關(guān)于PROFIBUS-DP電能管理及電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

引言

隨著能源的日漸緊張，國家出臺(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(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。

PROFIBUS是一種有廣泛應(yīng)用范圍的、開放的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，適合于快速、時(shí)間要求嚴(yán)格的應(yīng)用和復(fù)雜的通信任務(wù)，特別適用于工廠自動(dòng)化和過程自動(dòng)化領(lǐng)域。PROFIBUS是工業(yè)控制領(lǐng)域中的主流現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，2000年成為IEC61158國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一。PROFIBUS-DP是一種經(jīng)過優(yōu)化的高速通信連接，是專門為自動(dòng)控制和設(shè)備級(jí)分散I/O之間的通信設(shè)計(jì)的，可用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸速率高達(dá)12Mbps。上海安科瑞致力于智能配電系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備研發(fā)、制造，自主研發(fā)一系列帶有PROFIBUS-DP通訊接口配電產(chǎn)品，并可提供基于PROFIBUS總線的整套組網(wǎng)方案及系統(tǒng)集成。

PROFIBUS協(xié)議主要優(yōu)勢有：12M 的通信速率和可靠的通信質(zhì)量，適用多種通信介質(zhì)，靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，支持線型、樹型、環(huán)型結(jié)構(gòu)及冗余的通信模型，強(qiáng)大的通信功能，支持基于總線的驅(qū)動(dòng)技術(shù)和符合IEC61508 的總線安全通信技術(shù)，先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模等。它具有高速低成本，用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I／O的通信。它與PROFIBUS－PA（Process Automation ）、PROFIBUS-FMS （Fieldbus Message Specification ）共同組成了PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)。

PROFIBUS –DP用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息?？偩€循環(huán)時(shí)間必須要比主站（PLC）程序循環(huán)時(shí)間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)。

PROFIBUS總線可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、電力控制、交通領(lǐng)域、汽車制造、樓宇自動(dòng)化、煙草行業(yè)、工程機(jī)械、石油化工、冶金采礦等領(lǐng)域。

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(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。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)。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。

PLC = Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。是工業(yè)控制的核心部分。

PLC作為自由口通信網(wǎng)絡(luò)的主站，通過對(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。利用西門子公司提供的庫函數(shù)MBUS_CTRL和MBUS_MSG可以簡單方便地實(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)于總線橋來說，一方面，CPU通過對(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DP主站進(jìn)行控制。DP主站通過對(duì)其控制字的設(shè)置，來控制總線橋作為RS485網(wǎng)絡(luò)主站對(duì)其各從站的發(fā)送接收模式，通過監(jiān)控其狀態(tài)字來實(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接收報(bào)文對(duì)照表

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(jìn)行控制，只能通過在上位機(jī)ACREL-3000軟件中編寫腳本程序完成對(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。

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。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。

結(jié)束語

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。

理論上來說，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(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。