王文课程设计

1、郑州轻工业学院“卓越工程师教育培养计划”专业课程设计实践报告 报告名称 基于多路电能采集表的电能参数采集设计 院（系） 电气信息工程学院 学生姓名 王文 专业班级 电气卓越11-01 学 号 541101020145 指导教师 江 豪 成绩评定 完 成 日 期 2015.01.16 2目 录引言21.课程设计的目的及意义32. 课程设计的主要内容53.系统设计6 3.1系统设计要求6 3.2 电气系统设计6 3.2.1设备选型7 3.2.2电气设计关键环节83.3程序系统设计8 3.3.1 PLC程序主要功能9 3.3.2 程序设计关键11 3.3.3 程序设计实现11 3.3.4 程序设计总

2、结13 4.课程设计调试15 5.结语17 附录18 参考文献22“基于多路电能采集表的电能参数采集设计”的专业课程设计实践报告引言目前，国内很多企业和个人的电能表现场数据的获得还是依靠人工现场抄数，这种方式工作强度大，获得数据的时效性差，管理成本高，在边远地区、无人值守的地方非常不方便，在高压计量点更具有一定的危险性。基于此，自动化的远程数据采集越来越受到重视。在各种自动化量测与控制应用系统中，经常要实现对远距离的现场中各种参数的监测，根据结果掌握研究对象或生产过程的运行情况，并做出相应的分析与控制。在这种过程中，广泛地使用了现场参数的远程采集技术，从而确保整个系统工作过程安全、有效且具有智

3、能化，并且能提高生产率、降低生产成本。可编程序控制器（Programmable Logic Controller）是以微处理器核心，综合了微电子技术、自动化技术、网络通讯技术于一体的通用工业控制装置。英文缩写为PC或PLC。它具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，更得到用户的好评。因而在机械、能源、化工、交通、电力等领域得到了越来越广泛的应用，成为现代工业控制的三大支柱（PLC，机器人和CAD/CAM）之一。 初期的PLC只是用于逻辑控制的场合，代替继电器控制系统。随着微电子技术的发展，PLC以微处理器为核心，适用于

4、开关量、模拟量和数字量的控制，它已进入过程控制和位置控制等场合的控制领域。目前，可编程序控制器既保留了原来可编程序逻辑控制器的所有优点，又吸收和发展了其他控制装置的优点，包括计算机控制系统、过程仪表控制系统、集散系统、分散系统等。在许多场合，可编程序控制器可以构成各种综合控制系统，例如构成逻辑控制系统、过程控制系统、数据采集和控制系统、图形工作站等等。这次课程设计主要对多路电能采集表的电能参数采集设计。1.课程设计的目的及意义可编程控制器是以计算机为核心的通用自动控制装置，它的功能强、可靠性极强、编程简单、使用方便、体积小。现已广泛应用于工业控制的各个领域，它以微处理器为核心，用编写的程序进行

5、逻辑控制、定时、记数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。 随着科技的飞速发展，PLC的应用不断地走向深入，同时带动传统的控制检测技术的不断更新，可编程控制器由于其优良的控制性能，极高的可靠性，在各行各业中的应用日益广泛普及。课程设计是学生完成本专业教学计划的最后一个极为重要的实践性教学环节，是使学生综合运用所学过的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练。这对学生即将从事的相关技术工作和未来事业的开拓都具有一定意义。其主要目的： (1)培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。

6、(2)培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法。 (3)培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。（4）培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。 本次课程设计提高同学们的动手操作能力、巩固课本知识、培养自觉学习能力、提高团队合作意识以及一些基本编程知识的掌握等，将PLC的理论知识运用于一个实际的多路电能采集表的电能参数采集中，在实践中掌握PLC的数字量及模拟量的输入端接线方式，模拟量在PLC中的量程转换，以及编写PLC

7、程序实现有关的功能；同时，还要了解掌握变频器及组态软件的基本功能与简单应用，培养应用PLC及相关设备设计实际的控制系统的能力。课程设计的主要目的是通过某一生产设备的电气控制装置的设计实践，了解一般电气控制系统设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体设计方法。通过设计也有助于复习、巩固以往所学的知识，达到灵活应用的目的。电气设计必须满足生产设备和生产工艺的要求，因此，设计之前必须了解设备的用途、结构、操作要求和工艺过程，在此过程中培养从事设计工作的整体观念。课程设计应强调能力培养为主，在独立完成设计任务的同时，还要注意其他几方面能力的培养与提高，如独立工作能力与创造力；综合运用专业及基础知识的

8、能力，解决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；工程绘图的能力；书写技术报告和编制技术资料的能力。2.课程设计主要内容 本课程设计最要是对AMC16MA电能表36路的相电流、相电压、线电流和线电压进行数据采集，并通过逻辑运算出有功功率，无功功率和视在功率及功率因数。 AMC16系列多回路控制装置主要应用于多个配出回路的电参数的监测，它将回路中的母线电压，多个配出回路的电流功率、电能集中测量和显示，并可对各个回路的开关状态集中监测和显示，以上参量还可通讯输出，实现了对监控要求较简单的配电出线回路的集中测量和监视。一个AMC16多回路控制装置就能实现对多个回路的电参量的

9、测量和开关状态的监测，大大方便了系统的接线、安装和调试；节约了用户的投资，降低了系统成本。3.系统设计3.1系统设计要求本设计是基于AMC16MA电能表对多路电能参数采集，需要采集的电能参数有进线电压、电流；各分支出线出线电流，由互感器来测量；电能、有功功率、无功功率、功率因数等参数由电表本身计算得到。通过MODBUS协议将采集的数据传送到PLC中，通过西门子S7-200 对电能的监测，将电路电能的所有数据存储在S7-200 CPU的存储区中，然后通过EM277扩展模块将S7-200 CPU存储区中的数据送入主站中，完成数据的采集。1绘制电气柜及电能表接线图，包含PLC通信接线图。2通过Mod

10、bus实现电能表数据通信。3.现场硬件安装调试，完成DP数据上传。3.2 电气系统设计 AMC16系列多回路监控装置主要应用于多个配出回路的点参数的监测，它将回路中的母线电压、多个回路的配出电流、功率、电能集中测量和显示，并可对各个回路的开关状态集中测量和显示，以上各参量还可通讯输出，实现了对监控要求较简单的配电出线回路的集中测量和监视。一个AMC16多回路监控装置就能实现对多回路的电参量的测量和开关状态的监测，大大方便了系统的接线、安装、调试；节约了用户的投资，降低了系统的成本。 1.RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（26） V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（26

11、）V表示。接口信号电平比RS -232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。2. RS-485的数据最高传输速率为10Mbps 3. RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。 4. RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达 3000米； RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器，即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。因为RS4

12、85接口组成的半双工网络 ，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。 RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座，与智能终端RS485接口采用DB-9（孔），与键盘连接的键盘接口RS485采用DB-9（针）。串口协议只是定义了传输的电压，阻抗等，编程方式和普通的串口编程一样。 5.RS-485数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2V6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端， “使能”端是用于控制发送驱动

13、器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。3.2.1 设备选型 由于PLC是PLC控制系统的核心器件，因此正确选择PLC的机型是进行PLC系统设计的首要内容。本课程设计采用的是西门子的CPU 224，CPU 224集成14输入10输出，最多可以有7个扩展模块，有内置始终，有更强的模拟量和高速计数的处理能力，是使用的最多的S7-200产品，如图3-1所示。 图3-1 CPU 224 主站需要和PLC中的数据进行交换，这就需要PROFIBUS-DP模块EM277，通过该模块可以把S7-200PLC连接到P

14、ROFIBUS-DP网络中，从而使其作为DP网络中的一个从站。如图3-2EM277 图3-2 EM277模块 接线端子如下图3-3 图3-3 接线端子3.2.2电气设计关键环节所采集的数据存储在CPU中，由于其不能直接送入主站，这就需要EM277扩展模块的使用，EM277扩展模块通过I/O口与CPU 224相连，通过PROFIBUS DP网络与主站相连，可与主站进行通信。3.3 程序系统设计整个程序由主程序、子程序和中断程序组成。主程序主要完成初始化操作、调用子程序及其他逻辑控制。因为系统对通信部分的要求较高，所以通信数据采用CRC码进行校验。由于本次是采集电表数据，PLC作为主站，电表作为从

15、站，PLC对电表只做读取操作，且PLC接入的是P1串口，因此选择Modbus Master Port1。 S7-200 PLC拥有出色的通信能力，支持多种通信协议，兼容多种硬件，适应多种应用场合，根据实际需要选择合适的通信协议，可以事半功倍，做到既节省硬件投资，软件编程又易于实现。本程序涉及到MODBUS通讯指令的应用和数据处理，采用的MODBUS通讯协议为RTU协议。本程序S7-200 PLC与S7-300 PLC 之间的通信通过PROFIBUS DP实现。3.3.1 PLC程序主要功能由于本次是采集电表数据，PLC作为主站，电表作为从站，PLC对电表只做读取操作，且PLC接入的是P1串口，

16、因此选择Modbus Master Port1。如图编写程序：网络1：MBUS_CTRL_P1初始化PLC的Modbus通讯图二 MBUS_CTRL_P1初始化PLC的Modbus通讯网络2、3：实现PLC对电表1、2循环间隔读取数据，每隔200ms读取一个电表数据（注：各个电表不可实现同时读取数据）图三 PLC每隔200ms对电表1、2循环读数网络4、5：计数为0时读取电表1（此处地址为3），将所得数据储存到VB100起（之后的数据空间）；计数为1时读取电表2（此处地址为4），将所得数据储存到VB200起（之后的数据空间）。图四 计数为0、1时分别读取电表1、2的数据随后要进行编译，保存，下

17、载到PLC中进行状态表监控。3.3.2 程序设计关键MBUS_CTRL 指令用于初始化主站通信，MBUS_MSG 指令(或用于端口1的MBUS_MSG_P1)用于启动对Modbus从站的请求并处理应答。MBUS_CTRL 指令用于S7-200 端口0的 MBUS_CTRL 指令(或用于端口1的 MBUS_CTRL_P1 指令)可初始化、监视或禁用 Modbus 通讯。在使用 MBUS_MSG 指令之前，必须正确执行 MBUS_CTRL 指令。指令完成后立即设定“完成”位，才能继续执行下一条指令。MBUS_CTRL 指令在每次扫描且EN输入打开时执行。MBUS_CTRL指令必须在每次扫描时(包括

18、首次扫描)被调用，以允许监视随MBUS_MSG 指令启动的任何突出消息的进程。除非每次调用MBUS_CTRL，否则Modbus 主设备协议将不能正确运行。 众所周知，PLC程序设计的基本思路是按照设备的要求设计输入和输出信号的关系，在输入某些信号得到预期的输出信号，从而实现预期的工作过程。本设计需要的是电流互感器和电压互感器的输入， PWM程序关键是控制字的编写，控制字的正确与否直接关系到是否有脉冲的输出。本设计的主程序关键点之一是了解设计原理，进行系统的分析输入和输出的关系，从而可以利用PLC的逻辑运算能力得到预期的输出结果。本程序是通过采集输入的相电流及线电流，相电压和线电压，然后再经过程

19、序的计算出无功功率和有功功率及视在功率。主程序关键点之二是地址空间的分配。一个优秀的PLC编程，其程序的地址空间应该是进行统一规划的，一目了然的。在进行PLC编程之前，要对程序进行一个大体的地址分配，这样就可以避免地址空间的不足而引起存储区使用上的冲突。3.3.3 程序设计实现MBUS_MSG 指令(或用于端口1的 MBUS_MSG_P1 )用于启动对Modbus从站的请求并处理应答。当 EN 输入和“首次”输入都为1时，BUS_MSG 指令启动对 Modbus 从站的请求。发送请求、等待应答、并处理应答通常需要多次扫描。EN输入必须打开以启用请求的发送，并应该保持打开直到“完成”位被置位。必

20、须注意的是，一次只能激活一条 MBUS_MSG 指令。如果启用了多条 MBUS_MSG 指令，则将处理所执行的第一条 MBUS_MSG 指令，之后的所有 MBUS_MSG 指令将中止并产生错误代码6。 EN：指令使能位。First：“首次”参数。“首次”参数应该在有新请求要发送时才打开以进行一次扫描。“首次”输入应当通过一个边沿检测元素(例如上升沿)打开，这将导致请求被传送一次。Slave：“从站”参数。“从站”参数是Modbus从站的地址。允许的范围是0到247。地址0是广播地址，只能用于写请求。不存在对地址0的广播请求的应答。并非所有的从站会支持广播地址，S7-200 Modbus 从站协

21、议库不支持广播地址。RW：“读写”参数。“读写”参数指定是否要读取或写入该消息。“读写”参数允许使用下列两个值：0读参数1写参数Addr：“地址”参数。“地址”参数是起始的Modbus 地址。允许使用下列取值范围：00001至09999是离散输出(线圈)10001至19999是离散输入(触点)30001至39999是输入寄存器40001至49999是保持寄存器其中离散输出(线圈)和保持寄存器支持读取和写入请求，而离散输入(触点)和输入寄存器仅支持读取请求。“地址”的具体值应与Modbus从站支持的地址一致。Count：“计数”参数。“计数”参数指定在该请求中读取或写入的数据元素的数目。“计数”

22、数值是位数(对于位数据类型)和字数(对于字数据类型)。根据Modbus协议，“计数”参数与 Modbus 地址存在以下对应关系表三 “计数”参数与 Modbus 地址对应关系MBUS_MSG 指令将读取或写入最大120个字或1920个位(240字节的数据)。“计数”的实际限值还取决于 Modbus 从站中的限制。DataPtr：“DataPtr” 参数。“DataPtr” 参数是指向S7-200 CPU 的 V 存储器中与读取或写入请求相关的数据的间接地址指针。对于读取请求， DataPtr 应指向用于存储从 Modbus 从站读取的数据的第一个CPU存储器位置。对于写入请求，DataPtr应

23、指向要发送到Modbus从站的数据的第一个CPU存储器位置。Done：完成输出。完成输出在发送请求和接收应答时关闭。“完成”输出在应答完成或MBUS_MSG指令因错误而中止时打开。Error：“错误”输出仅当“完成”输出打开时有效。低位编号的错误代码(1到8)是由MBUS_MSG指令检测到的错误。这些错误代码通常指示与MBUS_MSG指令的输入参数有关的问题，或接收来自从站的应答时出现的问题。奇偶校验和CRC错误指示存在应答但是数据未正确接收。这通常是由电气故障(例如连接有问题或者电噪声)引起的。高位编号的错误代码(从101开始)是由Modbus从站返回的错误。这些错误指示从站不支持所请求的功

24、能，或者所请求的地址(或数据类型或地址范围)不被Modbus从站支持。3.3.4 程序设计总结本课程设计需要对多个变量寄存器进行清零。在对编程中的一些特定寄存器清零时，某些寄存器不需要清零，可以减少整个程序的运行时间，特别是进行逻辑运算时，当一些寄存器清零后，存放运算结果的一些寄存器就不再需要清零了，让整个PLC程序更加精练。程序架构很重要，这就是说子程序的调用，不仅减少了程序的容量，还增加了可读性，方便了程序的调试修改。本课程设计中的主程序量比较大，多次调用了中断程序，见附图。中断程序的调用，注意各个高速寄存器与之对应的中断号。系统在设计时，一般采集板的数据缓冲区满后，要通知系统板来取走数据

25、，这种握手过程用中断来实现最为有效。在硬中断中，需要考虑的一个十分重要的问题是当中断源申请一次中断在CPU已响应此次中断请求后如何撤消中断请求。如果在CPU执行完此次中断服务程序并在返回原程序断点处之前尚未撤消中断请求，则会引起在CPU返回原程序后再次产生中断（由此类推，还可能引起更多中断），而再次产生的这些中断是不希望的，也是不必要的，因此必须防止其发生。当采用边沿触发方式时不会产生这样的问题，而采用电平触发方式时却很有可能发生这样的问题。 解决这个问题的方法是由CPU控制撤消请求。假定CUP的中断请求INTR采用高电平触发方式，触发器的R复位端和S置位端均为上跳沿起作用。当中断源申请中断时

26、，由产生的上跳变使触发器的Q端输出高电平以向CPU申请中断，而CPU在进入中断服务程序后，利用输出指令通过输出接口使触发器R端产生上跳变，使Q端复位，从而撤消了向CPU的中断请求，保证“申请一次，中断一次”。此方式既避免了上通用性差的缺点，又避免上使CPU效率降低的弊端，因此是一种很好的方法。4.课程设计调试（1）本课程设计主要是对主程序中的相电流、相电压、线电流和线电压进行数据采集，然后进行逻辑运算出无功功率、有功功率和视在功率，并且保证检测数据的准确性和真实度。（2）硬件调试：接通电源，检查S7-200 PLC可编程控制器是否可以正常工作，接头是否接触良好，然后把其与电脑的通信口

27、连接。  软件调试：按要求输入梯形图，转换成指令表，并进行语法的检查，正确后设置正确的通信口，将指令读入到指定的可编程控制器ROM中，进行下一步的调试。  运行调试：在硬件调试和软件调试正确的基础上，打开S7-200 PLC可编程控制器的“RUN”开关进行调试；观察运行的情况，看是否是随时按下停止按钮可以停止系统运行。（3）PLC程序现场调试指在工业现场，甩有设备都安装好后，所有连接线都接好后的实际调试。也是PLC程序的最后调试。现场调试的目的是，调试通过后，可交给用户使用，或试运行。现场调试参与的人员较多，要组织好，要有调试大纲。依大纲，按部

28、就班地一步步推进。开始调试时，设备可先不运转，甚至了不要带电。可随着调试的进展逐步加电、开机、加载，直到按额定条件运转（4）调试，是对程序的一种校验。记得每当程序编写成功后，我们便很开心，于是自信满满的将程序下载到PLC中，期待着得到我们预期的结果，可是往往会出现这样那样的问题，有时候我们会暂时的崩溃，然后我们便停下来，调整心绪，心平静和地一起讨论、一起探寻解决的途径。我想，任何时候，良好的心态，优秀的团队都是成功必不可少的吧。在进行调试出现问题的时候，我们要一步一步地、逐一修改各个条件，我们最有把握的往往就是解决问题的关键之所在。比如，刚开始，我对PWM的控制字很有把握，认为没有脉冲输出不可

29、能是我编写的控制字有问题，结果问题就出现控制字的编写上。有时候，问题可能没有出现在自身的程序上，而是出现在设备上。其他小组在进行调试时，PLC上总有一个灯显示出现故障，我变建议换一个PLC，问题变得到解决了，所以这就要求我们解决问题的时候要发散自己的思维，有可能是自身的问题，也有可能是因为原件的不良等外界因素。一直感到PLC程序调试起来很费劲，在Simulator中RUN起来，节拍太太快了，只能看结果，用Step Run又太慢，虽然可以设置断点，但比起计算机编程工具的断点调试，节拍却又慢了许多，而且还不直观，特别是输入输出比较多的情况，尤其是出错处理段更吃力，当条件变得错综复杂的时候，有时候真

30、的不能一目了然的搞清当前程序中各种软元件的状态。上周末，因为工程的需要想使用触摸屏，这一周以来就一直在学习这方面的东西，在尝试的过程中发现，使用GT Designer做一个测试面板（可以选择一个分辨率高一点的型号，反正是“免费”的，分辨率高可以在同一屏上放置更多的观察对象），然后用GX Simulator +GT Simulator来跑，就清晰多了。GX Simulator 的Step Run和断点设置是检查程序的利器，非常重要，以上的说法只是期望有更好更容易上手更直观的调试工具（“没有最好只用更好”嘛，追求无止境），GT Simulator的这种测试面板只是一种辅助手段，更便于在各种人员都参

31、加讨论的会议上做演示和讲解说明，调试程序还是离不开Step Run和断点设置的。5.结语短短三周的课程设计结束了，在这次课程设计中，我去图书馆和网上搜集了很多资料并且和同学讨论，学到了很多基于S7-200通信口Modbus电能采集的理论知识。我掌握了S7-200PLC电气控制及程序编写的基础知识，熟悉了串口通信的基本知识及Modbus通信协议的学习和应用，并且锻炼了我的工程设计能力。 我在做课程设计的过程中，深深地体会到了S7-200在工业自动化及控制和通信等领域的广泛应用。以前学习PLC的知识，我没有深入的学习，很多东西都是只是了解表面上的东西，没有考虑到将来在实践中的应用，以至于缺乏系统的知识体系。借助这次课