構

先建立DB塊（圖2），數據日志的名稱、列標題文本和記錄的所有數據元素的數據類型，分別由Name、Header參數和Data分配。

圖2 創建DB塊

4.2.2 創建和初始化數據日志文件

執行DataLogCreate操作后，系統會自動打開數據日志文件（圖3）。

完成數據日志的創建需多個掃描周期，且DONE位僅在一個掃描周期內有效，因此可通過編程捕獲“DataLogCreate”指令的DONE信號位（圖4）。

如果日志創建過程中存在錯誤，則保存狀態輸出（圖5）。

4.2.3 以固定頻率觸發寫入指令（圖6）

圖3 日志文件的初始化

圖4“DatalogCreate”指令的DONE信號位

圖5 錯誤狀態的保存

圖6 定期觸發寫入指令

4.2.4 將新過程值存儲在MyDatalog結構中（圖7）

4.2.5 將數據寫入日志文件（圖8）何時開始執行寫入命令取決于何時完成Data?LogCreate操作。數據日志的創建操作將跨越多個掃描周期，并且必須在執行寫入操作之前完成。REQ輸入的上升沿信號是創建操作已完成的信號。

4.2.6 打開已有數據日志文件必須先將數據日志文件打開后，才能執行Dat?aLogWrite操作。執行DataLogCreate操作后，系統會自動打開數據日志文件。但如果PLC執行RUN-STOP切換或PLC循環，上電后會自動關閉數據日志文件，所以為保證系統每次上電后，可正常執行數據寫入操作，故采用了DataLogOpen命令（圖9）。

4.2.7 啟用PLC Web服務器功能（圖10）

4.2.8 通過S7-1200 CPU Web服務器查看所創建的數據日志文件（圖11）

5 結語

我們采用西門子S7-1200系列PLC作為控制器，利用其數據日志功能，實現了對儀表測量數據的記錄，這種方法具有成本低、存儲容量大、記錄時間長、可靠性高等特點。

圖7 存儲新過程值

圖8 數據的寫入

圖9 打開已有數據日志

圖10 啟用Web服務器功能

圖11 查看日志文件