（电气工程专业论文）电机与变压器数字化测试平台的plc控制系统设计.pdf

摘要 飞速进步的网络、计算机等数字化技术深刻影响了工业生产，自动化成为了 现代工业生产的标志之一。数字技术在电机测试领域的广泛运用使得该领域的生 产方式发生了翻天覆地的变化 本文以电机测试为例子对系统进行说明，同样适用于变压器的测试。首先简 要介绍了电机测试领域的技术发展现状，根据课题的实际情况分析了各个可能的 改造方案，对最后选定的方案的整体框架进行了介绍，并对框架中的每一部分的 作用做了简要说明。然后对方案中的p l c 控制系统的设计做了详细的分析，分 为硬件和软件两个部分。硬件部分首先阐述了选择西门子的c p u 模块作为p l c 控制系统的处理器的原因，然后基于这一c p u ，选择了一些配套模块，包括电 源模块、i o 模块、通讯模块和接口模块等，同时也确定了用于直接对外控制电 机的变频器和直流调速装置，并把这些电气设备利用p r o f i b u s d p 协议连接成了 一个单主机模式的控制网络。软件部分分为组态和软件设计两部分。首先讲述了 在软件开发平台s t e p 7 上进行系统组态，包括为c p u 配置内部的运行参数，为 系统的各个组成部分在c p u 内存区分配i 、q 地址以及为d p 网络中的设备分配 d p 地址，然后在软件设计中先说明了e d i ts y m b o l 表格的作用，再以4 0 0 k w 变 频器试验为例子详细说明了软件的具体设计过程包括试验的供电部分、输出部 分、变频器的参数设置部分、操作部分以及对紧急情况的处理部分。系统调试部 分也是相应的分为硬件调试和软件调试。在文章的最后对这次系统设计的实际工 程指导意义做了总结，并对发展前景做了展望。 关键词：电机测试p l c 控制系统系统组态软件设计系统调试 i v a b s t r a c t r a p i dp r o g r e s si nn e t w o r k i n g ，c o m p u t e r sa n do t h e rd i g i t a lt e c h n o l o g i e sh a v e p r o f o u n d l yi m p a c t e do ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，a u t o m a t i o nh a sb e c o m eo n eo ft h e h a l l m a r k so fm o d e mi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n e x t e n s i v eu s eo fd i g i t a lt e c h n o l o g i e si n f i e l do fm o t o r - t e s t i n gh a v ec h a n g e dt h em o d eo fp r o d u c t i o ni n t h i sf i e l dal o t t h i sp a p e rd e s c r i b e st h et e s t i n g s y s t e mu n d e ra ne x a m p l eo fm o t o r - t e s t i n g , a n d c a nb eu s e df o rt r a n s f o r m e r - t e s t i n g t h ep a p e rb r i e f l yd e s c r i b e st h et e c h n o l o g i c a l d e v e l o p m e n t si nt h ef i e l do fm o t o r - t e s t i n g ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o na n a l y s i s o fa l lp o s s i b l ep r o g r a m s ，t h eo v e r a l lf r a m e w o r ko ft h ef i n a l l ys e l e c t e dp r o g r a mi s i n t r o d u c e d ，a n dg i v e sab r i e fd e s c r i p t i o no fr o l eo fe a c hp a r ti nt h ef r a m e w o r k a n d t h e na n a l y s i sd e t a i l e dt h ed e s i g no fp l cc o n t r o ls y s t e mw h i c hi sd i v i d e di n t ot w o p a r t s 一一h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h eh a r d w a r ep a r tg i v e st h er e a s o no fc h o o s i n g s i e m e n sc p um o d u l ea st h ep r o c e s s o ro fp l cc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h e nb a s e do nt h i s c p u ，s e l e c t e do t h e rm o d u l e s ，i n c l u d i n gp o w e rm o d u l e ，i om o d u l e ，c o m m u n i c a t i o n m o d u l ea n di n t e r f a c em o d u l e ，a l s od e t e r m i n e dj n v e r t e r sa n dd cm o t o r s p e e d c o n t r o l - d e v i c e sw h i c hd i r e c t l yc o n t r o lm o t o r sa n dc o n s t r u c t e das i n g l e m a s t e r m o d ec o n t r o ln e t w o r ki n c l u d i n gt h e s ee l e c t r i c a le q u i p m e n tw i t hp r o f i b u s - d pp r o t o c 0 1 t h es o f t w a r ep a r ti n c l u d i n gt w op a r t s 一一c o n 6 9 u r a t i o na n dp r o g r a m f i r s td e s c r i b e s t h ec o n f i g u r a t i o no np l a t f o m 一一s t e p 7 ，i n c l u d i n gs e t t i n gp a r a m e t e r si nf o rc p u a n da l l o c a t i n gi & qa d d r e s s e sf o ra l lp a r t so fc o n t r o ls y s t e mi nm e m o r ya r e ao fc p u a n di d sf o rd e v i c e si nt h ed pn e t w o r k i np r o g r a mp a r t ，f i r s td e s c r i b e st h er o l eo fe d i t s y m b o lt a b l e ，a n dt h e nt o4 0 0 k w c o n v e r t e rt e s ta sa ne x a m p l ea n a l y s e si nd e t a i lt h e s o f t w a r ed e s i g np r o c e s s ，i n c l u d i n gt h ep o w e rs u p p l yp a r t , t h eo u t p u t p a r t ，t h e p a r a m e t e r ss e t t i n go fi n v e r t e r sa n dp a r t so fh a n d l i n ge m e r g e n c y s y s t e md e b u g g i n g p a r ti sd i v i d e di n t oh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o r r e s p o n d i n g f i n a l l ys u m m a r i z i n gt h e u s e f u lg u i d et ot h ea c t u a lw o r ko ft h i sa r t i c l e ，a n dp r o s p e c t i n gf o rt h ed e v e l o p m e n ti n t h ef u t u r e k e y w o r d s ：m o t o r - t e s t i n gp l c c o n t r o l - s y s t e ms y s t e m - c o n f i g u r i n g s o f t w a r e - d e s i g n i n g s y s t e m - d e b u g g i n g v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿态鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者张f 阮加哆签字日期卯p 年乡月尸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权迸姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：f 、彬凯哆 钟吼洲年；月7 日 导师签名：姗 签字日期：多1 7 i p 年易月，d 日 1 1 电机测试系统 第一章绪论 电机测试系统是通过对电机进行各项试验，包括空载、负载温升、堵转等， 得出可阻用来表述电机当前状态的各项参数的一个系统，是现代测试领域的一个 重要运用【l i ，系统的设计在很大程度上决定t 被刺电机各项参数的准确性以及系 统自身的易操作性。 1 1 1 电机测试系统的发展 数字集成技术i t 技术，计算机技术的飞速发展以及测量手段的不断更新使 得电机测试行业发生了显著的变化，从人工测量到自动测量，从全模拟技术转变 成以全数字技术从信息孤岛提升至网络化共享，在内容上和面貌上都发生7 翻 天疆地的变化 借助于技术的进步和应用的深入，小型的集成化电机测试平台己经得到了很 大的发展，囤l1 所示的就是由石家庄莱特电器有限公司生产的d y 9 5 型电机出 厂测试系统 田1 1 小型电机出厂测试系统 此系统主要用于测试变流异步电机此平台的自动化程度已经很高，只要接上电 机，按下按钮，就t 桂测到直流电阻短路电流短路损耗、空载电流，空载损 耗，功率因数工额耐压匝间测试三相电阻及三相电流平衡电网频率等， 还能存储和打印数据，基本具备了一套完整的测试系统所应该具有的所有功能口i 像这样的专门的测试系统已经形成了产品，在市场上能直接买到，这种产品有其 优点一一性能比较稳定，综合指标比较高，如果要形成生产力，施工工期短，价 格相比较低。 1 1 2 系统设计方案的选择 本论文要设计的系统来自某单位的电机测试平台的数字化改造，该系统要求 在改造后能够实现自动化的测试、记录和数据归档，还要具备局域网内的信息共 享等智能化和网络化的功能，虽然目前已经有商品化的小型电机测试系统，但是 这些系统都有一个致命的缺点一一适用范围很窄。由于将要被改造的系统所要测 试的电机类型和容量范围是非常广的，包括几百伏到两三万伏的交流电机， 2 0 _ _ 4 0 0 k w 的变频电机，1 0 0 _ _ 6 0 0 v 的直流电机，而且测试项目种类繁多。被测 电机的类型及所选定的测试项目、测量参数以及精度、范围等将决定测试系统的 结构组成、元器件的选择以及系统复杂程度和成本【3 1 。如果使用这些商商品化的 小型电机测试系统，其个数将是很多的，总体造价应该也是不低的，所以不适合 本项目改造的要求。为这个测试系统量身定做一套解决方案，进行针对性的设计， 这样系统就会显得条理清晰，容易维护，使用起来也更加便捷【3 】。在新系统的设 计过程中从成本方面，使用方面以及维护方面等多个角度进行了考虑，尽量采用 常见的程序设计语言和维护人员熟悉的设备。系统采用了通用p c 机作为工作站 ( 人机界面) ，l a b v i e w 作为人机界面的设计语言，工控机作为通讯服务器，数 据库服务器作为数据的存储中心，p l c 作为运算中心 1 2p l c p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ) 最早出现于1 9 6 9 年，当时主要是用 来替代大量的继电器来实现复杂的逻辑功能。随着微处理器等技术的突飞猛进， p l c 的功能已经大大超越了刚发明时的简单逻辑功能，现代p l c 是以强大的微 处理器为核心，同时集成了网络通讯技术、半导体技术、自动控制技术以及普遍 运用的计算机技术，是现代工业控制领域使用最为广泛的一种通用控制器【4 】【5 1 。 p l c 是以工业过程控制为主要应用对象，具备了使用方便、可靠性高、适用范围 广等特点，可以说是一种为工业环境专门设计的计算机。由于p l c 有功能丰富 的输入输出模块可以使用，p l c 控制系统就具备了可供选择的丰富功能，这样 使用范围就得到了进一步扩大，增强了使用的灵活性 1 2 1p l c 控制系统 p l c 控制系统是以p l c 为中心，同时集合了很多不同的功能模块，组成了 一个具有丰富的输入输出端口的控制中心【6 】【刀。这些输入端口不仅可以接收来自 本系统内部的信号，还可以作为和其他系统的接口来接收传递过来的信号。输出 端口和输入端口有着相似的情况，运算结果不仅传入到系统内部而且还可以通过 输出端口传送到其他系统中。从不同角度来观察一个系统会有不同的结果，如果 站在本系统的角度来看的话，它就是一个实实在在的运算中心，如果站在别的系 统的角度来观察本系统，就可以被看成是别的系统的一个外接的、带有运算功能 的模块。 在本文所设计的电机测试系统中，有好多个子中心：数据库服务器是系统的 数据中心，工作站( 人机界面) 是系统的操作中心，通讯服务器是系统的指令的 网络转换中心，p l c 控制系统是系统的指令执行中心在这里，p l c 控制系统 既可以看作是一个独立运行的控制中心，也可以看作是另外的控制中心的一个外 部模块。 p l c 控制系统与操作中心之间传输的基本都是一些状态信息和指令信息的 传输。指令信息基本都是从操作中心输到p l c 控制系统，而状态信患基本都是 从p l c 控制系统传输到操作中心；服务器与其他子系统之间传输的只是表示试 验结果的数据。传输通道的简单描述如图1 2 所示 从简图1 2 已经可以看出了本系统的大体结构。这里的p l c 控制系统不只是 简单的执行来自上层的指令，有时还要根据指令做出自己的判断，例如某个指令 在现在的状态下是不允许被执行的，那么p l c 控制系统不仅要判断出来，自动 取消指令的执行，还要向操作中心汇报指令不能执行的具体原因。 p l c 控制系统在整个系统中担任两个角色：l 、作为整个庞大系统的一个功 能模块；2 、一个能独立完成任务的系统。要设计这样一个独立中又带有开放性 的系统应该遵循一定的设计顺序，p l c 控制系统的设计不仅要遵循一般系统的设 计原则，还有其自身的一些特征，一般的开发步骤可以按照下面的流程图1 3 来 进行 囤1 2 信号传精通道示意图 圉1 3p l c 拉剖系统设计流程 2 1 设计理念 第二章测试平台的总体设计 科技的发展，带来了生活和生产方式的变化。始于二十世纪九十年代的网络 化浪潮席卷全球，深刻地影响了我们的生活和生产方式。由于互联网具有方便、 快捷、价格相对低廉等特点，在我们生活的各个角落都看到了它的身影，小到一 个办公室内的局域网络，大到遍及全球各个角落的i n t e m e t ，都无处不在。在这 样背景下，工业生产现场的设备就显得有些落后，大量的设备都是最原始的控制 线路，很少的场合会使用一些工业现场专用的p r o f i b u s ，c a n 等通讯网络，但是 由于网络通信协议的不同，在工业专用网络中传输的数据只能在局部的小范围内 使用，不能直接和外部的互联网相通，同时这种专用网络的使用代价也是很高的 因此在允许的情况下，对原有生产现场的控制系统进行改造就显得很有必要。 俗话说“兵马未动，粮草先行”，一个现代化的企业，除了提高生产第一线 的工作效率，还要把检修等相关支持性部门的效率提高才能使生产线的高效率有 坚强的后盾，快速高效的检修部门能在最短的时间内排除随时可能出现的生产故 障，保证生产的顺利进行。为了降低操作人员的工作强度，改善工作环境，某单 位的电仪厂就决定利用近十来年得到飞速进步的数字技术对原有的电机测试系 统进行数字化改造，目标是紧跟时代的脚步，建成国内电机测试行业最先进的系 统，树立起国内本行业的技术标杆，成为行业的样板工程。 2 2 设计思路 电议厂的电机测试平台最初是在二十世纪八十年代由新日本钢铁集团设计 和建设而成，从建成到现在为止已经2 0 几年，系统一直都在正常运行由于建 设年代的缘故，系统使用的都是模拟信号，而且所有要使用的按钮和电表都集中 在一个狭小的操作平台上，操作过程复杂，所有的数据都要靠人工来判断和记录， 虽然这样的方式给操作带来了极大的灵活性但同时也极容易产生误操作，特别是 新手，正式上岗前需要培训很长一段时间。 在设计的过程中不仅考虑到功能的实现还考虑到了改造的成本，为此保留了 系统中原有的电源系统和可利用的电气控制设备，改造和适量增加了电源系统及 主控设备，同时新增加了进行试验过程控制以及数据传输的局域网，自动化测试 设备和用于对外公布信息的l e d 大屏幕等此系统充分利用网络技术，采用常 用的仪器仪表、数字技术与计算机管理相结合的模式，在电机测试行业是一种全 新的网络化、智能化、数字化的试验系统。系统可实现一对多的试验操作( 即任 一工作台对试验系统中的任何一套试验设备进行操作) ，以及自动、手动可选的 灵活试验方式系统不仅严格遵循国家标准、行业标准和企业标准，同时保障试 验的安全性、准确性、可靠性、先进性和实用性，并保留必要的兼容性和共享性 以及对工程进行后续扩展的可能性f 8 】【 2 3 总体设计方案 确定了总体的设计思路后就是按照思路具体的加以实施。正如在前面的几节 中提到的那样，这个系统中很出彩的一笔就是充分利用了网络技术和通用计算机 技术，这两者是现代信息化的代表网络技术和计算机技术经过了几十年的发展， 在抗干扰能力和稳定性方面已经具备了不俗的实力，虽然生产现场的环境是很复 杂的，存在各种各样的干扰，但是在一般的工业生产环境下承担传输和计算任务 是没有问题的同时由于这些通用的网络技术和计算机技术得到了大量应运用， 其成本已经降到了很低的水平，从这一方面来说，在保证方案可行性的前提下使 用通用的网络技术和计算机技术是降低改造成本的一个很好的选择。m a s a o o g a w a 9 】等人使用p c 机和p l c 相结合的方法来控制啤酒生产线的运作，x i c h e n f l 0 】等人使用p l c 对石油罐区域进行监控。本系统的改造方案可以用下面的 简图来表示 6 2 3 1 工作台 圉2 1 系统结构示意图 工作台是系统的操作中，心，考虑到操作人员的数目，在解决方案中一共设计 了7 个工作台，每个工作台就是一台p c 机。这些工作台就是人机交互界面，通 过友好、直观的界面设计，动态显示系统的试验流程设备的工作状态等，操作 人员只需要在工作台上填八少量的数据，点击鼠标执行指令，另外的工作部交给 系统来完成这个友好的人机界面主要完成如下的任务：识别操作人员的身份； 按照操作人员的意图向将要被选择使用的相关试验设备发出信息，牧集回复信 息，做出是否可进行试验的判断，在试验过程中不断读取相关仪器的实时试验数 据，在界面上进行显示；需要时，可以将试验数据送到数据库服务器进行保存； 也可以耐数据库里面的数据进行搜索和修改，以及打印出检修报告等。与试验相 关的任何动作操作人员都可以在工作台上进行。 工作台的人机界面编写语言有很多选择，有专门为工业控制而设计的i f i x ， 这种语言在编写工业控制流程方面有其与生俱柬的优势：编写简单有庞大的库 支停，界面比较的形象，但是也有缺略：对于一些非流程方面的内容支持的不够， 软件比较的专业，熟悉此语言的人不多等也可以使用像v c 什之类的可视化编 程戟件，但是考虑到这个系统其实是一个电机剥试系统，在测试领域有l a b v i c w 这样的专门为测试而诞生的软件，它融合了近一二十年在软件工程和计算机语言 方面的最新成果，采用7 图形化语言( 称g 语言) ，程序的编写和调试都是使用 图形他的方式柬实现的，非常的方便和形象，学习起来也很容易，特别是可以在 短时间内开发出一套功能强大的，外观漂亮、性能稳定的测试系统，这些特征使 得我们最后选择它作为开发语言。事实也证明了l a b v i e w 很好的发挥t 它的特 点，完成了任务这个人机界面的登录界面如下圈22 所示： ：x 靠i ：置期i 胡r _ i 1 上 国2 箩机 枣敷 - 基黧 目n 2 3 2 通讯服务器 圉2 2 系统登陆的人机界面 在一个数字化的系统中保证数据的传精准确和稳定是相当重要的，通讯服务 器在系统中就是担任数据传输的角色，是上下几个中心的信息传输枢纽，一旦通 讯服务墨出现了故障，整个系统将会瘫痪在上一章的系统简图中t 已经看到通 讯服务器是工作台p l c 控制系统( 通过o p c 技术柬实现不同软件平台之间有 效的数据交换i l q ”1 ) 、剥量仪器、l e d 大屏幕以及打印机的连接枢纽。鉴于 通讯服务器承担了如此重要的角色，而且其稳定性和可靠性又是第一位的，为此 在系统中选用了研华的工控机工控机是工业控制计算机的简称，它是专门7 工 业现场而设计的计算机，在抗干扰能力稳定性等方面要优于普通的p c 机“。 通讯服务器一方面通过局域网和各个工作台相连接，同时通过各种专用的通 讯板卡将数据传送到各种网络中。和p l c 相连的是p m f i b u s d p 网络，和测量仪 器相连接的是r s 2 3 2 或者r s 4 8 5 通讯方式，和l e d 大显示屏的链接使用的也是 r s 2 3 2 通讯方式，与打印机的连接通过以太网来进行。工控机主板上有很多可用 于扩展的p c i 卡槽，使得这么多的不同的类型的设备可以连接到一台工控机上， 便于采集各种检测到的数据，同时工控机可以对这些数据进行处理，及时对外发 布运算结果，或者在出现不正常的情况马上进行处理。数据采集和数据处理都在 一个机器上进行的最大好处就是速度快，一旦数据收集结束就不需要再进行其他 的数据传输，有助于及时处理另外的情况。 虽然通讯服务器上面跑的也是程序，但是因为其所起作用主要是传输和运 算，所以没有人机界面也是可行的，只要系统运行正常，可以完全不去理会。正 是因为没有入机界面的缘故，通讯服务器是否运行正常都很难知道，为此在设计 这个服务程序的时候，特地增加了一个监视窗口和一个传输日志，监视窗口中显 示了从服务程序启动之后成功执行的指令有多少次，失败的指令有多少次，而日 志中记录了服务程序从启动到现在所有的动作，不管是被成功执行的还是执行失 败的都会有相应的记录。而且每次的日志都会自动存储在某一个路径下，可以随 时调用某一天的相关记录。 2 3 3 数据库服务器 作为一个数字化的测试系统，必然会有数字化的数据源，这个数据源不只是 仅仅存放表示测试结果的数据，还应该可以存放表示测试条件的数据。 每次做完一个试验，其数据都会归档到数据库中，有时候可能在试验还没有 做完之前把一些中间数据以某种格式存放到数据库中，存完数据之后，相关的操 作人员会在任何想要查看数据的时候来访问数据库，调取某一部分的数据，这种 对数据的存放和读取就像是在数据库还没有发明之前以书面的形式存放某一些 资料，在某个想要查看的时刻去读取相应的资料即可，可以说数据库就是数字化 时代的资料库存储在数据库中的资料要尽量保证安全的存放，不能因为某些原 因而丢失了这些数据，一旦数据库遭到损毁，所有的资料将会丢失，这是很严重 的损失，前面所有的工作都将付之一炬。 前面已经讲到，工控机在整个系统中是数据的传输枢纽，一旦出现问题，系 统就会瘫痪，但是这个瘫痪只是暂时的，只要排除了工控机的故障，系统又可以 开始正常运行，没有太大的损失，但是如果数据库服务器出现问题，特别是出现 了不可恢复的故障，那么存储在里面的数据可能就再也找不回来了，这将是一个 毁灭性的灾难，其后果比工控机出现故障的后果要严重得多，因此对数据库服务 器的安全所做的工作要比工控机多很多。首先数据库服务器都是专门开发的，在 安全性方面有诸多的考虑，在价格方面比工控机高很多。第二数据库服务器上使 用的是一个专门设计的管理软件，只负责数据的管理。第三数据库服务器只进行 数据的保存、读取和修改工作，任务非常的轻。第四每天都会对数据库进行备份， 只要定时将这些备份转移到另外的安全的地方，即使这个数据库服务器毁坏了， 还可以在另外的机器上把原本的数据恢复过来。第五虽然这个系统可以通过交换 机被本系统以外的授权用户访问，但是本系统中的数据库是不能被随便访问的， 为了防止被恶意篡改。有了这些措施，能在最大程度上保护数据的安全。 2 3 4 打印机 电机测试系统的主要任务是对电机进行检测，这些电机中有刚刚购买回来的 新电机，也有因为使用不当损坏后经过维修的电机，也就是说这些电机的使用者 是要知道电机现在的状态是否属于正常。经过这里的测试，一些试验数据都已经 知道，也都已经存放在数据库中，作为电机的检验合格单中的强有力的说明，数 据表格是不可或缺的，但是这些数据都是以数字式的方式存放在数据库中，这个 时候打印机就成了把试验结果以检验单的方式呈现在电机使用者眼前的必要工 具。 2 3 5l e d 大显示屏 由于这个试验中心和试验场地是分开的，如果在试验场地上的工作人员要知 道正在试验中的电机的测试数据，那么就需要一块实时显示测试数据的显示屏。 想这里一样以p l c 作为控制中心外加可以显示实时信息的监视设备是现在比较 流行的做法【1 5 】【1 6 1 。场地示意图如下图2 3 1 0 一 试验试验 场地控制 ， 叶l 心 _ 一 图2 3 场地分布简图 此显示屏是属于半户外型的，而且要求面积比较大，按照这种情况一般都是 采用l e d 显示屏，一方面l e d 显示屏价格方面比较的低，另一方面l e d 显示 屏的大小可以用小屏拼接的方法达到需要的面积这块l e d 大显示屏受到工控 机的控制，工控机可以把接收到的测试数据直接发送到显示屏上，实时性非常的 高。 2 3 6 测量仪表 为了得到试验数据，必然需要各种各样的测量仪器，它们负责准确的测量试 验线路中需要得知的各种参数，包括电压、电流、频率、功率因素，转速等最基 本的参数有时候还需要测量温度、振动等参数，而且由于此系统需要测试的电机 的类型很多，容量范围也很大，所以需要的测量仪表很多。所选用的仪表包括青 岛的青智仪表，日本恒河的仪表，还有德国的测试仪其中青智仪表主要用于交 流电机试验和变压器实验的各个参数的测量，恒河的仪表主要用于变频电机试验 的参数测量，而德国的仪表主要是用于振动和温升这些参数的测量。这些数字式 的仪表都是具有多功能的，可以通过改变内部的某些参数来改变测量的范围或者 精度或者使用哪种滤波方式或者采用哪种计算方式等等，这些参数的修改可以改 变测量过程的长短也可以改变测量的结果。改变参数的方式也是多种的，既可以 通过计算机发送指令的方式，也可以是通过在面板上手工操作的方式来进行。这 个仪表群通过专门设计的p c i 数据采集卡将测量到的数据实时的发送到工控机 上，进行数据的统一管理。 2 3 7p l c 控制系统 p l c 控制系统是整个系统的控制中心，负责执行来自操作台的各种指令，控 制具体的电气设备，对电气设备的运行状况进行监督，还要实时向操作台汇报这 些设备的状态【1 7 】【1 8 】【1 9 】阴电气设备的状态包括这个控制中心的电源系统状态， 所有开关线路的状态，变频器的状态，直流调速器的状态等等。变频器及直流调 速器在使用前也是需要对大量参数进行修改，修改的数量比上一节提到的电量测 量仪表要多很多，仅仅是通过指令的方式就有好多种，而且也支持多种面板的操 作。在变频器和直流调速器的操作面板上操作者可以看到设备正在运行的内容， 有时候显示的是正在修改的参数，有时候显示的是运行状态，而有时候显示的是 错误信息，通过查看设备控制器里面参数的数值，可以全面了解现在设备的所有 信息。运用p l c 加上特定的设备可以组成几乎任何想要的控制系统，包括三轴 钻机【2 0 1 ，喷油器检修作业台 2 1 】，还有在船舶的自动电站【2 2 】方面的应用，以及在关 系到生命安全的控制方面【2 3 】【2 4 1 都表现出了良好的效果。 p l c 控制系统可以看作是整个系统中的一个比较完整的小系统1 1 6 】【3 】，因为它 具备了信息输入通道，运算中心，执行器，状态显示终端和信息返回通道。这个 小系统的建立包括搭建控制中心的硬件平台，建立控制用的通讯网络，编写控制 程序。可以用下面的简图2 4 来表示这个p l c 控制系统的概况： “1 m o | 2 4 方案总结 围2 4 p l c 控制系统概况 通过上面对系统中各个环节的筒略介绍，相信不仅对系统的构造有了一定程 度的了解，而且对其中信号的传遍路径也应该有了一定的认识，接下来，通过包 含信号传递顺序和传递内容各个系统环节在其中的作用等信息的图25 来做一 个总结 田2 5 系统方案图 第三章p l c 控制系统的硬件搭建 3 1 西门子p l c 作为有着一百多年历史的世界上最大的电气工程解决方案和电子设备供应 商之一，西门子秉承一贯的可持续信念，在其主要的6 大业务领域：信息和通讯、 自动化和控制、电力，交通、医疗系统和照明一直有着上佳的表现。p l c 是在二 十世纪中叶才出现的新器件，但西门子凭借其不断创新和开拓进取的精神以及在 自动化控制领域长期的技术积累，在p l c 这个新兴的领域中也有着不错的成绩 凭借其一贯的优良品质和优质服务，西门子在中国的p l c 市场上占据着很大的 份额，加上在外围相关设备上的研发生产能力和良好的市场口碑，更是获得了广 大用户的喜欢。 3 1 1c p u3 1 5 2d p s 7 3 0 0 系列是西门子s 7 家族中的中型p l c 产品，其主要功能、i o 点数及 扩展性能等方面比2 0 0 系列有了很大的提升【5 l 2 5 1 作为系列产品，有很多不同的 规格适用于不同的场合，而且其产品线还在不断的丰富中( 至2 0 0 7 年1 月) 已 经发展出包括标准型、紧凑型、故障安全型和技术功能型4 大系列1 4 】 这个系统需要使用到大量且分散的数字量和模拟量i o 口，同时这个系统还 需要与外部电气设备以及p c 机进行d p 通讯，系统的c p u 除了要能够满足这些 基本要求之外，同时还要考虑到后期维护的方便性、使用者对c p u 的熟悉程度、 后续配套产品的价格、生产厂家的售后服务等各种因素，对于工业现场使用还有 一点非常的重要，就是产品的稳定程度，因为对于工厂应用来说，如果由于p l c 不稳定而导致生产不能顺利进行，那么由于时间的延误而产生的损失是很大的， 有时候还可能发生生产事故。根据以上提到的相关情况，最终决定使用被现代化 生产现场普遍使用的西门子p l c 中的s 7 3 0 0 系列的c p u ，它能满足上述的对 系统对各种要求，而且也是现场操作人员所比较熟悉的充分考虑了上述要求， 最终为系统选择了型号为3 1 5 2 d p 的c p u 。这一型号的c p u 的一些关键参数 如下表所示： 表3 1c p u 3 1 5 2 d p 的关键参数【2 5 】 参数项参数内容 d b 块：最大可以拥有1 0 2 4 个；f b 块：最大可以拥有2 0 4 8 c p u 块个f b 块；f c 块：最大可以拥有2 0 4 8 个f c 块；o b 块：最大 的数量依指令表而定；嵌套深度：每个优先级可以拥有8 级。 位指令：最小为o 1ps ；字指令：最小为0 2 “s ；整数运算： c p u 处理时间 最小为2us ；浮点数运算：最小为3 “s 。 定时器计数器s 7 计数器：可以使用2 5 6 个；s 7 定时器：可以使用2 5 6 个 标志：数量：2 0 4 8 ；数据块：最大1 0 2 4 个，为d b l d b l 0 2 3 ； 数据区 局部数据：每个优先级，最大1 2 8 字节。 i o 地址区：输入2 k b ；输出2 k b ；过程映像：输入1 2 8 字节； 地区 输出1 2 8 字节；数字量通道：输入1 6 3 8 4 ；输出1 6 3 8 4 ；模拟 量通道：输入1 0 2 4 ；输出1 0 2 4 。 组态机架：最大使用4 个；每个机架的模块数：最多使用8 个。 d p 主站数量内置：1 个；通过c p ：最多可以扩展至4 个。 时间 时钟：具有硬件实时时钟；运行时间计数器：数量1 个。 通讯功能s 7 基本通讯：支持。 s 7 基本通讯：支持；s 7 通讯：支持；s 5 可兼容通讯：支持， 通讯功能 通过c p 和可调节的f c 。 链接数量：全部：1 6 个；可用于p g 通讯：1 5 个；可用于o p 支持的i e 通讯 通讯：1 5 个；可用于s 7 基本通讯：1 2 个；可用于路由：4 个。 类型：内置r s4 8 5 接1 2 ；物理设计：r s4 8 5 ；隔离：不支持； 第一接1 2 m p i ：支持，最多1 6 个，最大1 8 7 5 k b i t s ；d p 主站：不支持； d p 从站：不支持；点对点连接：不支持。 类型：内置r s4 8 5 接口；物理：r s4 8 5 ；隔离：支持；m p i ： 第二接口 不支持，最多1 6 个，最大1 2 k b i t s ；d p 主站：支持；d p 从站： 不支持；点对点连接：不支持。 c p u 编程 s t e p 7 ( v 5 1s p 4 以上) 1 6 l a d ：支持；f b d ：支持；s t l ：支持；s c l ：支持；c f c ： 支持。 此p l c 控制系统主要用于逻辑运算、浮点数运算、整数运算以及d p 网络的 指令处理，所以c p u 3 1 5 2 d p 在功能上能够胜任此任务，担当此系统的控制中心 从上面表格中的参数可以看到这个型号的c p u 具有快速的数据处理能力，同时 还有一个标准的r s 4 8 5 串行通讯接口，一个可以支持m p i 多点通讯( 最多1 2 5 个) 的接口和一个标准的d p 通讯接口，不带中继器时的最大传输距离是5 0 m ，最高 传输速率是1 8 7 5 k b i t s ，用于连接p c 机、触摸屏、外部的手动操作面板等等， 在必要时，也可以与其他的p l c 相连接，组成一个运算能力更加强大的p l c 网 络 具备了快速的扫描速度和运算能力，就能在极短的时间内响应很多看似是同 时发生的事件，对这些事件做出及时的处理，并对外输出的处理结果。配备了强 大运算能力的c p u ，控制系统才有能力保证在短时间内对各种外部事件给予相 应的处理，才有可能使得系统表现出良好的实时性，具备强大的事件处理能力 3 1 2 数字量和模拟量输入输出模块 如果将一个p l c 控制系统比作一个人的话，c p u 相当于是人的大脑，如果 只有大脑，而没有眼睛、耳朵、手，脚等用来接收外部信息和对外输出反应的机 构时，那么虽然大脑处理能力非常强大，但是强大的处理能力是没有任何意义的， 因为它根本没有信息可以处理，也就没有发挥强大处理能力的机会，因此在选定 了c p u 之后，就要为系统配置所需的各种i o 模块。虽然c p u 模块自身就带有 少量的r s4 8 5 ，d p 或者m p i 接口之类的对外信息传输通道，但是对于现代化工 厂大量且分散的i o 信号，这几个接口显然是远远不够的。出于使用方便的考虑， i o 口已经集成为一个个的i o 模块，如果在现场使用过程中需要增加i o 口， 只要插入相应i o 模块，并在系统的组态中加入这个模块，然后就可以使用了， 修改起来非常的简单和快捷，效率很高，这样的特点对于p l c 在工业的使用是 非常的有优势的，可以根据现场的要求，快速的修改系统的配置，以适应生产的 要求 西门子在功能模块的产品线方面根据市场的需求推出了很多产品，除了最基 本的数字量和模拟量i o 模块之外还有s i p l u s 数字量和模拟量i o 模块、f 数 字量和模拟量i o 模块、s i p l u sf 数字量和模拟量模块、e x 输入输出模块、计 数器模块、定位模块、闭环控制模块、光电传感器模块【2 6 】等等，只要是在生产 现场可能会用到的，基本都会相应的功能模块。当然最常用同时也是使用量最大 的还是基本的数字量和模拟量i o 模块【6 】，这些模块在使用之前要先进行连接， 一般的连接方式如下( 如图3 1 、3 2 、3 3 所示。) 图3 1 数字量输入模块接线图 图3 2 数字量输出模块接线图 图3 3 模拟量输出模块接线图 为了处理各种干扰信号，在i o 模块的电路设计上都带有抗干扰措施。一般 来讲，在输入口的电路中使用光电隔离器件，使两侧的电路在电气上隔离，同时 对于干扰的过滤，一般会采用r c 滤波电路来实现。这些的滤波和隔离电路的增 加，会对信号的响应有所延迟，一般来讲都是在m s 级别，这个级别的时间延迟 对于非高速信号来说是基本没有影响的。在信号的灵敏度方面，也需要采取一定 的措施，例如由于使用了光耦隔离器件，为了能够在有信号时稳定的驱动电路， 1 9 在输入电阻和二极管方面要多一些考虑。输入电阻的大小决定了驱动电流的大 小，同时也要确保在没有信号时，二极管的漏电流在可接受的很小的范围内，不 至于引起错误动作【4 1 。在这些具体的电路的设计方面，各个厂家都是千差万别的， 即使是同一个厂家生产的产品，也会由于型号的不同而有所不同，所以在选择这 些i o 模块的时候，最好是根据厂家的c p u 的说明去配套选择，这样能保证在 使用过程中不会出现由于信号不匹配而产生误动作的情况。 鉴于以上的考虑，我们在选择了3 1 5 2d p 的c p u 之后，也相应的选择了3 0 0 系列的i o 模块：数字量输入模块s m 3 2 1 、数字量输出模块s m 3 2 2 、模拟量输 出模块s m 3 3 2 由于系统中使用到的数字量输入点数约1 2 0 个，数字量输出点 数约6 0 个，模拟量输出点为3 个，同时还考虑到系统中需要留出一定的i o1 ：2 余量，一共使用了1 6 点数字量输出模块5 块，1 6 点数字量输入模块2 块，3 2 点数字量输入模块3 块，4 点模拟量输出模块2 块 由于数字量输出模块一般只是作为开关信号来使用的，所能输出的电压和电 流是很小的，所以如果要使用这些信号来直接控制大型的电气设备，那么就需要 另接继电器、空气开关之类的能承受较大的负荷的装置。当然，西门子也充分考 虑到这方面的需求，提供了某些可以直接作为继电器输出使用的数字量输出模 块这些带有特殊功能的模块相应的有一些对应参数，例如：在数字量输出这一 栏的灯负载中除了最大负载功率要求外还有一个电压的要求，以及触点开关能力 的参数要求，其中就有在感阻性负载下，各种电压情况下能承受的最大电流。 相比于数字量i o 模块，模拟量i o 模块的价格是比较高的，已经和中小型 p l c 不相上下了，其性价比相对来说已经比较低了 2 7 - 3 2 】，所以已经有人尝试着在 实验室里使用自制的廉价方案来替代这些专用的模块，精度也基本能满足使用要 求【3 8 1 但考虑到现场恶劣的环境所引起的信号的不稳定情况，系统中还是采用 了西门子的专用模拟量模块。 3 1 3 电源、通讯及接口模块 为了给p l c 系统提供电压稳定而且带有前端保护的电源，同样选择了由西门 子生产的s 7 一一3 0 0 系列p l c 专用电源模块p s 3 0 7 。这个电源模块提供的电流 为5 a ，电压为2 4 vd c ，总的误差为3 ，效率约为8 4 ，在短路时可以提供 电子断路，而且还具有自动冷启动功能【2 5 1 。在我们的项目进程中曾经发生过一 次由于线路没有理整齐而产生短路的情况，幸亏此电源模块具有短路保护功能， 才保证了c p u 没有被烧毁。排除了短路情况后，电源模块自动冷启动，c p u 也 恢复了正常工作。 由于在一个机架上除了c p u 模块之外，最多只能再安排放置8 个另外的模 块，但是在我们的这个系统中，由于对外通讯的任务非常的重，光是i o 模块就 使用了1 2 个，所以一个机架是肯定不够用的，为此在系统中设计了两个机架， 这个两个机