基于PLC、組態軟件的高壓電機智能試驗系統設計(二)

　　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：


1.空載試驗梯形圖程序

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。