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关于PROFIBUS-DP电能管理及电力监控系统设计方法

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  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。

  本系统采用安装了CP5611通信板卡的工控机作为通信主站,S7-200222、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。

  PROFIBUS协议主要优势有:12M 的通信速率和可靠的通信质量,适用多种通信介质,灵活的拓扑结构,支持线型、树型、环型结构及冗余的通信模型,强大的通信功能,支持基于总线的驱动技术和符合IEC61508 的总线安全通信技术,先进的网络规模等。它具有高速低成本,用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。它与PROFIBUS-PA(Process Automation )、PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification )共同组成了PROFIBUS标准。

  PROFIBUS –DP用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站(PLC)程序循环时间短。除周期性用户数据传输外,PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态。

  PROFIBUS总线可广泛应用于工业控制、电力控制、交通领域、汽车制造、楼宇自动化、烟草行业、工程机械、石油化工、冶金采矿等领域。

  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。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。

  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。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。

  PLC = Programmable Logic Controller,可编程逻辑控制器,一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。

  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。

  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,必须通过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

  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。

  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。

  图4 ACREL-3000电力监控/电能计量管理系统实现实时采集监控界面

  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

  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。对于系统的检修和维护也起到非常方便的指导作用。

  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网络的最高传输速率可达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。

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