工业数据采集与标识解析 课件4.1环境及能耗数据采集

项目4生产能源数据采集【知识目标】

掌握温湿度传感器的使用方法。

掌握Lora数据传输的通信原理。

掌握振荡传感器的通信方法。

掌握WIFI转485通信的方法【能力目标】

能应用温湿度传感器进行数据读取。

能应用Lora透传模块进行信号灯控制。

能应用振荡传感器进行数据读取。【素质目标】

培养学生对新技术、新工艺不断学习的创新意识。

培养学生精益求精的工匠精神。

培养学生发现问题解决问题的能力。任务4.1环境及能耗数据采集针对工业生产过程中需采集的温度、湿度等环境数据，电压、电流、总电能、功率因数等能耗数据，应用西门子1500PLC、触摸屏、温湿度传感器、电能表等硬件资源，通过系统搭建、程序编写、调试优化，完成环境及能耗数据的采集，并在触摸屏进行实时显示。4.1.1任务要求1.任务要求1500PLC优势SIMATICS7-1500采用模块化结构，各种功能皆具有可扩展性。每个控制器包含一个中央处理器(CPU)，用于执行用户程序，一个或多个电源，信号模块，用作输入/输出以及相应的工艺模块和通信模块。内置CPU显示屏，可快速访问各种文本信息和详细的诊断信息，以提高设备的可用性同时也便于全面了解工厂的所有信息。其带有多达3个PROFINET接口，其中，两个端口具有相同的IP地址，适用于现场级通信；第三个端口具有独立的IP地址，可集成到公司网络中。S7-1500的信号处理速度更为快速，极大缩短系统响应时间，进而提高了生产效率。1.1500PLC认知4.1.2知识准备（3）1500PLC选型1）CPU选型用户程序运行在CPU模块中，CPU模块内没有程序装载存储器，程序存储在专用的存储卡中里。CPU目前有多种型号：CPU1511-1PN、CPU1513-2PN、CPU1516-3PN/DP等，不同CPU指令执行速度，各种地址空间尺寸，内存大小，集成通讯口种类个数等方面不同，具体型号需根据实际设备需求参考对应的CPU手册进行选择。2）I/O模块用户程序处理的是输入/输出(I/O)信号直接的逻辑关系，系统需配置I/O模块，S7-1500的CPU模块自身没有集成I/O，I/O信号输入通过拓展I/O模块进行输入输出。1.1500PLC认知4.1.2知识准备（3）1500PLC选型①数字量输入(DI)：也就是开关量(还有称作离散量)信号输入，常用的型号有DI32x24VDCHF、DI16x24VDCHF、DI16x230VACBA、DI16x24VDCSRCBA，其中：DI：Digitalinput，数字量输入；32x24VDC：共32个输入通道(点)，电压规格为直流24V；16x230VDC：共16个输入通道(点)，电压规格为交流230V；BA：Basic，基本型；HF：Highfeature,高性能型；SRC：SourceInput，源型输入，未标识为漏型。1.1500PLC认知4.1.2知识准备②数字量输出(DQ)：开关量信号输出，常用的型号有DQ16x24VDC/0.5AST、DQ32x24VDC/0.5AST、DQ8x24VDC/2AHF、DQ8x230VAC/2AST、DQ8x230VAD/5AST，其中：DQ：DigitalOuput,数字量输出；16x24VDC：共16个输出通道，输出电压为DC24V,容量每个通道最大0.5A；HF：HighFeature,高性能型，通常意味着模块带诊断功能。相对应的是ST(Standard，标准)型，无诊断功能；③模拟量输入(AI)：连续量输入，如电压-10V～+10V,4～20mA等，常用型号有AI8xU/IHS、AI8xU/I/RTD/TCST，其中：AI：Analogueinput，模拟量输入模块；8xU/I：8个通道，支持电压或电流型号输入。④模拟量输出(AQ)：连续量输出，常用型号有AQ4xU/IST、AQ8xU/IHS1.1500PLC认知4.1.2知识准备4.1.2知识准备1500PLC通过协议转换网关，采集电能表、温湿度等传感器的数据，PLC与协议转换网关间应用PROFINET协议，协议转换网关与传感器间应用MODBUS_RTU协议，协议转换网关负责协议的转换。本任务选用SG-PN_MOD-221网关，可以实现将MODBUS_RTU接口设备（RS232/RS485）连接到PROFINET网络中，使用方便，配置简单。2.协议转换网关4.1.2知识准备Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言，通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信，它已经成为一通用工业标准。应用此协议不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。Modbus协议分很多版本，总的来说是一种应用层协议。从OSI七层模型来看，位于第七层应用层。它定义了在不同类型的总线或网络上连接的设备之间提供“客户端/服务器”通信。3.MODBUS-RTU通信4.1.2知识准备（1）传输方式传输方式是一个信息帧内一系列独立的数据结构以及用于传输数据的有限规则，以RTU模式在Modbus总线上进行通讯时，信息中的每8位字节分成2个4位16进制的字符，每个信息必须连续传输下面定义了与Modebus协议–RTU方式相兼容的传输方式。每个字节的位包括1个起始位、8个数据位，最小的有效位先发送、1个奇偶校验位，无校验则无、1个停止位（有校验时），2个Bit（无校验时）。错误检测域为CRC(循环冗长检测)3.MODBUS-RTU通信4.1.2知识准备（2）协议当信息帧到达终端设备时，它通过终端从机地址寻址到的设备，该设备去掉数据帧的数据头，读取数据，如果没有错误，就执行数据所请求的任务，然后，它将自己生成的数据加入到取得的数据中，把数据帧返回给发送者。返回的响应数据中包含以下内容：终端从机地址(Address)、功能码(Function)、执行命令生成的被请求数据(Data)和一个校验码(Check)。表4.1-1Modbus协议说明3.MODBUS-RTU通信终端从机地址(Address)功能码(Function)执行命令生成的被请求数据(Data)一个校验码(Check)8-Bits8-BitsNx8-Bits16-Bits4.1.2知识准备1）地址域(信息地址)在帧的开始部分，由8位组成，有效的从机设备地址范围0-247(十进制)，各从机设备的寻址范围为1-247。主机把从机地址放入信息帧的地址区，并向从机寻址。从机响应时，把自己的地址放入响应信息的地址区，让主机识别已作出响应的从机地址。2）MODBUS功能码说明表4.1-2MODBUS功能码说明表3.MODBUS-RTU通信功能码（十六进制）功能码（十进制）功能说明0x033读保持寄存器（1个或多个）0x055强制单个线圈0x066写单个寄存器0x1016写多个寄存器4.1.2知识准备3）数据域包含了终端执行特定功能所需要的数据或者终端响应查询时采集到的数据。这些数据的内容可能是数值、参考地址或者极限值。他由数据区有2个16进制的数据位（2的8次方256），数据范围为00-FF(16进制)。例如：功能域码告诉终端读取一个寄存器，数据域则需要指明从哪个寄存器开始及读取多少个数据，内嵌的地址和数据依照类型和从机之间的不同能力而有所不同。若无错误出现，从机向主机的响应信息中包含了请求数据，若有错误出现，则数据中有一个不正常代码，使主机能判断并作出下一步的动作。3.MODBUS-RTU通信4.1.2知识准备3）数据域包含了终端执行特定功能所需要的数据或者终端响应查询时采集到的数据。这些数据的内容可能是数值、参考地址或者极限值。他由数据区有2个16进制的数据位（2的8次方256），数据范围为00-FF(16进制)。例如：功能域码告诉终端读取一个寄存器，数据域则需要指明从哪个寄存器开始及读取多少个数据，内嵌的地址和数据依照类型和从机之间的不同能力而有所不同。若无错误出现，从机向主机的响应信息中包含了请求数据，若有错误出现，则数据中有一个不正常代码，使主机能判断并作出下一步的动作。备注：波特率：1：4800bps;2:9600bps（默认）；3：19200bps;4:38400bps;5:57600bps;6:115200bps3.MODBUS-RTU通信从机地址功能码寄存器起始地址高字节寄存器起始地址低字节寄存器数量高字节寄存器数量低字节CRC校验低字节CRC校验高字节01H03H0BHB8H00H01HC5HCEH4.1.2知识准备3.MODBUS-RTU通信寄存器功能寄存器地址（十进制）寄存器地址（十六进制）寄存器长度数据类型读/写支持功能码支持（十进制）A相电压81922000H2float读/写3/6/16A相电流81942002H2float读/写3/6/16瞬时总有功功率81962004H2float读/写3/6/16瞬时总无功功率81982006H2float读/写3/6/16瞬时总视在功率82002008H2float读/写3/6/16总功率因素8202200AH2float读/写3/6/16保留8204200CH2float读/写3/6/16电网频率8206200EH2float读/写3/6/16保留82082010H2float读/写3/6/16有功总电能163824000H2float读/写3/6/16电能清零Clr.E20002H1int读/写3/6/16波特率12000CH1int读/写3/6/16备注：波特率：0：1200bps;1:2400bps;2:4800bps;3:9600bps4.1.3任务实施（1）硬件准备1.任务准备序号名称型号数量备注1协议转换网关

1GSD文件2PLCS715001

3交换机8口交换机1配套网线（2）软件准备序号名称型号数量备注1博途V1614.1.3任务实施（1）协议转换网关GSD文件管理2.系统安装协议转换网关的GSD文件导入至博途软件中.①打开任意博途项目，选择GSD文件管理。4.1.3任务实施（1）协议转换网关GSD文件管理2.系统安装②安装协议转换网关的GSD文件。4.1.3任务实施（2）协议转换网关组态与参数配置2.系统安装通过配置两种协议参数，使协议转换网关既能与PLC通信，也能与传感器通信。①协议转换网关的硬件组态，将硬件SG-GATEWAYMaster(h750)从硬件目录中添加到网络视图中。4.1.3任务实施（2）协议转换网关组态与参数配置2.系统安装②将协议转换网关分配至数据管理单元PLC，切换至设备视图后设置该模块IP地址。4.1.3任务实施（2）协议转换网关组态与参数配置2.系统安装③此处协议转换网关为主站，设置通信参数；主要通信参数为：◼波特率：9600◼数据位：8个◼校验：无校验◼停止位：1位4.1.3任务实施（2）协议转换网关组态与参数配置2.系统安装④根据电能表寄存器地址表，设置通信模块参数。电能表站号：2寄存器范围：2000H~200EH（8192~8206）数据类型：REAL（float）读取功能码：03HPLC的I区地址范围：IB134~IB1674.1.3任务实施（2）协议转换网关组态与参数配置2.系统安装⑤根据电能表寄存器地址表，设置通信模块参数。电能表站号：2寄存器范围：4000H（16384）数据类型：REAL（float）读取功能码：03HPLC的I区地址范围：IB170~IB1734.1.3任务实施（2）协议转换网关组态与参数配置2.系统安装⑥根据电能表寄存器地址表，设置通信模块参数。电能表站号：2寄存器范围：0002H（2）数据类型：INT读取功能码：10HPLC的Q区地址范围：QB180~QB1814.1.3任务实施（2）协议转换网关组态与参数配置2.系统安装⑦根据温湿度寄存器地址表，设置通信模块参数。电能表站号：1寄存器范围：0BB8H~0BB9（3000~3001）数据类型：INT读取功能码：03HPLC的I区地址范围：1B190~IB1934.1.3任务实施3.系统编程读取电压、电流、有功功率、无功功率、是在功率、功率因素的值。4.1.3任务实施3.系统编程读取总电能及电网频率4.1.3任务实施3.系统编程读取温湿度，因温湿度为扩大10倍上传，需除以10转换为浮点数输出4.1.3任务实施4.系统调试（1）下载程序并更改设备名称4.1.3任务实施4.系统调试（2）在线监