《電子技術(shù)應用》
您所在的位置:首頁 > 其他 > 設計應用 > 基于PROFIBUS-DP電能管理及電力監(jiān)控系統(tǒng)
基于PROFIBUS-DP電能管理及電力監(jiān)控系統(tǒng)
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鍵問題,驗證了系統(tǒng)的通信性能和可行性。
Abstract:
Key words :

0  引言

隨著能源的日漸緊張,國家出臺了很多有關節(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、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、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,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、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。 

參考文獻

【1】 上海安科瑞電氣有限公司.ACR系列網(wǎng)絡多功能電力儀表[G].2008

【2】 任致程,周中. 電力電測數(shù)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(xiàn)場總線技術(shù)及應有教程——從PROFIBUS到AS-i[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。