多路电能计量与分配控制系统的设计

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1、毕业设计（论文）多路电能计量与分配控制系统的设计摘 要随着社会用电容量的扩大以及电力的商品化，电能计量与管理成为各方日益关注的焦点，传统感应式电能表的计量管理模式越来越不能适应各方的需求。电表的安装、抄表，催缴电费、窃电追查和预防让电力部门投入大量的人力物力，仍然无法达到预期效果。因此我们对配网调度自动化和管理自动化提出了新的要求：电能计量和配送迫切向高精度、多功能、智能化方向发展。提高供电质量、提高供电的可靠性、实施高效准确的抄收系统已是当务之急。而目前电能无法大量储存，其生产、传输和使用必须在同一时间内进行。因此，研制开发一种新的电能计量和配送系统，就显得尤为重要。虽然目前在美国、日本等地

2、己经实现配电自动化。而由于电网不同、国情不同，美、日的先进技术无法在我国电网采用，且目前国内也还没有成熟的技术提供电力部门使用。因此，我选择了基于PLC的多路电能计量与配送控制系统这个课题，希望能为我国的配电自动化方面出一份力。本文提出的多路电能计量与配送控制系统采用三菱系列PLC作为控制系统内核对电能进行计量和配送。此次设计依据的是PLC 的多功能性，其中在计量模块应用专用的电能计量芯片ADE7755，保证电能计量的精确度，然后将记录的数据传送给PLC进行处理。进行实时显示和控制分析。输入控制信号为小键盘，显示模块为DDM4A1数码显示表显示，配送电模块为磁保持继电器控制电路。实现功能是完成

3、对小区内每单元里6用户的电能计量和配送。电能的配送控制还可以免去催缴电费的麻烦，实现让用户自行缴费，便于管理另此次课题只是研究基于PLC的初级控制系统，实现的也是基础的重要的必不可少的基本计量和控制功能。另其实还可以通过PLC的通讯功能建立与上位计算机的联系，实现远抄和远程控制，建立较完善的配电自动化系统。关键词：可编程控制器，计量，数字开关，显示 Multi-channel energy measurement and distribution control system designABSTRACTWith the expansion of community capacity and

4、power consumption of the commodity, energy metering and management become increasingly the focus of the parties, the traditional induction-type electric energy meter, management increasingly unable to meet the needs of all parties.Meter installation, meter reading, collections, electricity, tracing

5、and prevention of stealing electricity sector to invest substantial human and material resources, still can not achieve the desired results.So the electric power industry has been the rapid development of power system load more and more complex structure of distribution network automation and manage

6、ment automation scheduling a new request: the urgency of energy metering and distribution to high-precision, multi-function, intelligent direction. Improve the power quality and reliability of electricity supply, the implementation of the Collecting accurate and efficient system is urgently needed.

7、At present, a large number of power can not be stored, the production, transmission and use must be carried out at the same time. Therefore, the research and development of an energy metering and distribution system, it is particularly important Although in the United States, Japan has been the real

8、ization of distribution automation. And as a result of different power grids, different national conditions, the United States and Japans advanced technology can not be used in Chinas power grid, and currently not yet a mature technology to use electric power sector. Therefore, I opted for the multi

9、-channel PLC-based power distribution control system of measurement and the subject of hope for our countrys distribution of a force automation. In this paper, the multi-channel power measurement and control system uses a distribution series Mitsubishi PLC control system as a core for the measuremen

10、t of power and distribution. The design is based on the versatility of the PLC, in which application-specific modules in the measurement of electrical energy measurement IC ADE7755, to ensure the accuracy of energy measurement, and then records the data transmitted to the PLC for processing. Real-ti

11、me display and control analysis. Input control signal for the small keyboard and display module for the digital display shows DDM4A1, distribution of magnetic power module control circuit to maintain relay. Function is to achieve completion of the district 6 users per unit and distribution of electr

12、ic energy measurement. Power distribution control electricity can also be removed from the trouble calls, allows users to achieve his own, easy to manage. Another issue is the primary based on the PLC control system is based on the realization of the essential importance of the basic measurement and

13、 control functions. In fact, the other through the establishment of PLC communications link with the Host Computer and achieve far copy and remote control, the establishment of better distribution automation system.KEY WORDS: Programmable controllers, measurement, digital switch, display12目 录前言1第1章

14、绪论21.1 可编程控制器的发展现状21.1.1 PLC的特点21.1.2 PLC的应用领域41.1.3 PLC的国内外现状及发展前景61.2 课题的研究背景及意义71.3 主要研究内容91.3.1 硬件电路设计91.3.2 软件设计10第2章 控制系统的基本构成和性能指标142.1 系统构成142.2 系统主要性能指标202.3 系统主要功能21第3章 系统的硬件设计223.1 PLC控制电路设计223.2 电能计量设计233.3 显示电路设计263.4 数字开关电路设计283.4.1 输入模块283.4.2 输出模块293.4.3 键盘的硬件设计30第4章 系统的软件设计324.1 程序流

15、程图的设计324.1.1 键盘输入流程图334.1.2 显示流程图344.2 总程序设计35第5章 多功能自动化配电网的实现375.1 自动化配电网的实现原理375.2 前景展望39结论41谢 辞42参考文献43附录44外文资料翻译55前言电力行业是国民经济发展的重要行业，电能计量管理在供电公司中具有非常重要的作用。电能是使用最为广泛的一种能源，涉及到国民经济所有领域和人民生活的方方面面。随着我国经济的高速发展，电力工业得到了迅猛发展，电网的负荷结构越来越复杂，对配网调度自动化和管理自动化提出了新的要求。提高供电质量、提高供电的可靠性、实施高效准确的抄收系统已是当务之急。目前电能无法大量储存，

16、其生产、传输和使用必须在同一时间内进行。而电能计量管理系统是其它现代化系统实现的基础，因此，研制开发一种电能计量和配送系统，就显得尤为重要。虽然目前在美国、日本等地己经实现配电自动化。而由于电网不同、国情不同，美、日的先进技术无法在我国电网采用，且目前国内也还没有成熟的技术提供电力部门使用。因此，我选择了基于PLC的多路电能计量与配送控制系统这个课题，希望能为我国的配电自动化方面出一份力。此次设计的依据是PLC 的多功能性，控制系统核心选用的是PLC FX2n系列，计量模块为ADE7755，输入控制信号为小键盘，显示模块为LED显示，配送电模块为脉冲继电器。电能计量模块ADE7755，精准的计

17、量出电能的多少并输送给PLC，通过对PLC编程实现输出显示，以及配送电功能完成对小区内每单元里6用户的电能计量和配送。电能的配送控制可以免去催缴电费的麻烦，实现让用户自行缴费。此次课题只是研究基于PLC的初级控制系统，实现的也是基础的重要的必不可少的基本计量和控制功能。另其实还可以通过PLC的通讯功能建立与上位计算机的联系，实现远程控制，建立较完善的配电自动化系统。 第1章 绪论1.1 可编程控制器的发展现状国际电工委员会（IEC）于1987年颁布了可编程控制器标准草案第三稿。在草案中对可编程控制器定义如下：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序

18、的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”1。 1.1.1 PLC的特点1与继电器控制逻辑相比较(1) 控制逻辑：继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其连线多而复杂，体积大，功耗大，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。另外继电器触点数目有限，每只一般只有4 8 对触点，因此灵活性和扩展性都很差。而PLC 采用存储逻辑，其控制逻辑以

19、程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序，故称为“ 软接线” ，其连线少，体积小，加之PLC 中每只软继电器的触点数理论上无限制，因此灵活性和扩展性都很好。PLC 由中大规模集成电路组成，功耗小。(2) 工作方式：当电流接通时，继电控制线路中各继电器都处于受约状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合。而PLC的控制逻辑中，各继电器都处于周期性循环扫描接通之中，从宏观上看，每个继电器受制约接通的时间是短暂的。(3) 控制速度：继电控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低。触点的开闭动作一般在几十毫秒数量级。另外机械触点还会出现抖动问题。而PLC是由程序指令控

20、制半导体电路来实现控制的，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微秒数量级。PLC内部还有严格的同步，不会出现抖动问题。 (4) 限时控制：继电控制逻辑利用时间继电器的滞后动作进行限时控制。时间继电器一般分为空气阻尼式、电磁式、半导体式等，其定时精度不高，定时时间易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难。有些特殊的时间继电器结构复杂，不便维护。PLC使用半导体集成电路作定时器，时基脉冲由晶体振荡器产生，精度相当高，定时范围一般从0.1 s到若干分钟甚至更长，用户可根据需要在程序中设定定时值，然后由软件和硬件计数器来控制定时时间，定时精度小于10 ms且定时时间不受环境的影响。 (5) 计数控

21、制：PLC能实现计数功能，而继电控制逻辑一般不具备计数控制功能。(6) 设计与施工：使用继电控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，而且修改困难。工程越大，这一点就越突出。而用PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计(包括梯形图和程序设计)可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。 (7) 可靠性和可维护性：继电控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，它体积小、寿命长、可靠性高。PLC还配备有自检和监

22、督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。(8) 价格：继电控制逻辑使用机械开关、继电器和接触器，价格比较便宜。而PLC使用中大规模集成电路，价格比较昂贵。2. 与微型计算机相比较(1) 应用范围：微机除了用在控制领域外，还大量用于科学计算、数据处理、计算机通信等方面。而PLC 主要用于工业控制。(2) 使用环境：微机对环境要求较高，一般要在干扰小、具有一定的温度和湿度要求的机房内使用。而PLC 适应于工程现场的环境。(3) 输入输出：微机系统的I/O 设备与主机之间采用微电联系，一般不需要电气隔离。而PLC 一般控制强电设

23、备，需要电气隔离，输入输出均用“ 光 电” 耦合，输出还采用继电器，可控硅或大功率晶体管进行功率放大。 (4) 程序设计：微机具有丰富的程序设计语言，例如汇编语言，FORTRAN语言、COBOL语言、PASCAL语言、C语言等，其语句多，语法关系复杂，要求使用者必须具有一定水平的计算机硬件和软件知识。而PLC提供给用户的编程语句数量少，逻辑简单，易于学习和掌握。(5) 系统功能：微机系统一般配有较强的系统软件，例如操作系统，能进行设备管理、文件管理、存储器管理等。它还配有许多应用软件，以方便用户。而PLC一般只有简单的监控程序，能完成故障检查、用户程序的输入和修改、用户程序的执行与监视等功能。

24、 (6) 运算速度和存储容量：微机运算速度快，一般为微秒级。因有大量的系统软件和应用软件，故存储容量大。而PLC因接口的响应速度慢而影响数据处理速度。一般接口响应速度为2 ms，PLC巡回检测速度为每千字8 ms。PLC的指令少，编程也简短，故内存容量小。(7) 价格：微机是通用机，功能完善，故价格较高。而PLC是专用机，功能较少，其价格是微机的十分之一左右。 与单板(或单片)计算机比较 不如PLC容易掌握： 不如PLC使用简单： 不如PLC可靠： 3与集散系统比较(1) PLC 是由继电控制逻辑发展而来的，而集散系统(TDCS) 是由回路仪表控制发展而来。但两者的发展均与计算机控制技术有关。

25、(2) 早期PLC 在开关量控制、顺序控制方面有一定优势，而集散系统在回路调节、模拟量控制方面有一定优势。 1.1.2 PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。 1. 开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 2. 模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液

26、位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 3. 运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 4. 过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制

27、计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 5. 数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；

28、也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 6. 通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。1.1.3 PLC的国内外现状及发展前景1小型化方向发展 目前的小型PLC大都局限在开关量输入输出，而且CPU和I/O部件组装在一个箱体内，今后的小型PLC也将增加模拟量处理功能，而且也将有灵活的组态特性，并且能与其他机型连用。在提高系统可靠性的基础上，产品的体积越来越小，功能越来越强。如OMRON

29、公司新推出CPM1 PLC的体积约130 mm89 mm84 mm，可以放在手掌上，可连接的输入和输出为10点，并可以扩展到20、30乃至50点，支持91个指令编程，基本指令的执行时间为0.72s，特殊指令的执行时间也仅16.3s。 2大型化方向发展主要有以下几个方面：(1) 功能不断加强：不仅具有逻辑运算、计数、定时等基本功能，还有数值运算、模拟调节、监控、记录、显示、与计算机接口、通信等功能。网络功能是PLC 发展的一个重要特征。各种个人计算机，图形工作站、小型机等都可以作为PLC 的监控主机或工作站，这些装置的结合能够提供屏幕显示、数据采集、记录保持、回路面板显示等功能。大量的PLC 联

30、网及不同厂家生产的PLC 兼容性增加，使得分散控制或集中管理都能轻易地实现。 (2) 应用范围不断扩大：不仅能进行一般的逻辑控制，种类齐全的接口模块还能进行中断控制、智能控制、过程控制、远程控制等。用于过程控制的PLC往往对存储器容量及速度要求较高，为此，开发了高速模拟量输入模块，专用独立的PID控制器，多路转换器等，使得数字技术和模拟量技术在可编程序控制器中得到统一。采用软件、硬件相结合的方法，使得编程和接线都比过去用常规仪表控制要方便得多。 (3) 性能不断提高：采用高性能微处理器，提高处理速度，加快PLC的响应时间；为了扩大存储容量，许多公司已使用了磁泡存储器或硬盘；采用多处理器技术，以

31、提高性能；采用冗余热备用系统或三选二表决系统，以提高系统可靠性。为了进一步简化在专用控制领域的系统设计及编程，专用智能输入输出模块越来越多，如专用智能PID控制器、智能模拟量I/O模块、智能位置控制模块、语言处理模块、专用数控模块、智能通讯模块、计算模块等，这些模块的一个特点就是本身具有CPU，能独立工作，它们与PLC主机并行操作，无论在速度、精度、适应性、可靠性各方面都对PLC进行了极好的补充。它们与PLC紧密结合，有助于克服PLC扫描工作方式的局限，完成PLC本身无法完成的许多功能。(4) 编程软件的多样化和高级化、标准化：采用多种编程语言，有面向顺序控制的步进顺序语言和面向过程控制系统的

32、流程图语言，后者是一种面向功能块的语言，能够表示过程中动态变量与信号的相互联结；还有与计算机兼容的高级语言，如BASIC、C及汇编语言；另外还有专用的高级语言，例如三菱的MELSAP采用编译的方法将语句变为梯形图程序；也有采用布尔逻辑语言的，CPU能直接执行AND、OR、XOR、NOT操作，这种语言执行速度很快，但不很直观。PLC也将具有数据库，并可实现整个网络的数据库共享，还将不断发展自适应控制和专家系统。 (5) 构成形式的分散化和集散化：PLC与I/O口分散，分散的每个I/O口输入输出点数可以少到十几个点，分散的单元可以是几十个或上百个，通信和网络功能逐步增强。作为CIMS、CIPS的分

33、支不断发展，PLC本身也可分散，分散的PLC与上位机结合构成集散系统，分散地进行控制，这就便于构成多层分布式控制，以实现整个工厂或企业的自动化控制和管理。不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间可方便地联网，实现资源共享，加上功能强大的网络监控软件，就构成大型PLC控制网络系统。 1.2 课题的研究背景及意义在我国目前使用的电能表中，由于产品价格等因素，机械式电能表仍占有绝大部分。据山东省技术监督局对该省机械式电能表进行抽查的结果中看，使用了两年的机械式电能表几乎都达不到计量精度要求，相当比例的电能表计量误差较大。而且机械式电能表功耗较多、体积较大、功能简单。这是由机械表的结构原理所决定的。而

34、随着我国电力的发展和人们生活中家用电器的普及，生活用电量日益增大。因此市场要求不断提高，电能表仪器迫切向高精度、长寿命、多功能、智能化、网络化方向发展。早期制作的电能表大部分是感应式的电能表，主要是针对电力系统中负荷为正弦波的情形来进行计量的。而如今非线性用电负荷日益增多，使得供电系统中谐波电压和电流成分不断增加，产生了很多心的问题。电力系统谐波不仅对供电系统造成污染，还会对电力设备构成危害，而且产生谐波的非线性用户将其吸收的一部分基波电能转化为谐波电能，并造成供电企业线损增加，使得电力营运企业非经营性成本增加。为此很有必要研究在谐波影响下的电能计量方式，以确保电能计量准确，保障电力营运企业的

35、经营效益。另外，催缴电费也一直是困扰电力运营企业的一个难题。在我国，大部分的农村用电户基本上都是在电力运营商的一再催促下，才上缴电费，这给运营商们造成了很大的难题。就是在这样的情况下，还是存在严重的拖欠甚至拒交现象。这使得运营成本进一步加大。而在国外，那些发达的国家早已基本上实现了配电自动化。欧、美、东南亚等国家早在九十年代初就提出了对公寓进行智能化管理的想法，并得到了广泛的发展与应用。英国在50年代就发展了投币式电能表，先直接用&050和&100硬币，后因盗窃严重而改用代币。英国中东部电力局（EMEB）于 1976年推出磁卡电能表。19831984年英国继续发展推出电钥式电能表和IC卡电能表

36、，同时发展自动售卡机，改善对用户服务。1983年美国EMEB已发展九万户预付费用户，但仅为全部用户的8左右（在国外预付费表是在用户自愿的条件下使用的，也部分用于临时用电）。90年代IC卡和“住宅自动化”项目及“远方读表”相结合，发展成“远方信用管理”方式。而我国就显得有些落后。基于以上这些背景状况，本课题设计并实现了一款基于PLC的多路电能计量和配送系统，此控制系统具备电能即时计量、自动开关控制、显示等多种功能。具有很好的应用前景，市场需求潜力巨大。基于社区社会化改革以及新农村建设的需要，住宅小区用电管理已逐步采用付费方式，急需一种新的计量和管理系统，来满足现代用电管理的需求：既有效地提高了经

37、济效益，也有效地加强了社区公寓电量、电费、用电安全管理，达到科学用电的目的。1.3 主要研究内容本文对电能计量和配送控制系统的硬件与软件进行了研究与开发。首先对电能计量原理进行深入的分析，依系统性能指标要求确定了系统电路参数，开发设计了系统硬件与软件。在硬件研制中主要设计了电能采样电路、PLC控制电路、显示电路、母板电路。在采样电路设计中，研究了一种新的精度调节方法，利用精密电位器取代传统的短路环设计方式。电能模数转换电路将通过采样电阻(锰铜合金制成)获取的电流信号与电压信号在芯片内部进行电能累加运算，并实现A/D转换，以脉冲方式输出供给PLC数据处理使用。采用总线方式实现一个PLC子系统内6

38、个户主的各种控制信息及数据信息的传输与控制，并与DDM4A1 RS-485数码显示表进行串行显示。1.3.1 硬件电路设计在硬件电路设计中主要设计了采样电路、PLC控制电路、显示板电路、母板电路。采样电路主要实现对电能信号的采样，同时进行A/D转换，为PLC提供数字电能采样信号，同时利用该电路实现对相应户主的开、关控制。PLC控制电路是系统的核心电路，主要实现系统控制、数据处理、数据保存等功能2。设计时采用多功能三菱fx2n系列PLC作为控制器，控制核心采用三菱FX2n系列可编程控制器，FX2N系列是PLC FX家族中最先进的系列。它最大范围的包容了标准特点、程序执行更快、全面补充了通信功能、

39、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，可以为自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。FX2N系列PLC是FX系列中最高级的模块。它拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX2N是从16到256路输入/输出的多种应用的选择方案。 这些能够非常方便的进行设计和使用，具有很强的实用性。另在电能计量上采用非常专业电能转换芯片是由ADI公司生产的ADE7755，该芯片具有计量准确、可靠性高、价格便宜等优点，在国内外得到广泛的应用。DDM4A1 RS-485数码显示表用以显示各户主用电的信息。1.3.2 软件设计在可编程控制器中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、

40、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能3。例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。功能表图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执行更有效的操作，例如，模拟量的控制，数据的操纵，报表的报印和其他基本程序设计语言无法完成的功能。功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在可编程序控制器中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组态时也常常被

41、采用，由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。 根据可编程器应用范围，程序设计语言可以组合使用，常用的程序设计语言是：梯形图程序设计语言 、 布尔助记符程序设计语言（语句表）、功能表图程序设计语言 、功能模块图程序设计语言、 结构化语句描述程序设计语言、 梯形图与结构化语句描述程序设计语言、 布尔助记符与功能表图程序设计语言、 布尔助记符与结构化语句描述程序设计语言。 1. 梯形图（Ladder Diagram）程序设计语言 梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。这种程序设计语

42、言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。 梯形图程序设计语言的特点是： (1) 与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；(2) 与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于撑握和学习；与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流（Power FLow）不是实际意义的电流

43、，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此，应用时，需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待； (3) 与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互的转换和程序的检查。2. 布尔助记符（Boolean Mnemonic）程序设计语言布尔助记符程序设计语言是用布尔助记符来描述程序的一种程序设计语言。布尔助记符程序设计语言与计算机中的汇编语言非常相似，采用布尔助记符来表示操作功能。布尔助记符程序设计语言具有下列特点：(1) 采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于撑握的特点；(2) 在编程器的键盘上采用助记符表示，具有便于操作的特点，可在无计算机的场合进行编程设计；(3) 与梯形图有一

44、一对应关系。其特点与梯形图语言基本类同。 3. 功能表图（Sepuential Function Chart）程序设计语言功能表图程序设计语言是用功能表图来描述程序的一种程序设计语言。它是近年来发展起来的一种程序设计语言。采用功能表图的描述，控制系统被分为若干个子系统，从功能入手，使系统的操作具有明确的含义，便于设计人员和操作人员设计思想的沟通，便于程序的分工设计和检查调试。功能表图程序设计语言的特点是： (1) 以功能为主线，条理清楚，便于对程序操作的理解和沟通； (2) 对大型的程序，可分工设计，采用较为灵活的程序结构，可节省程序设计时间和调试时间； (3) 常用于系统的规模校大，程序关系

45、较复杂的场合； (4) 只有在活动步的命令和操作被执行，对活动步后的转换进行扫描，因此，整个程序的扫描时间较其他程序编制的程序扫描时间要大大缩短。功能表图来源于佩特利（Petri）网，由于它具有图形表达方式，能较简单和清楚地描述并发系统和复杂系统的所有现象，并能对系统中存有的象死锁、不安全等反常现象进行分析和建模，在模型的基础上能直接编程，所以，得到了广泛的应用。近几年推出的可编程控制器和小型集散控制系统中也已提供了采用功能表图描述语言进行编程的软件。关于佩特利（Petri）网的一些基本概念，我在以后有机会时再介绍给各位，以有助于对功能表图的进一步理解。 4. 功能模块图（Function B

46、lock）程序设计语言功能模块图程序设计语言是采用功能模块来表示模块所具有的功能，不同的功能模块有不同的功能。它有若干个输入端和输出端，通过软连接的方式，分别连接到所需的其它端子，完成所需的控制运算或控制功能。功能模块可以分为不同的类型，在同一种类型中，也可能因功能参数的不同而使功能或应用范围有所差别，例如，输入端的数量、输入信号的类型等的不同使它的使用范围不同。由于采用软连接的方式进行功能模块之间及功能模块与外部端子的连接，因此控制方案的更改、信号连接的替换等操作可以很方便实现。功能模块图程序设计语言的特点是：(1) 以功能模块为单位，从控制功能入手，使控制方案的分析和理解变得容易；(2)

47、功能模块是用图形化的方法描述功能，它的直观性大大方便了设计人员的编程和组态，有较好的易操作性；(3) 对控制规模较大、控制关系较复录的系统，由于控制功能的关系可以较清楚地表达出来，因此，编程和组态时间可以缩短，调试时间也能减少；(4) 由于每种功能模块需要占用一定的程序内存，对功能模块的执行需要一定的执行时间，因此，这种设计语言在大中型可编程控制器和集散控制系统的编程和组态中才被采用。 5. 结构化语句（Structured Text）描述程序设计语言结构化语句描述程序设计语言是用结构化的描述语句来描述程序的一种程序设计语言。它是一种类似于高级语言的程序设计语言。在大中型的可编程序控制器系统中

48、，常采用结构化语句描述程序设计语言来描述控制系统中各个变量的关系。它也被用于集散控制系统的编程和组态。结构化语句描述程序设计语言采用计算机的描述语句来描述系统中各种变量之间的各种运算关系，完成所需的功能或操作。大多数制造厂商采用的语句描述程序设计语言与BASIC语言、PASCAL语言或C语言等高级语言相类似，但为了应用方便，在语句的表达方法及语句的种类等方面都进行了简化。结构化程序设计语言具有下列特点：(1) 采用高级语言进行编程，可以完成较复杂的控制运算； (2) 需要有一定的计算机高级程序设计语言的知识和编程技巧，对编程人员的技能要求较高，普通电气人员无法完成。 (3) 直观性和易操作性等

49、性能较差； (4) 常被用于采用功能模块等其他语言较难实现的一些控制功能的实施。 部分可编程序控制器的制造厂商为用户提供了简单的结构化程序设计语言，它与助记符程序设计语言相似，对程序的步数有一定的限制，同时，提供了与可编程序控制器间的接口或通信连接程序的编制方式，为用户的应用程序提供了扩展余地。本次设计采用梯形图进行系统软件程序设计，主要原因是梯形图具有非常好的直观性和对应性，便于理解很分析。第2章 控制系统的基本构成和性能指标2.1 系统构成该系统主要由六块电量采样板(ADE7755)、一个三菱PLC可编程控制器、六块DDM4A1 RS-485数码显示表、一个输入4*4小键盘，六个继电器，六

50、个分压分流计，以及控制电路，计量箱柜等组成，用以实现电能的计量和控制功能。首先我们对一户的用电的控制实施方案进行分析研究，然后再由局部到整体，对整个系统进行分析和概述。其中一户的基本控制原理如下图所示：分压、分流计通断电小键盘输入计量模块ADE7755PLC显示模块 L N 负载图2-1一户系统构成框图其主要组成部分是由三菱FX2n可编程控制器、电量采样板(ADE7755)、DDM4A1 RS-485数码显示表、4*4小键盘、分压分流器、继电器等组成。而整体系统则是将这些零件有机的结合起来，组成一个合理的有序的系统。三菱FX2n可编程控制器PLC控制板采用直插式结构嵌在母板上，采集处理6个采样

51、板(对应6家户主)的用电量数据，并可实现对各用户电源的通断控制。用PLC实现控制显然是可能的。因为：PLC可以进行输入刷新，可把输入电路监控得到的输入信息存入PLC的输入映射区，即时刷新，即用即取；经过运行用户程序运行计算，然后再输出映射区将得到变换后的信息；再经输出刷新，即使输出，输出锁存器将反映输出映射区的状态，并通过输出电路产生相应的输出。又由于这个过程是永不停止地循环反复地进行着，所以，输出总是反映着输入的变化的。只是响应的时间上，略有滞后。当然，这个滞后不宜太大，否则，所实现的控制不那么及时，也就失去控制的意义。为此，PLC的工作速度要快。速度快、执行指令时间短，是PLC实现控制的基

52、础。事实上，PLC的速度是很快的，执行一条指令，多的几微秒、几十微秒，少的才零点几，或零点零几微秒。而且这个速度还在不断提高中。图2-2所示的过程是简化的一般的PLC的工作流程，实际的PLC工作过程还要复杂些。除了I/O刷新及运行用户程序，还要做些公共处理工作。 图 2-2 PLC的工作流程公共处理工作有：循环时间监控、外设服务及通讯处理等。监控循环时间的目的是避免“死循环”，避免程序不能反复不断地重复执行。办法是用“看门狗”（Watchingdog）4。只要循环超时，它可报警，或作相应处理。外设服务是让PLC可接受编程器对它的操作，或通过接口向输出设备如打印机输出数据.通讯处理是实现PLC与

53、PLC，或PLC与计算机，或PLC与其它工业控制装置或智能部件间信息交换的。这也是增强PLC控制能力的需要。也就是说，实际的PLC工作过程总是：公共处理-I/O刷新-运行用户程序-再公共处理-这些反复不停地重复着。而这种不断地重复运行程序实现控制称扫描方式。是用计算机进行实时控制的一种方式。此外，计算机用于控制还有中断方式。在中断方式下，需处理的控制先申请中断，被响应后正运行的程序停止运行，转而去处理中断工作（运行有关中断服务程序）。待处理完中断，又返回运行原来程序。哪个控制需要处理，哪个就去申请中断。哪个不需处理，将不被理睬。显然，中断方式与扫描方式是不同的。在中断方式下，计算机能得到充分利

54、用，紧急的任务也能得到及时处理。但是，如果同时来了几个都要处理的任务该怎么办呢？优先级高的还好办，低的呢？可能会出现照顾不到之处。所以，中断方式不大适合于工作现场的日常使用。但是，PLC在用扫描方式为主的情况下，也不排斥中断方式。即，大量控制都用扫描方式，个别急需的处理，允许中断这个扫描运行的程序，转而去处理它。这样，可做到所有的控制都能照顾到，个别应急的也能进行处理。PLC的实际工作过程比这里讲的还要复杂一些，分析其基本原理，也还有一些理论问题。有关人员如果能把上面介绍的入出变换、物理实现-信息处理、I/O电路-空间、时间关系-扫描方式并辅以中断方式，作为一种思路加以研究，弄清了它，也就可以

55、理解PLC是怎样去实现控制的，也就可以把握住PLC基本原理的要点了。电量采样板（ADE7755）采用ADE7755计量芯片、先进的低功耗固态集成电路技术和SMT工艺制造的产品，适用于计量参比频率为50Hz(60Hz)的交流单相有功电能。ADE7755是一种高准确度电能计量集成电路，其技术指标超过了IEC1036规定的准确性要求。ADE7755只在模数转换器（ADC）与基准源中使用模拟电路，所有其他信号处理（如相乘舆滤波）都使用数字电路，这使ADE7755在恶劣的环境下依然能保持较高的准确度和长期稳定性。ADE7755引脚F1和F2以较低频率形式输出有功功率平均值，能直接驱动机电式计度器或MCU

56、接口。引脚CF以较高频率形式输出有功功率瞬时值，用于校验或与MCU接口。ADE7755内部包含一个对AVdd电源引脚监控电路。当Avdd上升到4V之前，ADE7755一直保持在复位状态。当AVdd下降到4V以下，ADE7755也被复位，此时F1,F2和CF都没有输出。内部相位匹配电路使电压和电流通道的相位始终是匹配的（45-65Hz范围内相位误差不大于0.1度），无论通道1内的高通滤波器（HPL）是接通还是断开的。内部的空载阀值特性保证ADE7755在空载时没有潜动。其特点有：(1) 高准确度,支持50Hz/60Hz IEC 687/1036 标准的准确度要求,在500:1 的动态范围内误差小

57、于0.1%；(2) 有功功率平均值从 ADE7755引脚 F1 和 F2 以频率方式输出；(3) 有功功率瞬时值从引脚CF 以较高频率方式输出,能用于仪表校验；逻辑输出引脚REVP 能指示负功率或错线；FI 和F2 能直接驱动机电式计度器和两相步进电机；电流通道中的可编程增益放大器（PGA）使仪表能使用小阻值的分流电阻；在环境和时间有很大变化的条件下,采用专利模数转换器（ADC）和数字信号处（DSP）仍保证高准确度；(4) 片内设有电源监控电路；(5) 片内带有防潜动功能（空载阈值）；(6) 片内基准电压2.5V8%（温度系数典型值30ppm/）,能为外部电路提供基准；(7) +5V 单电源、

58、低功耗（典型值15mW）；(8) 低成本CMOS 工艺。计数原理：电量采样板核心电路是由ADE7755组成的电能模数转换电路，它能将通过采样电阻(锰铜合金制成)获取的电流采样信号与电压采样信号在芯片内部实现电能计量累加运算，并在内部实现A/D转换，以脉冲方式输出供给PLC高速计数模块进行数据处理使用。输出脉冲频率通常可设定为1600imp/kWh或3200imp/kWh，本系统采用CF输出为1600imp/kWh供PLC进行计量处理。电量采样板上另一部分电路是磁保持继电器控制电路，磁保持继电器用于负载开关、控制，采用正、负脉冲信号进行开、关驱动。驱动电路可用晶体管电路实现，亦可用专用集成芯片实

59、现，本系统采用集成电路BH3023实现继电器驱动。DDM4A1 RS-485数码显示表利用三菱RS485通讯控制方式，采用主从通讯方式连接DDM4A1数码显示表。DDM4A1 RS-485数码显示表是采用串行通讯技术驱动的4位、5位数码显示表,由于价格低廉,有大量的多品牌PLC驱动程序例子、连接简单,故在各行业中已被大量使用，为更简单地在多表显示系统中使用，捷通科技新推出的DDMC1F、DDMC1O、DDMC1S等通讯转换模块将支持驱动最多达64块DDM4A1、5A1，并且无需对PLC编程，自动显示指定PLC的内部数据。本系统采用DDM4A1 RS-485数码显示表。 (1) PLC无需编程，

60、直接显示指定PLC内部数据： 支持三菱FX、A系列PLC，连接PLC的RS485通讯口，自动读取PLC内部数据寄存器数据并将该数 据依次发送到同一通讯网络上的不同地址DDM4A1显示表，DDM4A1即显示PLC内部数据！ (2) 使用要点 DDMC1F、DDMC1O、DDMC1S通讯协议转换模块使用驱动多块DDM4A1显示表时，必须将SW2开关第2位“NO”拨到OFF位、以提高通讯效率！如果系统中混合使用了DDMF18DA模块和显示表，则必须将SW2开关第2位“NO”拨到NO位，同时，DDM4A1版本必需为V52以上（显示表上电时显示）。 使用JTDDMX组态软件设置通讯协议转换模块和DDM4

61、A1通讯和其他工作参数（参见相应使用手册）。对于三菱 PLC，显示控制寄存器由D寄存器指定； 在19200Bps通讯速率情况下，单块表刷新时间约100mS，32块显示表刷新时间约1.5S，最多可驱动 64块显示表，其刷新时间约3S。如果将显示表通讯速率升至38400甚至57600Bps，同时将PLC通讯速率也提升至38400（欧姆龙CJ 、CS1 最高可达115200Bps、西门子PLC可达187500Bps）则显示刷新时间还将减短！4*4数字开关小键盘与其它工业控制系统相比，PLC控制系统具有可靠性高、抗干扰能力强等突出优点，因而广泛应用于工业控制领域。本次设计采用为以输入X0、X1、X2、

62、X3和输出Y0、Y1、Y2、Y3共八个端口组成。输入为BCD码。分压分流器分压分流器，顾名思义就是讲用电负载线上的电压和电流提取采样输出，以供计量器下步工作使用。其在串联电路中，各电阻上的电流相等，各电阻两端的电压之和等于电路总电压。可知每个电阻上的电压小于电路总电压，故串联电阻分压。 在并联电路中，各电阻两端的电压相等，各电阻上的电流之和等于总电流（干路电流）。可知每个电阻上的电流小于总电流（干路电流），故并联电阻分流。实际上并不是串联分压，并联分流；而是串联通流，并联等压。这个是串联和并联的定义啊。串联就是所有的电流顺序逐一通过各个用电器的连接方法。并联就是所有用电器等家平行接在两个电势之

63、间（电压就是电势差）的连接方法。 那么，对于本质上是电阻器的用电器，电压等于电阻值乘以电流（电容器接下来解释）。串联中每个电阻器的电压就是其电阻值乘以其电流呀，每个电阻器的电阻和就是总电阻，根据乘法分配律，可以看到这就是串联分压的数学表达了。并联分流与之相当，总电流是每个用电器电流之和，也是乘法分配律。 电容器只有“串联分压”，这个原因，因为每个电容都可以通过外加电压而自身带电，具体谁带多少电是电容器结构决定的。而每个电容器也因为自身带电而表现出电压效果。你可以把这个看作和电阻器类似。总体电路都要成电中性，每个电容器带了电，都要向其两端的电容器施加影响。在影响下，别的电容器也都会带电的。这就是

64、“分压”了。 具体的微观解释。以金属导体为例，金属导体导电的本质是因为某些原因让金属导体某位置电子缺失了，造成分子轨道中电子密度不平衡。就像气体扩散一样，在全部的大分子轨道中，电子也会这么扩散过来，方向是由密到稀。这种电子扩散就是电流。串联，其中一头电子缺失，电子是整体移动的，而电子移动要克服自己轨道的“保留阻力”。这就是电压的意义。电压就是为电子克服这种阻力提供的动力。也就是说，没有电压，就不会有电子流动。所谓分压，就是通路中任意一部分，其中电子克服的阻力也是整个通路的一部分。微观解释并联分流，就是有很多条通路供电子传递。电子的这种流动就是电流，而每条通路的电子流汇集起来，就是总电流。这也就是所谓的“分流”继电