西门子6ES7214-1AD23-0XB8原装库存
4.2 下位机的设计
4.2.1三菱FX2N型PLC的性能特点
在本系统中采用了三菱系列PLC，三菱系列PLC 是三菱公司比较重要的产品,它运行速度快、控制可靠、安装灵活、扩展方便、性能价格比高，具有强大的指令系统，而且采用模块组件，用户可根据控制需要，灵活地购买各种模块，避免了控制点数的浪费，因此在工业控制中得到了广泛的应用。
三菱FX2N型PLC的性能特点：
(1)可靠性高 I/O均采用光电耦合, 二次电路设有C - R 滤波器, 防止混入输入接点的振动噪声和输入线的噪声引起误动作, 具有很强的抗干扰能力, 能用于较恶劣的环境。
(2)抗干扰性好 采用模块结构和软件控制,省去硬件开发工作,大大提高了系统的抗干扰性。
(3)通用性好, 使用方便、灵活。 在不改变硬件的情况下, 修改PLC内部软件可实现不同的控制要求, 大大减少调试的工作量, 提高工作效率,使系统的柔性大大提高。
(4)增加RS —232BD 接口板, 方便地实现与上位机之间的通信。
4.2.2 PLC的I/O输入输出配置
根据系统控制要求PLC输入输出变量定义如表4.1所示：
由变量名定义可知，输入点数为5，输出点数为8，选用PLC型号为FX2N-48MR。由于实验室条件以及时间的限制，只是做了一小部分的变量定义。其实在实际控制过程中还需更多的变量定义，在此不一一列举。
输入输出配置如图4.5所示：
4.2.3 PLC控制系统的结构
PLC控制的对象主要为两侧的调压控制（包括稳压控制）、变频机组频率控制（包括稳频控制）和其它励磁控制。
要实现电压可调，可通过PLC及其继电器控制线圈触头平滑移动来控制。
同时由于电网电压的波动及其机械因素的影响，必须要有稳压措施。
要实现频率平滑可调，可用PLC均匀改变变频机组的励磁，实质是改变变频机组的电流。
基本控制框图如图4.6所示：
图6中只说明了控制的对象以及控制的结构，由于在系统设计过程中，没有进行全面的现场调研，对PLC控制设备没有清晰的轮廓，所以并没有绘出实际的控制电路。但是在下面4.2.4小节中作者根据电机试验的方法，大胆地设计了PLC对主回路系统的控制流程图。
4.2.4 PLC控制流程框图
本系统所要完成的是高压电机的试验, 电机试验的项目分为多种,在此考虑负载和空载试验。其实,空载试验是负载试验的一个特例,考虑情况特殊,进行分别试验。
1.空载试验
空载试验,就是没有负载,在本系统设计中相当于把负载侧电机去掉,剩下被试侧线路,之后可以进行空载试验。
其对应的软件流程图如图4.7所示：
2、负载试验
负载试验必须保证变频机组的频率在规定范围8～50Hz内变化，其对应的软件流程图如图4.8所示：
梯形图程序见附录1
4.3 高压保护设计
电机试验必须要求有严格的保护措施再加上本系统在高压电下进行试验，保护问题变的更加复杂。考虑到试验系统的特殊性以及被试样机可能存在故障,必须设置较严格的保护措施。在设备硬件常规保护（例如被试侧和负载侧的断路器、高压隔离开关等）的基础上,采用软件设置灵活的保护系统,以适应被试样机规格、功率大小不一的特点和适时监控的需要。实现电气保护及自动检查。在组态王编制可设置界面,有电压、电流、功率指示及电源通断控制及显示,并且设置故障预警及警报,实现较完善的保护功能包括:过电压保护、欠电压保护、缺相保护、短路保护、过载保护、过电流保护、过转矩保护等等。
例如，在负载试验组态界面上，设置了过电压报警和过载报警。如图4.9所示：
通过查找电机允许通过的上限电压，在组态界面上设置了过电压报警；当频率下调时，被试电机可能过载，通过设置过载报警保证线路的安全。其实在实际电机测试过程中，还要考虑更多方面的保护。
5.1测量系统的组成
测量系统中被试电机侧的电参数、负载电机侧的电参数和变频机组的频率都必须传输到上位机，在组态界面上实现数据监控。
上面那些参数首先必须通过传感器和互感器测量，如主回路中用到的电压互感器用于测量电压，电流互感器用于测量电流。把测得的数据必须传输到上位计算机进行监控。而且有些参数如温度等必须通过传感器测量。
基于上面的考虑设计测量系统的基本框图如图5.1所示：
5.2 数据采集及处理系统原理和组成
信号采集系统如下图5.2所示，它由传感器 、信号处理电路、A/D板、扭矩仪、工控机等组成。被试电机带动负载电机，被试电机与负载电机之间接有转速传感器以测试在不同的施加负载下电机输出的转速、转矩和功率。3只电流传感器用于检测三相电流；3只电压传感器用于检测电机的有功功率；一只三相无功功率传感器用于检测电机的无功功率。还设置了温度传感器用于检测电机温升。模拟信号又信号处理电路处理后，分两路，一路送数字仪表显示，另一路又A/D板采集后送工控机进行处理和组态监控。转矩转速传感器检测信号由微机扭矩仪显示并通过RS-485串口送至工控机。信号采集处理由传感器、信号处理电路、A/D板、扭矩仪、工控机共同完成。值得说明的是，功率因数、电机的输出功率、电机效率不是直接测量出来的，而是通过以上参数运算间接获得。
以下对上述框图中主要硬件模块的作用分别予以简要介绍。
A/D采集卡 A/D采集采用AC1820 高速数据采集卡。该卡提供16路单端输入12位A/D转换,A/D 转换速度快可达800kHz。该卡采用板上RAM 存储方式,板上RAM 为128K字,可以脱机采样,适合bbbbbbS系统的应用。该卡的以上特点完全能够满足高压电机试验的各项要求。
信号处理电路 它的作用是将各传感器的输出信号转换成为0～±5V的电压,以便A/D采集卡采集和计数。同时,也为A/D采集卡提供适当的保护。
本文设计中采用青岛青智公司的数字电参数测量仪（自带RS-485接口）测量，它能够替代图5.2虚线框中的模块。
它的型号为8901F～8905F。它的工作原理：被测量的电压、电流信号首先变换成较小的电压信号，送到高速模拟数字转换器，使之转换成单片机可以处理的数字量。单片机对采集到的数字量进行运算处理，并将终计算的结果以数字的形式显示出来，或通过打印机打印出来，或以串行通讯形式将数据传送给其他设备。
与传统指针式仪表相比，数字电参数测量仪具有以下优点：
1.所测信号数值为真有效值；
2.直接数字显示，无读数误差；
3.对于波形失真的信号同样适用；
4.用一台仪器可以测量多个参数。
扭矩仪采用兰光NJY-20扭矩仪，结构原理如下：
将待测产品固定在NJY测试仪的夹具上，该夹具与一个高精度的扭矩传感器紧密连接，通过操作者手旋瓶盖，传感器将手旋扭矩转换成相应的电压信号，后由单片机接收并分析处理，后出具试验结果。
电参数测量仪与工控机的硬件连接如图5.3所示：
在系统设计中，一般工控机的串行口有3个，两个RS-485和1个RS-232。如系统用于实际试验中时，若串行口不够，可考虑扩展。顺便提一下，电参数测量仪与上位机的通讯还要有软件设计（如通讯协议等）。由于实验条件有限，所以在通讯方面，主要实现了PLC与上位机的通讯。
5.3 电流互感器和电压互感器的选择
5.3.1 电流互感器的选择
1)电流互感器的选择原则
保护用电流互感器的性能应满足继电保护正确动作的要求。首先应保证在稳态对称短路电流下的误差不超过规定值。对于短路电流非周期分量和互感器剩磁等的暂态影响，应根据互感器所在系统暂态问题的严重程度、所接保护装置的特性、暂态饱和可能引起的后果和运行经验等因素，予以合理考虑。如保护装置具有减缓电流互感器饱和影响的功能，则可按照保护装置的要求选用适当的互感器。
在本系统中，系统在进行空载和负载试验时，由于被测电机的容量和负载可在一个较大范围内改变，因此电机的电流变化的范围很大，从几安培到几十安培甚至几千安培。这给电流测量带来了精度和量程选择的问题。当然，电流的测量一般选用电流互感器，在本系统中，电流仍通过电流互感器来测量。
电流互感器是按电磁感应原理工作的，主要由铁心、一次绕组和二次绕组等几个部分组成，电流互感器的一次绕组匝数很少，使用时一次绕组串联在被测线路里。而二次绕组匝数较多，与测量仪表和继电器等电流线圈串联使用。
按额定变流比选择（一、二次额定电流之比），其中一次电流是按长期运行能满足允许发热条件确定的。我国国家GB1202-97《电流互感器》中额定一次电流标准值。已对一次额定电流规定了系列化标准。有从1A至25000A等不同规格的电流互感器可供选择。
考虑到电流的变化范围必须要用到多组电流互感器。在本文中有代表性的选用了两组电流互感器，变流比分别为5/5、30/5，等级精度均为0.2。在实际试验过程中根据实际情况会用到更多的电流互感器。
5.3.2 电压互感器的选择
电压互感器按其工作原理可以分为电磁感应原理可以分为电磁感应原理和电容分压原理两类。常用的电压互感器是利用电磁感应原理工作的，它的基本构造与普通变压器相同，主要由铁心、一次绕组、二次绕组组成。它一次绕组匝数较多，二次绕组匝数较少，使用一次绕组与被测量电路并联，二次绕组与测量仪表或继电器等电压线圈并联。
在系统中选用JSJW-10型电压互感器，它为三相三绕组五铁心柱式油浸电压互感器，额定电压为10KV，供测量电压、电能、功率、继电保护、功率因数及绝缘监督使用。
6.1 展望
由于时间和条件的限制，系统的设计有很多方面需要改进：
1)在PLC和组态王通讯过程中，由于实验室设备和条件的限制，在通讯方式上只能采用RS-232通讯，但是如果在现场系统通讯中可以考虑采用RS-485接口。
2)在本系统中，PLC与上位机的通讯固然重要，但是电机测量的有些参数必须通过数据采集系统传输到上位机，但是怎样能在组态界面上显示出来，是一个非常重要的问题。在系统组态界面上，电流、转速等没有显示，考虑通过板卡传输过来，首先把板卡插到工控机的主板上，与外部智能仪表相连，并且在组态王工程浏览器中新建板卡，并且选择对应智能仪表的型号，这样数据就可上传。方便组态实时监控。
3)在此课题设计中，由于时间及条件的限制，只完成了系统设计的主要部分，在电机实际测试中，还必须要有对电机性能的评判，这就需要用到电机测试专家系统，对电机性能进行诊断。专家系统包括知识库、推理机、数据库等组成。
4)在实际试验中，要实时监控PLC的工作状态，可采用VB6.0实现组态王软件实时监控可编程控制器PLC。一般采取的方法是：利用Visual Basic提供的串行通讯功能,实现与可编程控制器PLC之间的通讯,再利用VB的DDE功能完成组态王与Visual Basic之间的动态数据交换。 这样就把从可编程控制器PLC采集到的外部信号通过Visual Basic 间接动态地显示在组态王界面上。结构框图如下：
数字信号处理、系统辨识、专家系统是以后电机测试的发展方向，随着电机种类的变多，功能增多、加强，对电机的测试要求也越来越高，而这些分析方法对电机的状态有深入的分析，获取的信息大大增加，能够发现传统方法所不能发现的问题。
我国的电机试验系统的研制会慢慢走向成熟，对高压电机、微特电机系统测试将更加智能化、自动化。
6.2 结束语
本系统利用低压机组成功实现了10kV高电压电机的负载试验，由于时间和条件限制，虽然没有在实际中得到现场测试，但是，此系统设计完整，包括软件和硬件，构成了一个智能测试系统。工控机作为上位机，提供了良好的人机界面,进行全系统的监控和管理, PLC作为下位机执行可靠有效的分散控制, 并且成功的实现了组态王和三菱PLC之间的正常通讯，按照我们设计的空载和负载软件流程图在组态界面上模拟了PLC对主回路的控制，动画效果和顺序控制良好。
在设计过程中，无论从硬件选择和软件编程方面，都出现了或多或少的问题，主要源于工程经验不足，考虑问题不周全，加之工作现场条件有限，可供参考的文献资料缺乏。经过反复修复和调试，达到了预期的目的，基本上完成了所选课题的任务。
在本课题的设计过程中，理论和实践两方面的分析问题、解决问题的能力都得到了锻炼和提高。由于时间和作者水平的有限，论文中必然存在不足之处，敬请老师批评指正。
