基于PLC、組態軟件的高壓電機智能試驗系統設計
本文介紹了一套基于PLC、組態軟件的高壓電機智能試驗系統的原理、組成和設計過程。通過采用工控機為上位機，PLC為下位機，實現了高壓電機型式試驗自動控制。該系統使用了組態王軟件和三菱PLC智能化控制體系，能夠完成高壓電機一般性能項目的檢驗，而且該系統具有良好的人機界面，操作方便、結構簡單，并能應用于某大功率型電機試驗站計算機自動測試系統，有效地提高電機試驗的自動化程度，使測試數據更加客觀精確，有利于更好的檢測電機的性能。
【關鍵詞】：高壓電機；組態王；PLC；智能控制；自動測試
ABSTRACT
A set of intelligent test system for high voltage motor based on PLC, king View and its principle, constitute and the design process are introduced. By using the industrial computer as the upper machine, and PLC as the bottom machine, type test for high voltage motor can be automatically controlled. This system adopts the software of king view and Mitsubishi PLC intelligences control systems, which can complete the high voltage motor examination of the general function item. At the same time, this system has the good man-machine interface, operation convenience, structure simple, and can be applied in automatic test system of calculator. It will effectively raise the automation degree of electrical engineering experiment and also make the testing data more objective and accurate which is advantageous to the function of the better examination motor.
【Keywords】: High voltage motor King View PLC The intelligence control Auto-testing
近幾年來，我國對電機的智能檢測有了很大的發展，國內電機行業的檢測裝備和檢測技術有了較快的發展,各種檢測傳感器、檢測儀器已比較齊備,而且性能也較穩定,為電機檢測系統的研制提供了有利的條件。但就高壓電機檢測系統的實際應用而言，還存在著以下不足:高壓電機檢測系統的自動化程度較低、系統的可靠性、安全性不夠等等。
高壓試驗系統投資總額較高,而作為投資方的電機質檢機構,希望在原有低壓檢測系統的基礎上進行設備改造,研制出能進行高壓電機試驗的檢測系統。同時,制造企業由于各種因素的制約,缺少完備的型式試驗設備和相關的專業技術人員,對存在的性能缺陷往往不能準確進行地診斷,分析缺陷的原因,提出明確的改進建議。
所有的電機（包括高壓電機）在出廠之前都要經過型式試驗和性能測試，全面達到技術要求之后才能投產或繼續生產。這些測試或試驗的數據包括電機的電壓、電流、轉速、功率、轉差率、頻率、效率、溫度、電阻等，這些參數是在滿足GB1032三相異步電動機試驗方法等國家有關標準的精度及其安全要求的基礎上通過空載試驗、負載試驗、溫升試驗、轉矩試驗等多種試驗獲得的，本文所介紹的智能高壓電機試驗系統具有自動測試功能，通過測量數據，能夠很好地反映電機性能及其質量。
1.1 電機型式試驗簡介
電機試驗是利用儀器、儀表及相關設備，按照相關標準的規定，對電機制造過程中的半成品和成品，或以電機為主體的配套產品的電氣性能、力學性能、安全性能及可靠性能等技術指標進行的檢驗。通過這些檢驗，可以全部或部分的反映被試電機的相關性能數據，用這些數據，可以判斷被試產品是否符合設計要求、品質的優劣以及改進的目標和方向。
所謂型式試驗是一種全面的性能試驗，能夠較確切地得到被試電機的有關性能參數的試驗，其目的是為了確定電機的電氣和機械參數是否全面達到技術要求，各種型式電機均需要通過本試驗才能投產或繼續生產。國際標準和英、蘇、德等國家都把型式試驗當作一種性能試驗，用來檢查電機的特性和參數。這種試驗一般只對各種型式電機中的第一臺或首批的幾臺樣機進行，所以稱為型式試驗。
根據需要，試驗可包括標準中規定的所有項目，也可以是其中的一部分項目。
按國家標準規定，在下述情況下，應進行型式試驗：
1.新設計試制的產品；
2.經鑒定定型后小批試投產的產品；
3.設計或故意上的變更足以引起電機的某些特性和參數發生變化的產品；
4.檢查試驗結構與以前試驗結構發生不可容許的偏差的產品；
5.產品自定型投產后的定期抽試。
1.1.1 空載試驗和負載試驗
電機試驗的項目很多，如空載試驗、負載試驗、堵轉試驗、溫升試驗等等，在此系統設計中只介紹和設計了空載和負載試驗。所以有必要弄清它們的試驗目的和試驗過程。
1.空載特性試驗
(1)試驗目的：
三相異步電動機的空載試驗是給定子施加額定頻率的額定電壓，試驗目的：
a.檢查電機的運轉的靈活情況，有無異常噪聲和較強的振動；
b.通過測試求得電機在額定電壓時的鐵心損耗和在額定轉速時的機械損耗；
c.通過試驗得出空載電流與空載電壓的關系曲線。這條曲線其實就是一條磁化曲線。它可以反映出電機磁路工作的情況，例如鐵心材料的性能，轉子的氣隙等的選擇是否合理。
(2)試驗過程：
將電機啟動后保持額定電壓和額定頻率空載運行到機械損耗穩定。判斷機械損耗穩定的標準是：輸入功率相隔半個小時的兩個讀數之差不大于前一次輸入功率的3%，在實際應用中，一般憑經驗來確定，對1KW以下的電機一般運行15～30min,對1～10KW的電機一般運行30～60min,對大于10KW的電機應為60～90min.
試驗時，施于定子繞組上的電壓從1.1～1.3Un開始，逐漸降低到可能達到的最低電壓值，使電流開始回升為止，其間測取7～9個點，每個點應測取下列數值：三相電壓（如可確定三相平衡時，可只測一相），三相電流，輸入功率P0。
2.負載試驗
(1)試驗目的：
負載試驗的目的實際上是要測取電機的工作特性曲線，考慮效率和功率因素是否合格，取得分析電機運行性能的必要數據。
(2)試驗過程：
測試應在被試電機接近熱狀態下進行，在額定功率和額定頻率下，改變負載，在1.25～0.25倍額定功率范圍內測取6～8點讀數，每點同時測量：三相電壓，三相電流，輸入功率，功率因素，轉差率，輸出轉矩。轉差率實際是通過測出轉子的轉速計算出來的。
1.1.2 電機測試標準
本試驗中要實現系統的設計首先必須滿足GB1032三相異步電動機試驗方法等國家有關標準的精度及安全要求：
1.試驗電源
1)試驗電源的電壓波形正弦畸變率（電壓波形中所包含的除基波分量以外的各次諧波的有效值平方和的根值與基波分量有效值之比的百分數）應不超過5%，在進行溫升試驗時應不超過2.5%。
2)試驗電源的三相電壓對稱系統應符合下述要求：
電壓的負序分量和零序分量均不超過正序分量的1%；在進行溫升試驗時，負序分量不超過正序分量的0.5%,零序分量的影響予以消除。
試驗電源的頻率與額定頻率之差應在額定頻率±1%范圍內。
2.測量儀表
試驗時，采用的電氣測量儀表的準確度應不低于0.5級，三相瓦特表的準確度應不低于1.0級，互感器的準確度應不低于0.2級，電量變送器的準確度應不低于0.5%級（檢查試驗時應不低于1%），數字式轉速測量儀及轉差率測量儀的準確度應不低于0.1%±1個字，轉矩測量儀及測功機的準確度應不低于1%（實測效率應不低于0.5%）。
選擇儀表時，應使測量值位于20%-95%儀表量程范圍內。
3.測量要求
進行電氣測量時，應遵循下列要求：
1) 三相電流用三電流互感器（或二互感器）法。
2) 采用電流互感器時，接入付邊回路儀表的總阻抗（包括連接導線）應不超過其額定阻抗值。
3)試驗時，各儀表讀數同時讀取。在測量三相電壓或三相電流時，應取三相讀數的平均值作為測量的實際值。
1.2 電機自動測試的特點及和當前電機測試的現狀
以往的電機測試往往采用普通的指針式儀表由人工讀數、人工記錄，然后由人工整理成數據并描繪曲線或編寫實驗報告。由于某些原因如電源的波動、頻率波動、負載波動等因素會使儀表的指針擺動，為了能比較準確的讀出某一瞬間的各項被測參數，往往需要幾個人同時讀表，工作效率低。不僅如此，由于讀表的不同時性以及讀數、記錄、計算中各種人為誤差還會使實驗數據分散性大，試驗經過的準確度低，重復性差，現在這種測試方法基本被淘汰。
另外一種測量方式是使用各種電子測量儀表，如多功能電參數測試儀可以測量電機在各種狀態下的轉矩、轉速、輸出功率等，這類儀器一般由單片機構成，測量精度高，采用數字顯示，功能比較完備，提高了自動化程度，但是對數據的處理、試驗過程中的讀數同步等問題，仍然不夠理想。
在數字儀表的基礎上發展起來的數字式自動測試系統可以控制測量過程，處理測試數據，記錄與顯示測量結果。
采用微機的電機自動測試系統在測試功能、測量精度等各項指標上都遠遠超過了傳統的實驗方法。使電機測試步入了新的時代。[21]
近幾年來，由于計算機的功能不斷強大，各種人機界面軟件不斷涌現，這給電機測試提供了可視化監控畫面。這又使電機測試邁進了一大步。
1.3 系統設計的主要內容及要求
本課題實現的是一個高壓電氣控制系統，擬在論證各種高壓檢測實現方案的基礎上，選擇一種方案設計。并以H400以下，500KW以下、額定電壓10KV樣機為試驗對象，設計自動控制系統,能夠完成高壓電機一般性能的檢測。并且選定合適的變壓器、調壓器、高壓設施、電纜等，能夠實現高壓電機一般性能項目的檢測，滿足GB1032三相異步電動機試驗方法等國家有關標準的精度及安全要求。繪制原理圖、主回路、控制回路、測量回路框圖，設計控制流程及程序、進行量程分檔，選用合適的儀器設備及其參數設置，完成系統總體設計。
1.4 本文完成的主要工作
本文完成的主要工作如下：
(1)分析型式試驗要求，查閱并檢索國內外電機試驗的文獻資料；
(2)研究高壓試驗方法標準及試驗方案，確定總體方案；
(3)設計電機試驗主回路系統；
(4)按照標準精度要求選用儀器儀表，設計測量回路；
(5)設計電氣控制系統，包括上位機、下位機、保護系統及上位機和下位機的通訊；
(6)系統設計展望并對本文進行小結。
1.5 論文的體系結構
根據設計的主要內容，論文各章節之間的體系結構如圖1.1所示：
目前電機自動測試系統的主要組成很相似，主要有：微機系統及其外部設備、測試硬件平臺、各種數字測試儀器。在試驗的方法上主要有兩種類型：一個就是試驗的過程控制是由測試硬件平臺來實現，微機系統只進行數據處理、曲線繪制等。比如浙江大學電磁研究所1995年研制的一套電機自動測試系統，它是用微機接口控制器來實現控制的。還有就是美國西屋公司研制的電機自動測試系統，整個試驗過程是由PLC實現的。
隨著微機技術的發展，微機的性能越來越強大，軟件的發展也使實現控制變得極為方便、靈活，所以現在大多數系統都把控制邏輯由微機控制，通過通訊口對設備進行控制，因為運行在微機上的軟件編寫非常靈活，很多功能非常容易實現，能進行復雜的邏輯運算、判斷，而且運算速度非常快，系統靈活性大大增加。
本課題所要設計的高壓電機智能試驗系統，和傳統的電機試驗一樣，要實現負載試驗，首先必須有一個總的構思：
高壓電機試驗系統首先要考慮為被試電機提供一個可調的高壓電源，有個可調高壓電源，考慮本系統完成的是電機的負載試驗，必須讓負載變化，所以必須還得提供一個可調的大功率負載，而且這個負載必須平滑可調。在本系統中，負載是利用與被測電機電壓、功率相同的另一臺負載電機M2來實現的。為了讓系統按設定的要求工作，必須采用PLC對其控制，而且試驗過程中各個參數必須通過測量系統和數據采集才能上傳至上位機，通過組態軟件實施監控。
2.1系統所要實現的功能
1)系統能夠使變頻機組的頻率在允許的范圍內（保證負載電機不過載）平滑可調；
2)系統能夠實現被試電機負載平滑可調；
3)系統能夠按照試驗要求對變頻電源和負載實現自動控制；
4)系統能夠按要求實時采集數據，并能把數據通過串行口傳輸到上位機，軟件提供可視化菜單；
5)系統能夠在遇到異常情況（如過壓、過載等）自動切斷電路或發出報警信號。
2.2 系統的組成
本智能試驗系統與傳統的電機試驗系統有所區別，本系統不但要實現電機的試驗，而且要實現控制自動化，數據采集自動化，并能實現微機現場監控參數變化，更重要的是所涉及的試驗電機為10KV的高壓電機，還要考慮高壓保護等，因此，勿庸置疑，本系統設計要涉及更多控制和保護模塊。
根據系統的設計及控制要求，試驗系統分為控制子系統、高壓子系統、可調負載子系統、測量系統、數據采集子系統和組態監控系統等部分。
控制子系統由上位機（工控機）、下位機（PLC）和控制裝置三個部分組成。上位機采用組態王組態軟件進行現場監控；下位機采用三菱PLC進行控制。
數據采集系統考慮采用傳感器、變送器、A/D轉換裝置通過RS-485接口把數據傳送到上位機或者通過自帶RS-485接口的高精度智能儀表直接把數據上傳到上位機，組態界面實時監控試驗結果。
同時，組態軟件也為試驗者提供了可視化監控畫面，有利于試驗者實時現場監控。
系統組成框圖如圖2所示：
2.3 系統的工作原理
圖2中，虛線框中控制及其高壓保護裝置、被試電機以及可調負載構成了主回路系統。PLC按要求控制主回路系統的工作，當被試電機的電壓和負載滿足要求時，測量系統啟動，測量主回路中被試側和負載側的各個參數，然后通過數據采集系統把數據傳輸到工控機，組態界面對數據進行監控。PLC和工控機之間通過串行接口連接，工控機可通過PLC控制現場的工作流程。整個工作構成了一個智能化電機測試系統。
3.1 設計的重要性及思想
1.主回路設計的重要性：
實現高壓電機試驗首先必須解決的問題之一是主回路的設計，這步非常關鍵，控制系統和測量系統都是基于主回路系統工作，并對它進行自動化、智能化控制及測量，是整個系統設計的基石。
2.設計的基本思想:
1)負載可調；
考慮系統要實現的功能和設計的要求，既然是負載試驗，首先必須解決負載問題，為了方便起見，采用雙電機系統，只要讓負載電機工作在發電狀態，即成為被試電機的負載，但是又必須解決負載在一定范圍（被試電機允許的負載）之內平滑可調，只要在一定頻率范圍內改變負載電機的頻率，即可改變被試電機的負載，本系統中采用變頻機組來平滑調節頻率，這樣達到改變被試電機負載的目的。
2)高壓可調；
系統一般進線電壓為380V，要實現所規定的高壓，并且讓其可調，必須用到升壓變壓器和調壓側，所以在兩側都要用升壓變壓器和調壓器。
3)測量儀表的選定；
在本系統中測量電流用電流互感器，考慮負載的大幅變化，被測電流的變化范圍，要用到幾組電流互感器來隨電流的變化自動切換，提高電流測量的精度。電壓的測量采用電壓互感器。
4)穩壓和穩頻；
主電路中進線電壓為電網電壓，難免會有所波動，而且，調壓過程中電壓也會略有抖動，因此，考慮在被試側的低壓側接上穩壓器件。負載側由于變頻機組本身具有穩壓、穩頻功能。所以不需要再接穩壓器件。
5)高壓保護裝置；
因為兩側都是高壓線路，所以在兩側必須裝有高壓斷路器和高壓隔離開關，以便電路在異常情況下自動切斷線路，也有利于手動控制線路。
3.2 主回路的硬件接線及工作原理
基于3.1節設計思想主回路硬件接線如圖3.1所示：
本系統采用雙路高壓，一路為被試機（M1）供電，一路為作為負載用的負載電機（M2）供電。值得注意的是，在進行負載試驗時，負載能量經電源機組、調壓器回饋到低壓側電網。具體為：負載電機與被試電機同軸聯接，通過電源機組調節負載電機的轉速，使被試電機與負載之間形成一定的轉速差，即使負載電機的頻率f<50HZ，處于發電狀態，從而為被試電機加了負載，改變變頻機組的輸出頻率，即可改變被試電機的負載大小。由于M2以發電機方式運行，則產生的電能通過電源機組經調壓器回饋至電網。因此，從整個系統角度來看，系統消耗的能量主要為系統內各電機的損耗。所以，本系統具有運行效率高的優點。值得注意的是，要限制變頻機組的頻率變化范圍，以防被試電機過載。在本系統中擬定輸出的變頻范圍為 8～50Hz。
在主回路中，如被試電機在電動機狀態工作時，首先在低壓下讓其旋轉方向相同, 啟動負載電機,將其電源頻率和電壓調到額定值左右,隨即被試電機通電，調節電壓至額定值,然后降低負載電機的電源頻率，讓被試電機逐漸加負載至額定值,負載電機作發電運行，直至被試電機達到熱穩定狀態。接著在滿足功率調節范圍在1.25～0.25PN內用變頻電源平滑調節被試電機的負載, 測取數據的過程中，被試電機應保持頻率和電壓不變；輔助電機應保持額定電壓不變。
3.3主回路相關設備的選擇
一、高壓試驗對調壓器的基本要求
高壓試驗必須有一個能滿足技術標準要求的可調試驗電源。通常在高壓試驗變壓器的前級選配合適的調壓器，借助調壓器的電壓調整，使高壓試驗變壓器輸出滿足要求的、無級連續、均勻變化的試驗電壓。高壓試驗配用的調壓器，除了其輸出容量、相數、頻率、輸出電壓變化范圍等基本參數應滿足試驗要求外，還要求調壓器應具有以下性能。
1)輸出電壓質量好 如要求調壓器輸出電壓波形應盡量接近正弦波；輸出電壓下限最好為零；有些場合還要求輸出電壓與輸入電壓相位相同。
2)調壓特性好 如要求調壓器阻抗不宜過高；調壓特性曲線平滑線性；調節方便、可靠。
3)環境保護好 如要求調壓器運行噪聲小。
二、調壓器和變壓器的選擇
高壓試驗用調壓器，一般采用移圈調壓器、感應調壓器和接觸調壓器三種類型。在本系統中采用柱式接觸調壓器。
柱式接觸調壓器是一種輸出電壓連續可調的自耦變壓器。它具有輸出電壓波形正弦性好，輸出電壓下限可以為零，調壓特性平滑、連續、線性；短路阻抗可以控制在較小范圍內，運行噪聲小以及輸出電壓與輸入電壓相位基本相同等優點，是一種比較理想的高壓試驗用調壓器。
圖3中主回路進線電壓為380V，但是高壓側電機的額定電壓為10KV，必須通過調壓器和升壓變壓器才能達到高壓，擬定調壓范圍為1KV～12KV，通過調壓器使其電壓在40～600V范圍內變化，升壓變壓器的變比為0.4KV～10KV。值得說明的是，調壓器和變壓器只分別給出了調壓范圍和變比，沒有選擇實際的型號。實際運用時必須按標準選擇型號。
以GB1032三相異步電動機試驗方法為依據,保證試驗過程滿足要求,根據此要求設計電氣控制系統。由控制系統由工控機(上位機) 、PLC(下位機)和控制裝置等組成。上位機采用組態王組態軟件,下位機采用三菱FX2N型PLC,通訊采用RS - 232接口（實驗用）。其中組態王軟件提供可視化菜單,試驗人員按組態界面的提示,由工控機發出控制指令,通過可編程序控制器對系統實現控制。
4.1 上位機的設計
4.1.1 組態王軟件功能分析
本系統上位機采用了組態王6.0x,該軟件操作方便,結構清晰,易于上手。而且采用了多線程、COM組件等新技術，實現了實時多任務，軟件運行穩定可靠。
而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構成監控畫面，并以動畫方式顯示控制設備的狀態，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設備驅動程序和靈活的組態方式、數據鏈接功能。該軟件把每一臺下位機看作是一臺外部設備，在編程過程中根據“設備配置向導”的提示一步步完成連接功能。在運行期間，組態王通過驅動程序和這些外部設備交換數據，包括采集數據和發送數據/指令。每個驅動程序都是一個COM對象，這種方式使通信程序和組態王軟件構成一個完整的系統，既保證了運行系統的高效運行，也可擴大系統的規模。
工業自動化通用組態軟件—組態王軟件系統與最終工程人員使用的具體的PLC或現場部件無關。 對于不同的硬件設施,只需為組態王配置相應的通訊驅動程序即可。組態王支持的硬件設備包括:可編程控制器(PLC) 、智能模塊、板卡、智能儀表、變頻器等等。工程人員可以把每一臺下位機看作一種設備,而不必關心具體的通訊協議，使用時只需要在組態王的設備庫中選擇設備的類型完成安裝即可,使驅動程序的配置更加方便。
4.1.2 組態王6.0x的構成及建立新程序的過程
“KINGVIW6.0”軟件包由工程管理器、工程瀏覽器和畫面運行系統TOUCHVEW三部分組成。其中工程瀏覽器用于新建工程、工程管理等。工程瀏覽器內嵌畫面開發系統，即組態王開發系統。工程瀏覽器和畫面運行系統是各自獨立的Windows應用程序，均可單獨使用；兩者又相互依存，在工程瀏覽器的畫面開發系統中設計開發的畫面應用程序必須在畫面運行系統中才能運行。
工程管理器主要用于KINGVIEW工程的管理。
利用KINGVIW建立新程序的一般過程是：
1)設計圖形界面；2)構造數據庫；3)建立動畫連接；4)運行和調試。
在用KINGVIEW畫面開發系統編制應用程序時要依照此過程考慮四個方面：
圖形。就是怎樣用抽象的圖像畫面來模擬實際的工業現場和相應的監控設備。“KINGVIEW6.0”采用面向對象的編程技術，使用戶可以方便地建立畫面的圖形界面。用戶構圖時可以像搭積木那樣利用系統提供的圖形對象完成畫面的生成，同時支持畫面之間的圖形對象拷貝，可重復使用以前的開發結果。
數據。怎樣用數據來描述工控對象的各種屬性？也就是創建一個具體的數據庫，此數據庫中的變量反映了工控對象的各種屬性，數據庫是“KINGVIEW6.0”最核心的部分。在TOUCVEW運行時，工業現場的生產狀況要以動畫的形式反映在屏幕上，同時操作者在計算機前發布的指令也要迅速送達現場，所有這一切都是以實時數據庫為中介環節，數據庫是聯系上位機和下位機的橋梁。在數據庫中存放的是變量的當前值，變量包括系統變量和用戶定義的變量。變量的集合形象地稱為“數據詞典”，數據詞典記錄了所有用戶可使用 的數據變量的詳細信息。
動畫連接。所謂“動畫連接”就是建立畫面的圖素與數據庫變量的對應關系，當變量的值改變時，在畫面上以圖形對應的動畫效果表示出來；或者由軟件使用者通過圖形對象改變數據變量的值。這樣，工業現場的數據當它們變化時，先通過I/O借口，引起實時數據中變量的變化再通過“動畫”在畫面上反映出來。
硬件接口。KINGVIEW軟件系統與最終用戶使用的具體的現場部件無關。對于不同的硬件設施，只需為組態王配置相應的通信驅動即可。
4.1.3系統組態界面的設計
根據電機的負載變化，試驗又分負載試驗、空載試驗、堵轉試驗等，在此系統設計中，由于時間有限，系統組態界面設計過程中主要設計了負載試驗、空載試驗和對應參數的實時曲線界面。以下以建立主畫面為例，講述界面設計的過程。
打開組態界面，新建工程，工程名為電機智能試驗系統（主畫面）。
具體步驟如下：
1)在工程管理器中選擇菜單“文件/新建工程”，或者點擊工具欄的“新建”按鈕，出現“新建工程向導之一”對話框。
2)單擊“下一步”按鈕，彈出“新建工程向導之二”對話框。
3)單擊“瀏覽”按鈕，選擇所要新建的工程存儲的路徑。
4)單擊“下一步”按鈕，彈出“新建工程向導之三”對話框：
在對話框中輸入工程名稱：“電機智能試驗系統”
在工程描述中輸入：“測試電機的性能”
單擊“完成”。
5)彈出對話框，選擇“是”按鈕，將新建工程設為組態王當前工程。
6)在菜單項中選擇“工具/切換到開發系統”，直接打開組態王工程瀏覽器，則進入工程瀏覽器畫面，此時組態王自動生成初始的數據文件。
7)在工程瀏覽器中左側的樹形結構中選擇“畫面”，在右側視圖中雙擊“新建”。
工程瀏覽器將彈出“新畫面”對話框，然后在新畫面中首先進行頁面設置，如畫面位置、畫面風格等。
畫面中要新建的圖素主要以主回路為依據，以新建電壓互感器為例：
按F2鍵打開圖庫管理器，選擇你所要的圖素—電壓互感器（若無，用戶可以自己根據自己的需要創建新的圖素），在工程畫面上單擊鼠標，出現電壓互感器，然后調整大小并放到適當的位置即可。
空載試驗界面如圖4.1所示：
負載試驗組態界面如圖4.2所示：
實時趨勢曲線如下圖4.3所示：
在本系統中，由于被測電機的容量可在一個較大范圍內改變，測試的內容也有空載和負載之分，因此電機的電流變化的范圍很大，從幾安培到幾十安培甚至上千安培。考慮到工作方式為自動/手動兩種方式。并且手動方式中由于用戶的需要仍要求采用指針式儀表讀取試驗數據，因此保證在大范圍內都能精確讀取電流值是本系統設計的難點之一。在本系統中，電流仍通過電流互感器來測量。考慮到電流的變化范圍必須要用到多組電流互感器。在本文中有代表性的選用了兩組電流互感器，它們分別為5/5、30/5兩種。如圖4.1中紅線框所示，方便起見，見下圖4.4所示：
其中TA1與TA2為不同量程的電流互感器，通過QF2、KM1和KM2之間的切換，可選擇不同量程的電流互感器接入。可以通過電流繼電器作相應的切換，從而選擇出對應的被測電流。由于電流互感器測量時次級是不允許開路的，所以在進行電流換檔時，要求將要換去的電流互感器，先短路原邊測量線圈，然后再斷開副邊線圈。而要換上的電流互感器則先接通副邊線圈后斷開原邊線圈。
在以上空載和負載組態控制畫面上，操作人員可直接點擊畫面上的控制按鈕，實現相應的控制。
4.2 下位機的設計
4.2.1三菱FX2N型PLC的性能特點
在本系統中采用了三菱系列PLC，三菱系列PLC 是三菱公司比較重要的產品,它運行速度快、控制可靠、安裝靈活、擴展方便、性能價格比高，具有強大的指令系統，而且采用模塊組件，用戶可根據控制需要，靈活地購買各種模塊，避免了控制點數的浪費，因此在工業控制中得到了廣泛的應用。
三菱FX2N型PLC的性能特點：
(1)可靠性高 I/O均采用光電耦合, 二次電路設有C - R 濾波器, 防止混入輸入接點的振動噪聲和輸入線的噪聲引起誤動作, 具有很強的抗干擾能力, 能用于較惡劣的環境。
(2)抗干擾性好 采用模塊結構和軟件控制,省去硬件開發工作,大大提高了系統的抗干擾性。
(3)通用性好, 使用方便、靈活。 在不改變硬件的情況下, 修改PLC內部軟件可實現不同的控制要求, 大大減少調試的工作量, 提高工作效率,使系統的柔性大大提高。
(4)增加RS —232BD 接口板, 方便地實現與上位機之間的通信。
4.2.2 PLC的I/O輸入輸出配置
根據系統控制要求PLC輸入輸出變量定義如表4.1所示：
由變量名定義可知，輸入點數為5，輸出點數為8，選用PLC型號為FX2N-48MR。由于實驗室條件以及時間的限制，只是做了一小部分的變量定義。其實在實際控制過程中還需更多的變量定義，在此不一一列舉。
輸入輸出配置如圖4.5所示：
4.2.3 PLC控制系統的結構
PLC控制的對象主要為兩側的調壓控制（包括穩壓控制）、變頻機組頻率控制（包括穩頻控制）和其它勵磁控制。
要實現電壓可調，可通過PLC及其繼電器控制線圈觸頭平滑移動來控制。
同時由于電網電壓的波動及其機械因素的影響，必須要有穩壓措施。
要實現頻率平滑可調，可用PLC均勻改變變頻機組的勵磁，實質是改變變頻機組的電流。
基本控制框圖如圖4.6所示：
圖6中只說明了控制的對象以及控制的結構，由于在系統設計過程中，沒有進行全面的現場調研，對PLC控制設備沒有清晰的輪廓，所以并沒有繪出實際的控制電路。但是在下面4.2.4小節中作者根據電機試驗的方法，大膽地設計了PLC對主回路系統的控制流程圖。
4.2.4 PLC控制流程框圖
本系統所要完成的是高壓電機的試驗, 電機試驗的項目分為多種,在此考慮負載和空載試驗。其實,空載試驗是負載試驗的一個特例,考慮情況特殊,進行分別試驗。
1.空載試驗
空載試驗,就是沒有負載,在本系統設計中相當于把負載側電機去掉,剩下被試側線路,之后可以進行空載試驗。
其對應的軟件流程圖如圖4.7所示：
2、負載試驗
負載試驗必須保證變頻機組的頻率在規定范圍8～50Hz內變化，其對應的軟件流程圖如圖4.8所示：
梯形圖程序見附錄1
4.3 高壓保護設計
電機試驗必須要求有嚴格的保護措施再加上本系統在高壓電下進行試驗，保護問題變的更加復雜。考慮到試驗系統的特殊性以及被試樣機可能存在故障,必須設置較嚴格的保護措施。在設備硬件常規保護（例如被試側和負載側的斷路器、高壓隔離開關等）的基礎上,采用軟件設置靈活的保護系統,以適應被試樣機規格、功率大小不一的特點和適時監控的需要。實現電氣保護及自動檢查。在組態王編制可設置界面,有電壓、電流、功率指示及電源通斷控制及顯示,并且設置故障預警及警報,實現較完善的保護功能包括:過電壓保護、欠電壓保護、缺相保護、短路保護、過載保護、過電流保護、過轉矩保護等等。
例如，在負載試驗組態界面上，設置了過電壓報警和過載報警。如圖4.9所示：
通過查找電機允許通過的上限電壓，在組態界面上設置了過電壓報警；當頻率下調時，被試電機可能過載，通過設置過載報警保證線路的安全。其實在實際電機測試過程中，還要考慮更多方面的保護。
4.4 上位機和下位機的通訊
4.4.1 PLC和組態王的通訊簡介
組態王與PLC之間通信采用的是PPI通訊協議。組態王通過串行口與PLC 進行通信,訪問PLC相關的寄存器地址,以獲得PLC 所控制設備的狀態或修改相關寄存器的值。在實際編程過程不需要編寫讀寫PLC寄存器的程序,組態王提供了一種數據定義方法,在定義了IPO 變量后,可直接使用變量名用于系統控制、操作顯示、趨勢分析、數據記錄和報警顯示。
上位機和下位機通訊原理圖如圖4.10所示：
4.4.2 通訊的實現步驟
PLC與上位計算機的通訊可以利用高級語言編程來實現,但是用戶必須熟悉互連的PLC及PLC 網絡采用的通訊協議,嚴格的按照通訊協議規定為計算機編寫通訊程序,其對用戶要求較高,而采用工控組態軟件實現PLC與上位計算機之間的通訊則相對簡單,因為工控組態軟件中一般都提供了相關設備的通訊驅動程序,例如三菱系列PLC與工控組態王軟件“組態王 6.0x”之間可進行連接實現PLC與上位計算機之間的通訊。
下面介紹組態王6.0與FX2N PLC 之間通訊的實現步驟。
PLC采用RS-485或RS-232進行通訊,占用計算機的一個串行口。在不添加擴展卡的情況下可以使用編程口和計算機進行通訊。
第一、設備連接:
利用PLC 與計算機專用的F2 - 232CAB 型RS232C 電纜,將PLC 通過編程口與上位計算機串口(COM 口) 連接,進行串行通訊。串行通訊方式使用“組態王計算機”的串口,I/O設備通過RS-232串行通訊電纜連接到“組態王計算機”的串口。在本系統通訊中操作如下：
1)在組態王工程瀏覽器的左側選中“COM1”，在右側雙擊“新建”，運行“設備配置向導”。
2)選擇“PLC”下的 “三菱”中“FX2”的“編程口”項，單擊“下一步”;
為外部設備取一個名稱，輸入PLC，單擊“下一步”；
3)為設備選擇連接串口，設為COM1，單擊“下一步”；
4)填寫設備地址，設為0，單擊“下一步”；
(注：在實際連接設備時，地址的設置要和在設備上配置的地址要一致。)
5)設置通信故障恢復參數（一般情況下使用系統默認設置即可），單擊“下一步”；
6)檢查各項設置，確認無誤后，單擊“完成”。
第二、設備配置:
在組態王工程瀏覽器的工程目錄顯示區,點擊“設備”大綱項下PLC 與上位計算機所連串口(COM1 口) ,進行參數設置。
然后在組態王瀏覽器目錄內容顯示區內雙擊所設COM1 口對應的“新建”圖標,會彈出“設備配置向導”對話框。在此對話框中完成與組態王通訊的設備的設置。
第三、構造數據庫
定義變量如表4.2所示：
第四、建立動畫連接
所謂“動畫連接”就是建立畫面的圖素與數據庫變量的對應關系。
1.在上表中建立I/O變量后，就必須建立畫面圖素與數據變量的對應關系。
例如:(1)定義界面上的“開始”按扭
在畫面上雙擊該按扭，彈出該對象的動畫連接對話框。
選擇“命令語言連接”下的“彈起”選項，在命令語言中，鍵入本站點\\開始=1則代表假如在系統運行時，單擊該按扭，系統才能響應并且工作。
(2)定義界面上的負載側的電壓輸出
在畫面上雙擊電壓輸出對應的文本框，彈出該對象的動畫連接對話框。選擇“值輸出”下的“模擬值輸出”選項，然后鍵入表達式 \\本站點\\增壓132這樣就定義好了該圖素的動畫連接。
其它圖素的定義與上面兩個例子相似，但必須圖素與變量相對應。
2.命令語言：
if(增大調壓器2==1&&增壓132<10) 負載側調壓器M2調壓至額定值；
{
增壓132=增壓132+1;
if(增壓132==10)
{
增大調壓器2=0;
\\本站點\m232=1;
}
else
\\本站點\m232=0;
}
if(\\本站點\增大頻率==1&&增頻率142<50) 變頻機組調頻至50HZ；
{
增頻率142=增頻率142+1;
if(增頻率142==50)
{
\\本站點\增大頻率=0;
\\本站點\m242=1;
}
else
\\本站點\m242=0;
}
if(\\本站點\增大調壓器1==1&&增壓131<10) 被試側調壓器調壓至額定值；
{
增壓131=增壓131+1;
if(增壓131==10)
{
\\本站點\增大調壓器1=0;
\\本站點\m231=1;
}
else
\\本站點\m231=0;
}
if(\\本站點\減小頻率==1&&增頻率142>8) 變頻機組往下調節頻率；
{
增頻率142=增頻率142-1;
if(增頻率142==8)
{
\\本站點\減小頻率=0;
\\本站點\m241=1;
}
else
\\本站點\m241=0;
}
if(\\本站點\結束==1&&\\本站點\高壓2==0)
增壓131=0;
if(\\本站點\結束==1&&\\本站點\高壓1==0)
{
增壓132=0; 電壓清零；
增頻率142=0; 頻率返回到初始值；
}
if(\\本站點\高壓2==1&& 旋轉2<360) 負載側電機運轉；
旋轉2= 旋轉2+30;
else
旋轉2=0;
if(\\本站點\高壓1==1&& 旋轉1<360) 被試側電機運轉；
旋轉1= 旋轉1+60;
else
旋轉1=0;
if(\\本站點\高壓2==1&&\\本站點\電流互感器高==0)
\\本站點\電流互感器低=1;
if(增頻率142==35&&減小頻率==1)
{
\\本站點\電流互感器低=0;
\\本站點\電流互感器高=1;
}
if(\\本站點\高壓2==0)
{
\\本站點\電流互感器高=0;
\\本站點\電流互感器低=0;
}
第五、系統運行
啟動組態王運行系統TOUCHVEW； 運行電機智能系統的控制。在寫入PLC程序后，將PLC 開關指向“RUN”狀態,按下“開始”按鈕,觀察負載試驗和空載試驗的控制結果。實驗結果表明,系統運行正常,動畫效果良好。
4.4.3組態界面中系統實現控制功能描述
參照組態界面圖，先把空載和負載對應的PLC程序寫入PLC內存中，在完成一次演示后，必須先清除PLC中的內存后寫入程序。
空載試驗時，點擊“開始試驗”按扭，先在被試側檢測有無高低壓信號，如無，則低壓側開關KM1閉合，延時5秒，高壓側開關KM3閉合，電機運轉。在本空載試驗中，電流互感器的量程切換在負載試驗中體現，然后再延時5秒，調壓器開始調節，調至被試側電機額定電壓10KV時，調壓停止，測量系統啟動開始試驗，試驗完后，先關高壓開關KM3，再關低壓開關KM1，試驗結束。
負載試驗時，點擊“開始”按扭，和空載一樣，先在被試側檢查有無高低壓信號，如無，低壓開關KM2閉合，延時5秒高壓開關KM4閉合，電流互感器先打到高量程30/5檔，負載側電機開始運轉，其實在實際現場控制過程中，要根據現場采集電流信號來選擇合適的量程分檔，在此只作示意。延時5秒，開始調節變壓器，電壓從0～10KV時，調壓器關閉，延時5秒，頻率開始從“6”開始調節，在調節頻率至35HZ時，電流互感器切換到低檔5/5，等到頻率調至50HZ后，延時5秒，被試側低壓開關KM1閉合，延時5秒，高壓開關KM3閉合，被試電機開始運轉，再延時5秒，被試側調壓器開始調壓，等到調至10KV后，延時5秒，負載側頻率開始從50HZ往下調節，在判斷頻率滿足要求后，測量系統啟動，在35HZ下，電流互感器又切換到低檔，等到調至8時，延時5秒后，依次打開被試側高壓開關KM3→負載側高壓開關KM4→被試側低壓開關KM1→負載側低壓開關KM2，電流互感器開關KM5、KM6也同時打開。如在5秒內按“結束”按扭，將手動結束控制。同時，也可切換到實時曲線，觀察各個參數的變化趨勢。
5.1測量系統的組成
測量系統中被試電機側的電參數、負載電機側的電參數和變頻機組的頻率都必須傳輸到上位機，在組態界面上實現數據監控。
上面那些參數首先必須通過傳感器和互感器測量，如主回路中用到的電壓互感器用于測量電壓，電流互感器用于測量電流。把測得的數據必須傳輸到上位計算機進行監控。而且有些參數如溫度等必須通過傳感器測量。
基于上面的考慮設計測量系統的基本框圖如圖5.1所示：
5.2 數據采集及處理系統原理和組成
信號采集系統如下圖5.2所示，它由傳感器 、信號處理電路、A/D板、扭矩儀、工控機等組成。被試電機帶動負載電機，被試電機與負載電機之間接有轉速傳感器以測試在不同的施加負載下電機輸出的轉速、轉矩和功率。3只電流傳感器用于檢測三相電流；3只電壓傳感器用于檢測電機的有功功率；一只三相無功功率傳感器用于檢測電機的無功功率。還設置了溫度傳感器用于檢測電機溫升。模擬信號又信號處理電路處理后，分兩路，一路送數字儀表顯示，另一路又A/D板采集后送工控機進行處理和組態監控。轉矩轉速傳感器檢測信號由微機扭矩儀顯示并通過RS-485串口送至工控機。信號采集處理由傳感器、信號處理電路、A/D板、扭矩儀、工控機共同完成。值得說明的是，功率因數、電機的輸出功率、電機效率不是直接測量出來的，而是通過以上參數運算間接獲得。
以下對上述框圖中主要硬件模塊的作用分別予以簡要介紹。
A/D采集卡 A/D采集采用AC1820 高速數據采集卡。該卡提供16路單端輸入12位A/D轉換,A/D 轉換速度最快可達800kHz。該卡采用板上RAM 存儲方式,板上RAM 為128K字,可以脫機采樣,適合WINDOWS系統的應用。該卡的以上特點完全能夠滿足高壓電機試驗的各項要求。
信號處理電路 它的作用是將各傳感器的輸出信號轉換成為0～±5V的電壓,以便A/D采集卡采集和計數。同時,也為A/D采集卡提供適當的保護。
本文設計中采用青島青智公司的數字電參數測量儀（自帶RS-485接口）測量，它能夠替代圖5.2虛線框中的模塊。
它的型號為8901F～8905F。它的工作原理：被測量的電壓、電流信號首先變換成較小的電壓信號，送到高速模擬數字轉換器，使之轉換成單片機可以處理的數字量。單片機對采集到的數字量進行運算處理，并將最終計算的結果以數字的形式顯示出來，或通過打印機打印出來，或以串行通訊形式將數據傳送給其他設備。
與傳統指針式儀表相比，數字電參數測量儀具有以下優點：
1.所測信號數值為真有效值；
2.直接數字顯示，無讀數誤差；
3.對于波形失真的信號同樣適用；
4.用一臺儀器可以測量多個參數。
扭矩儀采用蘭光NJY-20扭矩儀，結構原理如下：
將待測產品固定在NJY測試儀的夾具上，該夾具與一個高精度的扭矩傳感器緊密連接，通過操作者手旋瓶蓋，傳感器將手旋扭矩轉換成相應的電壓信號，后由單片機接收并分析處理，最后出具試驗結果。
電參數測量儀與工控機的硬件連接如圖5.3所示：
在系統設計中，一般工控機的串行口有3個，兩個RS-485和1個RS-232。如系統用于實際試驗中時，若串行口不夠，可考慮擴展。順便提一下，電參數測量儀與上位機的通訊還要有軟件設計（如通訊協議等）。由于實驗條件有限，所以在通訊方面，主要實現了PLC與上位機的通訊。
5.3 電流互感器和電壓互感器的選擇
5.3.1 電流互感器的選擇
1)電流互感器的選擇原則
保護用電流互感器的性能應滿足繼電保護正確動作的要求。首先應保證在穩態對稱短路電流下的誤差不超過規定值。對于短路電流非周期分量和互感器剩磁等的暫態影響，應根據互感器所在系統暫態問題的嚴重程度、所接保護裝置的特性、暫態飽和可能引起的后果和運行經驗等因素，予以合理考慮。如保護裝置具有減緩電流互感器飽和影響的功能，則可按照保護裝置的要求選用適當的互感器。
在本系統中，系統在進行空載和負載試驗時，由于被測電機的容量和負載可在一個較大范圍內改變，因此電機的電流變化的范圍很大，從幾安培到幾十安培甚至幾千安培。這給電流測量帶來了精度和量程選擇的問題。當然，電流的測量一般選用電流互感器，在本系統中，電流仍通過電流互感器來測量。
電流互感器是按電磁感應原理工作的，主要由鐵心、一次繞組和二次繞組等幾個部分組成，電流互感器的一次繞組匝數很少，使用時一次繞組串聯在被測線路里。而二次繞組匝數較多，與測量儀表和繼電器等電流線圈串聯使用。
按額定變流比選擇（一、二次額定電流之比），其中一次電流是按長期運行能滿足允許發熱條件確定的。我國國家GB1202-97《電流互感器》中額定一次電流標準值。已對一次額定電流規定了系列化標準。有從1A至25000A等不同規格的電流互感器可供選擇。
考慮到電流的變化范圍必須要用到多組電流互感器。在本文中有代表性的選用了兩組電流互感器，變流比分別為5/5、30/5，等級精度均為0.2。在實際試驗過程中根據實際情況會用到更多的電流互感器。
5.3.2 電壓互感器的選擇
電壓互感器按其工作原理可以分為電磁感應原理可以分為電磁感應原理和電容分壓原理兩類。常用的電壓互感器是利用電磁感應原理工作的，它的基本構造與普通變壓器相同，主要由鐵心、一次繞組、二次繞組組成。它一次繞組匝數較多，二次繞組匝數較少，使用一次繞組與被測量電路并聯，二次繞組與測量儀表或繼電器等電壓線圈并聯。
在系統中選用JSJW-10型電壓互感器，它為三相三繞組五鐵心柱式油浸電壓互感器，額定電壓為10KV，供測量電壓、電能、功率、繼電保護、功率因數及絕緣監督使用。
6.1 展望
由于時間和條件的限制，系統的設計有很多方面需要改進：
1)在PLC和組態王通訊過程中，由于實驗室設備和條件的限制，在通訊方式上只能采用RS-232通訊，但是如果在現場系統通訊中可以考慮采用RS-485接口。
2)在本系統中，PLC與上位機的通訊固然重要，但是電機測量的有些參數必須通過數據采集系統傳輸到上位機，但是怎樣能在組態界面上顯示出來，是一個非常重要的問題。在系統組態界面上，電流、轉速等沒有顯示，考慮通過板卡傳輸過來，首先把板卡插到工控機的主板上，與外部智能儀表相連，并且在組態王工程瀏覽器中新建板卡，并且選擇對應智能儀表的型號，這樣數據就可上傳。方便組態實時監控。
3)在此課題設計中，由于時間及條件的限制，只完成了系統設計的主要部分，在電機實際測試中，還必須要有對電機性能的評判，這就需要用到電機測試專家系統，對電機性能進行診斷。專家系統包括知識庫、推理機、數據庫等組成。
4)在實際試驗中，要實時監控PLC的工作狀態，可采用VB6.0實現組態王軟件實時監控可編程控制器PLC。一般采取的方法是：利用Visual Basic提供的串行通訊功能,實現與可編程控制器PLC之間的通訊,再利用VB的DDE功能完成組態王與Visual Basic之間的動態數據交換。 這樣就把從可編程控制器PLC采集到的外部信號通過Visual Basic 間接動態地顯示在組態王界面上。結構框圖如下：
數字信號處理、系統辨識、專家系統是以后電機測試的發展方向，隨著電機種類的變多，功能增多、加強，對電機的測試要求也越來越高，而這些分析方法對電機的狀態有深入的分析，獲取的信息大大增加，能夠發現傳統方法所不能發現的問題。
我國的電機試驗系統的研制會慢慢走向成熟，對高壓電機、微特電機系統測試將更加智能化、自動化。
6.2 結束語
本系統利用低壓機組成功實現了10kV高電壓電機的負載試驗，由于時間和條件限制，雖然沒有在實際中得到現場測試，但是，此系統設計完整，包括軟件和硬件，構成了一個智能測試系統。工控機作為上位機，提供了良好的人機界面,進行全系統的監控和管理, PLC作為下位機執行可靠有效的分散控制, 并且成功的實現了組態王和三菱PLC之間的正常通訊，按照我們設計的空載和負載軟件流程圖在組態界面上模擬了PLC對主回路的控制，動畫效果和順序控制良好。
在設計過程中，無論從硬件選擇和軟件編程方面，都出現了或多或少的問題，主要源于工程經驗不足，考慮問題不周全，加之工作現場條件有限，可供參考的文獻資料缺乏。經過反復修復和調試，達到了預期的目的，基本上完成了所選課題的任務。
在本課題的設計過程中，理論和實踐兩方面的分析問題、解決問題的能力都得到了鍛煉和提高。由于時間和作者水平的有限，論文中必然存在不足之處，敬請老師批評指正。
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