引言

隨著能源的日漸緊張，國家出臺了很多有關節能減排的法律法規，各行各業都在采取了相應的節能措施，各制造行業的工廠企業也采用了電能管理及電力監控系統對節能效果進行考核。

相對于MODBUS通信而言，PRFOBUS通信存在著諸多優點，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、企業現存的生產控制自動化網絡大都采用現場總線控制系統，PROFIBUS網絡是其中應用最多的一種現場總線，因此，很多工廠企業希望能將電能管理及電力監控系統也集成到PROFIBUS-DP自動化網絡中，而不是單獨進行MODBUS組網。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上組成DP網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控及多功能網絡電力儀表，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網絡中。

本文介紹的組網方法，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據采集、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網關、PB-B-MODBUS總線橋分別作為PROFIBUS-DP網絡的三個從站，每個從站又與電力監控儀表組成一個子網，如圖1所示。系統中同時也可以連接其他的PROFIBUS-DP從站設備。

PROFIBUS是一種有廣泛應用范圍的、開放的數據通信系統，適合于快速、時間要求嚴格的應用和復雜的通信任務，特別適用于工廠自動化和過程自動化領域。PROFIBUS是工業控制領域中的主流現場總線標準，2000年成為IEC61158國際現場總線標準之一。PROFIBUS-DP是一種經過優化的高速通信連接，是專門為自動控制和設備級分散I/O之間的通信設計的，可用于分布式控制系統的高速數據傳輸，其傳輸速率高達12Mbps。上海安科瑞致力于智能配電系統自動化設備研發、制造，自主研發一系列帶有PROFIBUS-DP通訊接口配電產品，并可提供基于PROFIBUS總線的整套組網方案及系統集成。

PROFIBUS協議主要優勢有：12M 的通信速率和可靠的通信質量，適用多種通信介質，靈活的拓撲結構，支持線型、樹型、環型結構及冗余的通信模型，強大的通信功能，支持基于總線的驅動技術和符合IEC61508 的總線安全通信技術，先進的網絡規模等。它具有高速低成本，用于設備級控制系統與分散式I／O的通信。它與PROFIBUS－PA（Process Automation ）、PROFIBUS-FMS （Fieldbus Message Specification ）共同組成了PROFIBUS標準。

PROFIBUS –DP用于現場層的高速數據傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發送輸出信息。總線循環時間必須要比主站（PLC）程序循環時間短。除周期性用戶數據傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設備所需的非周期性通信以進行組態。

PROFIBUS總線可廣泛應用于工業控制、電力控制、交通領域、汽車制造、樓宇自動化、煙草行業、工程機械、石油化工、冶金采礦等領域。

圖1 系統結構示意圖

CPU 222 PLC通過EM277 DP模塊接入到PROFIBUS-DP網絡，作為PROFIBUS-DP網絡的從站，同時CPU222 PLC又作為一個主站與電力監控儀表組成一個子網，電力監控儀表作為子網的從站，主從站之間采用自由口通信方式。ANYBUS網關工作原理與PB-B-MODBUS總線橋的工作原理相似，它在該系統中同樣既做PROFIBUS-DP網絡從站，又作為MODBUS子網的主站與我公司電力監控儀表組成MODBUS網絡。

1.1 PLC自由口通信子網

PLC作為PROFIBUS網絡的一個從站，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本身就可以構成一個子網。而且可以擴展以太網接口模塊將整個網絡接入以太網，擴展AS-I接口模塊，將系統接入ASI-I網絡等。

PLC = Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器，一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算，順序控制，定時，計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。是工業控制的核心部分。

PLC作為自由口通信網絡的主站，通過對PLC進行自由口通信編程，實現PLC與電力監控儀表間的MODBUS通信。利用西門子公司提供的庫函數MBUS_CTRL和MBUS_MSG可以簡單方便地實現MODBUS通信，如圖2、圖3所示。

圖2 自由口通信程序圖網絡1

圖3 自由口通信程序圖網絡2

該系統中PLC模式為1時進行自由口通信，模式為0時進行PPI協議，波特率為9600，奇偶校驗為無校驗，儀表讀取地址為40038，讀取6個數據單元。

1.2 網關、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通信協議芯片的控制實現PROFIBUS的通信，在RAM中建立PROFIBUS通信數據緩沖區。另一方面，通過MODBUS協議實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通過兩個通信緩沖區的數據交換，實現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網絡主站對其各從站的發送接收模式，通過監控其狀態字來實現數據發送接收狀態的監控。PROFIBUS數據區與RS485數據報文格式對照關系如表1所示。

表1 PROFIBUS數據區與RS485接收報文對照表

該系統的DP主站是通信板卡，不能直接在S7-STEPV5.4中編寫PLC程序對總線橋進行控制，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總線橋狀態字的讀取和控制字的讀寫和通信。ANYBUS網關和PB-B-MODBUS總線橋實現原理基本相同，均是在轉換模塊的RAM中建立了PROFIBUS 到MODBUS 映射數據區，由軟件實現PROFIBUS 和MODBUS 協議轉換及數據交換。

不管是總線橋還是網關，由于受協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，可帶儀表的個數不同。

2、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電力監控組態軟件。通過該軟件進行組態，可以在上位機界面上實現隊所有電參量的實時顯示，如I、U、P、Q、kWh等，圖4所示為本系統的電能管理及電力監控系統主界面。

圖4 ACREL-3000電力監控/電能計量管理系統實現實時采集監控界面

ACREL-3000還可以實現主要電力參數的實時運行曲線、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。強大的數據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界面還可以實現對PROFIBUS各從站的網絡參數采集和顯示。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

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網絡中。調試結果表明：上位機主站能夠按時間每隔1s輪流對各個電力監控儀表進行采集數據，運行通信情況良好。

理論上來說，一個PROFIBUS網絡的最高傳輸速率可達12Mb/s，一個網段可帶32個從站，一個網絡可帶126個從站。這里每個DP從站（200系列PLC、ANYBUS網關、PB-B-MODBUS總線橋）根據自身情況帶若干個儀表，一個系統網絡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器組成的MODBUS系統來說，同樣數量的儀表組網，可以節省大量硬件組網設備。根據系統提供的組網方法，不僅能將工業自動化控制系統與電能管理電力監控系統集成為一體，而且整個網絡具有現場總線系統的智能化管理，具有很高的先進性，還可以節約大量的硬件成本。