基於PROFIBUS-DP的電能管理及電力監控係統
吳先倫1， 曹雪華2
（1. 重慶渝經能源技術設計研究院，重慶 40020；
2.安科瑞電器股份有限公司，上海 201801）
摘要：設計了基於PROFIBUS―DP的電能管理及電力監控係統，描述了該係統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，驗證了係統的通信性能和可行性。
關鍵詞： PROFIBUS;PLC，總線橋，網關，電力監控儀表，工業通信。
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(sui)著(zhe)能(neng)源(yuan)的(de)日(ri)漸(jian)緊(jin)張(zhang)，國(guo)家(jia)出(chu)台(tai)了(le)很(hen)多(duo)有(you)關(guan)節(jie)能(neng)減(jian)排(pai)的(de)法(fa)律(lv)法(fa)規(gui)，各(ge)行(xing)各(ge)業(ye)都(dou)在(zai)采(cai)取(qu)了(le)相(xiang)應(ying)的(de)節(jie)能(neng)措(cuo)施(shi)，各(ge)製(zhi)造(zao)行(xing)業(ye)的(de)工(gong)廠(chang)企(qi)業(ye)也(ye)采(cai)用(yong)了(le)電(dian)能(neng)管(guan)理(li)及(ji)電(dian)力(li)監(jian)控(kong)係(xi)統(tong)對(dui)節(jie)能(neng)效(xiao)果(guo)進(jin)行(xing)考(kao)核(he)。
相對於MODBUS通信而言，PRFOBUS通信存在著諸多優點，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、企業現存的生產控製自動化網絡大都采用現場總線控製係統，PROFIBUS網絡是其中應用最多的一種現場總線，因此，很多工廠企業希望能將電能管理及電力監控係統也集成到PROFIBUS-DP自動化網絡中，而不是單獨進行MODBUS組網。但由於目前存在的大多數智能電力監控儀表都是基於MODBUS通信的，那麼如何把現存的不帶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。
本文設計了基於串口通信的電力監控及多功能網絡電力儀表，給出了基於PROFIBUS-DP通信的智能電力監控及電能管理係統的解決方案。係統中采用了三種方法將基於MODBUS-RTU通信的智能電力監控儀表集成到PROFIBUS-DP網絡中。
本文介紹的組網方法，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據采集、遠程控製等，傳輸速率較快，有很好的實用性和可行性。
1 係統構成
本係統采用安裝了CP5611通信板卡的工控機作為通信主站，S7-200 PLC CPU222、ANYBUS網關、PB-B-MODBUS總線橋分別作為PROFIBUS-DP網絡的三個從站，每個從站又與電力監控儀表組成一個子網，如圖1所示。係統中同時也可以連接其他的PROFIBUS-DP從站設備。
圖1 係統結構示意圖
CPU 222 PLC通過EM277 DP模塊接入到PROFIBUS-DP網絡，作為PROFIBUS-DP網絡的從站，同時CPU222 PLC又作為一個主站與電力監控儀表組成一個子網，電力監控儀表作為子網的從站，主從站之間采用自由口通信方式。
同樣，對於PB-B-MODBUS總線橋來說，作為PROFIBUS-DP網絡從站的同時，又作為MODBUS子網的主站與電力監控儀表組成MODBUS網絡。ANYBUS網關工作原理與PB-B-MODBUS總線橋的工作原理相似，它在該係統中同樣既做PROFIBUS-DP網絡從站，又作為MODBUS子網的主站與我公司電力監控儀表組成MODBUS網絡。
1.1 PLC自由口通信子網
PLC作為PROFIBUS網絡的一個從站，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量進行采集和控製，而且PLC本身就可以構成一個子網，比如MPI網絡，自由口通信網絡等。而且可以擴展以太網接口模塊將整個網絡接入以太網，擴展AS-I接口模塊，將係統接入ASI-I網絡等。對於工業控製場合，該網絡應用範圍是非常廣泛的。
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，實現PLC與電力監控儀表間的MODBUS通信。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、圖3所示。
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
該係統中PLC模式為1時進行自由口通信，模式為0時進行PPI協議，波特率為9600，奇偶校驗為無校驗，儀表讀取地址為40038，讀取6個數據單元。
1.2網關、總線橋工作原理及配置
對於總線橋來說，一方麵，CPU通過對PROFIBUS通信協議芯片的控製實現PROFIBUS的通信，在RAM中建立PROFIBUS通信數據緩衝區。另一方麵，通過MODBUS協議實現和電力監控儀表的通信，同樣在RAM中建立MODBUS通信數據緩衝區。CPU通過兩個通信緩衝區的數據交換，實現PROFIBUS到MODBUS的通信。
由於總線橋自身不具備控製功能，必須通過DP主站進行控製。DP主站通過對其控製字的設置，來控製總線橋作為RS485網絡主站對其各從站的發送接收模式，通過監控其狀態字來實現數據發送接收狀態的監控。PROFIBUS數據區與RS485數據報文格式對照關係如表1所示。
表1 PROFIBUS數據區與RS485接收報文對照表
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PROFIBUS映射地址 長度 RS485報文格式 |
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IB0 1字節 該字節用來存儲接收報文長度
IB1 1字節 該字節為通信狀態字
IB2至以後 若幹 接收數據緩衝區
QB0 1字節 該字節用來存儲發送報文長度
QB1 1字節 該字節為通信控製字
QB2至以後 若幹 發送數據緩衝區 |
該係統的DP主站是通信板卡，不能直接在S7-STEPV5.4中編寫PLC程序對總線橋進行控製，隻能通過在上位機ACREL-3000軟件中編寫腳本程序完成對PB-B-MODBUS總線橋狀態字的讀取和控製字的讀寫和通信。
ANYBUS網關和PB-B-MODBUS總線橋實現原理基本相同，均是在轉換模塊的RAM中建立了PROFIBUS 到MODBUS 映射數據區，由軟件實現PROFIBUS 和MODBUS 協議轉換及數據交換。但ANYBUS網關自身帶有配置軟件，數據映射配置實現起來相對簡單。
不管是總線橋還是網關，由於受協議轉換設備其自身映像數據存儲區大小的限製，根據所要采集電參量的多少，可帶儀表的個數不同。
2 係統功能
基於PROFIBUS-DP的電能管理與電力監控係統，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，可以在上位機界麵上實現隊所有電參量的實時顯示，如I、U、P、Q、kWh等，圖4所示為本係統的電能管理及電力監控係統主界麵。
圖4 ACREL-3000電力監控/電能計量管理係統實現實時采集監控界麵
ACREL-3000還可以實現主要電力參數的實時運行曲線、曆史趨勢曲線等繪製，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。強大的數據庫可以將曆史記錄保留3年以上。
圖5 ACREL-3000 實時曲線界麵
通過ACREL3000界麵還可以實現對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。對於係統的檢修和維護也起到非常方便的指導作用。
3 結束語
該係統采用安裝了CP5611通信板卡的工控機作為PROFIBUS主站，使用多種方法將電力監控儀表集成到PROFIBUS-DP網絡中。調試結果表明：上位機主站能夠按時間每隔1s輪流對各個電力監控儀表進行采集數據，運行通信情況良好。
理論上來說，一個PROFIBUS網絡的最高傳輸速率可達12Mb/s，一個網段可帶32個從站，一個網絡可帶126個從站。這裏每個DP從站（200係列PLC、ANYBUS網關、PB-B-MODBUS總線橋）根據自身情況帶若幹個儀表，一個係統網絡所帶儀表的數量是非常之大的，相對於由通信擴展卡或通信服務器組成的MODBUS係統來說，同樣數量的儀表組網，可以節省大量硬件組網設備。
根據係統提供的組網方法，不(bu)僅(jin)能(neng)將(jiang)工(gong)業(ye)自(zi)動(dong)化(hua)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)與(yu)電(dian)能(neng)管(guan)理(li)電(dian)力(li)監(jian)控(kong)係(xi)統(tong)集(ji)成(cheng)為(wei)一(yi)體(ti)，而(er)且(qie)整(zheng)個(ge)網(wang)絡(luo)具(ju)有(you)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)係(xi)統(tong)的(de)智(zhi)能(neng)化(hua)管(guan)理(li)，具(ju)有(you)很(hen)高(gao)的(de)先(xian)進(jin)性(xing)，還(hai)可(ke)以(yi)節(jie)約(yue)大(da)量(liang)的(de)硬(ying)件(jian)成(cheng)本(ben)。
參考文獻
【1】 安科瑞電氣有限公司.ACR係列網絡多功能電力儀表[G].2008
【2】 任致程,周中. 電力電測數字儀表原理與應用指南[M]. 北京:中國電力出版社. 2007.
【3】 王永華，Andy Verwer. 現場總線技術及應有教程――從PROFIBUS到AS－i[M].北京：機械工業出版社，2006.
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