在本系統(tǒng)中，由于被測電機的容量可在一個較大范圍內(nèi)改變，測試的內(nèi)容也有空載和負載之分，因此電機的電流變化的范圍很大，從幾安培到幾十安培甚至上千安培?？紤]到工作方式為自動/手動兩種方式。并且手動方式中由于用戶的需要仍要求采用指針式儀表讀取試驗數(shù)據(jù)，因此保證在大范圍內(nèi)都能精確讀取電流值是本系統(tǒng)設(shè)計的難點之一。在本系統(tǒng)中，電流仍通過電流互感器來測量?？紤]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，它們分別為5/5、30/5兩種。如圖4.1中紅線框所示，方便起見，見下圖4.4所示：




　　其中TA1與TA2為不同量程的電流互感器，通過QF2、KM1和KM2之間的切換，可選擇不同量程的電流互感器接入?？梢酝ㄟ^電流繼電器作相應(yīng)的切換，從而選擇出對應(yīng)的被測電流。由于電流互感器測量時次級是不允許開路的，所以在進行電流換檔時，要求將要換去的電流互感器，先短路原邊測量線圈，然后再斷開副邊線圈。而要換上的電流互感器則先接通副邊線圈后斷開原邊線圈。
在以上空載和負載組態(tài)控制畫面上，操作人員可直接點擊畫面上的控制按鈕，實現(xiàn)相應(yīng)的控制。
4.2 下位機的設(shè)計
4.2.1三菱FX2N型PLC的性能特點
　　在本系統(tǒng)中采用了三菱系列PLC，三菱系列PLC 是三菱公司比較重要的產(chǎn)品,它運行速度快、控制可靠、安裝靈活、擴展方便、性能價格比高，具有強大的指令系統(tǒng)，而且采用模塊組件，用戶可根據(jù)控制需要，靈活地購買各種模塊，避免了控制點數(shù)的浪費，因此在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。
　　三菱FX2N型PLC的性能特點：
　　(1)可靠性高 I/O均采用光電耦合, 二次電路設(shè)有C - R 濾波器, 防止混入輸入接點的振動噪聲和輸入線的噪聲引起誤動作, 具有很強的抗干擾能力, 能用于較惡劣的環(huán)境。
　　(2)抗干擾性好　采用模塊結(jié)構(gòu)和軟件控制,省去硬件開發(fā)工作,大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。
　　(3)通用性好, 使用方便、靈活?！≡诓桓淖冇布那闆r下, 修改PLC內(nèi)部軟件可實現(xiàn)不同的控制要求, 大大減少調(diào)試的工作量, 提高工作效率,使系統(tǒng)的柔性大大提高。
　　(4)增加RS —232BD 接口板, 方便地實現(xiàn)與上位機之間的通信。
4.2.2 PLC的I/O輸入輸出配置

　　根據(jù)系統(tǒng)控制要求PLC輸入輸出變量定義如表4.1所示：




　　由變量名定義可知，輸入點數(shù)為5，輸出點數(shù)為8，選用PLC型號為FX2N-48MR。由于實驗室條件以及時間的限制，只是做了一小部分的變量定義。其實在實際控制過程中還需更多的變量定義，在此不一一列舉。

　　輸入輸出配置如圖4.5所示：




4.2.3 PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　PLC控制的對象主要為兩側(cè)的調(diào)壓控制（包括穩(wěn)壓控制）、變頻機組頻率控制（包括穩(wěn)頻控制）和其它勵磁控制。
　　要實現(xiàn)電壓可調(diào)，可通過PLC及其繼電器控制線圈觸頭平滑移動來控制。
　　同時由于電網(wǎng)電壓的波動及其機械因素的影響，必須要有穩(wěn)壓措施。
　　要實現(xiàn)頻率平滑可調(diào)，可用PLC均勻改變變頻機組的勵磁，實質(zhì)是改變變頻機組的電流。
　　基本控制框圖如圖4.6所示：




　　圖6中只說明了控制的對象以及控制的結(jié)構(gòu)，由于在系統(tǒng)設(shè)計過程中，沒有進行全面的現(xiàn)場調(diào)研，對PLC控制設(shè)備沒有清晰的輪廓，所以并沒有繪出實際的控制電路。但是在下面4.2.4小節(jié)中作者根據(jù)電機試驗的方法，大膽地設(shè)計了PLC對主回路系統(tǒng)的控制流程圖。
4.2.4 PLC控制流程框圖

　　本系統(tǒng)所要完成的是高壓電機的試驗, 電機試驗的項目分為多種,在此考慮負載和空載試驗。其實,空載試驗是負載試驗的一個特例,考慮情況特殊,進行分別試驗。

1.空載試驗

　　空載試驗,就是沒有負載,在本系統(tǒng)設(shè)計中相當(dāng)于把負載側(cè)電機去掉,剩下被試側(cè)線路,之后可以進行空載試驗。
　　其對應(yīng)的軟件流程圖如圖4.7所示：





2、負載試驗

　　負載試驗必須保證變頻機組的頻率在規(guī)定范圍8～50Hz內(nèi)變化，其對應(yīng)的軟件流程圖如圖4.8所示：


1.空載試驗梯形圖程序

4.3 高壓保護設(shè)計

　　電機試驗必須要求有嚴格的保護措施再加上本系統(tǒng)在高壓電下進行試驗，保護問題變的更加復(fù)雜?？紤]到試驗系統(tǒng)的特殊性以及被試樣機可能存在故障,必須設(shè)置較嚴格的保護措施。在設(shè)備硬件常規(guī)保護（例如被試側(cè)和負載側(cè)的斷路器、高壓隔離開關(guān)等）的基礎(chǔ)上,采用軟件設(shè)置靈活的保護系統(tǒng),以適應(yīng)被試樣機規(guī)格、功率大小不一的特點和適時監(jiān)控的需要。實現(xiàn)電氣保護及自動檢查。在組態(tài)王編制可設(shè)置界面,有電壓、電流、功率指示及電源通斷控制及顯示,并且設(shè)置故障預(yù)警及警報,實現(xiàn)較完善的保護功能包括:過電壓保護、欠電壓保護、缺相保護、短路保護、過載保護、過電流保護、過轉(zhuǎn)矩保護等等。

　　例如，在負載試驗組態(tài)界面上，設(shè)置了過電壓報警和過載報警。如圖4.9所示：





　　通過查找電機允許通過的上限電壓，在組態(tài)界面上設(shè)置了過電壓報警；當(dāng)頻率下調(diào)時，被試電機可能過載，通過設(shè)置過載報警保證線路的安全。其實在實際電機測試過程中，還要考慮更多方面的保護。

4.4 上位機和下位機的通訊

4.4.1 PLC和組態(tài)王的通訊簡介

　　組態(tài)王與PLC之間通信采用的是PPI通訊協(xié)議。組態(tài)王通過串行口與PLC 進行通信,訪問PLC相關(guān)的寄存器地址,以獲得PLC 所控制設(shè)備的狀態(tài)或修改相關(guān)寄存器的值。在實際編程過程不需要編寫讀寫PLC寄存器的程序,組態(tài)王提供了一種數(shù)據(jù)定義方法,在定義了IPO 變量后,可直接使用變量名用于系統(tǒng)控制、操作顯示、趨勢分析、數(shù)據(jù)記錄和報警顯示。

　　上位機和下位機通訊原理圖如圖4.10所示：

4.4.2 通訊的實現(xiàn)步驟

　　PLC與上位計算機的通訊可以利用高級語言編程來實現(xiàn),但是用戶必須熟悉互連的PLC及PLC 網(wǎng)絡(luò)采用的通訊協(xié)議,嚴格的按照通訊協(xié)議規(guī)定為計算機編寫通訊程序,其對用戶要求較高,而采用工控組態(tài)軟件實現(xiàn)PLC與上位計算機之間的通訊則相對簡單,因為工控組態(tài)軟件中一般都提供了相關(guān)設(shè)備的通訊驅(qū)動程序,例如三菱系列PLC與工控組態(tài)王軟件“組態(tài)王 6.0x”之間可進行連接實現(xiàn)PLC與上位計算機之間的通訊。

　　下面介紹組態(tài)王6.0與FX2N PLC 之間通訊的實現(xiàn)步驟。

　　PLC采用RS-485或RS-232進行通訊,占用計算機的一個串行口。在不添加擴展卡的情況下可以使用編程口和計算機進行通訊。

第一、設(shè)備連接:

　　利用PLC 與計算機專用的F2 - 232CAB 型RS232C 電纜,將PLC 通過編程口與上位計算機串口(COM 口) 連接,進行串行通訊。串行通訊方式使用“組態(tài)王計算機”的串口,I/O設(shè)備通過RS-232串行通訊電纜連接到“組態(tài)王計算機”的串口。在本系統(tǒng)通訊中操作如下：

　　1)在組態(tài)王工程瀏覽器的左側(cè)選中“COM1”，在右側(cè)雙擊“新建”，運行“設(shè)備配置向?qū)А薄?BR>　　2)選擇“PLC”下的 “三菱”中“FX2”的“編程口”項，單擊“下一步”;
為外部設(shè)備取一個名稱，輸入PLC，單擊“下一步”；
　　3)為設(shè)備選擇連接串口，設(shè)為COM1，單擊“下一步”；
　　4)填寫設(shè)備地址，設(shè)為0，單擊“下一步”；
(注：在實際連接設(shè)備時，地址的設(shè)置要和在設(shè)備上配置的地址要一致。)
　　5)設(shè)置通信故障恢復(fù)參數(shù)（一般情況下使用系統(tǒng)默認設(shè)置即可），單擊“下一步”；
　　6)檢查各項設(shè)置，確認無誤后，單擊“完成”。

第二、設(shè)備配置:

　　在組態(tài)王工程瀏覽器的工程目錄顯示區(qū),點擊“設(shè)備”大綱項下PLC 與上位計算機所連串口(COM1 口) ,進行參數(shù)設(shè)置。




　　然后在組態(tài)王瀏覽器目錄內(nèi)容顯示區(qū)內(nèi)雙擊所設(shè)COM1 口對應(yīng)的“新建”圖標(biāo),會彈出“設(shè)備配置向?qū)А睂υ捒?。在此對話框中完成與組態(tài)王通訊的設(shè)備的設(shè)置。




第三、構(gòu)造數(shù)據(jù)庫

　　定義變量如表4.2所示：

第四、建立動畫連接

　　所謂“動畫連接”就是建立畫面的圖素與數(shù)據(jù)庫變量的對應(yīng)關(guān)系。

　　1.在上表中建立I/O變量后，就必須建立畫面圖素與數(shù)據(jù)變量的對應(yīng)關(guān)系。

例如:(1)定義界面上的“開始”按扭

　　在畫面上雙擊該按扭，彈出該對象的動畫連接對話框。

　　選擇“命令語言連接”下的“彈起”選項，在命令語言中，鍵入本站點\\開始=1則代表假如在系統(tǒng)運行時，單擊該按扭，系統(tǒng)才能響應(yīng)并且工作。

　　(2)定義界面上的負載側(cè)的電壓輸出

　　在畫面上雙擊電壓輸出對應(yīng)的文本框，彈出該對象的動畫連接對話框。選擇“值輸出”下的“模擬值輸出”選項，然后鍵入表達式 \\本站點\\增壓132這樣就定義好了該圖素的動畫連接。

　　其它圖素的定義與上面兩個例子相似，但必須圖素與變量相對應(yīng)。

2.命令語言：

if(增大調(diào)壓器2==1&&增壓132<10) 負載側(cè)調(diào)壓器M2調(diào)壓至額定值；
{
增壓132=增壓132+1;
if(增壓132==10)
{
增大調(diào)壓器2=0;
\\本站點\m232=1;
}
else
\\本站點\m232=0;
}

if(\\本站點\增大頻率==1&&增頻率142<50) 變頻機組調(diào)頻至50HZ；
{
增頻率142=增頻率142+1;
if(增頻率142==50)
{
\\本站點\增大頻率=0;
\\本站點\m242=1;
}
else
\\本站點\m242=0;
}

if(\\本站點\增大調(diào)壓器1==1&&增壓131<10) 被試側(cè)調(diào)壓器調(diào)壓至額定值；
{
增壓131=增壓131+1;
if(增壓131==10)
{
\\本站點\增大調(diào)壓器1=0;
\\本站點\m231=1;
}
else
\\本站點\m231=0;
}

if(\\本站點\減小頻率==1&&增頻率142>8) 變頻機組往下調(diào)節(jié)頻率；
{
增頻率142=增頻率142-1;
if(增頻率142==8)
{
\\本站點\減小頻率=0;
\\本站點\m241=1;
}
else
\\本站點\m241=0;
}

if(\\本站點\結(jié)束==1&&\\本站點\高壓2==0)
增壓131=0;
if(\\本站點\結(jié)束==1&&\\本站點\高壓1==0)
{
增壓132=0; 電壓清零；
增頻率142=0; 頻率返回到初始值；
}

if(\\本站點\高壓2==1&& 旋轉(zhuǎn)2<360) 負載側(cè)電機運轉(zhuǎn)；
旋轉(zhuǎn)2= 旋轉(zhuǎn)2+30;
else
旋轉(zhuǎn)2=0;
if(\\本站點\高壓1==1&& 旋轉(zhuǎn)1<360) 被試側(cè)電機運轉(zhuǎn)；
旋轉(zhuǎn)1= 旋轉(zhuǎn)1+60;
else
旋轉(zhuǎn)1=0;

if(\\本站點\高壓2==1&&\\本站點\電流互感器高==0)
\\本站點\電流互感器低=1;
if(增頻率142==35&&減小頻率==1)
{
\\本站點\電流互感器低=0;
\\本站點\電流互感器高=1;
}
if(\\本站點\高壓2==0)
{
\\本站點\電流互感器高=0;
\\本站點\電流互感器低=0;
}

第五、系統(tǒng)運行

　　啟動組態(tài)王運行系統(tǒng)TOUCHVEW； 運行電機智能系統(tǒng)的控制。在寫入PLC程序后，將PLC 開關(guān)指向“RUN”狀態(tài),按下“開始”按鈕,觀察負載試驗和空載試驗的控制結(jié)果。實驗結(jié)果表明,系統(tǒng)運行正常,動畫效果良好。

4.4.3組態(tài)界面中系統(tǒng)實現(xiàn)控制功能描述

　　參照組態(tài)界面圖，先把空載和負載對應(yīng)的PLC程序?qū)懭隤LC內(nèi)存中，在完成一次演示后，必須先清除PLC中的內(nèi)存后寫入程序。
空載試驗時，點擊“開始試驗”按扭，先在被試側(cè)檢測有無高低壓信號，如無，則低壓側(cè)開關(guān)KM1閉合，延時5秒，高壓側(cè)開關(guān)KM3閉合，電機運轉(zhuǎn)。在本空載試驗中，電流互感器的量程切換在負載試驗中體現(xiàn)，然后再延時5秒，調(diào)壓器開始調(diào)節(jié)，調(diào)至被試側(cè)電機額定電壓10KV時，調(diào)壓停止，測量系統(tǒng)啟動開始試驗，試驗完后，先關(guān)高壓開關(guān)KM3，再關(guān)低壓開關(guān)KM1，試驗結(jié)束。

　　負載試驗時，點擊“開始”按扭，和空載一樣，先在被試側(cè)檢查有無高低壓信號，如無，低壓開關(guān)KM2閉合，延時5秒高壓開關(guān)KM4閉合，電流互感器先打到高量程30/5檔，負載側(cè)電機開始運轉(zhuǎn)，其實在實際現(xiàn)場控制過程中，要根據(jù)現(xiàn)場采集電流信號來選擇合適的量程分檔，在此只作示意。延時5秒，開始調(diào)節(jié)變壓器，電壓從0～10KV時，調(diào)壓器關(guān)閉，延時5秒，頻率開始從“6”開始調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)頻率至35HZ時，電流互感器切換到低檔5/5，等到頻率調(diào)至50HZ后，延時5秒，被試側(cè)低壓開關(guān)KM1閉合，延時5秒，高壓開關(guān)KM3閉合，被試電機開始運轉(zhuǎn)，再延時5秒，被試側(cè)調(diào)壓器開始調(diào)壓，等到調(diào)至10KV后，延時5秒，負載側(cè)頻率開始從50HZ往下調(diào)節(jié)，在判斷頻率滿足要求后，測量系統(tǒng)啟動，在35HZ下，電流互感器又切換到低檔，等到調(diào)至8時，延時5秒后，依次打開被試側(cè)高壓開關(guān)KM3→負載側(cè)高壓開關(guān)KM4→被試側(cè)低壓開關(guān)KM1→負載側(cè)低壓開關(guān)KM2，電流互感器開關(guān)KM5、KM6也同時打開。如在5秒內(nèi)按“結(jié)束”按扭，將手動結(jié)束控制。同時，也可切換到實時曲線，觀察各個參數(shù)的變化趨勢。