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基于PROFIBUS-DP的電能管理及電力監(jiān)控系統(tǒng)

2010/12/14 9:30:00

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

隨著能源的日漸緊張，國(guó)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(chǎng)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(chǎng)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(wèn)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(jiǎn)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。

CPU 222 PLC通過(guò)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。

同樣，對(duì)于PB-B-MODBUS總線橋來(lái)說(shuō)，作為PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)從站的同時(shí)，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(gè)從站，其自身功能非常強(qiáng)大，不但可以通過(guò)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)，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(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。對(duì)于工業(yè)控制場(chǎng)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(guò)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(mén)子公司提供的庫(kù)函數(shù)MBUS_CTRL和MBUS_MSG可以簡(jiǎn)單方便地實(shí)現(xiàn)MODBUS通信，如圖2、圖3所示。

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(wú)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(lái)說(shuō)，一方面，CPU通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)DP主站進(jìn)行控制。DP主站通過(guò)對(duì)其控制字的設(shè)置，來(lái)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(guò)監(jiān)控其狀態(tài)字來(lái)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。

該系統(tǒng)的DP主站是通信板卡，不能直接在S7-STEPV5.4中編寫(xiě)PLC程序?qū)偩€橋進(jìn)行控制，只能通過(guò)在上位機(jī)ACREL-3000軟件中編寫(xiě)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(xiě)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(lái)相對(duì)簡(jiǎn)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(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(guò)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、