基于PROFIBUS-DP的电能管理及电力监控系统

时间：2020-01-05

0 引言

随着能源的日渐紧张，地区出台了很多有关节能减排的法律法规，各行各业都在采取了相应的节能措施，各制造行业的工厂企业也采用了电能管理及电力监控系统对节能效果进行考核。---基于PROFIBUS-DP的电能管理及电力监控系统
相对于MODBUS通信而言，PRFOBUS通信存在着诸多优点，比如高通信速率（较高可达12Mbit/s）、实时性、**性、易扩展、易维护性等，很多工厂、企业现存的生产控制自动化网络大都采用现场总线控制系统，PROFIBUS网络是其中应用较多的一种现场总线，因此，很多工厂企业希望能将电能管理及电力监控系统也集成到PROFIBUS-DP自动化网络中，而不是单独进行MODBUS组网。但由于目前存在的大多数智能电力监控仪表都是基于MODBUS通信的，那么如何把现存的不带DP接口的串口仪表设备连接到总线上组成DP网络就成为一个亟待解决的问题。

本文设计了基于串口通信的电力监控及多功能网络电力仪表，给出了基于PROFIBUS-DP通信的智能电力监控及电能管理系统的解决方案。系统中采用了三种方法将基于MODBUS-RTU通信的智能电力监控仪表集成到PROFIBUS-DP网络中。

本文介绍的组网方法，不但硬件成本比较低、安装方便，而且编程简单，主站可以直接对各个电力仪表进行数据采集、远程控制等，传输速率较快，有很好的实用性和可行性。

1系统构成

本系统采用安装了CP5611通信板卡的工控机作为通信主站，S7-200 PLC CPU222、ANYBUS网关、PB-B-MODBUS总线桥分别作为PROFIBUS-DP网络的三个从站，每个从站又与电力监控仪表组成一个子网，如图1所示。系统中同时也可以连接其他的PROFIBUS-DP从站设备。

CPU 222 PLC通过EM277 DP模块接入到PROFIBUS-DP网络，作为PROFIBUS-DP网络的从站，同时CPU222 PLC又作为一个主站与电力监控仪表组成一个子网，电力监控仪表作为子网的从站，主从站之间采用自由口通信方式。

同样，对于PB-B-MODBUS总线桥来说，作为PROFIBUS-DP网络从站的同时，又作为MODBUS子网的主站与电力监控仪表组成MODBUS网络。ANYBUS网关工作原理与PB-B-MODBUS总线桥的工作原理相似，它在该系统中同样既做PROFIBUS-DP网络从站，又作为MODBUS子网的主站与我公司电力监控仪表组成MODBUS网络。

1.1PLC自由口通信子网

PLC作为PROFIBUS网络的一个从站，其自身功能非常强大，不但可以通过主站对连接到从站PLC I/O点上的各种I/O量进行采集和控制，而且PLC本身就可以构成一个子网，比如MPI网络，自由口通信网络等。而且可以扩展以太网接口模块将整个网络接入以太网，扩展AS-I接口模块，将系统接入ASI-I网络等。对于工业控制场合，该网络应用范围是非常广泛的。

PLC作为自由口通信网络的主站，通过对PLC进行自由口通信编程，实现PLC与电力监控仪表间的MODBUS通信。利用西门子公司提供的库函数MBUS_CTRL和MBUS_MSG可以简单方便地实现MODBUS通信，如图2、图3所示。

该系统中PLC模式为1时进行自由口通信，模式为0时进行PPI协议，波特率为9600，奇偶校验为无校验，仪表读取地址为40038，读取6个数据单元。

1.2网关、总线桥工作原理及配置

对于总线桥来说，一方面，CPU通过对PROFIBUS通信协议芯片的控制实现PROFIBUS的通信，在RAM中建立PROFIBUS通信数据缓冲区。另一方面，通过MODBUS协议实现和电力监控仪表的通信，同样在RAM中建立MODBUS通信数据缓冲区。CPU通过两个通信缓冲区的数据交换，实现PROFIBUS到MODBUS的通信。

由于总线桥自身不具备控制功能，**通过DP主站进行控制。DP主站通过对其控制字的设置，来控制总线桥作为RS485网络主站对其各从站的发送接收模式，通过监控其状态字来实现数据发送接收状态的监控。PROFIBUS数据区与RS485数据报文格式对照关系如表1所示。

表1 PROFIBUS数据区与RS485接收报文对照表

PROFIBUS映射地址长度 RS485报文格式

IB0 1字节该字节用来存储接收报文长度

IB1 1字节该字节为通信状态字

IB2至以后若干接收数据缓冲区

QB0 1字节该字节用来存储发送报文长度

QB1 1字节该字节为通信控制字

QB2至以后若干发送数据缓冲区

该系统的DP主站是通信板卡，不能直接在S7-STEPV5.4中编写PLC程序对总线桥进行控制，只能通过在上位机ACREL-3000软件中编写脚本程序完成对PB-B-MODBUS总线桥状态字的读取和控制字的读写和通信。

ANYBUS网关和PB-B-MODBUS总线桥实现原理基本相同，均是在转换模块的RAM中建立了PROFIBUS 到MODBUS 映射数据区，由软件实现PROFIBUS 和MODBUS 协议转换及数据交换。但ANYBUS网关自身带有配置软件，数据映射配置实现起来相对简单。

不管是总线桥还是网关，由于受协议转换设备其自身映像数据存储区大小的限制，根据所要采集电参量的多少，可带仪表的个数不同。

1系统功能

基于PROFIBUS-DP的电能管理与电力监控系统，上位机软件为ACREL-3000电力监控组态软件。通过该软件进行组态，可以在上位机界面上实现队所有电参量的实时显示，如I、U、P、Q、kWh等，图4所示为本系统的电能管理及电力监控系统主界面。

ACREL-3000还可以实现主要电力参数的实时运行曲线、历史趋势曲线等绘制，如图5所示。另外，ACREL-3000还具有强大的报警功能、报表功能、查询功能、打印功能等。强大的数据库可以将历史记录保留3年以上。

通过ACREL3000界面还可以实现对PROFIBUS各从站的网络参数采集和显示，比如：总线参数、从站状态、主站模式、看门狗、组态信息以及从站诊断数据等。对于系统的检修和维护也起到非常方便的指导作用。

2结束语

该系统采用安装了CP5611通信板卡的工控机作为PROFIBUS主站，使用多种方法将电力监控仪表集成到PROFIBUS-DP网络中。调试结果表明：上位机主站能够按时间每隔1s轮流对各个电力监控仪表进行采集数据，运行通信情况良好。

理论上来说，一个PROFIBUS网络的较高传输速率可达12Mb/s，一个网段可带32个从站，一个网络可带126个从站。这里每个DP从站（200系列PLC、ANYBUS网关、PB-B-MODBUS总线桥）根据自身情况带若干个仪表，一个系统网络所带仪表的数量是非常之大的，相对于由通信扩展卡或通信服务器组成的MODBUS系统来说，同样数量的仪表组网，可以节省大量硬件组网设备。

根据系统提供的组网方法，不仅能将工业自动化控制系统与电能管理电力监控系统集成为一体，而且整个网络具有现场总线系统的智能化管理，具有很高的先进性，还可以节约大量的硬件成本。

参考文献：

[1].任致程周中. 电力电测数字仪表原理与应用指南[M]. 北京. 中国电力出版社. 2007. 4

[2].周中等编着. 智能电网用户端电力监控与电能管理系统产品选型及解决方案[M]. 北京. 机械工业出版社. 2011.10

词条
词条说明
兖州*四污水处理厂电能管理监控系统的设计与应用
安科瑞陈静燕江苏安科瑞电器制造有限公司江苏江阴 214405 摘要：介绍兖州污水处理厂电能管理系统，采用智能电力仪表采集配电现场的各种电参量和开关信号。系统采用现场就地组网的方式，组网后通过现场总线通讯并远传至后台，通过Acrel-3000电能管理系统实现变电所配电回路用电的实时监控和电能管理。关键词：大型公建;兖州污水处理厂;智能电力仪表;Acrel-3000型;电能管理系统 0 概述
谐波治理的必要性及案例分析
安科瑞陈静燕江苏安科瑞电器制造有限公司江阴 214405 1 引言随着科技发展，电子产品大量应用，电网中谐波大量产生，作为设计人员需要了解谐波的成因及危害，以便更好地防御及治理，提高电能质量。近年来，电气产品行业出于节能和生产的需要，积极运用新技术，大量地运用了可控变流装置、变频调速装置等非线性负荷设备。其所产生的谐波问题直接影响到了公用电网的电能质量，已引起人们的广泛重视。 2 谐波
模块式电动机保护器设计思想
摘要：本文通过介绍上海安科瑞电气股份有限公司开发的ARD3T模块式智能电动机保护器，在企业自身和客户使用上所具有的优势，进一步介绍模块式电动机保护器的设计思想，技术难点及设计时所遇到的一些问题及处理方法。---模块式电动机保护器设计思想关键词：电动机保护器模块化内部总线可编程 0 引言智能电动机保护器发展至今，存在两种发展趋势,一种是：多种功能集成在一个壳体内;另一种是：根据功能划分
Acrel-3000电能管理系统在苏州国库支付中心的应用
安科瑞陈静燕江苏安科瑞电器制造有限公司江苏江阴 214405 摘要：介绍苏州国库支付中心，采用智能电力仪表、采集配电现场的各种电参量和开关信号。系统采用现场就地组网的方式，组网后通过现场总线通讯并远传至后台，通过Acrel-3000型电能管理系统实现变电所配电回路用电的实时监控和管理。关键词：国库支付中心;变电所;智能电力仪表;Acrel-3000;电能管理系统; 0 概述苏州市国库支