基于PROFIBUS-DP的電能管理及電力監(jiān)控系統(tǒng)

摘要

設計了基于PROFIBUS—DP的電能管理及電力監(jiān)控系統(tǒng)，描述了該系統(tǒng)的結構組成和實現原理，給出了主站和串口電力儀表從站通信的實現方法，解決了主從站通信程序設計中的關鍵問題顽腾，驗證了系統(tǒng)的通信性能和可行性。

引言

隨著能源的日漸緊張诺核，國家出臺了很多有關節(jié)能減排的法律法規(guī)抄肖，各行各業(yè)都在采取了相應的節(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)能效果進行考核窖杀。

相對于MODBUS通信而言漓摩，PRFOBUS通信存在著諸多優(yōu)點，比如高通信速率（最高可達12Mbit/s）入客、實時性管毙、可靠性、易擴展桌硫、易維護性等夭咬，很多工廠、企業(yè)現存的生產控制自動化網絡大都采用現場總線控制系統(tǒng)铆隘，PROFIBUS網絡是其中應用最多的一種現場總線卓舵，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自動化網絡中膀钠，而不是單獨進行MODBUS組網秫废。但由于目前存在的大多數智能電力監(jiān)控儀表都是基于MODBUS通信的，那么如何把現存的不帶DP接口的串口儀表設備連接到總線上組成DP網絡就成為一個亟待解決的問題市口。

本文設計了基于串口通信的電力監(jiān)控及多功能網絡電力儀表瘸拳，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網絡中穗俩。

本文介紹的組網方法眠乏，不但硬件成本比較低、安裝方便熏祝，而且編程簡單羽傻，主站可以直接對各個電力儀表進行數據采集、遠程控制等们眶，傳輸速率較快法厢，有很好的實用性和可行性。

系統(tǒng)構成

本系統(tǒng)采用安裝了CP5611通信板卡的工控機作為通信主站嘶违，S7-200 PLC CPU222怎猜、ANYBUS網關、PB-B-MODBUS總線橋分別作為PROFIBUS-DP網絡的三個從站旭贬，每個從站又與電力監(jiān)控儀表組成一個子網怔接，如圖1所示。系統(tǒng)中同時也可以連接其他的PROFIBUS-DP從站設備稀轨。

圖1 系統(tǒng)結構示意圖

CPU 222 PLC通過EM277 DP模塊接入到PROFIBUS-DP網絡扼脐，作為PROFIBUS-DP網絡的從站，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奋刽，電力監(jiān)控儀表作為子網的從站瓦侮，主從站之間采用自由口通信方式。

同樣佣谐，對于PB-B-MODBUS總線橋來說肚吏，作為PROFIBUS-DP網絡從站的同時，又作為MODBUS子網的主站與電力監(jiān)控儀表組成MODBUS網絡狭魂。ANYBUS網關工作原理與PB-B-MODBUS總線橋的工作原理相似须喂，它在該系統(tǒng)中同樣既做PROFIBUS-DP網絡從站，又作為MODBUS子網的主站與我公司電力監(jiān)控儀表組成MODBUS網絡趁蕊。

1 PLC自由口通信子網

PLC作為PROFIBUS網絡的一個從站坞生，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量進行采集和控制妒贞，而且PLC本身就可以構成一個子網翁写，比如MPI網絡，自由口通信網絡等剑银。而且可以擴展以太網接口模塊將整個網絡接入以太網汰检，擴展AS-I接口模塊，將系統(tǒng)接入ASI-I網絡等锄垛。對于工業(yè)控制場合何杈，該網絡應用范圍是非常廣泛的拴挫。

PLC作為自由口通信網絡的主站，通過對PLC進行自由口通信編程剿液，實現PLC與電力監(jiān)控儀表間的MODBUS通信揩榴。利用西門子公司提供的庫函數MBUS_CTRL和MBUS_MSG可以簡單方便地實現MODBUS通信，如圖2寨支、圖3所示柱爵。

圖2 自由口通信程序圖網絡1

圖3 自由口通信程序圖網絡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)議惭舒，波特率為9600晒来，奇偶校驗為無校驗，儀表讀取地址為40038郑现，讀取6個數據單元湃崩。

2網關、總線橋工作原理及配置

對于總線橋來說接箫，一方面竹习，CPU通過對PROFIBUS通信協(xié)議芯片的控制實現PROFIBUS的通信，在RAM中建立PROFIBUS通信數據緩沖區(qū)列牺。另一方面整陌，通過MODBUS協(xié)議實現和電力監(jiān)控儀表的通信，同樣在RAM中建立MODBUS通信數據緩沖區(qū)瞎领。CPU通過兩個通信緩沖區(qū)的數據交換泌辫，實現PROFIBUS到MODBUS的通信。

由于總線橋自身不具備控制功能九默，必須通過DP主站進行控制震放。DP主站通過對其控制字的設置，來控制總線橋作為RS485網絡主站對其各從站的發(fā)送接收模式驼修，通過監(jiān)控其狀態(tài)字來實現數據發(fā)送接收狀態(tài)的監(jiān)控殿遂。PROFIBUS數據區(qū)與RS485數據報文格式對照關系如表1所示。

該系統(tǒng)的DP主站是通信板卡敌夜，不能直接在S7-STEPV5.4中編寫PLC程序對總線橋進行控制盔锦，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網關和PB-B-MODBUS總線橋實現原理基本相同数凫，均是在轉換模塊的RAM中建立了PROFIBUS 到MODBUS 映射數據區(qū)奖冻，由軟件實現PROFIBUS 和MODBUS 協(xié)議轉換及數據交換。但ANYBUS網關自身帶有配置軟件森烦，數據映射配置實現起來相對簡單癞糙。

不管是總線橋還是網關，由于受協(xié)議轉換設備其自身映像數據存儲區(qū)大小的限制维愈，根據所要采集電參量的多少伦朵，可帶儀表的個數不同罢令。

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)軟件暑赏。通過該軟件進行組態(tài)媒埃，可以在上位機界面上實現隊所有電參量的實時顯示，如I丐重、U、P杆查、Q扮惦、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)主界面亲桦。

圖4 ACREL-3000電力監(jiān)控/電能計量管理系統(tǒng)實現實時采集監(jiān)控界面

ACREL-3000還可以實現主要電力參數的實時運行曲線崖蜜、歷史趨勢曲線等繪制，如圖5所示客峭。另外豫领，ACREL-3000還具有強大的報警功能、報表功能舔琅、查詢功能等恐、打印功能等。強大的數據庫可以將歷史記錄保留3年以上备蚓。

圖5 ACREL-3000 實時曲線界面

通過ACREL3000界面還可以實現對PROFIBUS各從站的網絡參數采集和顯示课蔬，比如：總線參數、從站狀態(tài)郊尝、主站模式二跋、看門狗、組態(tài)信息以及從站診斷數據等艺扑。對于系統(tǒng)的檢修和維護也起到非常方便的指導作用哭练。

結束語

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網絡中米法。調試結果表明：上位機主站能夠按時間每隔1s輪流對各個電力監(jiān)控儀表進行采集數據僧憾，運行通信情況良好。

理論上來說短户，一個PROFIBUS網絡的最高傳輸速率可達12Mb/s米原，一個網段可帶32個從站，一個網絡可帶126個從站扫应。這里每個DP從站（200系列PLC虹悄、ANYBUS網關、PB-B-MODBUS總線橋）根據自身情況帶若干個儀表忽秕，一個系統(tǒng)網絡所帶儀表的數量是非常之大的场魏，相對于由通信擴展卡或通信服務器組成的MODBUS系統(tǒng)來說豹谎，同樣數量的儀表組網，可以節(jié)省大量硬件組網設備筝闹。

根據系統(tǒng)提供的組網方法媳叨，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，而且整個網絡具有現場總線系統(tǒng)的智能化管理关顷，具有很高的先進性糊秆，還可以節(jié)約大量的硬件成本。

參考文獻

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