單寶明,趙文強(qiáng)

(青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院,山東 青島　266042)

?

基于S7-1200的電動(dòng)機(jī)附加損耗測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單寶明,趙文強(qiáng)

(青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院,山東 青島266042)

摘要根據(jù)EH-star法電動(dòng)機(jī)附加損耗的測(cè)試原理,設(shè)計(jì)了一套以S7-1200為控制核心和以Wincc為組態(tài)軟件的電機(jī)附加損耗測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用S7-1200控制設(shè)備運(yùn)行和數(shù)據(jù)的采集,利用OPC技術(shù)建立了S7-1200與Wincc的通訊,通過組態(tài)軟件Wincc對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)附加損耗的自動(dòng)測(cè)試。該系統(tǒng)解決了在人工測(cè)試時(shí),數(shù)據(jù)處理速度慢、誤差大等問題,提高了測(cè)試效率和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞EH-STAR；電動(dòng)機(jī)附加損耗；S7-1200；Wincc

隨著人們節(jié)能減排意識(shí)的提高,電動(dòng)機(jī)作為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要設(shè)備,其效率越來越受到人們的關(guān)注。電動(dòng)機(jī)附加損耗作為電機(jī)效率的重要指標(biāo),已被列為世界各國(guó)的重要考核對(duì)象,其準(zhǔn)確性測(cè)試也變得十分重要。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)最新發(fā)布的 IEC60034-2-1《確定損耗和效率的試驗(yàn)方法(牽引電機(jī)除外)》標(biāo)準(zhǔn),對(duì)確定電動(dòng)機(jī)附加損耗的方法做了修改,附加損耗的取值為輸入功率的0.5%的這一規(guī)定被取消,EH-star法作為電機(jī)附加損耗的最新測(cè)試方法被采用[1-4]。由于EH-star法測(cè)試的不確定度為中,試驗(yàn)時(shí)不需外接負(fù)載,不需要測(cè)功機(jī),具有投入成本低,操作方便等優(yōu)點(diǎn),使其在歐洲各國(guó)得到廣泛應(yīng)用。我們的設(shè)計(jì)依據(jù)EH-star法的測(cè)試原理,利用S7-1200和組態(tài)軟件Wincc,實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)附加損耗的測(cè)試。

1系統(tǒng)測(cè)試原理

EH-star中的EH指的是德語單詞EinphasigmitHilfswidertard=single phase with auxiliary resistante的首字母,即單相輔助電阻；star指的是測(cè)試時(shí)將電機(jī)繞組接成“星”型。EH-star法測(cè)試電路如圖1所示。

根據(jù)規(guī)定,額定運(yùn)行時(shí),電機(jī)繞組是“角”接的,測(cè)試時(shí),必須改成“星”接,“星”接中點(diǎn)必須斷開以避免零序電流產(chǎn)生,影響測(cè)試結(jié)果。測(cè)試時(shí)、電機(jī)不帶負(fù)載,以非平衡供電方式運(yùn)行。測(cè)試電壓、測(cè)試電流以及輔助電阻的大小可根據(jù)以下公式進(jìn)行設(shè)置。

額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)繞組是“星”接的,即

Ut=UN,

(1)

(2)

(3)

額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)繞組是“角”接的,即

(4)

(5)

(6)

測(cè)試期間,輔助電阻Reh的取值應(yīng)使得正序電流Iips與負(fù)序電流Iins的比值小于0.3,電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)接近額定轉(zhuǎn)速nN。測(cè)試啟動(dòng)后,調(diào)節(jié)供電電壓選取六個(gè)工作點(diǎn),使V相電流Iv在75%～150%額定電流范圍內(nèi),從高到低依次測(cè)取每一點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)值:Uuv、Uvw、Uuw、Iu、Iv、Iw、Puv、Pvw、n。為保測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確,在所有電流下的轉(zhuǎn)差率不應(yīng)大于額定轉(zhuǎn)差率的兩倍,即n>nsyn-2(nsyn-nN)(nsyn為同步轉(zhuǎn)速,nN為額定轉(zhuǎn)速)；否則,應(yīng)調(diào)節(jié)輔助電阻Reh進(jìn)行重新測(cè)試。

2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和配置

2.1系統(tǒng)方案組成

基于S7-1200的電動(dòng)機(jī)附加損耗測(cè)試系統(tǒng)主要由上位機(jī)、S7-1200PLC、電量監(jiān)測(cè)儀、電阻測(cè)試儀以及變頻電源等設(shè)備構(gòu)成,其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)以工業(yè)PC為上位機(jī),通過工業(yè)以太網(wǎng)和PLC進(jìn)行通訊,利用組態(tài)軟件Wincc對(duì)PLC所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、處理以及對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；電量監(jiān)測(cè)儀和電阻測(cè)試儀分別負(fù)責(zé)電量參數(shù)和電阻阻值的采集；步進(jìn)電機(jī)根據(jù)PLC輸出的脈沖,驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿帶動(dòng)輔助電阻的觸頭,實(shí)現(xiàn)電阻的自動(dòng)調(diào)節(jié)；變頻電源根據(jù)測(cè)試要求,輸出電能驅(qū)動(dòng)測(cè)試電機(jī)；光電編碼器用于測(cè)試電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.2主要硬件配置

(1)PLC的選型:控制系統(tǒng)采用1214C型S7-1200PLC,其輸入與輸出形式為DC/DC繼電器,帶有以太網(wǎng)通訊端口和高速計(jì)數(shù)器,集成了14路DI和10路DO,具有脈沖捕捉輸入和輸出功能,可擴(kuò)展3個(gè)通訊模塊和1個(gè)信號(hào)板。

(2)通訊模塊:設(shè)計(jì)中,測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集和測(cè)試參數(shù)的設(shè)定,均須通過PLC和相關(guān)設(shè)備通訊來完成。為實(shí)現(xiàn)上述功能,選用CM1241RS485作為PLC通訊擴(kuò)展模塊,其支持 Modbus RTU通訊協(xié)議,與外圍帶有485端口的設(shè)備進(jìn)行通訊時(shí),將其作為主站,其他設(shè)備作為從站,從站設(shè)備通過編址進(jìn)行區(qū)分。

(3)外圍硬件配置:電量監(jiān)測(cè)儀采用國(guó)產(chǎn)8976B型綜合電量測(cè)試儀,可測(cè)量三相電壓、三相電流、三相功率、總功率、功率因數(shù)、頻率、累計(jì)電能等參數(shù),可靠性高、抗干擾能力強(qiáng),帶有485通訊接口,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳。

電阻測(cè)試儀采用國(guó)產(chǎn)AT510型電阻測(cè)試儀,電阻測(cè)量范圍1μΩ～3MΩ,最大顯示30 000數(shù)。最高測(cè)試速度60次/s,測(cè)試速度在15次/s下,依然可以保證0.05%的準(zhǔn)確度。帶有485接口,可與上位機(jī)自由通訊。

2.3軟件配置

S7-1200PLC 的編程軟件選用Step7_professional_v11,利用該軟件完成控制程序的開發(fā)和調(diào)試。上位機(jī)軟件采用組態(tài)軟件Wincc7.0。由于Wincc7.0中缺少和S7-1200進(jìn)行通訊的驅(qū)動(dòng)程序,所以Wincc7.0與S7-1200之間通過以太網(wǎng)的通訊,只能通過OPC的方式進(jìn)行[5-7]。SIMATIC NET 作為西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的通訊軟件,該軟件能將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的PLC、主機(jī)、工作站和個(gè)人電腦聯(lián)網(wǎng)通訊。設(shè)計(jì)中,利用SIMATIC NET中的OPC模塊,將 S7-1200作為OPC的服務(wù)器端,上位機(jī)作為OPC的客戶端,利用SIMATIC NET實(shí)現(xiàn)Wincc7.0與S7-1200PLC之間的通訊。

3Wincc7.0與S7-1200通訊的建立

3.1在Step7中建立PC站

在Step7創(chuàng)建新項(xiàng)目EH-star,點(diǎn)擊項(xiàng)目欄中的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng),向畫面中分別添加PLC、PC站點(diǎn)、OPC服務(wù)器以及常規(guī)IE組件,添加完成后,分別點(diǎn)擊PLC和常規(guī)IE的以太網(wǎng)接口,修改各自的IP地址以及子網(wǎng)掩碼。常規(guī)IE的地址必須與本地計(jì)算機(jī)的IP相同,PLC的IP地址必須和常規(guī)IE的IP在同一網(wǎng)段上。修改完成后,將兩者建立起連接,連接方式選擇S7-Connection。至此,完成了在Step7中PC站的硬件組態(tài),結(jié)果如圖3所示。

3.2配置PC站的硬件機(jī)架

打開位于桌面上的站組態(tài)編輯器,利用添加按鈕分別向1號(hào)槽和3號(hào)槽添加OPC服務(wù)器和IE 通用組件,雙擊IE通用設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。設(shè)置完成后,點(diǎn)擊站名按鈕,添加站名(站名必須與Step7中的PC站站名相同)。以上完成后,打開配置控制臺(tái),將訪問點(diǎn)中的S7ONLINE 指向PC internal(local),為PC 站組態(tài)的下載做準(zhǔn)備。上述配置完成后,將Step7中的組態(tài)好的網(wǎng)絡(luò)連接下載到PC站中。下載成功后的畫面如圖4所示。

3.3通訊測(cè)試

打開OPC Scout軟件,在畫面中創(chuàng)建新工程,創(chuàng)建完成后,點(diǎn)擊畫面左欄中的OPC Simatic.NET,在該目錄下選擇S7connection_1文件夾,雙擊該目錄下的object文件夾,添加所要觀察的變量。S7-1200與SIMATIC NET之間進(jìn)行DB通訊,需要通過建立中間變量來完成。變量添加完成后,點(diǎn)擊“Monitring ON”按鈕,進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試畫面如圖5所示。

3.4配置Wincc站

在Wincc中創(chuàng)建新項(xiàng)目后,點(diǎn)擊畫面左側(cè)變量管理選項(xiàng),在彈出的所示驅(qū)動(dòng)選項(xiàng)中,選擇OPC,chn進(jìn)行添加。添加完成后,鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊OPC Group,在快捷菜單中點(diǎn)擊系統(tǒng)參數(shù),在彈出的對(duì)話框中選中OPC Simatic.NET,點(diǎn)擊瀏覽服務(wù)器按鈕,將OPC Scout中創(chuàng)建的變量添加到項(xiàng)目中,操作完成后,就可在Wincc中使用這些變量。通過上述操作,建立了S7-1200與Wincc之間的通訊。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

(1)輔助電阻自動(dòng)調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)輔助電阻的接入大小直接影響著測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性,為了使其能根據(jù)控制要求進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),在設(shè)計(jì)中,利用電阻公式將電阻的阻值和長(zhǎng)度建立關(guān)系,由于滾珠絲桿的移動(dòng)距離與步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度有確定關(guān)系,步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度又與PLC輸出脈沖數(shù)有關(guān)。因此,可將電阻阻值與輸出脈沖數(shù)建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過控制輸出脈沖數(shù),來控制輔助電阻的自動(dòng)調(diào)節(jié)?？刂瓶驁D如圖6所示。

(2)控制系統(tǒng)的工作流程設(shè)計(jì)中,PLC主要負(fù)責(zé)所需電測(cè)量參數(shù)的采集以及測(cè)試條件的設(shè)置,其在運(yùn)行過程中需要和上位機(jī)進(jìn)行交互式通訊完成相關(guān)動(dòng)作。PLC的工作流程圖如圖7所示。在整個(gè)工作流程中,PLC根據(jù)上位機(jī)所提供的參數(shù),控制輔助電阻的設(shè)計(jì)和變頻電源的設(shè)定；上位機(jī)根據(jù)PLC所采集到的電量參數(shù),對(duì)其進(jìn)行及時(shí)處理,并將處理結(jié)果返回給PLC；PLC依據(jù)反饋的測(cè)試結(jié)果,決定是否存儲(chǔ)數(shù)據(jù)或重新測(cè)試。

4.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件部分主要進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、打印。EH-STAR法數(shù)據(jù)處理算法中需要進(jìn)行大量復(fù)數(shù)運(yùn)算,而PLC很難實(shí)現(xiàn)這些功能。為解決上述問題,在Wincc中,利用其自帶VC腳本,將數(shù)據(jù)處理算法通過C語言來實(shí)現(xiàn),通過在PLC中設(shè)置非周期變量觸發(fā)腳本完成數(shù)據(jù)的處理。為了克服Wincc自帶數(shù)據(jù)報(bào)表在數(shù)據(jù)查詢、過濾方面存在的不足以及格式不靈活等缺點(diǎn)[8],在設(shè)計(jì)中,通過新建數(shù)據(jù)庫(kù),編寫VB腳本,利用PLC中設(shè)置的變量以及畫面中的按鈕,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)、查詢和打印,測(cè)試結(jié)果查詢畫面如圖8所示。

5結(jié)語

結(jié)合EH-star法測(cè)試原理,設(shè)計(jì)了以S7-1200為核心的測(cè)試系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了測(cè)試的自動(dòng)化；通過組態(tài)軟件Wincc,完成了測(cè)試數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)以及報(bào)表的打印功能。該系統(tǒng)解決了手動(dòng)測(cè)試過程中測(cè)試效率低、數(shù)據(jù)記錄不準(zhǔn)確的問題,提高了測(cè)試結(jié)果的可信度。

參考文獻(xiàn):

[1]Gerada C,Bradley K,Arellano-Padilla J.An Investigation Into the Suitability of Unbalanced Motor Operation,the Eh-star Circuit for Stray Load Loss Measurement[J].2005 IEEE Industry Applications Conference,40th IAS Annual Meeting,Hong Kong,2005,2(1):1 329-1 336.

[2]Aoulkadi M,Binder A.The Eh-star Method for Determination of Stray Load Losses in Cage Induction Machines,Proc.of the 4th International Conference Energy Efficiency in Motor Driven Systems[J].EEMODS,5-8 Sept.2005,Heidelberg,Germany,2005,1(1):130-140.

[3]李秀英.EH-star試驗(yàn)方法驗(yàn)證情況簡(jiǎn)介[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2008,35(5):30-35.

[4]李軍麗.三相籠型異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載雜散損耗的測(cè)試方法[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2009,36(4):44-48.

[5]任鑫,徐秉俊.EH-star 法確定電機(jī)附加損耗的試驗(yàn)與分析[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2012,39(11):40-42.

[6]王大鵬,蘇孝國(guó),王濤.基于C#語言的工業(yè)計(jì)算機(jī)與S7-1200的OPC通訊[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2014,34(11):147-150.

[7]周新民,涂錚.基于OPC技術(shù)的 PC與S7-200 PLC的實(shí)時(shí)通信[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版,2008,32(2):355-357.[8]周小龍,劉芙蓉,范敏毅.WinCC自定義數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)查詢和報(bào)表生成[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2013,26(4):22-23.

Design of Additional Loss Test System of Electric Motor Based on S7-1200

Shan Baoming,Zhao Wenqiang

(College of Automation & Electronic Engineering,Qingdao University of Science & Technology,Qingdao 266042,China)

Key wordsEH-STAR;Additional loss of electric motor;S7-1200;Wincc

AbstractA set of additional loss test system of electric motor with S7-1200 as controlling core and Wincc as configuration software is designed based on test principle of additional loss of electric motor of EH-star method.The system adopts S7-1200 to control equipment operation and data collection,uses OPC technology to build communication between S7-1200 and Wincc,and realizes automatic test of additional loss of electric motor by managing data with Wincc configuration software.The system solves low data processing speed,big error and other problems occurred when having manual testing,and promotes accuracy of test efficiency and result.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.03.008.

收稿日期:2015-09-16;修回日期:2015-11-02.

作者簡(jiǎn)介:單寶明(1974-),男,山東東營(yíng)人,碩士,副教授,研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)、智能控制技術(shù).E-mail:13153250037@163.com. 通訊作者:趙文強(qiáng).E-mail:553952047@qq.com.

中圖分類號(hào):TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1004-0366(2016)03-0035-05

引用格式:Shan Baoming,Zhao Wenqiang.Design of Additional Loss Test System of Electric Motor Based on S7-1200[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(3):35-39.[單寶明,趙文強(qiáng).基于S7-1200的電動(dòng)機(jī)附加損耗測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(3):35-39.]