基于PROFIBUS-DP的電能管理及電力監(jiān)控系統(tǒng)
1. 重慶渝經(jīng)能源技術(shù)設(shè)計研究院，重慶 40020；2.上海安科瑞電器股份有限公司，上海 201801
吳先倫 曹雪華
摘要： 設(shè)計了基于PROFIBUS—DP的電能管理及電力監(jiān)控系統(tǒng)，描述了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和實現(xiàn)原理，給出了主站和串口電力儀表從站通信的實現(xiàn)方法，解決了主從站通信程序設(shè)計中的關(guān)鍵問題，驗證了系統(tǒng)的通信性能和可行性。
Abstract：
Key words :
摘要：設(shè)計了基于PROFIBUS—DP的電能管理及電力監(jiān)控系統(tǒng)，描述了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和實現(xiàn)原理，給出了主站和串口電力儀表從站通信的實現(xiàn)方法，解決了主從站通信程序設(shè)計中的關(guān)鍵問題，驗證了系統(tǒng)的通信性能和可行性。
0 引言
隨著能源的日漸緊張，國家出臺了很多有關(guān)節(jié)能減排的法律法規(guī)，各行各業(yè)都在采取了相應(yīng)的節(jié)能措施，各制造行業(yè)的工廠企業(yè)也采用了電能管理及電力監(jiān)控系統(tǒng)對節(jié)能效果進行考核。
相對于MODBUS通信而言，PRFOBUS通信存在著諸多優(yōu)點，比如高通信速率（最高可達12Mbit/s）、實時性、可靠性、易擴展、易維護性等，很多工廠、企業(yè)現(xiàn)存的生產(chǎn)控制自動化網(wǎng)絡(luò)大都采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)是其中應(yīng)用最多的一種現(xiàn)場總線，因此，很多工廠企業(yè)希望能將電能管理及電力監(jiān)控系統(tǒng)也集成到PROFIBUS-DP自動化網(wǎng)絡(luò)中，而不是單獨進行MODBUS組網(wǎng)。但由于目前存在的大多數(shù)智能電力監(jiān)控儀表都是基于MODBUS通信的，那么如何把現(xiàn)存的不帶DP接口的串口儀表設(shè)備連接到總線上組成DP網(wǎng)絡(luò)就成為一個亟待解決的問題。
本文設(shè)計了基于串口通信的電力監(jiān)控及多功能網(wǎng)絡(luò)電力儀表，給出了基于PROFIBUS-DP通信的智能電力監(jiān)控及電能管理系統(tǒng)的解決方案。系統(tǒng)中采用了三種方法將基于MODBUS-RTU通信的智能電力監(jiān)控儀表集成到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中。
本文介紹的組網(wǎng)方法，不但硬件成本比較低、安裝方便，而且編程簡單，主站可以直接對各個電力儀表進行數(shù)據(jù)采集、遠程控制等，傳輸速率較快，有很好的實用性和可行性。
1 系統(tǒng)構(gòu)成
本系統(tǒng)采用安裝了CP5611通信板卡的工控機作為通信主站，S7-200 PLC CPU222、ANYBUS網(wǎng)關(guān)、PB-B-MODBUS總線橋分別作為PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的三個從站，每個從站又與電力監(jiān)控儀表組成一個子網(wǎng)，如圖1所示。系統(tǒng)中同時也可以連接其他的PROFIBUS-DP從站設(shè)備。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
CPU 222 PLC通過EM277 DP模塊接入到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，作為PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的從站，同時CPU222 PLC又作為一個主站與電力監(jiān)控儀表組成一個子網(wǎng)，電力監(jiān)控儀表作為子網(wǎng)的從站，主從站之間采用自由口通信方式。
同樣，對于PB-B-MODBUS總線橋來說，作為PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)從站的同時，又作為MODBUS子網(wǎng)的主站與電力監(jiān)控儀表組成MODBUS網(wǎng)絡(luò)。ANYBUS網(wǎng)關(guān)工作原理與PB-B-MODBUS總線橋的工作原理相似，它在該系統(tǒng)中同樣既做PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)從站，又作為MODBUS子網(wǎng)的主站與我公司電力監(jiān)控儀表組成MODBUS網(wǎng)絡(luò)。
1.1 PLC自由口通信子網(wǎng)
PLC作為PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的一個從站，其自身功能非常強大，不但可以通過主站對連接到從站PLC I/O點上的各種I/O量進行采集和控制，而且PLC本身就可以構(gòu)成一個子網(wǎng)，比如MPI網(wǎng)絡(luò)，自由口通信網(wǎng)絡(luò)等。而且可以擴展以太網(wǎng)接口模塊將整個網(wǎng)絡(luò)接入以太網(wǎng)，擴展AS-I接口模塊，將系統(tǒng)接入ASI-I網(wǎng)絡(luò)等。對于工業(yè)控制場合，該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍是非常廣泛的。
PLC作為自由口通信網(wǎng)絡(luò)的主站，通過對PLC進行自由口通信編程，實現(xiàn)PLC與電力監(jiān)控儀表間的MODBUS通信。利用西門子公司提供的庫函數(shù)MBUS_CTRL和MBUS_MSG可以簡單方便地實現(xiàn)MODBUS通信，如圖2、圖3所示。
圖2 自由口通信程序圖網(wǎng)絡(luò)1
圖3 自由口通信程序圖網(wǎng)絡(luò)2
該系統(tǒng)中PLC模式為1時進行自由口通信，模式為0時進行PPI協(xié)議，波特率為9600，奇偶校驗為無校驗，儀表讀取地址為40038，讀取6個數(shù)據(jù)單元。
1.2網(wǎng)關(guān)、總線橋工作原理及配置
對于總線橋來說，一方面，CPU通過對PROFIBUS通信協(xié)議芯片的控制實現(xiàn)PROFIBUS的通信，在RAM中建立PROFIBUS通信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。另一方面，通過MODBUS協(xié)議實現(xiàn)和電力監(jiān)控儀表的通信，同樣在RAM中建立MODBUS通信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。CPU通過兩個通信緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)PROFIBUS到MODBUS的通信。
由于總線橋自身不具備控制功能，必須通過DP主站進行控制。DP主站通過對其控制字的設(shè)置，來控制總線橋作為RS485網(wǎng)絡(luò)主站對其各從站的發(fā)送接收模式，通過監(jiān)控其狀態(tài)字來實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送接收狀態(tài)的監(jiān)控。PROFIBUS數(shù)據(jù)區(qū)與RS485數(shù)據(jù)報文格式對照關(guān)系如表1所示。
該系統(tǒng)的DP主站是通信板卡，不能直接在S7-STEPV5.4中編寫PLC程序?qū)偩€橋進行控制，只能通過在上位機ACREL-3000軟件中編寫腳本程序完成對PB-B-MODBUS總線橋狀態(tài)字的讀取和控制字的讀寫和通信。
ANYBUS網(wǎng)關(guān)和PB-B-MODBUS總線橋?qū)崿F(xiàn)原理基本相同，均是在轉(zhuǎn)換模塊的RAM中建立了PROFIBUS 到MODBUS 映射數(shù)據(jù)區(qū)，由軟件實現(xiàn)PROFIBUS 和MODBUS 協(xié)議轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)交換。但ANYBUS網(wǎng)關(guān)自身帶有配置軟件，數(shù)據(jù)映射配置實現(xiàn)起來相對簡單。
不管是總線橋還是網(wǎng)關(guān)，由于受協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備其自身映像數(shù)據(jù)存儲區(qū)大小的限制，根據(jù)所要采集電參量的多少，可帶儀表的個數(shù)不同。
2 系統(tǒng)功能
基于PROFIBUS-DP的電能管理與電力監(jiān)控系統(tǒng)，上位機軟件為ACREL-3000電力監(jiān)控組態(tài)軟件。通過該軟件進行組態(tài)，可以在上位機界面上實現(xiàn)隊所有電參量的實時顯示，如I、U、P、Q、kWh等，圖4所示為本系統(tǒng)的電能管理及電力監(jiān)控系統(tǒng)主界面。
圖4 ACREL-3000電力監(jiān)控/電能計量管理系統(tǒng)實現(xiàn)實時采集監(jiān)控界面
ACREL-3000還可以實現(xiàn)主要電力參數(shù)的實時運行曲線、歷史趨勢曲線等繪制，如圖5所示。另外，ACREL-3000還具有強大的報警功能、報表功能、查詢功能、打印功能等。強大的數(shù)據(jù)庫可以將歷史記錄保留3年以上。
圖5 ACREL-3000 實時曲線界面
通過ACREL3000界面還可以實現(xiàn)對PROFIBUS各從站的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)采集和顯示，比如：總線參數(shù)、從站狀態(tài)、主站模式、看門狗、組態(tài)信息以及從站診斷數(shù)據(jù)等。對于系統(tǒng)的檢修和維護也起到非常方便的指導(dǎo)作用。
3 結(jié)束語
該系統(tǒng)采用安裝了CP5611通信板卡的工控機作為PROFIBUS主站，使用多種方法將電力監(jiān)控儀表集成到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中。調(diào)試結(jié)果表明：上位機主站能夠按時間每隔1s輪流對各個電力監(jiān)控儀表進行采集數(shù)據(jù)，運行通信情況良好。
理論上來說，一個PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的最高傳輸速率可達12Mb/s，一個網(wǎng)段可帶32個從站，一個網(wǎng)絡(luò)可帶126個從站。這里每個DP從站（200系列PLC、ANYBUS網(wǎng)關(guān)、PB-B-MODBUS總線橋）根據(jù)自身情況帶若干個儀表，一個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所帶儀表的數(shù)量是非常之大的，相對于由通信擴展卡或通信服務(wù)器組成的MODBUS系統(tǒng)來說，同樣數(shù)量的儀表組網(wǎng)，可以節(jié)省大量硬件組網(wǎng)設(shè)備。
根據(jù)系統(tǒng)提供的組網(wǎng)方法，不僅能將工業(yè)自動化控制系統(tǒng)與電能管理電力監(jiān)控系統(tǒng)集成為一體，而且整個網(wǎng)絡(luò)具有現(xiàn)場總線系統(tǒng)的智能化管理，具有很高的先進性，還可以節(jié)約大量的硬件成本。
參考文獻
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