成都西门子授权代理商触摸屏供应商

成都西门子授权代理商触摸屏供应商

1 引言
随着社会的发展，各类产品已发展到一个追求个性化、差异化的阶段，冰淇淋机的生产厂家在控制系统上有形形色色的差异，传统的控制系统在开发周期、硬件的灵活性、适应性已经很难满足用户的需求，黄石科威自控有限公司嵌入式PLC芯片组解决方案具有经济灵活的特点，值得OEM系统关注。

2 嵌入式PLC 芯片组
2.1 嵌入式芯片组原理
嵌入式芯片组由黄石科威自控有限公司研发。嵌入式芯片组是一种加载了PLC实时内核，具备PLC功能和CAN、RS232/485通讯功能、能够完成各类常规功能（I/O、A/D、D/A等）的控制模块。能够用梯形图语言编程实现过程控制，通讯功能的实现只需进行简单的设置，作为一款加载了系统软件的硬件平台，它大大缩短了产品的开发周期、简化了产品的设计过程。黄石科威自控有限公司EASY CORE 1.00 是一个加载了EASY-V1.00嵌入式PLC软件平台的芯片组，用于设计PLC，控制器（客制式PLC）及其它自动化装置PLC功能的嵌入。芯片组原理框图参见图1。

图1 芯片组原理框图

2.2 嵌入式芯片组基本性能
（1） 供电：+5V 200mA，RAM掉电保护5年。
（2） CPU：C8051F040。
（3） 嵌入扩展能力
● 32 I/O：可复用成SPI、I2C接口及外中断、外计数、AD等。
● 4 AD：12位精度，100 KPS。
● 2 DA：12位精度，100 KPS。
（4） 通信接口
● CANBUS：系统软件管理，使用工具软件CANSet构建CANBUS总线网络。
● UART0：系统软件管理，用于梯形图编程、监控，支持人机界面及用户驱动程序下载。
● UART1：系统软件管理，用于下载CANBUS网络参数、构建RS485网络及支持
三方设备互连。

3 嵌入式芯片组应用
基于加载了系统软件的芯片组，我们可以根据工艺需要来开发自己的各类嵌入式PLC产品。下面就介绍基于嵌入式PLC芯片组开发的一款冰淇淋机控制器。
3.1 控制器的要求
（1）输入AD信号：搅拌机电流、成型缸温度、料缸温度、电源电压。
（2）输入开关量信号：出料开关、左缸料位开关、右缸料位开关、制冷系统压力开关。
（3）输出开关量：控制压机继电器（2）、控制搅拌电机继电器（2）、控制成型缸电磁阀继电器（）、控制风扇电机继电器（）。
（4）参数、状态、故障显示：彩色液晶屏。
（5）操作：5只轻触键（自动、清洗、保鲜、设置、开/关）。
3.2 硬件设计
基于以上的控制要求，硬件整体结构图如图2所示。

图2 硬件整体结构

硬件电路说明：由于嵌入式PLC芯片组是针对工业现场控制、应用开发的，它的抗干扰能力、电磁兼容性、性等满足商用标准是毋庸置疑的。
（1）开关量输入电路如图3所示。

图3 开关量输入电路

由于嵌入式PLC芯片组所使用CPU的电源为+3.3VDC，故在设计开关信号输入电路时要考虑其高电平信号幅值不要过+3.3VDC。（2）电压或电流信号采集电路如图4所示。

图4 电压或电流信号采集电路

在设计模拟电路时，要考虑终送至芯片组AD接口的电压幅度以及所选择的参考基准电压。
（3）显示、键盘处理电路如图5所示。

图5 显示、键盘处理电路

（4）继电器输出控制电路如图6所示。

图6 继电器输出控制电路

3.3 软件开发
（1）嵌入式PLC芯片组是基于Cygnal公司的C8051f040芯片开发的，建议开发选择的编译器用KEIL C51，因为它可以生成我们所需要的HEX文件。
内核留出了七个用户嵌入程序入口：
USER_CONFIG: 用户I/O配置程序入口
USER_START: 用户上电初始化程序入口
USER_SET_INIT: 用户设置初始化程序入口
USER_RUN_INIT: 用户运行初始化程序入口
USER_STEP: 用户软中断程序入口（响应时间<100mS）
USER_SCAN: 用户演算周期扫描程序入口
USER_TMS: 用户2.5ms定时运行程序入口
只需要充分理解各个接口的功能就可进行二次开发了。接口功能详见科威公司的《EASY原理及应用》。
（2）驱动程序的嵌入。在KEIL C51中编译上述程序。使用下载工具软件“DOWNHEX”，把生成的.HEX文件通过串口下载到嵌入式PLC芯片组的固定地址处，使得内核可以调用它，从而完成二次驱动程序的开发。
（3）梯形图程序及通讯。冰淇淋机的过程控制可用梯形图语言编程实现。梯形图语言是面向工厂自动化人员、电工层面的编程语言，易学易懂，而PLC的软件资源十分丰富，它的各类继电器（X、Y、M、S、T）、计数器及寄存器对于冰淇淋机的过程控制简直就是量身定制。冰淇淋机生产厂的自动化人员或电工不必再受控制器开发方的限制，可自己动手改控制过程，到达控制上的要求。详见科威公司的《嵌入式PLC编程手册》。以下为用梯形图语言编写的5分钟延时程序案例。

要想实现将多台冰淇淋机的各种工作参数上传到个人PC，用户坐在计算机前就能了解每台冰淇淋机的工作状态、产量以及调整冰淇淋机的工作模式，也是件很容易的事。

4 结束语
由于嵌入式PLC芯片组是本着软硬件可裁剪的原则开发的，所以基于嵌入式PLC芯片组开发出的产品可以很好的满足用户的个性化需求，缩短了研发周期，并且得到了许多单片机所不具备的强大功能，使很制功能的实现变得简单容易。

按F2键打开图库管理器，选择你所要的图素—电压互感器（若无，用户可以自己根据自己的需要创建新的图素），在工程画面上单击鼠标，出现电压互感器，然后调整大小并放到适当的位置即可。

其中TA1与TA2为不同量程的电流互感器，通过QF2、KM1和KM2之间的切换，可选择不同量程的电流互感器接入。可以通过电流继电器作相应的切换，从而选择出对应的被测电流。由于电流互感器测量时次级是不允许开路的，所以在进行电流换档时，要求将要换去的电流互感器，先短路原边测量线圈，然后再断开副边线圈。而要换上的电流互感器则先接通副边线圈后断开原边线圈。
在以上空载和负载组态控制画面上，操作人员可直接点击画面上的控制按钮，实现相应的控制。
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、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)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, 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。

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

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。

2.3 系统的工作原理

图2中，虚线框中控制及其高压保护装置、被试电机以及可调负载构成了主回路系统。PLC按要求控制主回路系统的工作，当被试电机的电压和负载满足要求时，测量系统启动，测量主回路中被试侧和负载侧的各个参数，然后通过数据采集系统把到工控机，组态界面对数据进行监控。PLC和工控机之间通过串行接口连接，工控机可通过PLC控制现场的工作流程。整个工作构成了一个智能化电机测试系统。
3章 主回路系统设计

3.1 设计的重要性及思想

1.主回路设计的重要性：

实现高压电机试验解决的问题之一是主回路的设计，这步非常关键，控制系统和测量系统都是基于主回路系统工作，并对它进行自动化、智能化控制及测量，是整个系统设计的基石。

2.设计的基本思想:

1)负载可调；
考虑系统要实现的功能和设计的要求，既然是负载试验，解决负载问题，为了方便起见，采用双电机系统，只要让负载电机工作在发电状态，即成为被试电机的负载，但是又解决负载在一定范围（被试电机允许的负载）之内平滑可调，只要在一定频率范围内改变负载电机的频率，即可改变被试电机的负载，本系统中采用变频机组来平滑调节频率，这样达到改变被试电机负载的目的。

2)高压可调；
系统一般进线电压为380V，要实现所规定的高压，并且让其可调，用到升压变压器和调压侧，所以在两侧都要用升压变压器和调压器。

3)测量仪表的选定；
在本系统中测量电流用电流互感器，考虑负载的大幅变化，被测电流的变化范围，要用到几组电流互感器来随电流的变化自动切换，提高电流测量的精度。电压的测量采用电压互感器。

4)稳压和稳频；
主电路中进线电压为电网电压，难免会有所波动，而且，调压过程中电压也会略有抖动，因此，考虑在被试侧的低压侧接上稳压器件。负载侧由于变频机组本身具有稳压、稳频功能。所以不需要再接稳压器件。

5)高压保护装置；
因为两侧都是高压线路，所以在两侧装有高压断路器和高压隔离开关，以便电路在异常情况下自动切断线路，也有利于手动控制线路。

本系统采用双路高压，一路为被试机（M1）供电，一路为作为负载用的负载电机（M2）供电。值得注意的是，在进行负载试验时，负载能量经电源机组、调压器回馈到低压侧电网。具体为：负载电机与被试电机同轴联接，通过电源机组调节负载电机的转速，使被试电机与负载之间形成一定的转速差，即使负载电机的频率f<50HZ，处于发电状态，从而为被试电机加了负载，改变变频机组的输出频率，即可改变被试电机的负载大小。由于M2以发电机方式运行，则产生的电能通过电源机组经调压器回馈至电网。因此，从整个系统角度来看，系统消耗的能量主要为系统内各电机的损耗。所以，本系统具有运行的优点。值得注意的是，要限制变频机组的频率变化范围，以防被试电机过载。在本系统中拟定输出的变频范围为 8～50Hz。

在主回路中，如被试电机在电动机状态工作时，在低压下让其旋转方向相同, 启动负载电机,将其电源频率和电压调到额定值左右,随即被试电机通电，调节电压至额定值,然后降低负载电机的电源频率，让被试电机逐渐加负载至额定值,负载电机作发电运行，直至被试电机达到热稳定状态。接着在满足功率调节范围在1.25～0.25PN内用变频电源平滑调节被试电机的负载, 测取数据的过程中，被试电机应保持频率和电压不变；辅助电机应保持额定电压不变。

3.3主回路相关设备的选择

一、高压试验对调压器的基本要求

高压试验有一个能满足技术标准要求的可调试验电源。通常在高压试验变压器的前级选配合适的调压器，借助调压器的电压调整，使高压试验变压器输出满足要求的、无级连续、均匀变化的试验电压。高压试验配用的调压器，除了其输出容量、相数、频率、输出电压变化范围等基本参数应满足试验要求外，还要求调压器应具有以下性能。

1)输出电压质量好 如要求调压器输出电压波形应尽量接近正弦波；输出电压下限为零；有些场合还要求输出电压与输入电压相位相同。
2)调压特性好 如要求调压器阻抗不宜过高；调压特性曲线平滑线性；调节方便、。
3)环境保护好 如要求调压器运行噪声小。