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PROFIBUS总线的电能监控管理系统组网方案

出处：哈佛大学时间：2011-05-11

1 概述

PROFIBUS是一种有广泛应用范围的、开放的数据通信系统，适合于快速、时间要求严格的应用和复杂的通信任务，特别适用于工厂自动化和过程自动化领域。PROFIBUS是工业控制领域中的主流现场总线标准，2000年成为IEC61158国际现场总线标准之一。在2006年, PROFIBUS成为中国个工业通讯领域现场总线技术国家标准：GB/T20240-2006。

PROFIBUS-DP是一种经过优化的高速通信连接，是专门为自动控制和设备级分散I/O之间的通信设计的，可用于分布式控制系统的高速数据传输，其传输速率高达12Mbps。上海安科瑞致力于智能配电系统自动化设备研发、制造，自主研发一系列带有PROFIBUS-DP通讯接口配电产品，并可提供基于PROFIBUS总线的整套组网方案及系统集成。

据PROFIBUS的用户组织PI市场调查，在德国和欧洲市场中PROFIBUS占开放性工业现场总线系统的市场超过40%。PROFIBUS近20年中的安装节点数已超过2800万，预测，到2012年PROFIBUS安装节点数将突破5000万大关。

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。

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。

2 PLC为主站的PROFIBUS-DP网络

基于PROFIBUS现场总线信息化电能管理系统可有效降低工矿企业、基建和商业大楼的能源消耗，实现节能、节电，经济运行。基于PROFIBUS电能管理系统采用分层分布式设计思想，系统分为三层:现场设备层、PLC数据处理层以及运行监控层。系统构架见1。

图1 基于PROFIBUS电能管理系统构架图

2.1、现场控制层

现场控制层由现场智能设备、现场智能仪表、远程I/O 和网络设备构成。在现场设备层，通过PROFIBUS总线，集成具有通信功能的智能线路保护设备、电机驱动控制设备以及ET200S数据采集与控制装置等。如西门子的软起动器、变频器，安科瑞的ACR系列多功能网络仪表、ACR系列谐波仪表及ARD系列智能电动机保护器等。

2.2 PLC数据处理层

PLC数据处理层位于现场设备层和运行监控中心层之间，主要完成上下层之间的网络连接转换和信息的处理交换。通过PROFIBUS现场总线，把采集的数据传送到PLC数据处理层，对数据作规范化预处理，处理的数据与时标相对应，并可在数据缓冲区中储存一周。PLC获取和处理的数据有选择性地上传到控制中心，以便于集中监视现场工况信息；同时，下达来自于控制中心的遥控和遥调信息给现场设备层的各类智能设备及仪表。通过组态编程，PLC能够自动控制现场设备层的智能设备。

2.3 运行监控层

运行监控层由高速工业以太网以及连接在总线上的担任监控任务的工作站或显示操作站、工程师站、PLC/DCS 控制器组成。监控中心软件由WinCC开发出友好的人机界面。配电实时工况信息以曲线、表格以及参数化处理后的数据进行显示，也可显示整个系统的数据。系统对重要的信息进行存盘归档，同时，提供灵活丰富的报表功能，用户可以依据实际需求灵活自定义报表。

2.4系统特点

2.4.1增加了从电源设备到各类终端负载电能消耗透明度，优化运行成本。

2.4.2可依据电能需求模式和要求，更，有效和经济地购买电能。

2.4.3采用分析诊断，定向服务/维护等手段，优化开关设备的性能和用电负荷。

2.4.4系统为开放式和模块化结构，故系统的集成，组态，扩展更灵活。

3 安科瑞Acrel-3000软件简介

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2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3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Acrel-3000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。

图2 Acrel-3000电力监控/电能计量管理系统实现实时采集监控界面

图3 Acrel-3000实时曲线界面

4 带PROFIBUS-DP协议的电力仪表

大量应用于现场控制层的电力仪表分两类，即测控仪表和保护仪表，具体型号、功能见下表。

产品分类

产品名称

型号

外形规格

基本功能

测控仪表

可编程数显智能表

PZ80-E4/CP

80 方形

测量有功能电能（EPI/EPE）、无功电能（EQL/EQC）、有功功率、无功功率、功率因数、以及三相电压、三相电流、频率。

可编程数显智能表

PZ96-E4/CP

96方形

网络多功能电力仪表

ACR220E/CP

96方形

集成全部电力参数的测量（如单相或三相的电流、电压、有功、无功、视在功率、频率、功率因数），以及全面的电能计量和考核管理，同时具有遥信、遥控功能。

网络多功能电力仪表

ACR220EL/CP

96方形

网络多功能电力仪表

ACR320E/CP

42 方形

ACR谐波仪表

ACR230ELH/CP

96 方形

三相交流电量测量、复费率电能计量、四象限电能计量、谐波分析、电网质量分析、遥信、遥控、电网波形实时跟踪显示及SOE事件记录等功能。

ACR谐波仪表

ACR330ELH/CP

42 方形

保护装置

马达保护器

ARD2F+CP

分体式

对电动机运行过程中出现的起动超时、过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、阻塞、外部故障等多种情况进行保护。

配电线路过负荷监控装置

ACM3+CP

分体式

适用于突然断电比过负荷造成的损失更大的配电线路，其过负载保护应作用于信号而不应作用于切断电路的场合。并具有三相电流、电压、功率、漏电、频率等电参数测量功能。

5 报价方案

5.1硬件

名称

型号

单位

面价

工作站主机

DELL工作站主机 i5 /1G/160G+键鼠

台

6500

显示器

DELL 19寸宽屏液晶显示器

台

1500

系统软件

Microsoft Windows XP SP3

套

1250

打印机

HP P1007激光打印机

台

1550

以太网交换机

H3C 3C16470

台

1750

UPS电源

SANTACK C1KS/1KVA 待机30分钟塔式

台

3000

串口服务器

MOXA NPORT5610-8 RS232接口×8

台

7300

Korenix JetPort5604i RS485接口×4带隔离

只

7800

串口服务器附件

连接线RJ45TODB9MADAPTER（公）

根

50

通讯前置机

MOXA DA660-8-Lx (8端口)

台

10500

Korenix JetBox 3300 (2端口)

台

5400

扩展卡

MOXA CP134U-I

块

3470

协议转换隔离器

泓格 I-7520R

套

550

开关电源

华力 KDYA-DG75-24

只

350

通讯机柜

K2200 规格：2200(高)×600(宽)×600(进深)

套

2850

K1200 规格：1200(高)×600(宽)×600(进深)

套

2000

K500 规格： 600(高)×500(宽)×200(进深)

套

1000

5.2软件

单位：元(RMB)

名称

型号

单位

面价

备注

Acrel-3000监控组态软件V6.0

系统组态软件

图形组态软件

电能管理软件

数据库软件

套

3万

设备数量1～10

4万

设备数量10～20

6万

设备数量21～40

8万

设备数量41～80

10万以上

设备数量80以上

双机版

套

　

单机价格×1.5

数据转发

每+1用户

套

3000

　

Web发布

每+1用户(总用户数≤5)

套

5000

　

5.3仪表

6 结束语

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。基于PROFIBUS-DP总线的电力仪表，已2010年7月通过PROFIBUS Nutzerorganisation e.V.委托试验，并合格。产品在浦东图书馆、大庆机场、罗泾矿码头等项目中运行，取得了较好的社会效益和经济效益。

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产品分类	产品名称	型号	外形规格	基本功能
测控仪表	可编程数显智能表	PZ80-E4/CP	80 方形	测量有功能电能（EPI/EPE）、无功电能（EQL/EQC）、有功功率、无功功率、功率因数、以及三相电压、三相电流、频率。
	可编程数显智能表	PZ96-E4/CP	96方形
	网络多功能电力仪表	ACR220E/CP	96方形	集成全部电力参数的测量（如单相或三相的电流、电压、有功、无功、视在功率、频率、功率因数），以及全面的电能计量和考核管理，同时具有遥信、遥控功能。
	网络多功能电力仪表	ACR220EL/CP	96方形
	网络多功能电力仪表	ACR320E/CP	42 方形
	ACR谐波仪表	ACR230ELH/CP	96 方形	三相交流电量测量、复费率电能计量、四象限电能计量、谐波分析、电网质量分析、遥信、遥控、电网波形实时跟踪显示及SOE事件记录等功能。
	ACR谐波仪表	ACR330ELH/CP	42 方形
保护装置	马达保护器	ARD2F+CP	分体式	对电动机运行过程中出现的起动超时、过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、阻塞、外部故障等多种情况进行保护。
保护装置	配电线路过负荷监控装置	ACM3+CP	分体式	适用于突然断电比过负荷造成的损失更大的配电线路，其过负载保护应作用于信号而不应作用于切断电路的场合。并具有三相电流、电压、功率、漏电、频率等电参数测量功能。

名称	型号	单位	面价
工作站主机	DELL工作站主机 i5 /1G/160G+键鼠	台	6500
显示器	DELL 19寸宽屏液晶显示器	台	1500
系统软件	Microsoft Windows XP SP3	套	1250
打印机	HP P1007激光打印机	台	1550
以太网交换机	H3C 3C16470	台	1750
UPS电源	SANTACK C1KS/1KVA 待机30分钟塔式	台	3000
串口服务器	MOXA NPORT5610-8 RS232接口×8	台	7300
串口服务器	Korenix JetPort5604i RS485接口×4带隔离	只	7800

串口服务器附件	连接线RJ45TODB9MADAPTER（公）	根	50
通讯前置机	MOXA DA660-8-Lx (8端口)	台	10500
通讯前置机	Korenix JetBox 3300 (2端口)	台	5400
扩展卡	MOXA CP134U-I	块	3470
协议转换隔离器	泓格 I-7520R	套	550
开关电源	华力 KDYA-DG75-24	只	350
通讯机柜	K2200 规格：2200(高)×600(宽)×600(进深)	套	2850
	K1200 规格：1200(高)×600(宽)×600(进深)	套	2000
	K500 规格： 600(高)×500(宽)×200(进深)	套	1000