基于PLC、組態(tài)軟件的高壓電機(jī)智能試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(三)
5.1測(cè)量系統(tǒng)的組成
測(cè)量系統(tǒng)中被試電機(jī)側(cè)的電參數(shù)、負(fù)載電機(jī)側(cè)的電參數(shù)和變頻機(jī)組的頻率都必須傳輸?shù)缴衔粰C(jī),在組態(tài)界面上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控。
上面那些參數(shù)首先必須通過(guò)傳感器和互感器測(cè)量,如主回路中用到的電壓互感器用于測(cè)量電壓,電流互感器用于測(cè)量電流。把測(cè)得的數(shù)據(jù)必須傳輸?shù)缴衔挥?jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。而且有些參數(shù)如溫度等必須通過(guò)傳感器測(cè)量。
基于上面的考慮設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)的基本框圖如圖5.1所示:

5.2 數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)原理和組成
信號(hào)采集系統(tǒng)如下圖5.2所示,它由傳感器 、信號(hào)處理電路、A/D板、扭矩儀、工控機(jī)等組成。被試電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載電機(jī),被試電機(jī)與負(fù)載電機(jī)之間接有轉(zhuǎn)速傳感器以測(cè)試在不同的施加負(fù)載下電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率。3只電流傳感器用于檢測(cè)三相電流;3只電壓傳感器用于檢測(cè)電機(jī)的有功功率;一只三相無(wú)功功率傳感器用于檢測(cè)電機(jī)的無(wú)功功率。還設(shè)置了溫度傳感器用于檢測(cè)電機(jī)溫升。模擬信號(hào)又信號(hào)處理電路處理后,分兩路,一路送數(shù)字儀表顯示,另一路又A/D板采集后送工控機(jī)進(jìn)行處理和組態(tài)監(jiān)控。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)信號(hào)由微機(jī)扭矩儀顯示并通過(guò)RS-485串口送至工控機(jī)。信號(hào)采集處理由傳感器、信號(hào)處理電路、A/D板、扭矩儀、工控機(jī)共同完成。值得說(shuō)明的是,功率因數(shù)、電機(jī)的輸出功率、電機(jī)效率不是直接測(cè)量出來(lái)的,而是通過(guò)以上參數(shù)運(yùn)算間接獲得。
以下對(duì)上述框圖中主要硬件模塊的作用分別予以簡(jiǎn)要介紹。
A/D采集卡 A/D采集采用AC1820 高速數(shù)據(jù)采集卡。該卡提供16路單端輸入12位A/D轉(zhuǎn)換,A/D 轉(zhuǎn)換速度最快可達(dá)800kHz。該卡采用板上RAM 存儲(chǔ)方式,板上RAM 為128K字,可以脫機(jī)采樣,適合WINDOWS系統(tǒng)的應(yīng)用。該卡的以上特點(diǎn)完全能夠滿(mǎn)足高壓電機(jī)試驗(yàn)的各項(xiàng)要求。
信號(hào)處理電路 它的作用是將各傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成為0~±5V的電壓,以便A/D采集卡采集和計(jì)數(shù)。同時(shí),也為A/D采集卡提供適當(dāng)?shù)谋Wo(hù)。

本文設(shè)計(jì)中采用青島青智公司的數(shù)字電參數(shù)測(cè)量?jī)x(自帶RS-485接口)測(cè)量,它能夠替代圖5.2虛線框中的模塊。
它的型號(hào)為8901F~8905F。它的工作原理:被測(cè)量的電壓、電流信號(hào)首先變換成較小的電壓信號(hào),送到高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器,使之轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以處理的數(shù)字量。單片機(jī)對(duì)采集到的數(shù)字量進(jìn)行運(yùn)算處理,并將最終計(jì)算的結(jié)果以數(shù)字的形式顯示出來(lái),或通過(guò)打印機(jī)打印出來(lái),或以串行通訊形式將數(shù)據(jù)傳送給其他設(shè)備。
與傳統(tǒng)指針式儀表相比,數(shù)字電參數(shù)測(cè)量?jī)x具有以下優(yōu)點(diǎn):
1.所測(cè)信號(hào)數(shù)值為真有效值;
2.直接數(shù)字顯示,無(wú)讀數(shù)誤差;
3.對(duì)于波形失真的信號(hào)同樣適用;
4.用一臺(tái)儀器可以測(cè)量多個(gè)參數(shù)。
扭矩儀采用蘭光NJY-20扭矩儀,結(jié)構(gòu)原理如下:
將待測(cè)產(chǎn)品固定在NJY測(cè)試儀的夾具上,該夾具與一個(gè)高精度的扭矩傳感器緊密連接,通過(guò)操作者手旋瓶蓋,傳感器將手旋扭矩轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào),后由單片機(jī)接收并分析處理,最后出具試驗(yàn)結(jié)果。
電參數(shù)測(cè)量?jī)x與工控機(jī)的硬件連接如圖5.3所示:

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,一般工控機(jī)的串行口有3個(gè),兩個(gè)RS-485和1個(gè)RS-232。如系統(tǒng)用于實(shí)際試驗(yàn)中時(shí),若串行口不夠,可考慮擴(kuò)展。順便提一下,電參數(shù)測(cè)量?jī)x與上位機(jī)的通訊還要有軟件設(shè)計(jì)(如通訊協(xié)議等)。由于實(shí)驗(yàn)條件有限,所以在通訊方面,主要實(shí)現(xiàn)了PLC與上位機(jī)的通訊。
5.3 電流互感器和電壓互感器的選擇
5.3.1 電流互感器的選擇
1)電流互感器的選擇原則
保護(hù)用電流互感器的性能應(yīng)滿(mǎn)足繼電保護(hù)正確動(dòng)作的要求。首先應(yīng)保證在穩(wěn)態(tài)對(duì)稱(chēng)短路電流下的誤差不超過(guò)規(guī)定值。對(duì)于短路電流非周期分量和互感器剩磁等的暫態(tài)影響,應(yīng)根據(jù)互感器所在系統(tǒng)暫態(tài)問(wèn)題的嚴(yán)重程度、所接保護(hù)裝置的特性、暫態(tài)飽和可能引起的后果和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等因素,予以合理考慮。如保護(hù)裝置具有減緩電流互感器飽和影響的功能,則可按照保護(hù)裝置的要求選用適當(dāng)?shù)幕ジ衅鳌?BR> 在本系統(tǒng)中,系統(tǒng)在進(jìn)行空載和負(fù)載試驗(yàn)時(shí),由于被測(cè)電機(jī)的容量和負(fù)載可在一個(gè)較大范圍內(nèi)改變,因此電機(jī)的電流變化的范圍很大,從幾安培到幾十安培甚至幾千安培。這給電流測(cè)量帶來(lái)了精度和量程選擇的問(wèn)題。當(dāng)然,電流的測(cè)量一般選用電流互感器,在本系統(tǒng)中,電流仍通過(guò)電流互感器來(lái)測(cè)量。
電流互感器是按電磁感應(yīng)原理工作的,主要由鐵心、一次繞組和二次繞組等幾個(gè)部分組成,電流互感器的一次繞組匝數(shù)很少,使用時(shí)一次繞組串聯(lián)在被測(cè)線路里。而二次繞組匝數(shù)較多,與測(cè)量?jī)x表和繼電器等電流線圈串聯(lián)使用。
6.1 展望
由于時(shí)間和條件的限制,系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有很多方面需要改進(jìn):
1)在PLC和組態(tài)王通訊過(guò)程中,由于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和條件的限制,在通訊方式上只能采用RS-232通訊,但是如果在現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)通訊中可以考慮采用RS-485接口。
2)在本系統(tǒng)中,PLC與上位機(jī)的通訊固然重要,但是電機(jī)測(cè)量的有些參數(shù)必須通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī),但是怎樣能在組態(tài)界面上顯示出來(lái),是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。在系統(tǒng)組態(tài)界面上,電流、轉(zhuǎn)速等沒(méi)有顯示,考慮通過(guò)板卡傳輸過(guò)來(lái),首先把板卡插到工控機(jī)的主板上,與外部智能儀表相連,并且在組態(tài)王工程瀏覽器中新建板卡,并且選擇對(duì)應(yīng)智能儀表的型號(hào),這樣數(shù)據(jù)就可上傳。方便組態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。
3)在此課題設(shè)計(jì)中,由于時(shí)間及條件的限制,只完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要部分,在電機(jī)實(shí)際測(cè)試中,還必須要有對(duì)電機(jī)性能的評(píng)判,這就需要用到電機(jī)測(cè)試專(zhuān)家系統(tǒng),對(duì)電機(jī)性能進(jìn)行診斷。專(zhuān)家系統(tǒng)包括知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)等組成。
4)在實(shí)際試驗(yàn)中,要實(shí)時(shí)監(jiān)控PLC的工作狀態(tài),可采用VB6.0實(shí)現(xiàn)組態(tài)王軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控可編程控制器PLC。一般采取的方法是:利用Visual Basic提供的串行通訊功能,實(shí)現(xiàn)與可編程控制器PLC之間的通訊,再利用VB的DDE功能完成組態(tài)王與Visual Basic之間的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換。 這樣就把從可編程控制器PLC采集到的外部信號(hào)通過(guò)Visual Basic 間接動(dòng)態(tài)地顯示在組態(tài)王界面上。結(jié)構(gòu)框圖如下:

數(shù)字信號(hào)處理、系統(tǒng)辨識(shí)、專(zhuān)家系統(tǒng)是以后電機(jī)測(cè)試的發(fā)展方向,隨著電機(jī)種類(lèi)的變多,功能增多、加強(qiáng),對(duì)電機(jī)的測(cè)試要求也越來(lái)越高,而這些分析方法對(duì)電機(jī)的狀態(tài)有深入的分析,獲取的信息大大增加,能夠發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方法所不能發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。
我國(guó)的電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)的研制會(huì)慢慢走向成熟,對(duì)高壓電機(jī)、微特電機(jī)系統(tǒng)測(cè)試將更加智能化、自動(dòng)化。
6.2 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)利用低壓機(jī)組成功實(shí)現(xiàn)了10kV高電壓電機(jī)的負(fù)載試驗(yàn),由于時(shí)間和條件限制,雖然沒(méi)有在實(shí)際中得到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,但是,此系統(tǒng)設(shè)計(jì)完整,包括軟件和硬件,構(gòu)成了一個(gè)智能測(cè)試系統(tǒng)。工控機(jī)作為上位機(jī),提供了良好的人機(jī)界面,進(jìn)行全系統(tǒng)的監(jiān)控和管理, PLC作為下位機(jī)執(zhí)行可靠有效的分散控制, 并且成功的實(shí)現(xiàn)了組態(tài)王和三菱PLC之間的正常通訊,按照我們?cè)O(shè)計(jì)的空載和負(fù)載軟件流程圖在組態(tài)界面上模擬了PLC對(duì)主回路的控制,動(dòng)畫(huà)效果和順序控制良好。
在設(shè)計(jì)過(guò)程中,無(wú)論從硬件選擇和軟件編程方面,都出現(xiàn)了或多或少的問(wèn)題,主要源于工程經(jīng)驗(yàn)不足,考慮問(wèn)題不周全,加之工作現(xiàn)場(chǎng)條件有限,可供參考的文獻(xiàn)資料缺乏。經(jīng)過(guò)反復(fù)修復(fù)和調(diào)試,達(dá)到了預(yù)期的目的,基本上完成了所選課題的任務(wù)。
在本課題的設(shè)計(jì)過(guò)程中,理論和實(shí)踐兩方面的分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力都得到了鍛煉和提高。由于時(shí)間和作者水平的有限,論文中必然存在不足之處,敬請(qǐng)老師批評(píng)指正。
按額定變流比選擇(一、二次額定電流之比),其中一次電流是按長(zhǎng)期運(yùn)行能滿(mǎn)足允許發(fā)熱條件確定的。我國(guó)國(guó)家GB1202-97《電流互感器》中額定一次電流標(biāo)準(zhǔn)值。已對(duì)一次額定電流規(guī)定了系列化標(biāo)準(zhǔn)。有從1A至25000A等不同規(guī)格的電流互感器可供選擇。
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,變流比分別為5/5、30/5,等級(jí)精度均為0.2。在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況會(huì)用到更多的電流互感器。
5.3.2 電壓互感器的選擇
電壓互感器按其工作原理可以分為電磁感應(yīng)原理可以分為電磁感應(yīng)原理和電容分壓原理兩類(lèi)。常用的電壓互感器是利用電磁感應(yīng)原理工作的,它的基本構(gòu)造與普通變壓器相同,主要由鐵心、一次繞組、二次繞組組成。它一次繞組匝數(shù)較多,二次繞組匝數(shù)較少,使用一次繞組與被測(cè)量電路并聯(lián),二次繞組與測(cè)量?jī)x表或繼電器等電壓線圈并聯(lián)。
在系統(tǒng)中選用JSJW-10型電壓互感器,它為三相三繞組五鐵心柱式油浸電壓互感器,額定電壓為10KV,供測(cè)量電壓、電能、功率、繼電保護(hù)、功率因數(shù)及絕緣監(jiān)督使用。
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