摘要：設(shè)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(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)計中的關(guān)鍵問題,，驗證了系統(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。

 

 

0 引言

隨著能源的日漸緊張,，國家出臺了很多有關(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)對節(jié)能效果進(jìn)行考核,。

相對于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)就成為一個亟待解決的問題,。

本文設(shè)計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,，主站可以直接對各個電力儀表進(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)的三個從站,，每個從站又與電力監(jiān)控儀表組成一個子網(wǎng),，如圖1所示。系統(tǒng)中同時也可以連接其他的PROFIBUS-DP從站設(shè)備,。

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CPU222 PLC又作為一個主站與電力監(jiān)控儀表組成一個子網(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，對于PB-B-MODBUS總線橋來說,，作為PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)從站的同時,，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)的一個從站,，其自身功能非常強(qiáng)大,，不但可以通過主站對連接到從站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。對于工業(yè)控制場合,，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，通過對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時進(jìn)行自由口通信，模式為0時進(jìn)行PPI協(xié)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(shù)據(jù)單元,。

1.2網(wǎng)關(guān)、總線橋工作原理及配置

對于總線橋來說,，一方面,，CPU通過對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主站通過對其控制字的設(shè)置，來控制總線橋作為RS485網(wǎng)絡(luò)主站對其各從站的發(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)報文格式對照關(guān)系如表1所示。

 

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。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)起來相對簡單,。

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)隊所有電參量的實(shí)時顯示,，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/電能計量管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時采集監(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)大的報警功能、報表功能,、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)時曲線界面

通過ACREL3000界面還可以實(shí)現(xiàn)對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,、看門狗,、組態(tài)信息以及從站診斷數(shù)據(jù)等。對于系統(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

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)主站能夠按時間每隔1s輪流對各個電力監(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PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的最高傳輸速率可達(dá)12Mb/s,，一個網(wǎng)段可帶32個從站,，一個網(wǎng)絡(luò)可帶126個從站。這里每個DP從站（200系列PLC,、ANYBUS網(wǎng)關(guān),、PB-B-MODBUS總線橋）根據(jù)自身情況帶若干個儀表，一個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所帶儀表的數(shù)量是非常之大的,，相對于由通信擴(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(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。

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