基于PLC和Pixsight控制的高压电机试验设计.doc

哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学 毕毕 业业 论论 文文 题目：基于 plc 和 pixsight 控制的高 压电机试验设计 专 业 _ 学 号 _ 学 生 姓 名 _ 指 导 教 师 _ 论论 文文 完完 成成 日日 期期 20062006 年年 4 4 月月 摘摘 要：要： 本文是用可编程逻辑控制器和 pixsight 控制的电机试验系统的组 成及基本原理，主要用于测试电机的空载试验和负载试验。本文由总体 组成、主回路设计、电气控制、测量设计等四部分内容构成，并把工控 机作为上位机，可编程逻辑控制器作为下位机，通过 pixsight 软件和 下位机联接，进行高压电机试验的控制，改变平时传统的电机试验方法， 即用许多模拟测量仪表人工进行读数，还要分不同时段跟踪数据的变化， 既费时又费力，测到的数据又不能精确的反映电机试验的客观数据。因 此就要采用相对自动化的方法进行试验。本文重点放在可编程逻辑控制 器输入输出、梯形图及 pixsight 的编程语言上，同时本文其他方面的 设计则通过框图体现出来（如测量和数据采集过程）,简单的表现一下 设计方法，有了这些主要部分和辅助部分后，从而构成了一套简单实用 的自 动化高压电机试验系统。 关键词：高压电机；pixsight；可编程逻辑控制器 abstract: based on programmable logic controller and pixsight software, this paper makes an introduction on the composition and basic working principles of the automatic testing system for high-voltage motors both with no load and full load. the paper is made of four sections: the general structure, primary circuit design, electrical control and measurement design. the control of the test on high-voltage motor is carried out by using the industrial machine as the upper machine and plc as the lower machine which are linked by pixsight software so as to change the traditional testing method which needs time-taking effort of reading testing data on many meters during different time intervals. as the traditional method of test cannot reveal the actual testing result, a relatively automatic method should be adopted. the paper focuses on the i/o of plc, ladder diagrams and pixsight programs with other auxiliary aspects shown in the form of frames(the process and data measurement and collection). with all the necessary main parts and auxiliary ones, a simple and practical high-voltage motor testing system with automation comes up. keywords: high-voltage motor；pixsight；programmable logic controller 目目 录录 第一章第一章 序言序言1 1.11.1 空载试验和负载试验：空载试验和负载试验：1 1.21.2 完成的主要任务：完成的主要任务：2 1.31.3 本文的构成：本文的构成：2 第二章第二章 总体组成总体组成.2 2.12.1 系统总体构成：系统总体构成：2 2.22.2 系统的工作：系统的工作：3 第三章第三章 主回路设计主回路设计 .3 3.13.1 设计方法：设计方法：.3 3.33.3 调压器和变压器的选择调压器和变压器的选择.4 第四章第四章 电气控制电气控制.4 4.14.1 上位机的设计：上位机的设计：4 4.1.1 pixsight 简单功能介绍：.4 4.1.2 pixsight 的构成及建立新程序的过程：.5 4.1.3 组态界面的设计.5 4.24.2 下位机的设计：下位机的设计：8 4.2.1 三菱 fx2n-48mr 型可编程逻辑控制器的 i/o 输入输出配置：8 4.2.2 可编程逻辑控制器控制系统的结构：9 4.2.3 可编程逻辑控制器控制流程框图：9 4.34.3 上下位机的通讯：上下位机的通讯：13 4.3.2 pixsight 与可编程逻辑控制器之间通讯步骤：.13 4.4.3 pixsight 界面中系统实现控制过程：.17 第五章第五章 测量测量系系统统.18 5.15.1 测量系统的组成：测量系统的组成：.18 5.25.2 信号采集及处理系统原理和组成：信号采集及处理系统原理和组成：18 结束语结束语.19 参考文献：参考文献：19 第一章第一章 序言序言 过去的电机试验是非智能化的，往往用指针式仪表由人工读数、记录，整理成数据并 描绘曲线。由于电源、频率、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，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、还会造成人为误差使试验数据不准确。现在，随着微机技术的发展， 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，采用微机的电机自动 测试系统在测试功能、测量精度等各项性能上都超过了传统方法，在加上计算机的功能不 断强大，各种人机界面软件给电机测试提供了可视化监控。本文的目的就是介绍利用相对 简单，可实现性较强的系统，即基于可编程逻辑控制器及 pixsight，并简单设计高压一次回 路来对高压电机进行自动化的空载试验和负载试验。 1.11.1 空载试验和负载试验：空载试验和负载试验： 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； a.) 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； b.) 通过试验得出空载电流与空载电压的关系曲线。这条曲线就是一条磁化曲线。它可以 反映出铁心材料的性能等。 (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。试验时，施于定子 绕组上的电压从 1.11.3un 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 79 个点，每个点应测取下列数值：三相电压，三相电流，输入功率。 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。 (2)试验过程： 在额定功率和额定频率下，改变负载，在 1.250.25 倍额定功率范围内取 68 点的三相电 压，三相电流，输入功率，功率因素，输出转矩。 1.21.2 完成的主要任务：完成的主要任务： (1)设计电机试验主回路； (2)设计电气控制（上位机、下位机以及上位机和下位机的通讯） ； (3)选用合适的仪器仪表，设计测量回路； 1.31.3 本文的构成：本文的构成： 根据设计的主要内容，论文各章节之间的关系为：引言 系统总体设计主回路硬件 电气控制 测量子系统结束语。 第二章第二章 总体组成总体组成 2.12.1 系统总体构成：系统总体构成： 要实现控制自动化，数据采集自动化以及实现微机现场监控，试验系统分为控制系统、 高压系统、测量系统、数据采集系统和 pixsight 监控系统等部分。控制系统由上位机（工 控机） 、下位机（可编程逻辑控制器）和控制装置三个部分组成。上位机采用 pixsight 进行 现场监控；下位机采用可编程逻辑控制器进行控制。数据采集系统用传感器、变送器、 a/d 转换装置通过 rs-485 接口把数据传送到上位机，组态界面实时监控试验结果。 系统组成框图如图 2.1 所示： pixsight plc 2.1 2.22.2 系统的工作：系统的工作： 图 2.1 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。可编 程逻辑控制器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各个参数，通过数据采集系统把数据传输到工控机， pixsight 对数据进行监控。可编程逻辑控制器和工控机之间通过串行接口连接。 第三章第三章 主回路设计主回路设计 3.13.1 设计方法：设计方法： 1)对负载调节：本系统采用双电机系统，只要让负载电机工作在发电状态，即成为被试 电机的负载，同时在一定频率范围内改变负载电机的频率，从而改变被试电机的负载， 本系统中采用变频器来平滑调节频率。 2) 高压可调：系统进线电压为 380v，在两侧用升压变压器和调压器来进行升压和调压。 3) 测量仪表选择：用电流互感器测量电流，电压互感器测量电压。 4) 高压保护：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，当电 路在异常情况下自动切断线路。 3.2 主回路的硬件接线及原理：主回路硬件如图 3.1 所示： pixsight plc 2.1 注：qf断路器；qs高压隔离开关；ta电流互感器；tv电压互感器；tb调压器；t变压器；fu熔断器 主回路系统一路为被试机（m1）供电，一路为负载电机（m2）供电。在进行负载试 验时，负载能量经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 过变频器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，使负载电机的 频率 f50hz，处于发电状态，从而为被试电机加了负载，改变变频器的输出频率，即可改 变被试电机的负载大小。 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 1.250.25pn 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；负载电机应 保持额定电压不变。 3.33.3 调压器和变压器的选择调压器和变压器的选择 主回路必须有一个可调试验电源，在高压试验变压器的前面选择合适的调压器，通过 调压器的电压调整，使变压器输出无级连续、均匀变化的试验电压。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，通过调压器和升压变压器达到高压，通 过调压器使其电压在 40600v 范围内变化，升压变压器的变比为 0.4kv10kv。 第四章第四章 电气控制电气控制 4.14.1 上位机的设计：上位机的设计： 4.1.14.1.1 pixsightpixsight 简单功能介绍：简单功能介绍： 本系统上位机采用了 pixsight 软件，它能充分利用 windows 的图形编辑功能构成监控 画面，具有报警窗口、实时趋势曲线等。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，该软件通过驱 动程序和这些外部设备交换数据。使用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，使用时只需要在该软件的设备库中选择设备的类型完成安装即可。 4.1.24.1.2 pixsightpixsight 的构成及建立新程序的过程：的构成及建立新程序的过程： pixsight 由工程管理器、工程浏览器和画面运行系统 touchview 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，工程浏览器和 画面运行系统是各自独立的 windows 应用程序。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 pixsight 工程的 管理。利用 pixsight 建立新程序的过程是：设计图形界面、构造数据库、建立动画连接、 运行和调试。同时要根据此过程包括以下四个方面： 1） 形。就是怎样用图像画面来模拟实际的工业现场和相应的监控设备。pixsight 采用面 向对象的编程，使用户可以方便地建立画面的图形界面。 2） 数据。用数据来描述工控对象的各种属性，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。在 touchview 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，同时用户在计算机前发布的指令也要迅速传到现场，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。 3） 动画连接。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，或由用户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 接口，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。 4） 硬件接口。pixsight 与用户使用的具体的现场部件无关。对于不同的硬件，只需为 pixsight 配置相应的通信驱动即可。 4.1.34.1.3 组态界面的设计组态界面的设计 在此系统中，系统组态界面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。以下将简单描述界面设计的过程。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“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 pixsight 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 pixsight 工程浏览器，则进入工 程浏览器画面，此时 pixsight 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。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” ，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： 图图 4.1 空载试验界面图空载试验界面图 负载试验组态界面如图 4.2 所示： 图图 4.24.2 负载试验界面图负载试验界面图 实时趋势曲线如下图 4.3 所示： 图图 4.34.3 实时趋势曲线图实时趋势曲线图 在本 系统中，测试的内容也有空载和负载之分，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，因此用多组电流互感器，这里为两组电流互感器，分别是 5/5、30/5 两 种。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。 4.24.2 下位机的设计：下位机的设计： 4.2.14.2.1 三菱三菱 fx2n-48mrfx2n-48mr 型可编程逻辑控制器的型可编程逻辑控制器的 i/oi/o 输入输出配置：输入输出配置： 根据系统控制要求可编程逻辑控制器输入输出变量定义如表 4.1 所示： 表表 4.14.1 输入输出变量定义表输入输出变量定义表 名称外部端 子 器件寄存 器 开始 x0sb0m100 m2 低压开关 y21km2m121 m2 高压开关 y22km4m122 增大 m2 电压 y23km5m132 m2 电压的上限位开 关 x2sq2m232 增大 m2 的频率 y24km6m142 m2 频率的上限位开 关 x4sq4m242 m1 低压开关 y11km1m111 m1 高压开关 y12km3m121 增大 m1 电压 y13km7m131 m1 电压的上限位开 关 x1sq1m231 减小 m2 的频率 y25km8m141 m2 频率的下限位开 关 x3sq3m241 接通测量系统 y26km9m101 根据变量名，输入点数为 5，输出点数为 9，输入输出配置如图 4.2 所示： 图图 4.24.2 输入输出配置输入输出配置 4.2.24.2.2 可编程逻辑控制器控制系统的结构：可编程逻辑控制器控制系统的结构： 可编程逻辑控制器控制的对象主要为两侧的调压控制、变频器频率控制。要实现电压 可调，可通过可编程逻辑控制器及其继电器控制线圈触头平滑移动来控制。要实现频率平 滑可调，可用 plc 均匀改变变频器的励磁，实质是改变变频器的电流。 4.2.34.2.3 可编程逻辑控制器控制流程框图：可编程逻辑控制器控制流程框图： 1.空载试验：软件流程图如图 4.3 所示： m1 m1 m1 m1 y y n n 4.3 空载试验梯形图： m100 m111 t55 t51t54 t52 t54 t53 m231 m150 m111 t55 k50 m311 t54 k50 m312 t53 k50 m101 m131 t52 k50 m112 t51 k50 空载试验助记符： ld m100 or m111 ani t55 out m111 out t51 k50 ld t51 ani t54 out m112 out t52 k50 ld t52 or m150 out m131 ld m231 out m101 out t53 k50 ld t53 out m312 out t54 k50 ld t54 out m311 out t55 k50 end 2.负载试验：其对应的软件流程图如图 4. 4 所示： m2 m2 m1 m1 50hz m1 m2 m1 m2 y y n n n y 4.4 负载试验梯形图： t52 m122 t56t51 m121 t58m100 m242m232 m132 m232 t53 t57m242 m150 m241m231 m112 t55 m121 m122 t51 k50 y021 m111 m241 m150 m312 t55 m322 t56 m311 t57 m142 y023 m132 t52 k50 y022 t55 k50 m141 y012 t54 k50 m112 t53 k50 y011 y024 m111 y025 m101 m312 t56 k50 t58 k50 m322 t57 k50 m311 负载试验助记符写法类似空载试验。 4.34.3 上下位机的通讯：上下位机的通讯： 4.3.14.3.1 可编程逻辑控制器和可编程逻辑控制器和 pixsightpixsight 的通讯：的通讯： pixsight 通过串行口与可编程逻辑控制器进行通信, 获得可编程逻辑控制器所控制设 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可编程逻辑控制器寄存 器的程序,pixsight 提供了一种数据定义方法,在定义了变量后,可直接使用变量名用于系统 控制、操作显示、趋势分析、数据记录显示。 4.3.24.3.2 pixsightpixsight 与可编程逻辑控制器之间通讯步骤：与可编程逻辑控制器之间通讯步骤： 1. 设备连接: 1）在 pixsight 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“可编程逻辑控制器”下的 “三菱”中“fx2”的“编程口”项，单击“下一步” ； 3) 为外部设备取一个名称，输入可编程逻辑控制器，单击“下一步”； 4) 为设备选择连接串口，设为 com1，单击“下一步”； 5) 单击“完成”。 2.构造数据库 定义变量如表 4.2 所示： 4.24.2 变量表变量表 变量名变量类型寄存器连接设备功能 旋转 1内存实型plcm1 的旋转变量 旋转 2内存实型plcm2 的旋转变量 增压 123内存实型plcm1 的电压变量 增压 132内存实型plcm2 的电压变量 增频率 142内存实型plcm2 的频率变量 开始i/o 离散m100plc电机实验开始 测量i/o 离散m101plc测量系统接通 低压 1i/o 离散m111plcm1 的低压开关 高压 2i/o 离散m112plcm1 的高压开关 低压 2i/o 离散m121plcm2 的低压开关 高压 2i/o 离散m122plcm2 的高压开关 增大调压器 1i/o 离散m131plcm1 调压器工作 增大调压器 2i/o 离散m132plcm2 调压器工作 减小频率i/o 离散m141plc减小电源频率 增大频率i/o 离散m142plc增大电源频率 结束i/o 离散m150plc电机试验结束 电流互感器低i/o 离散m151plc小量程的接通 电流互感器高i/o 离散m152plc大量程的接通 m231i/o 离散m231m1 调压器限位 m232i/o 离散m232m2 调压器限位 m241i/o 离散m241m2 频率下限 m242i/o 离散m143m2 频率上限 3.画面连接： 1) 表建立 i/o 变量后，建立画面图素与数据变量的对应关系。 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” ，代表系统运行 时，单击该按扭，系统才能响进行工作。 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，并且所有图素要与变量相对应。 2) 命令语言： if(增大调压器 2=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 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 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 if(本站点结束=1 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 else 旋转 2=0; if(本站点高压 1=1 else 旋转 1=0; if(本站点高压 2=1 if(增频率 142=35 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; 4.系统运行： 启动 pixsight 运行系统。在编好助记符后，将可编程逻辑控制器开关指向“run”,按下 “开始”按钮,观察负载试验和空载试验的控制结果。 4.4.34.4.3 pixsightpixsight 界面中系统实现控制过程：界面中系统实现控制过程： 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。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，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，延时 5 秒，开始调节变压器，电压从 010kv 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