SIMATIC WinCC Powerrate使用入门3 –负荷管理

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1. Powerrate基本介绍n

随着全球性气候的变暖以及能源的大量消耗，节约能源和保护环境成为全世界的共识，能源的合理使用和有效管理已经被提上了日程。西门子SIMATIC WINCC powerrate正是应用在能源管理方面的软件。SIMATIC WINCC powerrate 是SIMATIC WINCC软件的选件，与相应的STEP7程序结合处理来自现场设备的能源数据，并在OS面板上显示，能源趋势与限值比较，负荷管理，归档，报表以及费率设置和费用计算等功能。全集成的设计使操作简单方便。SIMATIC WINCC Powerrate的应用使现场的能源消耗透明化，为合理有效利用能源提供基础和依据。 SIMATIC WINCC Powerrate包含如下信息： • 时间同步模块 • 获取和处理能源数据的模块 • 显示和处理能源数据的面板 • Excel表格生成能源消耗费用图表以及负载周期曲线 • 实现负荷管理的组件和视图（包括计算趋势，限值监测，比较，报警，费率限值设定等）

图1n

2. SIMATIC WinCC Powerrate Load management负荷管理
通过Powerrate的程序块PRE_SUM / PR3_SUM将现场各应用环节的能源数据采集上来，然后针对其中相关的环节进行负荷管理，负荷管理的功能包括各负荷实际耗能趋势计算，将实际耗能趋势与设定的峰谷时断的耗能限值进行比较，当耗能超过设定的限值时，系统会自动报警，同时根据负荷的优先级断开相应负荷（例如，在系统中处于非重要位置的负荷）并在能耗降低后再将这些断开的负荷连接到系统中。这些功能一部分通过STEP7的程序块来完成，另外一部分需要在WinCC的图形编辑器中通过对应的面板视图进行配置。
下面以S7 -400 PLC 为例介绍如何编写STEP7程序以及如何在WinCC中配置。n

2．1 创建STEP 7项目
首先需要注意的是在STEP 7中创建新项目之前，一定要将电脑的操作系统的语言和区域设置选择为英语（或者德语）。目前SIAMTIC WinCC/PCS7 Powerrate只支持英语和德语，如果在中文环境下建立项目会导致语言不兼容，从而OS中功能块的面板上内容显示不完整，丢失相应的文本信息。n

图2. 语言和区域设置n

下面介绍创建STEP 7项目的操作步骤。
1) 打开STEP 7，新建项目，命名为test3，插入S7-400站。n

图3. 插入S7-400站n

2) 组态硬件配置并编译下载。n

图4. 硬件配置n

3) 完成上述步骤后，打开库项目Open ProjectLibrariesSIMATIC WinCC powerrate（安装完SIMATIC WinCC powerrate）打开SIMATIC WinCC powerrate库，这个库项目包含S7-300和S7-400两种PLC配置所支持的程序块。n

图5. SIMATIC WinCC powerrate Libratiesn

打开库中的S7-400项目，将所有程序块拷贝到已经建好的test项目中。n

图6. 拷贝程序块n

同样，将程序块的源文件拷贝到建好的test项目中。n

图7. 拷贝源程序n

粘贴完程序块以后开始编写程序。程序块FB1065(PRE_LMGM)是用于负荷管理
的程序块。 该程序块内部调用了：n

FC1 AD_DT_TM
(IEC function from the STEP 7 Standard Library)
SFB31 NOTIFY_8P
SFB35 ALARM_8P
SFC6 RD_SINFO
SFC20 BLKMOV
SFC21 FILL
SFC51 RDSYSST

以上程序块的内容并不需要用户编程和修改。Powerrate的库程序中提供了FB1065(PRE_LMGM)的源程序。用户可以根据实际应用修改源程序，例如，连接的负荷数量，能源数据存放的地址和类型（PRE_SUM程序块中获得总能源数据的类型，脉冲，整形，模拟量，变量求和）。
首先打开FB1065(PRE_LMGM)的源程序 ，如下例（左侧为初始的源程序，右侧为修改后的源程序）：n

图8. PRE_LMGM的源程序n

修改后编译保存源程序，程序块FB1065(LMGM)在FC1002中调用。FC1002程序块在OB35和OB100中被调用。n

图9.程序结构n

FC1002程序中最多可以连接100个负荷。每个负荷都有相关输入参数和输出参数。输入参数包括负荷变量地址，负荷的优先级，额定容量，操作模式，最小连接时间，最小断开时间，最大断开时间等，输出参数包括连接状态，最小连接时间反馈，最大连接时间反馈，最大断开时间反馈等。在这里不详细介绍管脚参数，这些参数在FC1002中不可以修改。所以在WinCC的面板中再做详细介绍。n

图10. FC1002n

做好上述的AS配置和编程后，下面的工作就是如何配置OS。n

4) 在test3项目中插入SIMATIC PC Station。n

图11.插入PC站n

5) 组态配置并编译下载，在配置目录HMI选项中根据实际项目选择WinCC Appl.(WinCC应用)。在本例中选择WinCC Application（Master server in a multi-station project）。配置通信网卡。注意将以太网网卡的IP地址和S7-400 CPU416-3PN/DP的IP地址设置在同一网段。n

图12.组态配置n

图13.NET PROn

6) 编译OS。
与HMI相关的数据必须从STEP 7上传到WinCC数据库。这就需要编辑OS操作。右键点击OS图标，在弹出的菜单中点击“Compile”编辑OS。n

图14.编译OSn

在编辑过程中完成以下功能：
•® 创建通信驱动SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE。
•® 创建通信通道单元，例如Industrial Ethernet,PROFIBUS等等。
•® 创建与S7程序的逻辑连接。
•® 为报警和归档系统创建raw data类型变量。
•® 创建结构类型变量。
•® 创建过程变量在变量管理器中。
•® 生成报警。
•® 传送报警和用户文本。n

OS编辑操作在新建项目时，在启动WinCC运行之前要执行，在以下操作后也要执行OS编辑。n

•® 添加新的背景数据块
•® 数据块名称改变
•® 数据块的控制和监视属性改变
•® 报警和用户文本改变
•® 控制和单元文本改变n

图15.编译OSn

在步骤2中可以选择通信驱动连接方式，例如选择通过以太网TCP/IP还是MAC地址通信等等。编译完成后会弹出是否成功的对话框，如果出现报错和警告可以打开日志查看相关内容。n

图16.编译成功n

以上步骤完成了SIMATIC WinCC powerrate在STEP 7中的操作。
2．2 在SIMATIC WinCC中的操作n

1） 右键点击OS图标，在弹出的菜单中选择“Open Object”打开OS项目。n

图17.打开OSn

在WinCC的界面中双击OS Project Edit，根据PC的显示器的属性选择项目运行时的画面分辨率，并点击OK确认。n

图18. OS Project Editorn

2） 配置用户归档。
负荷管理（Load management）的组态保存在“user archive ”用户归档中。因此，需要配置用户归档。也要安装“user archive ”的授权。
第一步：双击WinCC配置界面的“user archive”，即打开用户归档。n

图19. 配置用户归档n

第二步：导入Powerrate已经做好的用户归档：Project->Import……。在弹出的对话框中点击标注“…”的按钮来选择到如文件的路径。n

图20. 选择导入文件n

第三步：在路径：C:Program FilesSiemensWinCCPowerrateConfig.。如左侧图。选择UserArchiveConfigurationEnglish.uap。打开选择的文件。如右侧图。n

图21.选择归档文件n

第四步：点击“Load File”按钮装载文件，然后点击“Import”按钮导入文件。n

图22.导入文件n

第五步：保存用户归档的配置。n

图.23n

第六步：选择“PRE_CONFIG_LIST”，然后点击菜单“Runtime Data”->Import,,,,在弹出的对话框中点击标注“…”的按钮选择用户归档的EXCEL表格。n

图24. 选择EXCEL表格路径n

路径如图25所示：C:Program FilesSiemensWinCCPowerrateConfig，选择
“PRE_PRIO_LIST_English.csv”并打开。n

图25. 选择EXCEL表格n

在“Archive Selection”对应的下拉菜单中选择“PRE_PRIO_LIST”。点击“Import”
按钮。导入成功。n

图26. 导入表格n

图27. 用户归档n

3） 在画面编辑器中新建画面，可以重新命名。n

图28.新建画面n

4） 在画面编辑器中打开模板画面@Template_pre.PDL，拷贝画面中与S7-400对应的
BLOCK ICON并将其粘贴到上一步2）中新建的画面中。n

图29. 打开Template_pre模板画面n

图30. 画面模板n

图31.拷贝LMGM面板到新建画面n

5） 连接变量。
在新建的画面中，先选中PRE_LMGM面板（即鼠标左键单击PRE_LMGM面板），打开动态向导并切换到“Standard”界面（View->Toolbars->Dynamic Wizard），在这个界面中可以看到“Coect picture block to tag structure”功能，双击该功能，在弹出的对话框中点击输入域右侧的“…”按钮，在弹出的对话框中的“List of all tags”中选择与LMGM相对应的变量。点击“OK”按钮确认。在弹出的对话框中点击“Finish”按钮完成面板与变量的连接。保存画面的所有设置。需要注意的是一定要先选中画面中的面板再打开动态向导，否则“Coect picture block to tag structure”功能将不会出现。n

图32. 连接面板与变量n

图33. 选择变量n

6）编辑完新建的画面后，关闭画面。在WinCC 组态界面中双击“Picture Tree Manager”，在弹出的对话框中为项目的画面配置层级。鼠标右键点击 OS（1）图标，在弹出的菜单中点击“New Container” ® “Insert Into Node”。这时在 OS（1）图标下面会出现 Container0图标，可以重新命名。将“Unassigned Containers and Pictures ”中的新建画面拖到 Container0图标后面。点击保存按钮，完成画面层级的配置。关闭“Picture Tree Manager”。n

图34.配置画面层级n

图35.配置画面层级n

7）上面的配置基本完成后，激活WinCC运行系统。在LMGM的面板视图中可以显示能耗趋势和限值以及进一步的设置。n

图36.激活WinCC运行系统n

2．3 面板介绍
运行系统中面板与变量已经连接正常，面板显示当前功率数取和设定功率限值。n

当前功率趋势对应的PLC参数为 EST_PWR，是每个周期结束时计算的能耗功率趋势。
设定功率限值对应的PLC参数为HYS_LIMP，是当前费率对应下的能耗限值。
LMGM的面板包含以下的视图：n

•® Standard
•® Energy
•® Parameter
•® Bar para.
•® Tariff
•® List of priorities
•® Edit list of prio
•® Configuration
•® Alarmn

图37n

1）Standard面板视图，基于功率值的计算，显示当前负荷功率状态。n

图38. LMGM energy面板视图n

Actual，PLC参数为 CUR_PWR，当前总功率，柱状图中用绿色显示。
Trend ，PLC参数为 EST_PWR，周期结束时计算的功率趋势。柱状图用橙色显 示。
Limit ，PLC参数为HYS_LIMP，当前费率对应下的能耗限值。柱状图中用红色显示。
Difference，PLC参数为 P_DIFF，趋势与限值之间的差值。柱状图中用蓝色显示。
Shed， PLC参数为 P_SHED，根据负荷优先权可 以再次连接到系统的负荷。
Add ， PLC参数为 P_ON，根据负荷优先权的高低可以连接到系统的负荷 。 2)Energy面板视图，基于电能值的计算，显示当前负荷功率状态。n

图39. LMGM energy面板视图n

Actual，PLC参数为 CUR_VAL，当前总电能，柱状图中用绿色显示。
Trend ，PLC参数为 EST_VAL，周期结束时计算的电能趋势。柱状图用橙色显示。
Limit ，PLC参数为HYS_LIMW，当前费率对应下的能耗限值。柱状图用红色显示。
Difference，PLC参数为 W_DIFF，趋势与限值之间的差值。柱状图中用蓝色显示。
Shed， PLC参数为 W_SHED，根据负荷优先权可 以再次连接到系统的负荷。
Add ， PLC参数为 W_ON，根据负荷优先权的高低可以连接到系统的负荷 。n

3)Parameter面板视图，用于设定限值源，以及负荷通断的滞后与延迟等相关时间和限值。n

图40. LMGM parameter 面板视图n

Limit source，PLC参数为 SEL_PW，指定是以功率还是以电能为参考来设定限值。这个设置会在“Tariff”视图中体现出来。在这里如果指定以功率作为限值源的话，在“Tariff”视图中可以修改功率限值。相应的电能值会根据功率限值与需量周期计算得出。
Release of load shed，PLC参数为 EN_SHED，如果激活这个选项，系统会判断当前趋势是否超限并根据优先权来连接或断开负荷。如果取消这个选项，当出现超限时，系统仅仅产生相应的超限报警和警告消息，但不会通断负荷。
Stabilization delay，PLC参数为 SETTLE_T，静止时间，是用来处理负荷被频繁断开和连接切换操作，在负荷被断开或者连接后必须等待静止时间后才能执行下一个新的断开和连接命令。
Hysteresis starting value，PLC参数为 HYS-PW，滞后限值，是在每个周期开始时以当前限值的百分比值设定的滞后开始值。
Hysteresis time window，PLC参数为 HYS_T，滞后时间，是从滞后限值到设定限值的时间。这个时间要比周期时间短，在设置滞后时间会发现上限值就是设定的周期值，如果周期时间调整，滞后时间的上限值也会自动被调整为新的周期值。
Suppression time，PLC参数为 SUPP_T，抑制时间，是从周期开始算起的一段时间，在这个时间段内系统不会启动负荷管理功能，所以这段时间内不会发生超限报警和负荷断开。抑制时间比滞后时间要短。
Period synchro.，PLC参数为 SYNC_PER，周期时间，这个时间可以在FC1000/ FC100(SYSTEM)中设定，对于电力系统的话，这个值默认为15分钟。
Warning threshold，PLC参数为LIM_WRN ，达到这个限值的百分比值后根据超限状况发出超限警告。
Alarm threshold，PLC参数为LIM_ALM ，达到这个限值的百分比值后根据超限状况发出超限报警。
上面提到的静止时间，滞后限值，滞后时间，延迟/抑制时间的作用都是为了避免在每个周期开始的时候由于趋势值与限值的比较结果导致的很多负荷被断开或被连接到系统，或者被频繁通断。为了更容易理解这几个时间的关系，可以参考下面公式：n

参数描述：
LIM_P：功率限值
HYS_LIMP：当前功率限值（考虑了滞后）。
HYS_PW：在周期时以功率限值的百分比值作为滞后起始值。
HYS_T：在周期开始后的滞后时间，在这个时间过去后功率限值就是设定的限值，不再考
虑滞后。
t ：当前时间。n

4)Bar para.面板视图，在这个视图中可以设置Standard视图中柱状图的显示上限。n

图41. LMGM Bar para.面板视图n

Bargraph upper limit ：
Power，PLC参数为CUR_PWRHR ，功率的柱状图上限。
Energy，PLC参数为CUR_VALHR ，电能的柱状图上限。
Diff.bargraph upper limit ：
Power，PLC参数为P_DIFFHLR ，功率的差值柱状图上限。
Energy，PLC参数为W_DIFFHLR ，电能的差值柱状图上限。n

5)Tariff 面板视图，这个视图可以设定费率的时间段以及费率对应的功率和电能的限值。在parameter视图中激活的Limit source就是决定这个视图中可以更改的是功率还是电能。另外，这个视图还提供了一个功能就是设定节假日费率和对应限值。用户可以激活节假日费率，然后设置节假日的连续天数。当时钟到达下一天的00：00时，系统自动启用节假日的费率限值计算。时间每过去24小时被设定的连续天数会自动减少一天，这样直到设定天数过去后系统会自动恢复平常工作日的费率限值。n

图42. LMGM tariff 面板视图n

Active tariff:
Power，PLC参数为LIM_P ，当前费率下功率限值。
Energy，PLC参数为LIM_W ，当前费率下电能限值。
On-Peak tariff / off-peak tariff，PLC参数为BEG_HT / BEG_LT ，峰谷费率对应的起始时间。这个时间是采用24小时显示格式，所以要求PC机的时间显示首先要设置为24小时显示格式。具体设置如下图43所示：Start开始-->setting设置-->control panel控制面板-->Regional and language options区域和语言选择。
On-peak tariff :
Power，PLC参数为LIM_P_H ，峰值费率下功率限值。
Energy，PLC参数为LIM_W_H ，峰值费率下电能限值。
Off-peak tariff :
Power，PLC参数为LIM_P_L ，波谷费率下功率限值。
Energy，PLC参数为LIM_W_L ，波谷费率下电能限值。
Holiday tariff :
Power，PLC参数为LIM_P_SH ，节假日费率下功率限值。
Energy，PLC参数为LIM_W_SH ，节假日费率下电能限值。
Tariff active，PLC参数为SH_ACT ，指定是否激活节假日费率，如果激活该选项则在接下来一天的时钟时间到达00:00是开始按照节假日的费率和限值执行。
Number of days，PLC参数为SH_NUM ，指定节假日的连续天数，每当时间过去24小时这个指定的天数会自动减去1天，直到指定天数都过去Tariff active激活选项自动取消。n

图43. 设置时间显示格式

6) Priority list (PRIOLIST) 面板视图，这个视图显示了每个负荷的状态，用户可以手动修改使得某些负荷处于手动控制的状态，或者取消某些负荷的负荷管理功能的控制。

图44.

Load name，PLC参数为NAMEx，显示负荷的名称。
Available / Released，PLC参数为QONx ，指示负荷是否在负荷管理功能控制下处于连接状态。
In the load management，PLC参数为EN_SHEDx ，负荷是否在负荷管理功能控制下。
In manual，PLC参数为MANx ，定义负荷是否在手动控制下通断。
Manual add，PLC参数为MAN_ENx ，手动连接负荷，负荷管理功能将不能控制这个负荷。
Current output，PLC参数为Px ，显示负荷当前的功率值。
Coected/Switch on，PLC参数为ONx ，显示负荷的状态。
Capacity/Rated output，PLC参数为CAPx ，负荷额定功率值。
Priority，PLC参数为PRIOx ，负荷的优先级，取值范围是1～255，1是最高优先级，0意味着负荷不在负荷管理控制之下。当系统出现超限时，优先级高的负荷先从系统中断开。用户可以根据具体的应用将某些负荷分配相同的优先级，这些负荷就在同一个优先级组中。
Rolling sequence，PLC参数为MANx ，轮循次序。为了实现优先级组中的负荷在每次超限时断开不同的负荷，可以将这些负荷分配相同的优先权然后再分配不同的轮循次序。

7) Edit list of prio (EDITPRIOLIST) 面板视图，这个视图实际上就是用户归档的图表。在这个视图中允许用户手动编译和保存参数，例如，定义负荷名称、分配负荷的优先级、定义操作模式、分配轮循次序、设置额定容量、设置最小连接时间、最小断开时间、最大断开时间等。为了保持与PLC的数据一致，也可以通过Load from PLC按钮将PLC的中修改好的参数
上传给Powerrate。编辑好的参数一定要点击“save”保存按钮。点击“save”按钮后，系统会将参数保存到用户归档并且下载到PLC。

图45.

这个视图的内容编辑完成后可以在“List of priority”视图中显示出状态，在这里不重复介绍相同的参数。

Min. coect time，PLC参数为MIN_ONx ，最小连接时间。是指负荷被断开前必须保持的最小连接时间。

Min. discoect time，PLC参数为MIN_OFFx ，最小断开时间。是指负荷被连接前必须保持的最小断开时间。例如电机的冷却时间。

Max. discoect time，PLC参数为MAN_OFFx ，最大断开时间。是指负荷被断开后保持最长时间，在这个时间负荷应该被再一次连接到系统。例如化工反应炉。

8) Configration (CONFIG) 面板视图，是整个负荷管理的组态视图。

图46.

9) Alarm 面板视图，是负荷管理的报警视图，显示相关的报警和警告消息。

图47

以上介绍了SIMATIC WinCC Powerrate 的负荷管理功能。如果需要了解其它方面的功能请参考相关的使用入门。

关键词
WINCC， STEP7，电能，限值，费率