基于PROFIBUS總線的電能監控管理系統
1 概述
PROFIBUS是一種有廣泛應用范圍的、開放的數據通信系統，適合于快速、時間要求嚴格的應用和復雜的通信任務，特別適用于工廠自動化和過程自動化領域。PROFIBUS是工業控制領域中的主流現場總線標準，2000年成為IEC61158國際現場總線標準之一。在2006年, PROFIBUS成為中國第一個工業通訊領域現場總線技術國家標準：GB/T20240-2006。
PROFIBUS-DP是一種經過優化的高速通信連接，是專門為自動控制和設備級分散I/O之間的通信設計的，可用于分布式控制系統的高速數據傳輸，其傳輸速率高達12Mbps。上海安科瑞致力于智能配電系統自動化設備研發、制造，自主研發一系列帶有PROFIBUS-DP通訊接口配電產品，并可提供基于PROFIBUS總線的整套組網方案及系統集成。
據PROFIBUS的用戶組織PI市場調查，在德國和歐洲市場中PROFIBUS占開放性工業現場總線系統的市場超過40%。PROFIBUS近20年中的安裝節點數已超過2800萬，專家預測，到2012年PROFIBUS安裝節點數將突破5000萬大關。
PROFIBUS協議主要優勢有：12M 的通信速率和可靠的通信質量，適用多種通信介質，靈活的拓撲結構，支持線型、樹型、環型結構及冗余的通信模型，強大的通信功能，支持基于總線的驅動技術和符合IEC61508 的總線安全通信技術，先進的網絡規模等。
PROFIBUS總線可廣泛應用于工業控制、電力控制、交通領域、汽車制造、樓宇自動化、煙草行業、工程機械、石油化工、冶金采礦等領域。
2 PLC為主站的PROFIBUS-DP網絡
基于PROFIBUS現場總線信息化電能管理系統可有效降低工礦企業、基建和商業大樓的能源消耗，實現節能、節電，經濟運行。基于PROFIBUS電能管理系統采用分層分布式設計思想，系統分為三層:現場設備層、PLC數據處理層以及運行監控層。系統構架見圖1。
圖1 基于PROFIBUS電能管理系統構架圖
2.1、現場控制層
現場控制層由現場智能設備、現場智能儀表、遠程I/O 和網絡設備構成。在現場設備層，通過PROFIBUS總線，集成具有通信功能的智能線路保護設備、電機驅動控制設備以及ET200S數據采集與控制裝置等。如西門子的軟起動器、變頻器，安科瑞的ACR系列多功能網絡儀表、ACR系列諧波儀表及ARD系列智能電動機保護器等。
2.2 PLC數據處理層
PLC數據處理層位于現場設備層和運行監控中心層之間，主要完成上下層之間的網絡連接轉換和信息的處理交換。通過PROFIBUS現場總線，把采集的數據傳送到PLC數據處理層，對數據作規范化預處理，處理的數據與時標相對應，并可在數據緩沖區中儲存一周。PLC獲取和處理的數據有選擇性地上傳到控制中心，以便于集中監視現場工況信息；同時，下達來自于控制中心的遙控和遙調信息給現場設備層的各類智能設備及儀表。通過組態編程，PLC能夠自動控制現場設備層的智能設備。
2.3 運行監控層
運行監控層由高速工業以太網以及連接在總線上的擔任監控任務的工作站或顯示操作站、工程師站、PLC/DCS 控制器組成。監控中心軟件由WinCC開發出友好的人機界面。配電實時工況信息以曲線、表格以及參數化處理后的數據進行顯示，也可顯示整個系統的數據。系統對重要的信息進行存盤歸檔，同時，提供靈活豐富的報表功能，用戶可以依據實際需求靈活自定義報表。
2.4系統特點
2.4.1增加了從電源設備到各類終端負載電能消耗透明度，優化運行成本。
2.4.2可依據電能需求模式和要求，更精確，有效和經濟地購買電能。
2.4.3采用分析診斷，定向服務/維護等手段，優化開關設備的性能和用電負荷。
2.4.4系統為開放式和模塊化結構，故系統的集成，組態，擴展更靈活。
3 安科瑞Acrel-3000軟件簡介
基于PROFIBUS-DP的電能管理與電力監控系統，上位機軟件為Acrel-3000電力監控組態軟件。通過該軟件進行組態，可以在上位機界面上實現隊所有電參量的實時顯示，如I、U、P、Q、kWh等，圖2所示為本系統的電能管理及電力監控系統主界面。
Acrel-3000還可以實現主要電力參數的實時運行曲線、歷史趨勢曲線等繪制，如圖3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。強大的數據庫可以將歷史記錄保留3年以上。通過Acrel-3000界面還可以實現對PROFIBUS各從站的網絡參數采集和顯示，比如：總線參數、從站狀態、主站模式、看門狗、組態信息以及從站診斷數據等。對于系統的檢修和維護也起到非常方便的指導作用。
圖2 Acrel-3000電力監控/電能計量管理系統實現實時采集監控界面
圖3 Acrel-3000實時曲線界面
4 帶PROFIBUS-DP協議的電力儀表
大量應用于現場控制層的電力儀表分兩類，即測控儀表和保護儀表，具體型號、功能見下表。
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產品分類 |
產品名稱 |
型號 |
外形規格 |
基本功能 |
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測控儀表 |
可編程數顯智能表 |
PZ80-E4/CP |
80 方形 |
測量有功能電能（EPI/EPE）、無功電能（EQL/EQC）、有功功率、無功功率、功率因數、以及三相電壓、三相電流、頻率。 |
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可編程數顯智能表 |
PZ96-E4/CP |
96方形 |
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網絡多功能電力儀表 |
ACR220E/CP |
96方形 |
集成全部電力參數的測量（如單相或三相的電流、電壓、有功、無功、視在功率、頻率、功率因數），以及全面的電能計量和考核管理，同時具有遙信、遙控功能。 |
|
網絡多功能電力儀表 |
ACR220EL/CP |
96方形 |
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網絡多功能電力儀表 |
ACR320E/CP |
42 方形 |
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ACR諧波儀表 |
ACR230ELH/CP |
96 方形 |
三相交流電量測量、復費率電能計量、四象限電能計量、諧波分析、電網質量分析、遙信、遙控、電網波形實時跟蹤顯示及SOE事件記錄等功能。 |
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ACR諧波儀表 |
ACR330ELH/CP |
42 方形 |
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保護裝置 |
馬達保護器 |
ARD2F+CP |
分體式 |
對電動機運行過程中出現的起動超時、過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、阻塞、外部故障等多種情況進行保護。 |
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配電線路過負荷監控裝置 |
ACM3+CP |
分體式 |
適用于突然斷電比過負荷造成的損失更大的配電線路，其過負載保護應作用于信號而不應作用于切斷電路的場合。并具有三相電流、電壓、功率、漏電、頻率等電參數測量功能。 |
5 報價方案
5.1硬件
單位：元(RMB)
|
名稱 |
型號 |
單位 |
面價 |
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工作站主機 |
DELL工作站主機 i5 /1G/160G+鍵鼠 |
臺 |
6500 |
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顯示器 |
DELL 19寸寬屏液晶顯示器 |
臺 |
1500 |
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系統軟件 |
Microsoft Windows XP SP3 |
套 |
1250 |
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打印機 |
HP P1007激光打印機 |
臺 |
1550 |
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以太網交換機 |
H3C 3C16470 |
臺 |
1750 |
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UPS電源 |
SANTACK C1KS/1KVA 待機30分鐘 塔式 |
臺 |
3000 |
|
串口服務器 |
MOXA NPORT5610-8 RS232接口×8 |
臺 |
7300 |
|
Korenix JetPort5604i RS485接口×4帶隔離 |
只 |
7800 |
|
串口服務器附件 |
連接線RJ45TODB9MADAPTER（公） |
根 |
50 |
|
通訊前置機 |
MOXA DA660-8-Lx (8端口) |
臺 |
10500 |
|
Korenix JetBox 3300 (2端口) |
臺 |
5400 |
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擴展卡 |
MOXA CP134U-I |
塊 |
3470 |
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協議轉換隔離器 |
泓格 I-7520R |
套 |
550 |
|
開關電源 |
華力 KDYA-DG75-24 |
只 |
350 |
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通訊機柜 |
K2200 規格：2200(高)×600(寬)×600(進深) |
套 |
2850 |
|
K1200 規格：1200(高)×600(寬)×600(進深) |
套 |
2000 |
|
K500 規格： 600(高)×500(寬)×200(進深) |
套 |
1000 |
5.2軟件
單位：元(RMB)
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名稱 |
型號 |
單位 |
面價 |
備注 |
|
Acrel-3000監控組態軟件V6.0 |
系統組態軟件
圖形組態軟件
電能管理軟件
數據庫軟件 |
套 |
3萬 |
設備數量1～10 |
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4萬 |
設備數量10～20 |
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6萬 |
設備數量21～40 |
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8萬 |
設備數量41～80 |
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10萬以上 |
設備數量80以上 |
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雙機版 |
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套 |
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單機價格×1.5 |
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數據轉發 |
每+1用戶 |
套 |
3000 |
|
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Web發布 |
每+1用戶(總用戶數≤5) |
套 |
5000 |
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5.3儀表
單位：元(RMB)
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分類 |
產品 |
單位 |
型號 |
面價（元） |
|
測控儀表 |
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臺 |
PZ80-E4/CP |
3280 |
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|
臺 |
PZ96-E4/CP |
3280 |
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臺 |
ACR220E/CP |
4280 |
|
|
臺 |
ACR220EL/CP |
4880 |
|
|
臺 |
ACR320E/CP |
4280 |
|
|
臺 |
ACR230ELH/CP |
5860 |
|
|
臺 |
ACR330ELH/CP |
5860 |
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保護裝置 |
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臺 |
ARD2F+CP |
根據不同額定電流 |
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|
ACM3+CP |
2800
附加模塊另算 |
6 結束語
根據系統提供的組網方法，不僅能將工業自動化控制系統與電能管理系統集成為一體，而且整個網絡具有現場總線系統的智能化管理，具有很高的先進性，還可以節約大量的硬件成本。基于PROFIBUS-DP總線的電力儀表，已2010年7月通過PROFIBUS Nutzerorganisation e.V.委托試驗，并合格。產品在浦東圖書館、大慶機場、羅涇礦碼頭等項目中運行，取得了較好的社會效益和經濟效益。
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