摘 要： 以某高校綜合樓智能配電控制系統的設計為例，提出一種基于Profibus總線技術的智能配電柜系統，在分析系統的構架與特點的基礎上，給出了以PLC為核心的主站方案及從站軟件流程圖和投入運行后的監控界面圖。該系統使得設備控制的集中化、智能化得到了實現，具有良好的可擴充性。
關鍵詞： Profibus協議；智能配電柜；PLC；監控界面
目前廣泛應用于建筑內的配電控制裝置有以下幾個特點：
（1）對建筑電氣的控制多由獨立的設備完成，控制裝置大多只具備對一套獨立設備中的單臺設備的控制功能，在正常運行和監控時不夠便捷。在電氣控制裝置二次控制回路設計上，多采用獨立分散繼電器控制方式，而這種方式使用的電氣元件多、體積大、觸點多、故障率大、壽命短，因此運行存在維修不便、可靠性低等問題。
（2）現代建筑中配備的電氣設備數量持續增加，其相應的結構與功能的復雜度也不斷提升，迫切需要可以有效提高管理水平以加強對設備的功能控制的解決方案。
上述問題都對建筑電氣提出了新的要求，本文基于對Profibus總線技術的研究構建了適用于現代建筑電氣控制裝置設計與工程應用的建筑智能配電柜系統。
Profibus是工業控制領域中的主流現場總線標準，對傳統的RS-232、RS-422、RS-485和以太網設備有良好的支持，針對早期模擬控制裝置與獨立的設備控制，用直接數字控制器（DDC）和集散控制系統（DCS）為主流的樓宇自動化系統對其進行改進。運用計算機數據處理、自動測量及控制技術，可對建筑內各種分散的機電設備、消防和安保設備裝置進行自動控制和統一管理。采用可編程控制器（PLC）實現電機智能控制二次回路，其結構簡單、高效率、低能耗、調速性能優良及可控性靈活。
1 智能配電柜系統的設計
1.1 工程概況
本項目為某高校綜合樓，建筑面積約22 000 m2，安裝的電氣設備主要有送風機（13 kW）3臺，排煙風機（7.5 kW）2臺，生活泵（20 kW）2臺，排污泵（20 kW）2臺，消防/噴淋泵（60 kW）各1臺。
1.2 系統構架
本項目系統采用包括現場設備層、PLC數據處理層、運行監控層的分層分布式設計[1]。系統構架如圖1所示。
（1）現場控制層
高低壓智能配電柜是現場控制層的主要組成部分。其中安裝有智能設備、現場智能儀表、遠程I/O和網絡設備等，如排風機、生活水泵軟起動器、變頻器、多功能網絡儀表、諧波儀表及智能電動機保護器等。
（2）PLC數據處理層
作為中間層的PLC數據處理層的主要作用是對監控層與設備層進行數據的傳遞處理與網絡連接轉換。從現場讀取設備運行數據，PLC對其預處理后上傳至控制中心并接收其回應信息，再對現場層的智能儀表等設備下達控制中心的遙控、遙調命令。通過組態編程，PLC能夠自動控制現場設備層的智能設備。
（3）運行監控層
組成監控層的工作站、PLC/DCS控制器等部分都是連接在總線上，且與工業以太網相連接。監控中心軟件是使用Visual Basic 6.0開發的，具有友好的人機界面，可以實時顯示系統信息的參數與圖表，詳實地記錄工況供用戶查閱。
1.3 系統主站設計
由系統構架圖可知，該智能配電柜系統以一臺基于Windows平臺的計算機作為上位機與用戶進行人機互動。智能配電柜中安裝的智能電器元件具有標準RS-485通信接口，其與上位機RS-232接口的連接可使用Profibus協議通過轉換器來實現。PROFIBUS-DP允許構成單主站或多主站系統。本系統的PROFIBUS-DP應用系統采用的是單主站結構，遵循主/從原理與從站進行數據交換[2]。
本系統選用的PROFIBUS-DP主站是以PLC為核心的方案，其做PROFIBUS-DP主站主要優點為：功能強大，可以實現復雜的控制功能；可靠性高，抗干擾能力強；硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強；系統的設計、安裝、調試工作量少。
與從站的通信過程為：當SIEMENS PLC S7-300 CPU315-2DP作為網絡上的主站時，CPU315-2DP通過地址增序輪詢方式與從站進行通信，這樣可以保證所有的輸出數據和輸入數據都具有時效性。此時主站若要想與從站通信，則需首先發送一個請求數據幀，從站接收到請求數據后，隨即向主站發送一個響應幀。主要的報文有令牌報文、固定長度無/有數據單元的報文、變數據長度的報文。
綜上所述，以PLC為核心的主站方案可以適用于智能配電柜系統控制現場，并實現復雜的自動化控制功能。
1.4 系統從站設計
DP協議接口是DP從站設計的重點和難點，它主要實現PROFIBUS-DP數據鏈路層協議并提供總線訪問接口。本系統DP協議接口部分的方案設計選擇的是單片機與Profibus通信控制器相結合的方案。Profibus通信控制器主要功能是實現PROFIBUS-DP協議和提供高速率的異步串行通信接口。在Profibus通信控制器方式下，實現從站外部進行功能調用及提供用戶命令，即為單片機的主要功能。
本系統設計不僅能夠對現場數據進行采集，而且可以進行處理并記錄相應的狀態，根據要求做出相應動作的智能從站。
采用C8051F020單片機是綜合考慮了單片機程序所需占用的資源、從站功能化和成本等因素后的選擇。C8051F020單片機的特點：
（1）采用Cygnal的專利CIP-51微控制器內核。CIP-51與MCS-51TM指令集完全兼容可以使用標準803X/805X的匯編器和編譯器進行軟件開發，CIP-51內核具有標準8052的所有外設部件[3]。
（2）C8051F020的片內資源非常豐富：64 KB的Flash、4 KB的RAM、8通道的12 bit ADC、2通道的12 bit DAC、可編程的16 bit計數器/定時器陣列、5個捕捉/比較模塊以及內置看門狗電路等。片內大容量的Flash和RAM可以完全滿足從站軟件的要求。片內的8通道12 bit ADC和2通道12 bit DAC可以作為4通道A/D采集/2通道D/A波形輸出從站的模擬輸入/輸出接口。
（3）為了滿足低功耗的要求，C8051F020的標準工作電壓是3.3 V。要實現DP協議，使用的SPC3（SIEMENS Profibus Controller 3）不僅支持從站的開發且集成了全部的PROFIBUS-DP協議，能用于12 Mb/s波特率總線，可以降低PROFIBUS-DP從站開發的難度。所以采用SPC3通信控制器能夠滿足從站設計的要求。
C8051F020在其內部為各種功能開辟了統一的輸入/輸出緩沖區，只要將C8051F020輸入緩沖區的內容轉存到SPC3的輸入緩沖區中，便可實現向主站傳送帶有各種功能的輸入數據。同時外部診斷也可以通過由SPC3用戶自定義設置診斷信息來進行[4]。整個主程序流程圖如圖2、圖3所示。
2 數據庫及HMI設計
WINCC的數據保存在標準的Sybase SQL Anywhere數據庫中，Sybase Central 4.0可以通過ODBC直接訪問WINCC的歷史數據庫。如需要進行數據插入工作，利用Visual Baic 6.0編寫訪問WINCC數據庫程序。在VB中，先引用ADO組件，并聲明ADO變量，程序如下：
Private cn As ADOD B.Connection
Private rs As ADOD B.Recordset
Const dsn=“CC_PLC_13-01-16_19：45：24R”
Private sub instertData（nowValue as double）
Dim nowtime as string
Nowtime=now
cn.Open dsn，“”，“”
sqlstr=“insertintoPDE#HQZ#POWER_PRE（T，V，F）Values（“”+Nowtime+“”，“+nowValue+”，255）”
cn.Execute sqletr
cn.close
End sub
本系統中存儲的數據包括現場設備的實時運行情況和故障的判定規則，可實時監控設備運行情況并進行記錄。
系統人機界面由Visual Basic 6.0設計，系統可向PLC寫命令數據和從PLC讀取現場數據，通過編寫程序訪問WINCC歷史數據庫來實現。整個系統的功能界面集成在一個窗口中，操作非常簡單直觀，可以看到配電主接線圖通信狀況、負荷曲線、溫度監控、歷史記錄、故障報警記錄和報表管理等菜單，點擊相應按鈕就可以查詢當前的線路的主要參數，如電流、電壓、有/無/視在功率及需要系數等。
3 系統應用效果及展望
本智能配電柜系統投入運行之后，使得原先一個個獨立工作的設備監控裝置通過總線技術相互聯系成為一個控制群體，使計算機監控中心能及時地了解整個系統的用電量情況和現場設備的具體運行情況。由于智能PLC模塊的應用，集散控制方式下的靈活性與精確性得到了提高，能夠隨時反饋并定位的故障報警信號，增加了設備的運行壽命與安全性，節約了能源與開支。該基于Profibus總線技術的系統具有良好的擴充性，可以與建筑物內的樓宇自動化系統相連接。可見，基于Profibus現場總線的配電柜監控系統具有良好的發展前景。
參考文獻
[1] 葛大麟，何友林，戴天鷹.西門子信息化電能管理系統[J].低壓電器，2007（2）：48-49.
[2] 方彥軍，李京麗，陳梅城.PROFIBUS-DP現場總線智能從站通信協議研究[J].儀表技術與傳感器，2004（12）：38-39.
[3] 陳清洪，秦大同.EPA智能模塊網絡接口的設計及實現[J].電子技術應用，2007（4）：85.
[4] 賀蓓蕾，劉彥呈，孫凡金，等.基于Profibus-DP的智能變頻器設計[J].低壓電器，2009（11）：29-30.