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产品描述
西门子6ES7223-1PH22-0XA8产品规格
摘要
本文介绍了一套基于PLC、组态软件的高压电机智能试验系统的原理、组成和设计过程。通过采用工控机为上位机，PLC为下位机，实现了高压电机型式试验自动控制。该系统使用了组态王软件和三菱PLC智能化控制体系，能够完成高压电机一般性能项目的检验，而且该系统具有良好的人机界面，操作方便、结构简单，并能应用于某大功率型电机试验站计算机自动测试系统，有效地提高电机试验的自动化程度，使测试数据加客观，有利于好的检测电机的性能。
【关键词】：高压电机；组态王；PLC；智能控制；自动测试
1章引言
以前，我国对电机的试验一直是非智能化的，一般采用人工单机控制,时效性较差，误差也较大，很难满足测试的要求。
近几年来，我国对电机的智能检测有了很大的发展，国内电机行业的检测装备和技术有了较快的发展,各种传感器、检测仪器已比较齐备,而且性能也较稳定,为电机系统的研制提供了有利的条件。但就高压电机检测系统的实际应用而言，还存在着以下不足:高压电机检测系统的自动化程度较低、系统的性、性不够等等。
高压试验系统投资总额较高,而作为投资方的电机质检机构,希望在原有低压检测系统的基础上进行设备改造,研制出能进行高压电机试验的检测系统。同时,制造企业由于各种因素的制约,缺少完备的型式试验设备和相关的技术人员,对存在的性能缺陷往往不能准确进行地诊断,分析缺陷的原因,提出明确的改进建议。
所有的电机（包括高压电机）在出厂之前都要经过型式试验和性能测试，达到技术要求之后才能投产或继续生产。这些测试或试验的数据包括电机的电压、电流、转速、功率、转差率、频率、效率、温度、电阻等，这些参数是在满足GB1032三相异步电动机试验方法等国家有关标准的精度及其要求的基础上通过空载试验、负载试验、温升试验、转矩试验等多种试验获得的，本文所介绍的智能高压电机试验系统具有自动测试功能，通过测量数据，能够很好地反映电机性能及其质量。
1.1电机型式试验简介
电机试验是利用仪器、仪表及相关设备，按照相关标准的规定，对电机制造过程中的半成品和成品，或以电机为主体的配套产品的电气性能、力学性能、性能及性能等技术指标进行的检验。通过这些检验，可以全部或部分的反映被试电机的相关性能数据，用这些数据，可以判断被试产品是否符合设计要求、品质的优劣以及改进的目标和方向。
所谓型式试验是一种的性能试验，能够较确切地得到被试电机的有关性能参数的试验，其目的是为了确定电机的电气和机械参数是否达到技术要求，各种型式电机均需要通过本试验才能投产或继续生产。标准和英、苏、德等国家都把型式试验当作一种性能试验，用来检查电机的特性和参数。这种试验一般只对各种型式电机中的台或批的几台样机进行，所以称为型式试验。
根据需要，试验可包括标准中规定的所有项目，也可以是其中的一部分项目。 按规定，在下述情况下，应进行型式试验：
1.新设计试制的产品；
2.经鉴定定型后小批试投产的产品；
3.设计或故意上的变足以引起电机的某些特性和参数发生变化的产品；
4.检查试验结构与以前试验结构发生不可容许的偏差的产品；
5.产品自定型投产后的定期抽试。
1.1.1空载试验和负载试验
电机试验的项目很多，如空载试验、负载试验、堵转试验、温升试验等等，在此系统设计中只介绍和设计了空载和负载试验。所以有必要弄清它们的试验目的和试验过程。
1.空载特性试验
(1)试验目的：
三相异步电动机的空载试验是给定子施加额定频率的额定电压，试验目的：
a.检查电机的运转的灵活情况，有无异常噪声和较强的振动；
b.通过测试求得电机在额定电压时的铁心损耗和在额定转速时的机械损耗；
c.通过试验得出空载电流与空载电压的关系曲线。这条曲线其实就是一条磁化曲线。它可以反映出电机磁路工作的情况，例如铁心材料的性能，转子的气隙等的选择是否合理。
(2)试验过程：
将电机启动后保持额定电压和额定频率空载运行到机械损耗稳定。判断机械损耗稳定的标准是：输入功率相隔半个小时的两个读数之差不大于次输入功率的3%，在实际应用中，一般凭经验来确定，对1KW以下的电机一般运行15～30min,对1～10KW的电机一般运行30～60min,对大于10KW的电机应为60～90min.
试验时，施于定子绕组上的电压从1.1～1.3Un开始，逐渐降低到可能达到的电压值，使电流开始回升为止，其间测取7～9个点，每个点应测取下列数值：三相电压（如可确定三相平衡时，可只测一相），三相电流，输入功率P0。
2.负载试验
(1)试验目的：
负载试验的目的实际上是要测取电机的工作特性曲线，考虑效率和功率因素是否合格，分析电机运行性能的必要数据。
(2)试验过程：
测试应在被试电机接近热状态下进行，在额定功率和额定频率下，改变负载，在1.25～0.25倍额定功率范围内测取6～8点读数，每点同时测量：三相电压，三相电流，输入功率，功率因素，转差率，输出转矩。转差率实际是通过测出转子的转速计算出来的。
1.1.2电机测试标准
本试验中要实现系统的设计满足GB1032三相异步电动机试验方法等国家有关标准的精度及要求：
1.试验电源
1)试验电源的电压波形正弦畸变率（电压波形中所包含的除基波分量以外的各次谐波的有效值平方和的根值与基波分量有效值之比的百分数）应不过5%，在进行温升试验时应不过2.5%。
2)试验电源的三相电压对称系统应符合下述要求：
电压的负序分量和零序分量均不过正序分量的1%；在进行温升试验时，负序分量不过正序分量的0.5%,零序分量的影响予以。
试验电源的频率与额定频率之差应在额定频率±1%范围内。
2.测量仪表
试验时，采用的电气测量仪表的准确度应不0.5级，三相瓦特表的准确度应不1.0级，互感器的准确度应不0.2级，电量变送器的准确度应不0.5%级（检查试验时应不1%），数字式转速测量仪及转差率测量仪的准确度应不0.1%±1个字，转矩测量仪及测功机的准确度应不1%（实测效率应不0.5%）。
选择仪表时，应使测量值位于20%-95%仪表量程范围内。
3.测量要求
进行电气测量时，应遵循下列要求：
1)三相电流用三电流互感器（或二互感器）法。
2)采用电流互感器时，接入付边回路仪表的总阻抗（包括连接导线）应不过其额定阻抗值。
3)试验时，各仪表读数同时读取。在测量三相电压或三相电流时，应取三相读数的平均值作为测量的实际值。
1.2电机自动测试的特点及和当前电机测试的现状
以往的电机测试往往采用普通的指针式仪表由人工读数、人工记录，然后由人工整理成数据并描绘曲线或编写实验报告。由于某些原因如电源的波动、频率波动、负载波动等因素会使仪表的指针摆动，为了能比较准确的读出某一瞬间的各项被测参数，往往需要几个人同时读表，工作效率低。不仅如此，由于读表的不同时性以及读数、记录、计算中各种人为误差还会使实验数据分散性大，试验经过的准确度低，重复性差，现在这种测试方法基本被淘汰。
另外一种测量方式是使用各种电子测量仪表，如多功能电参数测试仪可以测量电机在各种状态下的转矩、转速、输出功率等，这类仪器一般由单片机构成，测量精度高，采用数字显示，功能比较完备，提高了自动化程度，但是对数据的处理、试验过程中的读数同步等问题，仍然不够理想。
在数字仪表的基础上发展起来的数字式自动测试系统可以控制测量过程，处理测试数据，记录与显示测量结果。
采用微机的电机自动测试系统在测试功能、测量精度等各项指标上都远远过了传统的实验方法。使电机测试步入了新的时代。[21]
近几年来，由于计算机的功能不断强大，各种人机界面软件不断涌现，这给电机测试提供了可视化监控画面。这又使电机测试迈进了一大步。
1.3系统设计的主要内容及要求
本课题实现的是一个高压电气控制系统，拟在论证各种高压检测实现方案的基础上，选择一种方案设计。并以H400以下，500KW以下、额定电压10KV样机为试验对象，设计自动控制系统,能够完成高压电机一般性能的检测。并且选定合适的变压器、调压器、高压设施、电缆等，能够实现高压电机一般性能项目的检测，满足GB1032三相异步电动机试验方法等国家有关标准的精度及要求。绘制原理图、主回路、控制回路、测量回路框图，设计控制流程及程序、进行量程分档，选用合适的仪器设备及其参数设置，完成系统总体设计。
1.4本文完成的主要工作
本文完成的主要工作如下：
(1)分析型式试验要求，查阅并检索国内外电机试验的文献资料；
(2)研究高压试验方法标准及试验方案，确定总体方案；
(3)设计电机试验主回路系统；
(4)按照标准精度要求选用仪器仪表，设计测量回路；
(5)设计电气控制系统，包括上位机、下位机、保护系统及上位机和下位机的通讯；
(6)系统设计展望并对本文进行小结。
1.5论文的体系结构
根据设计的主要内容，论文各章节之间的体系结构如图1.1所示：
[img]20051189.gif[/img]
2章系统总体方案设计
目前电机自动测试系统的主要组成很相似，主要有：微机系统及其外部设备、测试硬件平台、各种数字测试仪器。在试验的方法上主要有两种类型：一个就是试验的过程控制是由测试硬件平台来实现，微机系统只进行数据处理、曲线绘制等。比如浙江大学电磁研究所1995年研制的一套电机自动测试系统，它是用微机接口控制器来实现控制的。还有就是美国西屋公司研制的电机自动测试系统，整个试验过程是由PLC实现的。
随着微机技术的发展，微机的性能越来越强大，软件的发展也使实现控制变得为方便、灵活，所以现在大多数系统都把控制逻辑由微机控制，通过通讯口对设备进行控制，因为运行在微机上的软件编写非常灵活，很多功能非常容易实现，能进行复杂的逻辑运算、判断，而且运算速度非常快，系统灵活性大大增加。
本课题所要设计的高压电机智能试验系统，和传统的电机试验一样，要实现负载试验，有一个总的构思：
高压电机试验系统要考虑为被试电机提供一个可调的高压电源，有个可调高压电源，考虑本系统完成的是电机的负载试验，让负载变化，所以还得提供一个可调的大功率负载，而且这个负载平滑可调。在本系统中，负载是利用与被测电机电压、功率相同的另一台负载电机M2来实现的。为了让系统按设定的要求工作，采用PLC对其控制，而且试验过程中各个参数通过测量系统和数据采集才能上传至上位机，通过组态软件实施监控。
2.1系统所要实现的功能
1)系统能够使变频机组的频率在允许的范围内（保证负载电机不过载）平滑可调；2)系统能够实现被试电机负载平滑可调；
3)系统能够按照试验要求对变频电源和负载实现自动控制；
4)系统能够按要求实时采集数据，并能把数据通过串行口传输到上位机，软件提供可视化菜单；
5)系统能够在遇到异常情况（如过压、过载等）自动切断电路或发出报警信号。
2.2系统的组成
本智能试验系统与传统的电机试验系统有所区别，本系统不但要实现电机的试验，而且要实现控制自动化，数据采集自动化，并能实现微机现场监控参数变化，重要的是所涉及的试验电机为10KV的高压电机，还要考虑高压保护等，因此，勿庸置疑，本系统设计要涉及制和保护模块。
根据系统的设计及控制要求，试验系统分为控制子系统、高压子系统、可调负载子系统、测量系统、数据采集子系统和组态监控系统等部分。
控制子系统由上位机（工控机）、下位机（PLC）和控制装置三个部分组成。上位机采用组态王组态软件进行现场监控；下位机采用三菱PLC进行控制。
数据采集系统考虑采用传感器、变送器、A/D转换装置通过RS-485接口把数据传送到上位机或者通过自带RS-485接口的智能仪表直接把数据上传到上位机，组态界面实时监控试验结果。
同时，组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。
2.5.操作站软件的组态：
操作站的组态选用INbbbLUTION的系统软件FIX32作为技术平台：其主要内容包括：系统配置、建立数据库、绘制流程图、定义历史趋势和报表等。
系统配置在本系统中实际上就是在PC机上安装FIX系统，其主要内容是定义FIX系统的安装目录，安装接口设备驱动程序配置SA系统，配置报警系统，配置网络等。FIX提供有庞大的I/O接口设备驱动程序库，本系统配置控制站为OMRON的PLC，因此要选择安装I/O驱动程序OMR.drv和 OMRON的PLC进行通讯。
建立数据库：数据库是SA系统赖以工作的基础，它由一系列数据点构成，每个数据点实际上就是一个功能块， FIX提供了各种功能块以满足不同的需要，这些功能块或对接口设备读写数据，或对数据进行运算和报警处理。在数据库中建立一个数据点就是定义一个功能块，其内容包括：功能块类型，数据点的位号、注释、零点、量程，接口设备，I/O地址，数据的格式，报警上、下限等。如：在数据库中添加一个AI模块，在其属性对话框中定义；“位号”为“LT-101”，“描述”为“缓冲球罐F0101A液位”，“接口设备”为“OMR”，“I/O地址”为“D：DM： 232”，“数据的格式”为“12AL”，“零点”为“0”，“量程”为“17”，“单位”为“M”；则在数据库中便建立了一个数据点LT-101，它读取PLC中地址为DM0232的寄存器中的数据（0 -4095），并转换为0-17M的数据供FIX其它功能块和流程图调用。
绘制流程图：流程画面实际上是一个人机接口，操作人员就是通过流程画面来了解和控制生产过程的，所以流程画面既要信息，又要简单扼要。FIX系统提供了bbbbbbS 风格的绘图工具和相关控件，可以很方便地绘制多种动态画面来满足操作人员的要求。比如：在流程画面中，为了形象地显示缓冲球罐F0101A的液位，只需在其图形的动态特性对话框中选中动态属性，定义其色的高度随“位号”为“LT-101”的数据的大小而变；为了准确地显示该液位的实际高度，可在该球罐图形旁边定义一个动态数据连接，连接到“位号”为“LT-101”的数据点；为了直观地显示各种阀门的工作状态，在其图形的动态属性对话框中选中动态颜色变化，阀门关显示静止的红色，阀门开显示静止的，阀门关出现故障显示闪烁的红色，阀门开出现故障显示闪烁的；为了快速控制阀门，把它的弹出式开关画面连接到其图形上，只需用鼠标单击其图形，即弹出开关画面，实现流程画面上的对象所见即所得。
定义报表：考虑到总公司已推行电子化办公，各种报表均设置为定时保存到文件，操作人员可以根据需要随时调用，并随着办公自动化的推行，与企业内部管理网连网，通过WEB页浏览和调用。
3.结束语
该控制系统投用2年多来，性能稳定、运行，界面友好，操作简单，维护工作量很小，受到了操作和维护人员的欢迎；投用后，根据技改工作需要又进行了2次扩容均未影响正常生产，实践证明PC+PLC构成DCS，系统配置灵活、软件组态简单，便于自行设计和调试，性能价格比优越，系统扩展容易且维护工作量小，是企业进行技术改造和中小型生产过程的自控系统
2.4.控制站软件组态：
控制站的组态用OMRON的系统软件SSS作为技术平台，用梯形图作为编程工具，其组态内容主要有：
2.4.1.PLC内部地址的分配：
I/O 地址的分配：PLC的I/O地址是PLC与现场检测设备、执行机构进行数据通信的的一一对应的寄存器地址，I/O地址的分配是对PLC进行进一步组态的基础；对OMRON-C200而言，I/O地址与所连接的I/O模块有关；连接到数字模块上的现场设备，其I/O地址取决于I/O模块的安装位置和在该模块上的点号，连接到模拟模块、PID模块上的现场设备，其I/O地址取决于I/O模块的单元号（不同的模块应通过模块的硬开关设置不同的单元号）和在该模块上的点号；比如在本系统配置中，现场的雷达液位变送器LT-101输出的4~20mA 的模拟信号连接在单元号为3的模拟输入模块AD003的二点上，则它在PLC中的配置的地址便是IR：132；而阀门HV120的关闭状态信号（closed）连接到安装在的扩展机架二槽的数字输入模块ID212的十点上，则它在PLC中的配置的地址便是IR：01210；本系统中，共定义 I/O地址142点。
操作站与控制站数据交换地址的分配：操作站与控制站的数据通信是通过读写PLC的内部寄存器来完成的，为了实现操作站与控制站的实时通讯，还为PLC配置足够的内部寄存器地址来存贮这些数据；比如，定义DM0232作为操作站与控制站交换LT－101的数据的内部寄存器，则PLC把采集到LT－101的液位信号经过预处理后存贮在DMO232，而操作站则到PLC的DM0232读取LT－101的数据来建立自己的数据库；本系统中，共定义此类地址184点。
中间地址的分配：PLC在运行过程中，还需要大量的中间寄存器来存放那些运算过程中的临时数据，为提高应用程序的可读性，也对这些寄存器进行必要的定义和注释。
用PC机+PLC组成集散控制系统时，PLC承担了现场控制站的工作，PC机承担了操作站和工程师站的工作。在安装有 PLC系统软件的PC 机上可以离线（或在线）编辑PLC的控制应用软件（一般称为梯形图），控制应用软件下载到PLC后，PLC立完成现场数据采集、逻辑控制、模拟控制等。而操作站的各种功能都可以通过“实时软件”+“PC机”来实现，在安装有实时软件的PC机上可以方便对生产过程进行监控。
2.用PC 和PLC实现集散控制（DCS）一例
2.1.工艺过程简介：
液储运工段是贵州宏福实业开发有限总公司年产80万吨重钙装置改的技改项目中的重要组成部份，设计卸能力250吨/小时，罐区缓冲能力9000吨。在常温常压下为气体，易燃、易爆、有毒、有害；液储运工段是总公司的高危区之一，生产是本自动控制系统应考虑的。
2.2.控制系统概况：
为提高生产的性，在本控制系统中对重要的工艺参数点采取了“3取2表决”的策略，并设计了21个自动连锁回路，对生产过程进行连锁保护；为保证生产过程的平稳运行和节能降耗，系统设计了6个调节回路。为便于监控和操作，在操作站设计了一幅流程画面总貌图，集中显示了与生产密切相关的一批工艺参数、设备运行状况态和报警信息；对其它化工单元操作过程设计了相关的局域流程画面，地显示了与其相关的各种详细生产信息；根据操作人员的习惯，在操作站设计了4组组画面，分别集中显示温度、压力、流量和液位信号；对6个调节回路分别设计了调节画面，实现对PID参数的整定、手自动模式的切换以及对调节阀门的手动操作；对21个主要阀门分别设计了弹出式开关画面，实现对生产过程的自控或遥控；对主要工艺参数设计了历史趋势图，为故障诊断和优化控制提供了数据。为确保生产，实现对紧急事故的应急处理，对6个调节器回路加装外部自动跟踪调节器，一旦出现控制系统故障，自动切换到跟踪调节器立于DCS来控制调节阀；对21个主要阀门加装应急处理按钮，立于DCS实现对阀门的强制开关。
0.引言
随着化工自动化技术的不断发展，集散控制的思想越来越广泛地被广大自动化工程技术人员所青睐，并正在逐渐被应用于新建、扩建和技改项目中。但传统的集散控制系统一般由厂家生产，具有一定的专有性；另外传统的集散控制系统一般来讲其控制规模比较大，成本费用比较高；因此限制了在中小规模的自控系统项目中的推广应用。那么如何在中小规模控制系统中实现集散控制的思想呢？带着这一问题，笔者在阅读了大量技术资料的基础上对现有DCS 和PLC的控制系统进行了总结对比，提出了在中小规模化工项目中用PC +PLC 构成DCS的思想，并在贵州宏福实业开发有限总公司年产80万吨重钙装置改的技改项目中的液储运工段成功地得到了应用。
1.用PC 和PLC实现集散控制（DCS）的基本原理
集散控制的基本思想是集中管理，分散控制。即：将流程工业的自动控制过程与操作管理人员对自动控制过程的管理过程相对分离；流程工业的自动控制过程由各控制站相对立地自动完成，而操作人员对自动控制过程的管理则由控制室的操作站来完成。操作站与各现场控制站一方面各自相对立地运行，从而将各种故障限制在局部范围内，大地提高了自动控制系统总体的性和性；另一方面又相互进行实时数据通讯和信息交换，实现了操作人员在控制室的操作站对整个自动控制过程进行管理和调整。
现场控制站的主要任务是实现对生产过程的自动控制，因此它必需要能够自动采集全厂的各种工艺参数（如各种工艺介质的温度、压力、流量、粘度、组分，物位高度等）以及设备的运行状态（如阀门的开度、机泵的开停、设备震动、机械位移）等生产信息，然后按照事先编好的控制程序进行大量的数值计算，后输出4~20mA标准模拟信号（或ON/OFF数字信号）去驱动各种阀门、电机等执行机构，调节各种工艺参数，实现生产过程的自动控制；另外还要与操作站进行实时通讯，将采集到的各种生产信息传送到操作站供操作人员使用，同时接收操作人员通过操作站发出的各种指令实时调整自动控制方案、优化生产过程。因此它还需要具有标准化的通讯接口。目前的各种PLC均具有这样的功能，而且其容量弹性大，扩充方便，控制方案的组态简单易学，性能价格比优越，因此是中小型DCS的操作站的理想选择。
控制室的操作站实际上是一个人机界面，一方面把控制站采集的各种生产信息进行加工处理，然后以操作人员所习惯和熟悉的各种流程画面、生产报表、历史趋势和声光报警等形式给操作人员。另一方面把操作人员的各种指令进行编码后传送给操作站对控制方案进行调整，以优化生产过程或对特殊情况的紧急处理。对中小型DCS来讲，目前市面上比较流行的各种软件均能实现这样的功能，且对计算机的硬件和操作系统无特别要求，用普通的PC机加一套软件就可实现
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