摘  要： 以某高校綜合樓智能配電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例,，提出一種基于Profibus總線技術(shù)的智能配電柜系統(tǒng)，在分析系統(tǒng)的構(gòu)架與特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,，給出了以PLC為核心的主站方案及從站軟件流程圖和投入運(yùn)行后的監(jiān)控界面圖,。該系統(tǒng)使得設(shè)備控制的集中化、智能化得到了實(shí)現(xiàn),，具有良好的可擴(kuò)充性,。
關(guān)鍵詞： Profibus協(xié)議；智能配電柜,；PLC,；監(jiān)控界面

　目前廣泛應(yīng)用于建筑內(nèi)的配電控制裝置有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
　（1）對(duì)建筑電氣的控制多由獨(dú)立的設(shè)備完成,，控制裝置大多只具備對(duì)一套獨(dú)立設(shè)備中的單臺(tái)設(shè)備的控制功能,，在正常運(yùn)行和監(jiān)控時(shí)不夠便捷,。在電氣控制裝置二次控制回路設(shè)計(jì)上，多采用獨(dú)立分散繼電器控制方式,，而這種方式使用的電氣元件多,、體積大、觸點(diǎn)多,、故障率大,、壽命短，因此運(yùn)行存在維修不便,、可靠性低等問題,。
　（2）現(xiàn)代建筑中配備的電氣設(shè)備數(shù)量持續(xù)增加,，其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)與功能的復(fù)雜度也不斷提升,，迫切需要可以有效提高管理水平以加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的功能控制的解決方案。
　上述問題都對(duì)建筑電氣提出了新的要求,，本文基于對(duì)Profibus總線技術(shù)的研究構(gòu)建了適用于現(xiàn)代建筑電氣控制裝置設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用的建筑智能配電柜系統(tǒng),。
　Profibus是工業(yè)控制領(lǐng)域中的主流現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)傳統(tǒng)的RS-232,、RS-422,、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備有良好的支持，針對(duì)早期模擬控制裝置與獨(dú)立的設(shè)備控制,，用直接數(shù)字控制器（DDC）和集散控制系統(tǒng)（DCS）為主流的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn),。運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)測(cè)量及控制技術(shù),，可對(duì)建筑內(nèi)各種分散的機(jī)電設(shè)備,、消防和安保設(shè)備裝置進(jìn)行自動(dòng)控制和統(tǒng)一管理。采用可編程控制器（PLC）實(shí)現(xiàn)電機(jī)智能控制二次回路,，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、高效率、低能耗,、調(diào)速性能優(yōu)良及可控性靈活,。
1 智能配電柜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1.1 工程概況
　本項(xiàng)目為某高校綜合樓，建筑面積約22 000 m2,，安裝的電氣設(shè)備主要有送風(fēng)機(jī)（13 kW）3臺(tái),，排煙風(fēng)機(jī)（7.5 kW）2臺(tái)，生活泵（20 kW）2臺(tái),，排污泵（20 kW）2臺(tái),，消防/噴淋泵（60 kW）各1臺(tái)。
1.2 系統(tǒng)構(gòu)架
　本項(xiàng)目系統(tǒng)采用包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層,、PLC數(shù)據(jù)處理層,、運(yùn)行監(jiān)控層的分層分布式設(shè)計(jì)[1],。系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

?。?）現(xiàn)場(chǎng)控制層
　高低壓智能配電柜是現(xiàn)場(chǎng)控制層的主要組成部分,。其中安裝有智能設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)智能儀表,、遠(yuǎn)程I/O和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等,，如排風(fēng)機(jī),、生活水泵軟起動(dòng)器,、變頻器、多功能網(wǎng)絡(luò)儀表,、諧波儀表及智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器等,。
　（2）PLC數(shù)據(jù)處理層
　作為中間層的PLC數(shù)據(jù)處理層的主要作用是對(duì)監(jiān)控層與設(shè)備層進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞處理與網(wǎng)絡(luò)連接轉(zhuǎn)換,。從現(xiàn)場(chǎng)讀取設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù),，PLC對(duì)其預(yù)處理后上傳至控制中心并接收其回應(yīng)信息，再對(duì)現(xiàn)場(chǎng)層的智能儀表等設(shè)備下達(dá)控制中心的遙控,、遙調(diào)命令,。通過組態(tài)編程，PLC能夠自動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的智能設(shè)備,。
?。?）運(yùn)行監(jiān)控層
　組成監(jiān)控層的工作站、PLC/DCS控制器等部分都是連接在總線上,，且與工業(yè)以太網(wǎng)相連接,。監(jiān)控中心軟件是使用Visual Basic 6.0開發(fā)的，具有友好的人機(jī)界面,，可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)信息的參數(shù)與圖表,，詳實(shí)地記錄工況供用戶查閱。
1.3 系統(tǒng)主站設(shè)計(jì)
　由系統(tǒng)構(gòu)架圖可知,，該智能配電柜系統(tǒng)以一臺(tái)基于Windows平臺(tái)的計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)與用戶進(jìn)行人機(jī)互動(dòng),。智能配電柜中安裝的智能電器元件具有標(biāo)準(zhǔn)RS-485通信接口，其與上位機(jī)RS-232接口的連接可使用Profibus協(xié)議通過轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn),。PROFIBUS-DP允許構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng),。本系統(tǒng)的PROFIBUS-DP應(yīng)用系統(tǒng)采用的是單主站結(jié)構(gòu)，遵循主/從原理與從站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[2],。
　本系統(tǒng)選用的PROFIBUS-DP主站是以PLC為核心的方案,，其做PROFIBUS-DP主站主要優(yōu)點(diǎn)為：功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能,；可靠性高,，抗干擾能力強(qiáng),；硬件配套齊全，用戶使用方便,，適應(yīng)性強(qiáng),；系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝,、調(diào)試工作量少,。
　與從站的通信過程為：當(dāng)SIEMENS PLC S7-300 CPU315-2DP作為網(wǎng)絡(luò)上的主站時(shí)，CPU315-2DP通過地址增序輪詢方式與從站進(jìn)行通信,，這樣可以保證所有的輸出數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)都具有時(shí)效性,。此時(shí)主站若要想與從站通信，則需首先發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)幀,，從站接收到請(qǐng)求數(shù)據(jù)后,，隨即向主站發(fā)送一個(gè)響應(yīng)幀。主要的報(bào)文有令牌報(bào)文,、固定長(zhǎng)度無(wú)/有數(shù)據(jù)單元的報(bào)文,、變數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的報(bào)文。
　綜上所述,，以PLC為核心的主站方案可以適用于智能配電柜系統(tǒng)控制現(xiàn)場(chǎng),，并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自動(dòng)化控制功能。
1.4 系統(tǒng)從站設(shè)計(jì)
　DP協(xié)議接口是DP從站設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn),，它主要實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議并提供總線訪問接口,。本系統(tǒng)DP協(xié)議接口部分的方案設(shè)計(jì)選擇的是單片機(jī)與Profibus通信控制器相結(jié)合的方案。Profibus通信控制器主要功能是實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP協(xié)議和提供高速率的異步串行通信接口,。在Profibus通信控制器方式下,，實(shí)現(xiàn)從站外部進(jìn)行功能調(diào)用及提供用戶命令，即為單片機(jī)的主要功能,。
　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,，而且可以進(jìn)行處理并記錄相應(yīng)的狀態(tài)，根據(jù)要求做出相應(yīng)動(dòng)作的智能從站,。
　采用C8051F020單片機(jī)是綜合考慮了單片機(jī)程序所需占用的資源,、從站功能化和成本等因素后的選擇。C8051F020單片機(jī)的特點(diǎn)：
?。?）采用Cygnal的專利CIP-51微控制器內(nèi)核,。CIP-51與MCS-51TM指令集完全兼容可以使用標(biāo)準(zhǔn)803X/805X的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)，CIP-51內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn)8052的所有外設(shè)部件[3],。
?。?）C8051F020的片內(nèi)資源非常豐富：64 KB的Flash、4 KB的RAM、8通道的12 bit ADC,、2通道的12 bit DAC,、可編程的16 bit計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列、5個(gè)捕捉/比較模塊以及內(nèi)置看門狗電路等,。片內(nèi)大容量的Flash和RAM可以完全滿足從站軟件的要求,。片內(nèi)的8通道12 bit ADC和2通道12 bit DAC可以作為4通道A/D采集/2通道D/A波形輸出從站的模擬輸入/輸出接口。
?。?）為了滿足低功耗的要求,，C8051F020的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓是3.3 V。要實(shí)現(xiàn)DP協(xié)議,，使用的SPC3（SIEMENS Profibus Controller 3）不僅支持從站的開發(fā)且集成了全部的PROFIBUS-DP協(xié)議,，能用于12 Mb/s波特率總線，可以降低PROFIBUS-DP從站開發(fā)的難度,。所以采用SPC3通信控制器能夠滿足從站設(shè)計(jì)的要求,。
　C8051F020在其內(nèi)部為各種功能開辟了統(tǒng)一的輸入/輸出緩沖區(qū),，只要將C8051F020輸入緩沖區(qū)的內(nèi)容轉(zhuǎn)存到SPC3的輸入緩沖區(qū)中,，便可實(shí)現(xiàn)向主站傳送帶有各種功能的輸入數(shù)據(jù)。同時(shí)外部診斷也可以通過由SPC3用戶自定義設(shè)置診斷信息來(lái)進(jìn)行[4],。整個(gè)主程序流程圖如圖2,、圖3所示。

2 數(shù)據(jù)庫(kù)及HMI設(shè)計(jì)
　WINCC的數(shù)據(jù)保存在標(biāo)準(zhǔn)的Sybase SQL Anywhere數(shù)據(jù)庫(kù)中,，Sybase Central 4.0可以通過ODBC直接訪問WINCC的歷史數(shù)據(jù)庫(kù),。如需要進(jìn)行數(shù)據(jù)插入工作，利用Visual Baic 6.0編寫訪問WINCC數(shù)據(jù)庫(kù)程序,。在VB中,，先引用ADO組件，并聲明ADO變量,，程序如下：
Private cn As ADOD B.Connection
Private rs As ADOD B.Recordset
Const dsn=“CC_PLC_13-01-16_19：45：24R”
Private sub instertData（nowValue as double）
Dim nowtime as string
Nowtime=now
cn.Open dsn,，“”，“”
sqlstr=“insertintoPDE#HQZ#POWER_PRE（T,，V,，F(xiàn)）Values（“”+Nowtime+“”，“+nowValue+”,，255）”
cn.Execute sqletr
cn.close
End sub
　本系統(tǒng)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況和故障的判定規(guī)則,，可實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行情況并進(jìn)行記錄。
　系統(tǒng)人機(jī)界面由Visual Basic 6.0設(shè)計(jì),，系統(tǒng)可向PLC寫命令數(shù)據(jù)和從PLC讀取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),，通過編寫程序訪問WINCC歷史數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)的功能界面集成在一個(gè)窗口中,，操作非常簡(jiǎn)單直觀,，可以看到配電主接線圖通信狀況,、負(fù)荷曲線、溫度監(jiān)控,、歷史記錄,、故障報(bào)警記錄和報(bào)表管理等菜單，點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕就可以查詢當(dāng)前的線路的主要參數(shù),，如電流,、電壓、有/無(wú)/視在功率及需要系數(shù)等,。
3 系統(tǒng)應(yīng)用效果及展望
　本智能配電柜系統(tǒng)投入運(yùn)行之后,，使得原先一個(gè)個(gè)獨(dú)立工作的設(shè)備監(jiān)控裝置通過總線技術(shù)相互聯(lián)系成為一個(gè)控制群體，使計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心能及時(shí)地了解整個(gè)系統(tǒng)的用電量情況和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的具體運(yùn)行情況,。由于智能PLC模塊的應(yīng)用,，集散控制方式下的靈活性與精確性得到了提高，能夠隨時(shí)反饋并定位的故障報(bào)警信號(hào),，增加了設(shè)備的運(yùn)行壽命與安全性,，節(jié)約了能源與開支。該基于Profibus總線技術(shù)的系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)充性,，可以與建筑物內(nèi)的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)相連接,。可見,，基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的配電柜監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的發(fā)展前景,。
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