基于PLC、組態軟件的高壓電機智能試驗系統設計(一)

摘 要
　　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。
第1章 引言
　　以前，我國對電機的試驗一直是非智能化的，一般采用人工單機控制,時效性較差，誤差也較大，很難滿足測試的要求。
　　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：