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基于PROFIBUS-DP的电能管理及电力监控系统 安科瑞鲍静君
摘 要：设计了基于PROFIBUS—DP的电能管理及电力监控系统，描述了该系统的结构组成和实现原理，给出了主站和串口电力仪表从站通信的实现方法，解决了主从站通信程序设计中的关键问题，验证了系统的通信性能和可行性。
关键词：PROFIBUS;PLC，总线桥，网关，电力监控仪表，工业通信。
0 引言
随着能源的日渐紧张，国家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。
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(*高可达12Mbit/s)、实时性、可靠性、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*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。
图1 系统结构示意图
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。
1.1 PLC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。
图2 自由口通信程序图网络1
图3 自由口通信程序图网络2
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，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。
2 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。
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。
图5 ACREL-3000 实时曲线界面
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。
3 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*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，具有很高的性，还可以节约大量的硬件成本。
文章来源于：《低压电器》2009年14期。
参考文献
[1] 上海安科瑞电气有限公司.ACR系列网络多功能电力仪表[G].2008
[2] 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.
[3] 王永华，Andy Verwer. 现场总线技术及应有教程——从PROFIBUS到AS-i[M].北京：机械工业出版社，2006.
能耗管理分析系统在医疗卫生建筑中的应用 安科瑞鲍静君
1 概述
近些年我国的医疗事业发展迅速，引进了相当多的高科技医疗设备，医疗向大型化、集团化发展，医疗技术水平可与欧美等发达国家相媲美，同时带来的则是能源消耗的直线上升，消耗的能源包括电、油、气、水等，能源消耗量大。医院属于公共建筑，因此，对于医院行业的能耗管理系统，我们希望达到的目的是在保证一定的安全性、舒适度和便利度的条件下实现在能源的消耗量下降的同时提高能源使用的品质。在提高品质的过程中，也在一定程度上节省了能源的消耗，提高了能源的使用效率，做到能源消耗过程中从质和量两方面的改善。
2 医疗卫生建筑能耗特点
与办公楼宇、商场、宾馆酒店等公共建筑相比较，医院的能源消耗指标相对较高。，用能设备的种类多，涵盖医院建筑、办公建筑、医疗设备、办公设备、交通工具等；二，具有单位多、分类广、特点不同、层次复杂等特点；三，医院耗能涉及水、电、热力、煤气、天然气、燃油等各种资源。尤其用电负荷大，占总能源消耗的80%左右，并且用电负荷的起伏变化也很大，因为季节交替、气候变化、昼夜轮回、人流量变化等因素的影响，用能整体具有不恒定的特点，从节能的角度考虑，节能空间也是巨大的。
因此，这种情况下，要实施精细化管理，必然要了解医院的各部位的能耗情况，掌握各类能源在时间、空间上的分布规律，借助一定的辅助分析工具对医院的能耗进行指标量化。所以亟需对医院的能耗实施分项计量和对能源消耗情况进行监测，这是所有节能管理工作的基础。
3 医疗卫生建筑能耗管理系统的可行性分析
随着GB 50189—2005《公共建筑节能设计标准》的实施，能耗管理系统已在全世界范围内的大型公共建筑中成功应用，并且带来了良好的经济效益和社会效益。医疗卫生建筑能耗管理系统是一个大型的综合自动化系统，它采用通用的软件平台、一致的硬件架构、统一的人机界面，通过对相关系统的集成和互联，建立了一个高度共享的信息平台，实现建筑内各部门系统的信息互通与资源共享，从而提高了医院日常管理与调度工作的效率和部门运营的整体服务水平。
另外，通过智能通信管理器将数据信息上传至综合监控系统。采用这种方式不仅能确保采集的设备电能数据能够及时发送到监控系统，而且可靠性高、系统构成简单、经济，便于集中管理。在此基础上，采用可靠的能耗管理软件、硬件，完全可以建立一套完整的、具有水平的医疗卫生建筑能耗管理系统。
4 能耗管理分析系统在上海华山医院病房新建工程中的应用
4.1项目概况
上海华山医院病房楼是一幢医用建筑，建筑面积约为2万平方米。根据配电系统管理和能耗监测的要求，需要对楼内的高压进线、低压配出线和各楼层内配电箱进行电力监控，实现对病房楼内用电量和用水量的在线监测，方便对该建筑群的能耗管理，以保证用电的安全、。
Acrel-5000建筑能耗分析管理系统的能耗数据采集方式包括人工采集方式和自动采集方式。通过人工采集方式采集的数据包括建筑基本情况数据采集指标和其它不能通过自动方式采集的能耗数据，如建筑消耗的煤、液化石油、人工煤气等能耗量。通过自动采集方式采集的数据包括建筑分项能耗数据和分类能耗数据，由自动计量装置实时采集，通过自动传输方式实时传输至数据中心。
4.2组网结构
本系统主要由数据采集层、数据传输网络、能效管理系统软件三部分组成。
1、数据采集层
通过安装在能耗监测仪表箱（柜）中的带数字接口的智能电力仪表，实施对负荷用电量的实时监测。监测数据包括：电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、有功无功电能、谐波、环境与开关状态、事件记录等用电参数。监测对象包括：电力需求侧中低压馈线回路、主要耗能机电设备、医院内其他耗能设施。同时也可以对用水量、用气量、热量等通过电子式流量表、电子式热量表等现场智能计量装置实现数据采集。根据现场条件和系统应用的要求，采集的数据也可以取自用户的其他智能系统的数据接口。
2、数据传输网络
通过在能耗监测仪表箱（柜）中安装的能耗智能数据网关，实时采集能耗计量仪表的数据，并且通过TCP/IP网络传输到能耗监控中心。无需远距离布线，施工简单可靠。智能数据网关提供多种接入方式，支持包括RS-485/RS-232总线、光纤、工业以太网、433M无线、GSM/GPRS/CDMA网络传输等多种方式。
3、用电及能效管理系统软件
完成数据采集、校验、分析、处理、输出、系统维护、授权使用权限分级控制等；并可将现场运行的重要数据、报警信息、故障信息等传送到企业决策人员。
4.3 设备参数列表
4.4系统设计参数
4.5.1系统能耗监测由能源监控平台、交换机、多功能电表、通讯转换器、远程水表等设备组成，本系统实现的功能为水、电耗的集抄。
4.5.2支持统一网络架构下的电力、水等能源数据的采集和管理，能耗数据采集无需在多个不同系统中集成，能量监测与管理系统包含丰富的功能，能够对建筑物或建筑群中各类能源(电、水)进行分别统计、统一管理并提供能耗数据自动采集、分析和挖掘、持续优化。
4.5.3系统采集来自智能测控单元装置送来的参数，包括每个用电回路的实时电能值和各种告警信息，各水表的用水量等，并实时显示采集上来的各个参数。
4.5.4各能源管理组逐时、逐日、逐月、逐年能耗值报告，帮助用户掌握自己的能源消耗情况，找出能源消耗异常值。
4.5.5系统支持基于Internet的远程浏览，不同的能源管理部门可在不同的地点同时查看所需能源的消耗情况。
4.6 系统功能及软件界面
4.6.1分类、分项能耗数据统计
系统具备历史数据、报警信息等的存储功能，存储历史数据保存时间大于三年。系统同时具备将分类、分项能耗数据按“需要发送至上级数据中心的能源数据”的要求发送至上级数据中心的功能。界面如图1。
4.6.2能耗数据的实时监测
系统具备良好的开放性，可对用户需求进行功能扩展，在基本分析功能的基础上为用户定制个性化报表和分析模板；系统具有报警管理功能，负责报警及事件的传送、报警确认及报警记录功能以便告知用户或供用户查询；系统具备权限管理、系统日志及系统参数设置等功能。界面如图2。
4.6.3用能情况的同、环比分析
对各分类、分项能耗（标准煤量或千瓦时）和单位面积能耗（标准煤量或千瓦时）进行按月、年同比或环比分析。可预置、显示、查询和打印常用建筑能耗统计报表。界面如图3。
4.6.4建筑能耗数据分析
系统对分类、分项能耗数据进行采集汇总后，可生成各种数据图表、饼图、柱状图等，实时反映和对比各项采集数据和统计数据的数值、趋势和分布情况。系统可按总能耗和单位面积能耗进行逐日、逐月、逐年汇总，并以坐标曲线等各形式显示、查询和打印。界面如图4。
4.6.5 远程网络访问功能
系统以Web发布后可进行远程网络访问。基于.Net平台，使用ASP.Net、JQuery技术开发，可通过Internet访问，具有跨平台的特性，用户可通过各种移动终端（笔记本、平板电脑、手机等）访问。界面如图5。
图5 跨平台跨网络数据访问
4.7结语
上海华山医院采用Acrel-5000能耗管理技术，建立了对整个医院设施能源系统的监视管理，通过对负载能耗设备的能耗与能效数据实时采集监视，实现了对能源系统实时能耗的有效监测管理，提供了用户能源管理系统运营管理的有效工具和能耗成本管理工具，为进一步的节能增效措施提供分析手段，预期效果已开始初步显现：
Acrel-5000能耗管理系统通过全时的全区域分类数据的上传，不仅降低了大面积、大体量设施能耗的管理强度，还提供各种分类的报表，能耗曲线和趋势分析，提高运营管理的效率。
Acrel-5000通过对照明、空调、通风等各类负载自动生成细节分项数据，为管理上提供了强有力的成本管理控制工具。
通过实践证明，Acrel-5000能耗管理系统在医疗卫生行业的应用，带来了很直观的节能经济效果，以及良好的社会效益、环境效益，不仅对医疗卫生行业，对于其他大型公共建筑、综合建筑群、工业企业、基础设施、大型园区等都有很好的借鉴意义。
