引言
隨著(zhù)能源的日漸緊張，國家出臺了很多有關(guān)節能減排的法律法規，各行各業(yè)都在采取了相應的節能措施，各制造行業(yè)的工廠(chǎng)企業(yè)也采用了電能管理及電力監控系統對節能效果進(jìn)行考核。
相對于MODBUS通信而言，PRFOBUS通信存在著(zhù)諸多優(yōu)點(diǎn)，比如高通信速率（最高可達12Mbit/s）、實(shí)時(shí)性、可靠性、易擴展、易維護性等，很多工廠(chǎng)、企業(yè)現存的生產(chǎn)控制自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )大都采用現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統，PROFIBUS網(wǎng)絡(luò )是其中應用最多的一種現場(chǎng)總線(xiàn)，因此，很多工廠(chǎng)企業(yè)希望能將電能管理及電力監控系統也集成到PROFIBUS-DP自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )中，而不是單獨進(jìn)行MODBUS組網(wǎng)。但由于目前存在的大多數智能電力監控儀表都是基于MODBUS通信的，那么如何把現存的不帶DP接口的串口儀表設備連接到總線(xiàn)上組成DP網(wǎng)絡(luò )就成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。
本文設計了基于串口通信的電力監控及多功能網(wǎng)絡(luò )電力儀表，給出了基于PROFIBUS-DP通信的智能電力監控及電能管理系統的解決方案。系統中采用了三種方法將基于MODBUS-RTU通信的智能電力監控儀表集成到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，主站可以直接對各個(gè)電力儀表進(jìn)行數據采集、遠程控制等，傳輸速率較快，有很好的實(shí)用性和可行性。
系統構成
本系統采用安裝了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(xiàn)橋分別作為PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò )的三個(gè)從站，每個(gè)從站又與電力監控儀表組成一個(gè)子網(wǎng)，如圖1所示。系統中同時(shí)也可以連接其他的PROFIBUS-DP從站設備。
圖1 系統結構示意圖
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)主站與電力監控儀表組成一個(gè)子網(wǎng)，電力監控儀表作為子網(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(xiàn)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(xiàn)橋的工作原理相似，它在該系統中同樣既做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控儀表組成MODBUS網(wǎng)絡(luò )。
1 PLC自由口通信子網(wǎng)
PLC作為PROFIBUS網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)從站，其自身功能非常強大，不但可以通過(guò)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。而且可以擴展以太網(wǎng)接口模塊將整個(gè)網(wǎng)絡(luò )接入以太網(wǎng)，擴展AS-I接口模塊，將系統接入ASI-I網(wǎng)絡(luò )等。對于工業(yè)控制場(chǎng)合，該網(wǎng)絡(luò )應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PLC進(jìn)行自由口通信編程，實(shí)現PLC與電力監控儀表間的MODBUS通信。利用西門(mén)子公司提供的庫函數MBUS_CTRL和MBUS_MSG可以簡(jiǎn)單方便地實(shí)現MODBUS通信，如圖2、圖3所示。
該系統中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，奇偶校驗為無(wú)校驗，儀表讀取地址為40038，讀取6個(gè)數據單元。
2網(wǎng)關(guān)、總線(xiàn)橋工作原理及配置
對于總線(xiàn)橋來(lái)說(shuō)，一方面，CPU通過(guò)對PROFIBUS通信協(xié)議芯片的控制實(shí)現PROFIBUS的通信，在RAM中建立PROFIBUS通信數據緩沖區。另一方面，通過(guò)MODBUS協(xié)議實(shí)現和電力監控儀表的通信，同樣在RAM中建立MODBUS通信數據緩沖區。CPU通過(guò)兩個(gè)通信緩沖區的數據交換，實(shí)現PROFIBUS到MODBUS的通信。
由于總線(xiàn)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)對其控制字的設置，來(lái)控制總線(xiàn)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(guò)監控其狀態(tài)字來(lái)實(shí)現數據發(fā)送接收狀態(tài)的監控。PROFIBUS數據區與RS485數據報文格式對照關(guān)系如表1所示。
該系統的DP主站是通信板卡，不能直接在S7-STEPV5.4中編寫(xiě)PLC程序對總線(xiàn)橋進(jìn)行控制，只能通過(guò)在上位機ACREL-3000軟件中編寫(xiě)腳本程序完成對PB-B-MODBUS總線(xiàn)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(xiàn)橋實(shí)現原理基本相同，均是在轉換模塊的RAM中建立了PROFIBUS 到MODBUS 映射數據區，由軟件實(shí)現PROFIBUS 和MODBUS 協(xié)議轉換及數據交換。但ANYBUS網(wǎng)關(guān)自身帶有配置軟件，數據映射配置實(shí)現起來(lái)相對簡(jiǎn)單。
不管是總線(xiàn)橋還是網(wǎng)關(guān)，由于受協(xié)議轉換設備其自身映像數據存儲區大小的限制，根據所要采集電參量的多少，可帶儀表的個(gè)數不同。
系統功能
基于PROFIBUS-DP的電能管理與電力監控系統，上位機軟件為ACREL-3000電力監控組態(tài)軟件。通過(guò)該軟件進(jìn)行組態(tài)，可以在上位機界面上實(shí)現隊所有電參量的實(shí)時(shí)顯示，如I、U、P、Q、kWh等，圖4所示為本系統的電能管理及電力監控系統主界面。
ACREL-3000還可以實(shí)現主要電力參數的實(shí)時(shí)運行曲線(xiàn)、歷史趨勢曲線(xiàn)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(xún)功能、打印功能等。強大的數據庫可以將歷史記錄保留3年以上。
通過(guò)ACREL3000界面還可以實(shí)現對PROFIBUS各從站的網(wǎng)絡(luò )參數采集和顯示，比如：總線(xiàn)參數、從站狀態(tài)、主站模式、看門(mén)狗、組態(tài)信息以及從站診斷數據等。對于系統的檢修和維護也起到非常方便的指導作用。
結束語(yǔ)
該系統采用安裝了CP5611通信板卡的工控機作為PROFIBUS主站，使用多種方法將電力監控儀表集成到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò )中。調試結果表明：上位機主站能夠按時(shí)間每隔1s輪流對各個(gè)電力監控儀表進(jìn)行采集數據，運行通信情況良好。
理論上來(lái)說(shuō)，一個(gè)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò )的最高傳輸速率可達12Mb/s，一個(gè)網(wǎng)段可帶32個(gè)從站，一個(gè)網(wǎng)絡(luò )可帶126個(gè)從站。這里每個(gè)DP從站（200系列PLC、ANYBUS網(wǎng)關(guān)、PB-B-MODBUS總線(xiàn)橋）根據自身情況帶若干個(gè)儀表，一個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )所帶儀表的數量是非常之大的，相對于由通信擴展卡或通信服務(wù)器組成的MODBUS系統來(lái)說(shuō)，同樣數量的儀表組網(wǎng)，可以節省大量硬件組網(wǎng)設備。
根據系統提供的組網(wǎng)方法，不僅能將工業(yè)自動(dòng)化控制系統與電能管理電力監控系統集成為一體，而且整個(gè)網(wǎng)絡(luò )具有現場(chǎng)總線(xiàn)系統的智能化管理，具有很高的先進(jìn)性，還可以節約大量的硬件成本。
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