基于PROFIBUS-DP的電能管理及電力監(jiān)控系統(tǒng)

　　吳先倫1， 曹雪華2

　　(1. 重慶渝經(jīng)能源技術(shù)設(shè)計(jì)研究院，重慶 40020;2.上海安科瑞電器股份有限公司，上海 201801)

　　摘 要：設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)原理，給出了主站和串口電力儀表從站通信的實(shí)現(xiàn)方法，解決了主從站通信程序設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題，驗(yàn)證了系統(tǒng)的通信性能和可行性。

　　關(guān)鍵詞：PROFIBUS;PLC，總線橋，網(wǎng)關(guān)，電力監(jiān)控儀表，工業(yè)通信。

　　Electric Energy Management and Electric Power

　　Monitoring System Based on Profibus-DP

　　WU Xianlun1, CAO Xuehua2

　　(1. Chongqing Yujing Energy Technology Design and Research Institute, Chongqing 400020, China;

　　2. Shanghai Acrel Electric Co.,Ltd., Shanghai 201801, China)

　　Abstract: The electric energy management and electric power monitoring system based on Profibus-DP were designed. The system structure and implementation principle were expounded. The implementation method of communication between main station and serial electric power meter slave station was given, and the key problems in main and slave station communication characteristics and feasibility.

　　Key words: Profibus; PLC; bus bridge; network gateway; electric power monitoring meter; industrial communication

　　0 引言

　　隨著能源的日漸緊張，國(guó)家出臺(tái)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(duì)節(jié)能效果進(jìn)行考核。

　　相對(duì)于MODBUS通信而言，PRFOBUS通信存在著諸多優(yōu)點(diǎn)，比如高通信速率(最高可達(dá)12Mbit/s)、實(shí)時(shí)性、可靠性、易擴(kuò)展、易維護(hù)性等，很多工廠、企業(yè)現(xiàn)存的生產(chǎn)控制自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)大都采用現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中，而不是單獨(dú)進(jìn)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(gè)亟待解決的問(wèn)題。

　　本文設(shè)計(jì)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(jiǎn)單，主站可以直接對(duì)各個(gè)電力儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制等，傳輸速率較快，有很好的實(shí)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(jī)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(gè)從站，每個(gè)從站又與電力監(jiān)控儀表組成一個(gè)子網(wǎng)，如圖1所示。系統(tǒng)中同時(shí)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(guò)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(shí)CPU222 PLC又作為一個(gè)主站與電力監(jiān)控儀表組成一個(gè)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(duì)于PB-B-MODBUS總線橋來(lái)說(shuō)，作為PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)從站的同時(shí)，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(gè)從站，其自身功能非常強(qiáng)大，不但可以通過(guò)主站對(duì)連接到從站PLC I/O點(diǎn)上的各種I/O量進(jìn)行采集和控制，而且PLC本身就可以構(gòu)成一個(gè)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(kuò)展以太網(wǎng)接口模塊將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)接入以太網(wǎng)，擴(kuò)展AS-I接口模塊，將系統(tǒng)接入ASI-I網(wǎng)絡(luò)等。對(duì)于工業(yè)控制場(chǎng)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(guò)對(duì)PLC進(jìn)行自由口通信編程，實(shí)現(xiàn)PLC與電力監(jiān)控儀表間的MODBUS通信。利用西門(mén)子公司提供的庫(kù)函數(shù)MBUS_CTRL和MBUS_MSG可以簡(jiǎn)單方便地實(shí)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(shí)進(jìn)行自由口通信，模式為0時(shí)進(jìn)行PPI協(xié)議，波特率為9600，奇偶校驗(yàn)為無(wú)校驗(yàn)，儀表讀取地址為40038，讀取6個(gè)數(shù)據(jù)單元。

　　1.2網(wǎng)關(guān)、總線橋工作原理及配置

　　對(duì)于總線橋來(lái)說(shuō)，一方面，CPU通過(guò)對(duì)PROFIBUS通信協(xié)議芯片的控制實(shí)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(guò)MODBUS協(xié)議實(shí)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(guò)兩個(gè)通信緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)交換，實(shí)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(guò)DP主站進(jìn)行控制。DP主站通過(guò)對(duì)其控制字的設(shè)置，來(lái)控制總線橋作為RS485網(wǎng)絡(luò)主站對(duì)其各從站的發(fā)送接收模式，通過(guò)監(jiān)控其狀態(tài)字來(lái)實(shí)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(bào)文格式對(duì)照關(guān)系如表1所示。

　　表1 PROFIBUS數(shù)據(jù)區(qū)與RS485接收?qǐng)?bào)文對(duì)照表

　　PROFIBUS映射地址 長(zhǎng)度 RS485報(bào)文格式

　　IB0 1字節(jié) 該字節(jié)用來(lái)存儲(chǔ)接收?qǐng)?bào)文長(zhǎng)度

　　IB1 1字節(jié) 該字節(jié)為通信狀態(tài)字

　　IB2至以后 若干 接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

　　QB0 1字節(jié) 該字節(jié)用來(lái)存儲(chǔ)發(fā)送報(bào)文長(zhǎng)度

　　QB1 1字節(jié) 該字節(jié)為通信控制字

　　QB2至以后 若干 發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

　　該系統(tǒng)的DP主站是通信板卡，不能直接在S7-STEPV5.4中編寫(xiě)PLC程序?qū)�總線橋進(jìn)行控制，只能通過(guò)在上位機(jī)ACREL-3000軟件中編寫(xiě)腳本程序完成對(duì)PB-B-MODBUS總線橋狀態(tài)字的讀取和控制字的讀寫(xiě)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(shí)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(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)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(chǔ)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(gè)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(jī)軟件為ACREL-3000電力監(jiān)控組態(tài)軟件。通過(guò)該軟件進(jìn)行組態(tài)，可以在上位機(jī)界面上實(shí)現(xiàn)隊(duì)所有電參量的實(shí)時(shí)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(jì)量管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集監(jiān)控界面

　　ACREL-3000還可以實(shí)現(xiàn)主要電力參數(shù)的實(shí)時(shí)運(yùn)行曲線、歷史趨勢(shì)曲線等繪制，如圖5所示。另外，ACREL-3000還具有強(qiáng)大的報(bào)警功能、報(bào)表功能、查詢功能、打印功能等。強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)可以將歷史記錄保留3年以上。

　　圖5 ACREL-3000 實(shí)時(shí)曲線界面

　　通過(guò)ACREL3000界面還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(mén)狗、組態(tài)信息以及從站診斷數(shù)據(jù)等。對(duì)于系統(tǒng)的檢修和維護(hù)也起到非常方便的指導(dǎo)作用。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　該系統(tǒng)采用安裝了CP5611通信板卡的工控機(jī)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(jī)主站能夠按時(shí)間每隔1s輪流對(duì)各個(gè)電力監(jiān)控儀表進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，運(yùn)行通信情況良好。

　　理論上來(lái)說(shuō)，一個(gè)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的最高傳輸速率可達(dá)12Mb/s，一個(gè)網(wǎng)段可帶32個(gè)從站，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可帶126個(gè)從站。這里每個(gè)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(gè)儀表，一個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所帶儀表的數(shù)量是非常之大的，相對(duì)于由通信擴(kuò)展卡或通信服務(wù)器組成的MODBUS系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(dòng)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(gè)網(wǎng)絡(luò)具有現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的智能化管理，具有很高的先進(jìn)性，還可以節(jié)約大量的硬件成本。

　　文章來(lái)源于：《低壓電器》2009年第14期。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 上海安科瑞電氣有限公司.ACR系列網(wǎng)絡(luò)多功能電力儀表[G].2008

　　[2] 任致程,周中. 電力電測(cè)數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南[M]. 北京:中國(guó)電力出版社. 2007.

　　[3] 王永華，Andy Verwer. 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)有教程——從PROFIBUS到AS-i[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

作者簡(jiǎn)介：

張鼎，女，本科，濟(jì)南安科瑞電氣有限公司工程師，

主要研究方向?yàn)橹悄茈娏ΡO(jiān)控與電能管理系統(tǒng)

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