吳先倫1， 曹雪華2
(1. 重慶渝經(jīng)能源技術(shù)設計研究院，重慶 40020;2.上海安科瑞電器股份有限公司，上海 201801)
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(jié)構(gòu)組成和實現(xiàn)原理，給出了主站和串口電力儀表從站通信的實現(xiàn)方法，解決了主從站通信程序設計中的關(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。
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。
相對于MODBUS通信而言，PRFOBUS通信存在著諸多優(yōu)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(yè)現(xiàn)存的生產(chǎn)控制自動化網(wǎng)絡大都采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，PROFIBUS網(wǎng)絡是其中應用最多的一種現(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)絡中，而不是單獨進行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接口的串口儀表設備連接到總線上組成DP網(wǎng)絡就成為一個亟待解決的問題。
本文設計了基于串口通信的電力監(jiān)控及多功能網(wǎng)絡電力儀表，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行數(shù)據(jù)采集、遠程控制等，傳輸速率較快，有很好的實用性和可行性。
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從站設備。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
CPU 222 PLC通過EM277 DP模塊接入到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡，作為PROFIBUS-DP網(wǎng)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(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。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。
1.1 PLC自由口通信子網(wǎng)
PLC作為PROFIBUS網(wǎng)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量進行采集和控制，而且PLC本身就可以構(gòu)成一個子網(wǎng)，比如MPI網(wǎng)絡，自由口通信網(wǎng)絡等。而且可以擴展以太網(wǎng)接口模塊將整個網(wǎng)絡接入以太網(wǎng)，擴展AS-I接口模塊，將系統(tǒng)接入ASI-I網(wǎng)絡等。對于工業(yè)控制場合，該網(wǎng)絡應用范圍是非常廣泛的。
PLC作為自由口通信網(wǎng)絡的主站，通過對PLC進行自由口通信編程，實現(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1
圖3 自由口通信程序圖網(wǎng)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，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主站進行控制。DP主站通過對其控制字的設置，來控制總線橋作為RS485網(wǎng)絡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。
表1 PROFIBUS數(shù)據(jù)區(qū)與RS485接收報文對照表
PROFIBUS映射地址 長度 RS485報文格式
IB0 1字節(jié) 該字節(jié)用來存儲接收報文長度
IB1 1字節(jié) 該字節(jié)為通信狀態(tài)字
IB2至以后 若干 接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)
QB0 1字節(jié) 該字節(jié)用來存儲發(fā)送報文長度
QB1 1字節(jié) 該字節(jié)為通信控制字
QB2至以后 若干 發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)
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�橋進行控制，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(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)，上位機軟件為ACREL-3000電力監(jiān)控組態(tài)軟件。通過該軟件進行組態(tài)，可以在上位機界面上實現(xiàn)隊所有電參量的實時顯示，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)實現(xiàn)實時采集監(jiān)控界面
ACREL-3000還可以實現(xiàn)主要電力參數(shù)的實時運行曲線、歷史趨勢曲線等繪制，如圖5所示。另外，ACREL-3000還具有強大的報警功能、報表功能、查詢功能、打印功能等。強大的數(shù)據(jù)庫可以將歷史記錄保留3年以上。
圖5 ACREL-3000 實時曲線界面
通過ACREL3000界面還可以實現(xiàn)對PROFIBUS各從站的網(wǎng)絡參數(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)的檢修和維護也起到非常方便的指導作用。
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)絡中。調(diào)試結(jié)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(shù)據(jù)，運行通信情況良好。
理論上來說，一個PROFIBUS網(wǎng)絡的最高傳輸速率可達12Mb/s，一個網(wǎng)段可帶32個從站，一個網(wǎng)絡可帶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)絡所帶儀表的數(shù)量是非常之大的，相對于由通信擴展卡或通信服務器組成的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)絡具有現(xiàn)場總線系統(tǒng)的智能化管理，具有很高的先進性，還可以節(jié)約大量的硬件成本。
文章來源于：《低壓電器》2009年第14期。
參考文獻
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