多路电能计量与分配控制系统的设计.docx

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多路电能计量与分配控制系统的设计

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-channelenergymeasurement

anddistributioncontrolsystemdesign

ABSTRACT

Withtheexpansionofcommunitycapacityandpowerconsumptionofthecommodity,energymeteringandmanagementbecomeincreasinglythefocusoftheparties,thetraditionalinduction-typeelectricenergymeter,managementincreasinglyunabletomeettheneedsofallparties.Meterinstallation,meterreading,collections,electricity,tracingandpreventionofstealingelectricitysectortoinvestsubstantialhumanandmaterialresources,stillcannotachievethedesiredresults.Sotheelectricpowerindustryhasbeentherapiddevelopmentofpowersystemloadmoreandmorecomplexstructureofdistributionnetworkautomationandmanagementautomationschedulinganewrequest:

theurgencyofenergymeteringanddistributiontohigh-precision,multi-function,intelligentdirection.Improvethepowerqualityandreliabilityofelectricitysupply,theimplementationoftheCollectingaccurateandefficientsystemisurgentlyneeded.Atpresent,alargenumberofpowercannotbestored,theproduction,transmissionandusemustbecarriedoutatthesametime.Therefore,theresearchanddevelopmentofanenergymeteringanddistributionsystem,itisparticularlyimportant

AlthoughintheUnitedStates,Japanhasbeentherealizationofdistributionautomation.Andasaresultofdifferentpowergrids,differentnationalconditions,theUnitedStatesandJapan'sadvancedtechnologycannotbeusedinChina'spowergrid,andcurrentlynotyetamaturetechnologytouseelectricpowersector.Therefore,Ioptedforthemulti-channelPLC-basedpowerdistributioncontrolsystemofmeasurementandthesubjectofhopeforourcountry'sdistributionofaforceautomation.Inthispaper,themulti-channelpowermeasurementandcontrolsystemusesadistributionseriesMitsubishiPLCcontrolsystemasacoreforthemeasurementofpoweranddistribution.ThedesignisbasedontheversatilityofthePLC,inwhichapplication-specificmodulesinthemeasurementofelectricalenergymeasurementICADE7755,toensuretheaccuracyofenergymeasurement,andthenrecordsthedatatransmittedtothePLCforprocessing.Real-timedisplayandcontrolanalysis.InputcontrolsignalforthesmallkeyboardanddisplaymoduleforthedigitaldisplayshowsDDM4A1,distributionofmagneticpowermodulecontrolcircuittomaintainrelay.Functionistoachievecompletionofthedistrict6usersperunitanddistributionofelectricenergymeasurement.Powerdistributioncontrolelectricitycanalsoberemovedfromthetroublecalls,allowsuserstoachievehisown,easytomanage.

AnotherissueistheprimarybasedonthePLCcontrolsystemisbasedontherealizationoftheessentialimportanceofthebasicmeasurementandcontrolfunctions.Infact,theotherthroughtheestablishmentofPLCcommunicationslinkwiththeHostComputerandachievefarcopyandremotecontrol,theestablishmentofbetterdistributionautomationsystem.

KEYWORDS:

Programmablecontrollers,measurement,digitalswitch,display

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，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PLCFX2n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]。

1.1.1PLC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0.1s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10ms且定时时间不受环境的影响。

（5）计数控制：

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。

（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2ms，PLC巡回检测速度为每千字8ms。

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

1不如PLC容易掌握：

②不如PLC使用简单：

2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。

（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。

1.1.2PLC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；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。

1.1.3PLC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公司新推出CPM1PLC的体积约130mm×89mm×84mm，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0.72μs，特殊指令的执行时间也仅16.3μs。

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经营效益。

另外，催缴电费也一直是困扰电