（一）S7-300PLC在变电站中的应用
某油田有150多座变电站，承担着油田整个油区、社区及生活区部分居民的用电，油田电网的安全运行对于保证原油产量持续上升和居民安居乐业起着至关重要的作用。
油田变电站中的AEUD-WIII全自动智能免维护直流屏采用模块化设计、数字化控制，智能化程度高。该直流电源具有先进的系统监控功能，着重电池在线管理、接地选线、“四遥”通信、告警显示和事故追忆等功能进行开发，使得系统安全性、可靠性更高。
该系列全自动智能免维护直流屏采用SEIMENS公司生产的OP170B型人机界面,该监控模块具有结构紧凑、显示分辨率高、可靠性高、寿命长等优点。通过人机界面可以完成整流模块启动，充电状态显示，查看报警信息，手动电池巡检，绝缘监察、接地选线、报警试验、报警复位等直流屏的所有操作，并能显示直流屏的原理图及各个运行参数和各种故障信息。控制模块采用S7-300系列模块，进行数字和模拟信号的采集及输出。
硬件系统构成
1.PLC配置
变电站直流监控系统的PLC采用西门子公司的S7-300PLC。根据系统要求，PLC总体配置如下：
①中央处理模块（CPU）：选用CPU314。
②数字量输入模块（DI）：选用SM321，共1块（16点/块），处理4点输入信号。
③数字量输出模块（DO）：选用SM322,共4块（16点/块），处理56点输入信号。
④模拟量输入模块（AI）：选用SM331,共1块（8点/块），处理8点输入信号。
⑤模拟量输入、出模块（AI）：选用SM334，共1块（4点入和2点出/块），处理2点输入和2点输出信号。
2.操作屏配置
操作屏采用两个OP170B，一个安装在控制柜；一个安装在监控中心。
3.监控系统软件
变电站直流监控系统的软件主要有两部分：显示单元和软件单元。
1）显示单元
操作屏采用工业级人机界面，主要完成直流系统运行监控、故障报警、记录和排除提示、参数设置、模拟键盘操作、数据记录处理、累计运行时间控制等任务。
显示单元包括主画面、电池巡检画面、电池组电压记录画面、绝缘监察、当前报警画面、历史报警画面、累计运行画面等画面。
2）控制软件单元（只给出部分功能软件）
软件单元由系统时钟读取、整流器控制、电池巡检、绝缘监察、接地选线、限流电阻控制、累计运行时间、当前报警处理、历史报警信息处理、报警试验等程序构成。
（1）整流器控制。
给定延时
A“F1_k1”
AN“F1_k2”
=“DO_k1”
主充电机给定
A“DI_k1”
JNB_001
CALLFB21，DB21
_001:NOP0
主充电机给定复位
AN“DI_k1”
AN“DI_k2”
=
BLD102
S“float_charge”
JNB_004
L0
T“ug_hm0”
_004:NOP0
JNB_005
L0
T“ug_hm1”
_005:NOP0
JNB_006
L0
_006:NOP0
主浮充转换
A(
O“DI_k1”
O“DI_k2”
)
JNB_003
CALLFB20，DB20
_003:NOP0
（2）巡检：能够自动（每天定时）和手动进行电池巡检（部分程序）。
每天10点自动电池巡检
A(
LMW22
L10
==I
)
AN“scan_”
S“scan_start”
按下面板电池巡检键，手动进行电池巡检
A(
A“F3_bat_scan”
O(
A“F3_bat_scan”
)
)
AN“scan_”
S“scan_start”
电池巡检开始
A“scan_start”
JNB_001
CALLFB23，DB23
_001:NOP0
电池巡检开始，画面转到电池巡检画面
A“scan_start”
JNB_002
L2
TMW102
_002:NOP0
电池巡检结束,复位电池组序号
LMW186
L18
==I
=
JNB_003
L0
TMW116
_003:NOP0
JNB_004
TMW118
_004:NOP0
BLD102
LS5T”(Head1字节)+“W”(类型1字节)+起始地址(2字节)+数据(4字节)+校验核(累加和)。
PLC：收到命令且校验核正确，原封不动返回接收到的全部9个字节。
命令1：PC:“W”0x10ff0xffff+0xffff+Check_sum；开始测试；
命令3：PC:“”(Head1字节)+“R”(类型1字节)+起始地址(2字节)+0x00000000(4字节)+校验核(累加和)。
PLC：收到命令且校验核正确，返回0-19号接触器的状态,“1”:闭、“0”:开。
命令1：PC:“R”0x20ff0xffff+0x000f+Check_sum；表示0-19号接触器全部闭合。
PLC返回:“”作为起始字符，占用一个字符。
②通信类型由“W”和“R”区分。
③整个命令采用和校验的方式,每次将校验和放在最后一个字节。
④测试时，不一定20个测试断路器全部存在，如不存在，必须将旁路接触器(固态继电器)接通，否则不能正常工作。在命令1中可以设定0-19号接触器的存在情况，“0xffff+0x000f”表示0-19号被测断路器全部存在，这样的表示方法给PLC处理带来了较大的方便。
在程序中，将4个字节存入MW中，命令中的5个16进制“f”(对应二进制20个“1”)可以分配到每一位。“1”表示被测试器存在,“0”表示不存在。
4.控制系统完成的功能
测试系统每路测试单元的结构相同,如下图所示。左边为每路的指示灯,正常工作为绿色,跳闸则为红色，(～)未选中则都不显示。右边分别为被测断路器，旁路接触器(～)，旁路固态继电器(～)。辅助触点是被测断路器用来检测当前断路器的闭合还是断开(～)，灯、接触器、继电器、辅助输入的地址依次增加。
程序中我们考虑用循环加上间接寻址的方法来实现：
L+20
TMB0//循环次数
L20000_0000_0100_0000()//输出绿灯起始地址
TMD6
L20000_0000_0010_0000()//输出接触器起始地址
TMD14
L2#0000_0000_0010_0000()//输出固态继电器起始地址
TMD18
NEXT:
LMD2
INC1
TMD2//辅助输入地址加1
LMD6
INC2
TMD6//绿灯输出地址加2
LMD10
INC2
TMD10//红灯输出地址加2
LMD14
INC1
TMD14//控制接触器输出地址加1
LMD18
INC1
TMD18//控制固态继电器输出地址加1
LMB0
LOOPNEXT//20组做完吗?
…
应用了此结构使得程序变得非常简洁，调试非常方便，一旦某一功能改变,修改方便,如果用实际地址的话每组的相应的地方都得修改。
小结
CP340的应用使得西门子产品与其他设备沟通方便，STEP7间接地址编程方法非常有效，断路器极限电流测试系统统在2005年完成后实际运行效果良好。
（三）S7-300PLC与DCS串行通信
随着PLC和DCS生产厂家在通信软件上的日趋完善及电力工程在设备招投标力度上的加强，设备成套厂家大力推荐使用串口通信作为PLC和DCS之间的信号连接。本例以DH电站一期2×600MW机组项目中锅炉等离子点火系统使用的西门子S7-300PLC（CP341通信卡件）与西门子DCS控制系统TELEPERMXP（CM104通信模件）间的通信为例，介绍实施MODIBUSRS-232C/RS-485通信的具体步骤，对系统的硬件配置、连接、软件组态进行描述。
系统连接
TELEPERMXP配置的模件通信处理器CM104作为“主站”（MASTER），支持MODBUS协议，并提供6个9针RS-232C串行接口（Serial3～Serial8），如下图所示。由于通信距离超过15m，在S7-300PLC的配置中与DCS的通信卡选用CP341-RS422/485卡件作为“从站”（SLAVE），该卡件提供一个1个15针串行接口，同样支持MODBUS协议，设计中使用PHOENIX公司的PSM-EG-RS-232C/RS-485-P/ZD模块作为RS-232C转为RS-485接口的适配器。
适配器内部跳线设置：RS-485BUS-END为ON，DTE/DCE选择为DCE即数据电路终接设备方。CM104与适配器间使用标准9针串口线连接，CP341与适配器进行RS-485通信时，选用2芯屏蔽电缆，接线如下图所示。
CP341模块应用简述
CP341是S7-300点到点通信模块，硬件接口采用RS-232、TTY、RS-422/RS485（X27）方式；软件协议有MODBUS，3964（R）、R512K和ASCII；本工程应用MODBUSSLAVE协议。
MODBUS是一种工业现场总线通信协议，为主/从模式，主站发出请求后，从站应答请求数据，数据应答内容依据功能码进行响应，下表是CP341应用的功能码所对应数据类型。
表CP341应用的功能码所对应数据类型
功能码
数据
数据类型
存取
地址
01，05，15
线圈（输出）状态
位
输出
读/写
0XXXX
02
输出状态
位
输入
只读
1XXXX
03，06，16
保持寄存器
16位寄存器
输出寄存器
读/写
3XXXX
FC21FCwithSEND
FC22FCwithRECEIVE
DB21，DB22InstanceDBsforthestandardFBs
DB40，DB41WorkDBsforthestandardFBs
DB42ThesourceDBfors
DB43ThedestinationDBforreceiveddata
OB1CyclicOB
OB100Restart(warmstart)OB
VAT1Variablestable
FB7，FB8StandardFBsforRECEIVE，SEND
SFC58，59SFCsforthestandardFBs
对在“Blocks”编程后，将CPU置于“RUN”位置，CP341即可以进行串口的通信。
(2)通信参数的编程
ModbusSlaveAddress:1
Port:RS485
Baudrate:19200
DateBits:8
Parity:None
2.CM104软件组态
对CM104的控制组态包括硬件组态及各类输入输出组态,在此不作介绍。而通信参数的组态主要是通过其编程接口Serial1写入文件，共涉及14个组态项目，有些是常规的组态项目，可以是系统的缺省值。例如使用了以下是必须要完成的组态项目:
ModbusMasteron(Serial5)
[ModbusMaster_3]
PortAdr=0x380
Irq=5
Baudrate=19200
Parity=NONE
StopBits=1
DataBits=8
RCS-Offset=-1；Modifierforaddressesrelatedtofunctioncode1(readcoilstatus)
RIS-Offset=-1；Modifierforaddressesrelatedtofunctioncode2(readinputstatus)
RHR-Offset=-1；Modifierforaddressesrelatedtofunctioncode3(readholdingregister)
RIR-Offset=-1；Modifierforaddressesrelatedtofunctioncode4(readinputregister)
FSC-Offset=-1；Modifierforaddressesrelatedtofunctioncode5(forcesinglecoil)
PSR-Offset=-1；Modifierforaddressesrelatedtofunctioncode6(presetsingleregister)
RtsCts=1
Delay=200
Timeout=1000
Dummys=5
实施过程中的注意事项
当连接和组态工作正确无误后，PLC和DCS会进入正常的数据通信状态。这可以从卡件的状态灯上反映出来。
CP341上有三个状态指示灯，分别是：SF(RED)表示错误状态；TxD(GREEN)表示数据在传送；RxD(GREEN)表示数据在接收。通信正常时为TxD和RxD状态灯交替闪烁。
CM104上的状态指示灯分别为：POWER(ORANGE)表示CM104已经供电；RESETR（RED）表示复位；HDD（GREEN）表示启动时对内部存储器的读写；SCSI（GREEN）表示外接SCSI设备后的状态；LAN（GREEN）表示与TXP总线的连接状态，正常时为绿色闪烁；LAN100（GREEN）表示连接速率；USER1（GREEN）表示与TXP通信的状态，正常时为无显示；USER2（GREEN）表示与第三方设备通信的状态，正常时为无显示。
PHOENIX接口适配器上有两个灯，分别是：CTS(ORANGE)表示数据在传送；RTS(GREEN)表示数据在接收。通信正常时为CTS和RTS状态灯交替闪烁。
当通信不正常时，卡件的状态指示灯立即显示错误状态。此时应先检查硬件错误再检查软件错误。如通过软件组态功能块的诊断信息来查找故障原因。在软件编程方面，要注意以下两点：
①要确保PLC和DCS的通信速率一致，建议使用9600bit/s或19200bit/s的速率，而且最好不要增加奇偶校验；
②要保证通信数据地址的有效性，地址的偏置可以在CM104中设置。
在硬件方面，要注意以下方面：要确保使用屏蔽的ITP电缆；同时要注意在接线时一定要正端连接正端，不要接反。
小结
通信实施后，在传输信号的质量上以及维护上都有了比较明显的改善，但系统还有其他协议转换装置时，在实时性方面略显不足。该方案S7-300PLC上所有监视、控制都可以在DCS上进行，同时工程费用同硬接线比较显著降低。
（四）S7-300/400PLC在永久船闸系统中的应用
1.船闸控制系统组成
船闸每线船闸电气控制系统主要由一个集中控制系统、12个现地子站控制系统、14套排水控制系统、一台桥式起重机和4个防撞警戒装置组成。
每线船闸的自动监控装置均由1套集中控制主站、12套现地控制子站及通航信号装置、广播指挥设备、船舶探测及工业电视监控管理装置和其他外围设备组成。集中控制主站由二个冗余S7-400PLC组成，现地控制子站由12个冗余S7-400PLC组成。排水控制系统、桥式起重机、防撞警戒装置由S7-300PLC组成。
系统主要功能负责完成每线船闸连续过闸作业的实时过程数据采集、集中控制、操作等功能，以及集中控制系统与现地控制系统的通信控制。子站的主要工作为控制操作本闸首的液压泵站、人字工作闸门、输水工作阀门、防撞装置和通航信号指挥等设备。为确保系统安全运行、及时采集各种信息，集中控制系统与现地控制系统通过冗余双环光纤工业TCP/IP以太网络及光纤切换模块(OSM）和光纤冗余管理模块（ORM）连接，系统框图如下图所示。
闸门关闭条件：阀门、锁定装置处于非运行状态，本闸首子站无B类故障。
阀门开启条件：相邻闸阀门关终、闸门锁定装置非运行状态、本闸首子站无B类故障。
阀门关闭条件：闸门锁定装置非运行状态、本闸首子站无B类故障。
船闸控制系统的基本配置
每个集控控制站由4个电源模块、2个中央处理器（CPU-417H）、4个通信模块（CP443-1）、2个ET200远程站、8个数字量输入模块（DI）、6个数字量输出模块（DO）、2个操作员面板PC670等组成。每个现地控制子站由1个电源模块、1个中央处理器（CPU-417H）、2个通信模块（CP443-1）、4个ET200远程站、2个模拟量输入模块（AI）、2个模拟量输出模块（AO）、15个数字量输入模块（DI）、8个数字量输出模块（DO）、2个SM338模块、操作员面板TP37等组成。
为确保系统稳定性利用S7-417H的冗余、容错特点，集控控制站2个相互冗余。现地控制子站同一个闸首的两侧两个PLC通过两条光缆实现同步。位于两个CPU上的分布式处理DP接口分别与一条PROFIBUS现场总线相连，实现CPU与现场I/O的冗余通信；采用TCP/IP通信协议的冗余工业高速以太网以太光纤网相连，实现PLC之间与计算机监控系统的通信。现地子站控制系统PLC配置图如下图所示。
每个子站作为一线船闸整体运行自动监控系统的一个基本控制单元，除具有现地操作控制的基本功能外，还应能接受集控站的程序控制指令，自动地对人字工作闸门、输水廊道工作阀门、防撞警戒装置、通航指挥信号装置等现地设备进行操作和控制；采集液压站系统信息、现场闸阀门开度、位置信息、水位检测数据以及相邻闸首保证安全运行的闭锁信息，经预处理后输出操作执行指令。并向集控站反送现场信息，集控站依据这些信息，作出控制决策，自动完成船闸整体运行的监控任务，使船只（队）高效、安全顺利通过。
西门子PLC在船闸系统中的控制特点
1.左右闸首PLC实现硬件热备及事件同步
左右闸首两个PLC站实现无条件的全自动无扰动切换。当互为热备的两个PLC站中的一个站作为主站工作时，同时控制闸门两边的人字门。在两个PLC站上的光联同步模块同步作用下，安装在对岸作为从站CPU的所有数据和工作状态均与主站CPU完全相同，但从站输出被禁止。当主站不能正常工作时(如电源无、CPU坏、DP口坏、同步模块坏)，由于采用事件同步机理，从站将由系统无条件地自动切换为主站，切换时间为≤10ms。
PLC站上所有模块均可带电拔插，原来主站修复后作为从站工作，当前主站CPU程序及过程数据将自动灌装给修复后的从站CPU，使从站CPU数据和工作状态与主站一致。
2.PLC的编程、维护十分简便
由于S7-417H的CPU是专为冗余系统设计的，其CPU硬件系统和固化在CPU内部的操作系统保证了系统用户好像面对一个非冗余的单机系统一样编程。冗余系统的管理工作完全交给系统自动去完成，换言之，用户可选软件包对冗余系统进行简单参数设置后，对互为热备的任何一个CPU下装程序后，程序将自动拷贝到另一个CPU。因此，用户程序可方便地由单机程序转换成冗余CPU程序，反之亦然。
S7-417H完全支持在线编程、组态和调试，所有模块(包括网络通信)均可带电拔插，并不需作任何初始化的工作，使现场维护十分方便。CPU417H操作系统升级也可在线进行。
3.采用先进的网络技术
通过PROFIBUS冗余网络连接I/O，使系统结构简单可靠。两条PROFIBUS-DP网线同时与IM153-3两个DP接口相连，每个测点从两个传感器获取的输入信号分别就近送入ET-200站的输入模块，并通过IM153-3和冗余PROFIBUS-DP网线同时分别传送到每一个CPU。
在两个PROFIBUS-DP网正常工作，但其中一个IM153-3的一个DP口出现故障时，系统并不实行CPU或PROFIBUS-DP网之间的切换。IM153-3会采用另一个DP口通过一条DP网将数据送到相应的CPU上，并通过光纤热备线将数据由从CPU传送给主CPU。同时，该DP口的输出被唯一激活。当两DP网上不同的网段和DP口出故障时，可分别采用另一网段或DP口与CPU通信，大大提高了网络可靠性，而不是一个简单的双网，从而最大程度减少了CPU的切换，大大减少了因CPU切换造成的CPU同步时间，提高了CPU运行效率。
当某一IM153-3模块完全损坏，由于系统为同一测点配置了两个传感器，另一个IM153-3模板从与之相连的传感器获取信号，并经与之相连的双冗余PROFIBUS-DP网将信号传送给两个CPU。IM153-3模板可在线更换，IM153-3的两个DP接口也可在线更换，易于修复系统。
4.PLC输入输出单元的通信
位于两个CPU上的分布式处理DP接口分别与1条PROFIBUS现场总线相连，实现CPU与现场I/O的冗余通信。两条PROFIBUS-DP网线同时与ET-200M站上冗余配置的IM153-2模块相连，这样输入输出信号通过冗余的IM153-2及PROFIBUS-DP网线同时与两个互为热备的CPU通信；当与主CPU通信的IM153-2模块出现故障时，系统并不实行CPU或PROFIBUS-DP网之间的切换，而是自动通过另一条DP网将数据送到相应的CPU上，并通过光纤热备线将数据由从CPU传送给主CPU。从而最大程度减少了CPU的切换（CPU切换时会产生CPU同步时间差），提高了CPU的运行效率。IM153-2模板可在线更换，PROFIBUS网也可以在线更换，易于修复系统。现地子站通信网络图如下图所示。
程序运行时，对两侧人字门开度差进行检测，根据开度差，经PID运算后给定比例泵电压调整值，改变人字门运行速度。同时限定调整值的变化范围和幅度，防止人字门运行过快和抖动。当人字门开度差超过设定范围20mm时A类报警。
