基于PLC、组态软件的高压电机智能试验系统设计
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，使测试数据更加客观精确，有利于更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
ABSTRACT
A set of intelligent test system for high voltage motor based on PLC, king View and its principle, constitute and the design process are introduced. By using the industrial computer as the upper machine, and PLC as the bottom machine, type test for high voltage motor can be automatically controlled. This system adopts the software of king view and Mitsubishi PLC intelligences control systems, which can complete the high voltage motor examination of the general function item. At the same time, this system has the good man-machine interface, operation convenience, structure simple, and can be applied in automatic test system of calculator. It will effectively raise the automation degree of electrical engineering experiment and also make the testing data more objective and accurate which is advantageous to the function of the better examination motor.
【Keywords】: High voltage motor King View PLC The intelligence control Auto-testing
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检测技术有了较快的发展,各种检测传感器、检测仪器已比较齐备,而且性能也较稳定,为电机检测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、系统的可靠性、安全性不够等等。
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专业技术人员,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，全面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安全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、安全性能及可靠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全面的性能试验，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全面达到技术要求，各种型式电机均需要通过本试验才能投产或继续生产。国际标准和英、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第一台或首批的几台样机进行，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。
按国家标准规定，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.设计或故意上的变更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前一次输入功率的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最低电压值，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，取得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首先必须满足GB1032三相异步电动机试验方法等国家有关标准的精度及安全要求：
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）应不超过5%，在进行温升试验时应不超过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超过正序分量的1%；在进行温升试验时，负序分量不超过正序分量的0.5%,零序分量的影响予以消除。
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低于0.5级，三相瓦特表的准确度应不低于1.0级，互感器的准确度应不低于0.2级，电量变送器的准确度应不低于0.5%级（检查试验时应不低于1%），数字式转速测量仪及转差率测量仪的准确度应不低于0.1%±1个字，转矩测量仪及测功机的准确度应不低于1%（实测效率应不低于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）应不超过其额定阻抗值。
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超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安全要求。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：
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极为方便、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，首先必须有一个总的构思：
高压电机试验系统首先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，必须让负载变化，所以必须还得提供一个可调的大功率负载，而且这个负载必须平滑可调。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，必须采用PLC对其控制，而且试验过程中各个参数必须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，更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，本系统设计要涉及更多控制和保护模块。
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接口的高精度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。
系统组成框图如图2所示：
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数据传输到工控机，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。
3.1 设计的重要性及思想
1.主回路设计的重要性：
实现高压电机试验首先必须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，首先必须解决负载问题，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，但是又必须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，必须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，所以在两侧必须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。
3.2 主回路的硬件接线及工作原理
基于3.1节设计思想主回路硬件接线如图3.1所示：
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，本系统具有运行效率高的优点。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，首先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
高压试验必须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；输出电压下限最好为零；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、可靠。
3)环境保护好 如要求调压器运行噪声小。
二、调压器和变压器的选择
高压试验用调压器，一般采用移圈调压器、感应调压器和接触调压器三种类型。在本系统中采用柱式接触调压器。
柱式接触调压器是一种输出电压连续可调的自耦变压器。它具有输出电压波形正弦性好，输出电压下限可以为零，调压特性平滑、连续、线性；短路阻抗可以控制在较小范围内，运行噪声小以及输出电压与输入电压相位基本相同等优点，是一种比较理想的高压试验用调压器。
图3中主回路进线电压为380V，但是高压侧电机的额定电压为10KV，必须通过调压器和升压变压器才能达到高压，拟定调压范围为1KV～12KV，通过调压器使其电压在40～600V范围内变化，升压变压器的变比为0.4KV～10KV。值得说明的是，调压器和变压器只分别给出了调压范围和变比，没有选择实际的型号。实际运用时必须按标准选择型号。
以GB1032三相异步电动机试验方法为依据,保证试验过程满足要求,根据此要求设计电气控制系统。由控制系统由工控机(上位机) 、PLC(下位机)和控制装置等组成。上位机采用组态王组态软件,下位机采用三菱FX2N型PLC,通讯采用RS - 232接口（实验用）。其中组态王软件提供可视化菜单,试验人员按组态界面的提示,由工控机发出控制指令,通过可编程序控制器对系统实现控制。
4.1 上位机的设计
4.1.1 组态王软件功能分析
本系统上位机采用了组态王6.0x,该软件操作方便,结构清晰,易于上手。而且采用了多线程、COM组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行稳定可靠。
而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。该软件把每一台下位机看作是一台外部设备，在编程过程中根据“设备配置向导”的提示一步步完成连接功能。在运行期间，组态王通过驱动程序和这些外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据/指令。每个驱动程序都是一个COM对象，这种方式使通信程序和组态王软件构成一个完整的系统，既保证了运行系统的高效运行，也可扩大系统的规模。
工业自动化通用组态软件—组态王软件系统与最终工程人员使用的具体的PLC或现场部件无关。 对于不同的硬件设施,只需为组态王配置相应的通讯驱动程序即可。组态王支持的硬件设备包括:可编程控制器(PLC) 、智能模块、板卡、智能仪表、变频器等等。工程人员可以把每一台下位机看作一种设备,而不必关心具体的通讯协议，使用时只需要在组态王的设备库中选择设备的类型完成安装即可,使驱动程序的配置更加方便。
4.1.2 组态王6.0x的构成及建立新程序的过程
“KINGVIW6.0”软件包由工程管理器、工程浏览器和画面运行系统TOUCHVEW三部分组成。其中工程浏览器用于新建工程、工程管理等。工程浏览器内嵌画面开发系统，即组态王开发系统。工程浏览器和画面运行系统是各自独立的Windows应用程序，均可单独使用；两者又相互依存，在工程浏览器的画面开发系统中设计开发的画面应用程序必须在画面运行系统中才能运行。
工程管理器主要用于KINGVIEW工程的管理。
利用KINGVIW建立新程序的一般过程是：
1)设计图形界面；2)构造数据库；3)建立动画连接；4)运行和调试。
在用KINGVIEW画面开发系统编制应用程序时要依照此过程考虑四个方面：
图形。就是怎样用抽象的图像画面来模拟实际的工业现场和相应的监控设备。“KINGVIEW6.0”采用面向对象的编程技术，使用户可以方便地建立画面的图形界面。用户构图时可以像搭积木那样利用系统提供的图形对象完成画面的生成，同时支持画面之间的图形对象拷贝，可重复使用以前的开发结果。
数据。怎样用数据来描述工控对象的各种属性？也就是创建一个具体的数据库，此数据库中的变量反映了工控对象的各种属性，数据库是“KINGVIEW6.0”最核心的部分。在TOUCVEW运行时，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，同时操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，数据库是联系上位机和下位机的桥梁。在数据库中存放的是变量的当前值，变量包括系统变量和用户定义的变量。变量的集合形象地称为“数据词典”，数据词典记录了所有用户可使用 的数据变量的详细信息。
动画连接。所谓“动画连接”就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系，当变量的值改变时，在画面上以图形对应的动画效果表示出来；或者由软件使用者通过图形对象改变数据变量的值。这样，工业现场的数据当它们变化时，先通过I/O借口，引起实时数据中变量的变化再通过“动画”在画面上反映出来。
硬件接口。KINGVIEW软件系统与最终用户使用的具体的现场部件无关。对于不同的硬件设施，只需为组态王配置相应的通信驱动即可。
4.1.3系统组态界面的设计
根据电机的负载变化，试验又分负载试验、空载试验、堵转试验等，在此系统设计中，由于时间有限，系统组态界面设计过程中主要设计了负载试验、空载试验和对应参数的实时曲线界面。以下以建立主画面为例，讲述界面设计的过程。
打开组态界面，新建工程，工程名为电机智能试验系统（主画面）。
具体步骤如下：
1)在工程管理器中选择菜单“文件/新建工程”，或者点击工具栏的“新建”按钮，出现“新建工程向导之一”对话框。
2)单击“下一步”按钮，弹出“新建工程向导之二”对话框。
3)单击“浏览”按钮，选择所要新建的工程存储的路径。
4)单击“下一步”按钮，弹出“新建工程向导之三”对话框：
在对话框中输入工程名称：“电机智能试验系统”
在工程描述中输入：“测试电机的性能”
单击“完成”。
5)弹出对话框，选择“是”按钮，将新建工程设为组态王当前工程。
6)在菜单项中选择“工具/切换到开发系统”，直接打开组态王工程浏览器，则进入工程浏览器画面，此时组态王自动生成初始的数据文件。
7)在工程浏览器中左侧的树形结构中选择“画面”，在右侧视图中双击“新建”。
工程浏览器将弹出“新画面”对话框，然后在新画面中首先进行页面设置，如画面位置、画面风格等。
画面中要新建的图素主要以主回路为依据，以新建电压互感器为例：
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。
空载试验界面如图4.1所示：
负载试验组态界面如图4.2所示：
实时趋势曲线如下图4.3所示：
在本系统中，由于被测电机的容量可在一个较大范围内改变，测试的内容也有空载和负载之分，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上千安培。考虑到工作方式为自动/手动两种方式。并且手动方式中由于用户的需要仍要求采用指针式仪表读取试验数据，因此保证在大范围内都能精确读取电流值是本系统设计的难点之一。在本系统中，电流仍通过电流互感器来测量。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，它们分别为5/5、30/5两种。如图4.1中红线框所示，方便起见，见下图4.4所示：
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。
4.4 上位机和下位机的通讯
4.4.1 PLC和组态王的通讯简介
组态王与PLC之间通信采用的是PPI通讯协议。组态王通过串行口与PLC 进行通信,访问PLC相关的寄存器地址,以获得PLC 所控制设备的状态或修改相关寄存器的值。在实际编程过程不需要编写读写PLC寄存器的程序,组态王提供了一种数据定义方法,在定义了IPO 变量后,可直接使用变量名用于系统控制、操作显示、趋势分析、数据记录和报警显示。
上位机和下位机通讯原理图如图4.10所示：
4.4.2 通讯的实现步骤
PLC与上位计算机的通讯可以利用高级语言编程来实现,但是用户必须熟悉互连的PLC及PLC 网络采用的通讯协议,严格的按照通讯协议规定为计算机编写通讯程序,其对用户要求较高,而采用工控组态软件实现PLC与上位计算机之间的通讯则相对简单,因为工控组态软件中一般都提供了相关设备的通讯驱动程序,例如三菱系列PLC与工控组态王软件“组态王 6.0x”之间可进行连接实现PLC与上位计算机之间的通讯。
下面介绍组态王6.0与FX2N PLC 之间通讯的实现步骤。
PLC采用RS-485或RS-232进行通讯,占用计算机的一个串行口。在不添加扩展卡的情况下可以使用编程口和计算机进行通讯。
第一、设备连接:
利用PLC 与计算机专用的F2 - 232CAB 型RS232C 电缆,将PLC 通过编程口与上位计算机串口(COM 口) 连接,进行串行通讯。串行通讯方式使用“组态王计算机”的串口,I/O设备通过RS-232串行通讯电缆连接到“组态王计算机”的串口。在本系统通讯中操作如下：
1)在组态王工程浏览器的左侧选中“COM1”，在右侧双击“新建”，运行“设备配置向导”。
2)选择“PLC”下的 “三菱”中“FX2”的“编程口”项，单击“下一步”;
为外部设备取一个名称，输入PLC，单击“下一步”；
3)为设备选择连接串口，设为COM1，单击“下一步”；
4)填写设备地址，设为0，单击“下一步”；
(注：在实际连接设备时，地址的设置要和在设备上配置的地址要一致。)
5)设置通信故障恢复参数（一般情况下使用系统默认设置即可），单击“下一步”；
6)检查各项设置，确认无误后，单击“完成”。
第二、设备配置:
在组态王工程浏览器的工程目录显示区,点击“设备”大纲项下PLC 与上位计算机所连串口(COM1 口) ,进行参数设置。
然后在组态王浏览器目录内容显示区内双击所设COM1 口对应的“新建”图标,会弹出“设备配置向导”对话框。在此对话框中完成与组态王通讯的设备的设置。
第三、构造数据库
定义变量如表4.2所示：
第四、建立动画连接
所谓“动画连接”就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系。
1.在上表中建立I/O变量后，就必须建立画面图素与数据变量的对应关系。
例如:(1)定义界面上的“开始”按扭
在画面上双击该按扭，弹出该对象的动画连接对话框。
选择“命令语言连接”下的“弹起”选项，在命令语言中，键入本站点\\开始=1则代表假如在系统运行时，单击该按扭，系统才能响应并且工作。
(2)定义界面上的负载侧的电压输出
在画面上双击电压输出对应的文本框，弹出该对象的动画连接对话框。选择“值输出”下的“模拟值输出”选项，然后键入表达式 \\本站点\\增压132这样就定义好了该图素的动画连接。
其它图素的定义与上面两个例子相似，但必须图素与变量相对应。
2.命令语言：
if(增大调压器2==1&&增压132<10) 负载侧调压器M2调压至额定值；
{
增压132=增压132+1;
if(增压132==10)
{
增大调压器2=0;
\\本站点\m232=1;
}
else
\\本站点\m232=0;
}
if(\\本站点\增大频率==1&&增频率142<50) 变频机组调频至50HZ；
{
增频率142=增频率142+1;
if(增频率142==50)
{
\\本站点\增大频率=0;
\\本站点\m242=1;
}
else
\\本站点\m242=0;
}
if(\\本站点\增大调压器1==1&&增压131<10) 被试侧调压器调压至额定值；
{
增压131=增压131+1;
if(增压131==10)
{
\\本站点\增大调压器1=0;
\\本站点\m231=1;
}
else
\\本站点\m231=0;
}
if(\\本站点\减小频率==1&&增频率142>8) 变频机组往下调节频率；
{
增频率142=增频率142-1;
if(增频率142==8)
{
\\本站点\减小频率=0;
\\本站点\m241=1;
}
else
\\本站点\m241=0;
}
if(\\本站点\结束==1&&\\本站点\高压2==0)
增压131=0;
if(\\本站点\结束==1&&\\本站点\高压1==0)
{
增压132=0; 电压清零；
增频率142=0; 频率返回到初始值；
}
if(\\本站点\高压2==1&& 旋转2<360) 负载侧电机运转；
旋转2= 旋转2+30;
else
旋转2=0;
if(\\本站点\高压1==1&& 旋转1<360) 被试侧电机运转；
旋转1= 旋转1+60;
else
旋转1=0;
if(\\本站点\高压2==1&&\\本站点\电流互感器高==0)
\\本站点\电流互感器低=1;
if(增频率142==35&&减小频率==1)
{
\\本站点\电流互感器低=0;
\\本站点\电流互感器高=1;
}
if(\\本站点\高压2==0)
{
\\本站点\电流互感器高=0;
\\本站点\电流互感器低=0;
}
第五、系统运行
启动组态王运行系统TOUCHVEW； 运行电机智能系统的控制。在写入PLC程序后，将PLC 开关指向“RUN”状态,按下“开始”按钮,观察负载试验和空载试验的控制结果。实验结果表明,系统运行正常,动画效果良好。
4.4.3组态界面中系统实现控制功能描述
参照组态界面图，先把空载和负载对应的PLC程序写入PLC内存中，在完成一次演示后，必须先清除PLC中的内存后写入程序。
空载试验时，点击“开始试验”按扭，先在被试侧检测有无高低压信号，如无，则低压侧开关KM1闭合，延时5秒，高压侧开关KM3闭合，电机运转。在本空载试验中，电流互感器的量程切换在负载试验中体现，然后再延时5秒，调压器开始调节，调至被试侧电机额定电压10KV时，调压停止，测量系统启动开始试验，试验完后，先关高压开关KM3，再关低压开关KM1，试验结束。
负载试验时，点击“开始”按扭，和空载一样，先在被试侧检查有无高低压信号，如无，低压开关KM2闭合，延时5秒高压开关KM4闭合，电流互感器先打到高量程30/5档，负载侧电机开始运转，其实在实际现场控制过程中，要根据现场采集电流信号来选择合适的量程分档，在此只作示意。延时5秒，开始调节变压器，电压从0～10KV时，调压器关闭，延时5秒，频率开始从“6”开始调节，在调节频率至35HZ时，电流互感器切换到低档5/5，等到频率调至50HZ后，延时5秒，被试侧低压开关KM1闭合，延时5秒，高压开关KM3闭合，被试电机开始运转，再延时5秒，被试侧调压器开始调压，等到调至10KV后，延时5秒，负载侧频率开始从50HZ往下调节，在判断频率满足要求后，测量系统启动，在35HZ下，电流互感器又切换到低档，等到调至8时，延时5秒后，依次打开被试侧高压开关KM3→负载侧高压开关KM4→被试侧低压开关KM1→负载侧低压开关KM2，电流互感器开关KM5、KM6也同时打开。如在5秒内按“结束”按扭，将手动结束控制。同时，也可切换到实时曲线，观察各个参数的变化趋势。
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 转换速度最快可达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WINDOWS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，并将最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，最后出具试验结果。
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。
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