多型電機(jī)實(shí)時(shí)群控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧輝明,黃 峰

(1.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院,湘潭 411104；2.湖南省風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411104；3.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411104)

多型電機(jī)實(shí)時(shí)群控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧輝明1,2，3,黃 峰1,2，3

(1.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院,湘潭 411104；2.湖南省風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411104；3.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411104)

針對(duì)傳統(tǒng)電機(jī)控制技術(shù)的不足設(shè)計(jì)了一套多型電機(jī)實(shí)時(shí)群控系統(tǒng).系統(tǒng)由4臺(tái)不同的電機(jī)組成，由智能型CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)電器控制.上位機(jī)利用力控組態(tài)軟件，采用Modbus-TCP通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制、保護(hù)、監(jiān)測(cè).測(cè)試表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)等功能，提高了控制效率，簡(jiǎn)化了操作難度，提高了可靠性，可滿足電機(jī)分布式控制要求.

電機(jī)；力控組態(tài)軟件；Modbus通訊協(xié)議

0 引言

電機(jī)廣泛應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)[1].每個(gè)電機(jī)都有控制保護(hù)電路，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要對(duì)每臺(tái)電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)或關(guān)閉，操作繁瑣.一旦遇到突發(fā)性故障，若不及時(shí)監(jiān)控及處理，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)器損失.同時(shí)，對(duì)電機(jī)的后期維修也有諸多不便.

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)數(shù)量多、種類復(fù)雜.傳統(tǒng)的電機(jī)控制系統(tǒng)中，一般通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)+斷路器+交流接觸器+熱繼電器等分立元件對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制與保護(hù).結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能單一，不能滿足客戶需要.

本文采用了智能型CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)電器[2]對(duì)不同類型的電機(jī)進(jìn)行控制.利用力控組態(tài)軟件[3]通過(guò)上位機(jī)，基于Modbus-TCP協(xié)議[4]對(duì)多電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)群控.系統(tǒng)遵循配電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，能實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制、記錄、工作狀態(tài)顯示、配置參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)置、故障判定、保護(hù)及測(cè)量.實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控、調(diào)度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)等功能，提高了系統(tǒng)效率及可靠性、安全性.

1 電機(jī)群控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電機(jī)群控系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示.系統(tǒng)采用分層主從分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)通信層和系統(tǒng)管理層.現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層采用帶通訊功能的控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的就地操作和保護(hù)控制.采集電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警信息，并通過(guò)通信模塊將其傳送給主機(jī).網(wǎng)絡(luò)通訊層是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層與系統(tǒng)管理層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換傳遞的通訊設(shè)備和通訊線路，由Modbus-USB轉(zhuǎn)換器和通訊電纜組成.系統(tǒng)管理層包括監(jiān)控主機(jī)(上位機(jī))、監(jiān)控組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制、監(jiān)控及管理.

圖1 電機(jī)群控系統(tǒng)的整體架構(gòu)

控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)是系統(tǒng)的核心部件，集成單片機(jī)控制器，可執(zhí)行系統(tǒng)的指令和功能、實(shí)現(xiàn)電機(jī)保護(hù)，并采集電機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù).

采用力控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制與監(jiān)測(cè).力控組態(tài)軟件最大的特點(diǎn)是可以采用簡(jiǎn)單靈活的“組態(tài)方式”進(jìn)行系統(tǒng)集成.只需在開(kāi)發(fā)界面創(chuàng)建好需要的界面，再通過(guò)創(chuàng)建數(shù)據(jù)點(diǎn)與界面進(jìn)行動(dòng)畫(huà)鏈接，最后通過(guò)I/O設(shè)備組態(tài)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制器進(jìn)行通訊連接.

2 多型電機(jī)群控系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 通訊協(xié)議

(1) Modbus-RTU通訊協(xié)議

Modbus-RTU通訊方式是上位機(jī)力控組態(tài)軟件通過(guò)RS-485轉(zhuǎn)換器與設(shè)備相連實(shí)現(xiàn).這種通訊方式設(shè)置比較簡(jiǎn)單，只需要將RS-485轉(zhuǎn)換器將KB0-T的通訊口與上位機(jī)電腦端口連接，在力控組態(tài)軟件中選擇相應(yīng)的串口，再設(shè)置與設(shè)備對(duì)應(yīng)的通訊地址、波特率、奇偶校驗(yàn)位及停止位即可實(shí)現(xiàn)通訊.

(2)Modbus-TCP通訊協(xié)議

Modbus-TCP通訊方式有兩種：透?jìng)骱椭芷谛詧?bào)文.本系統(tǒng)采用透?jìng)鞯姆绞?，通過(guò)VT1-AMT設(shè)置網(wǎng)關(guān)，在同一局域網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)通訊.將上位機(jī)電腦和VT1-AMT分別連接網(wǎng)口.本系統(tǒng)中VT1-AMT設(shè)備地址采用默認(rèn)IP地址19.2.168.0.2，上位機(jī)電腦IP地址為192.168.0.17，將KB0-T設(shè)備的通訊口連接VT1-AMT設(shè)備串口.理論上來(lái)講一臺(tái)VT1-AMT設(shè)備可以連接32臺(tái)通訊設(shè)備，本系統(tǒng)只連接2臺(tái)KB0-T設(shè)備試驗(yàn).這種通訊方式相比RTU通訊方式更加方便，并且可以通過(guò)設(shè)置力控組態(tài)軟件來(lái)遠(yuǎn)程訪問(wèn)系統(tǒng)，省去了RS-485通訊電纜，更加快捷可靠.

2.2 控制與保護(hù)特性

系統(tǒng)選用KB0-T系列控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)電器，控制與保護(hù)方便、可靠、節(jié)能.通過(guò)高效的PIC單片機(jī)，對(duì)三相電流及電壓進(jìn)行采集，利用嵌入式軟件進(jìn)行分析運(yùn)算后發(fā)出相應(yīng)的處理指令來(lái)控制電機(jī)的通斷及傳遞信號(hào).保護(hù)開(kāi)關(guān)具有短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、斷相保護(hù)、電壓保護(hù)、漏電流保護(hù)等功能.內(nèi)部集成了通訊模塊，采用Modbus通訊協(xié)議，通過(guò)RS-485和VT1-AMT能夠跟上位機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定及高速的數(shù)據(jù)交換.開(kāi)關(guān)電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 KB0-T開(kāi)關(guān)電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.3 系統(tǒng)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，用4臺(tái)不同類型電機(jī)進(jìn)行測(cè)試.電機(jī)包括兩臺(tái)普通風(fēng)機(jī)、一臺(tái)可逆電機(jī)和一臺(tái)雙速風(fēng)機(jī)進(jìn)行組網(wǎng).將1號(hào)和3號(hào)智能型控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)電器上的通訊接點(diǎn)通過(guò)Modbus-USB設(shè)備與上位機(jī)相連，2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)智能型控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)電器上的通訊節(jié)點(diǎn)連接VT1-AMT設(shè)備串口，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞.上位機(jī)軟件界面如圖3所示.

圖3 上位機(jī)軟件界面

通過(guò)操作界面，可查看并配置電機(jī)重要信息.如配置參數(shù)信息、運(yùn)行中電流信息、通訊及運(yùn)行是否正常等.系統(tǒng)集成了過(guò)載、斷相、堵轉(zhuǎn)、欠載、電流不平衡、欠電壓、起動(dòng)超時(shí)的故障報(bào)警信息，同時(shí)，可隨時(shí)進(jìn)入組態(tài)功能，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行啟動(dòng)、停止控制，參數(shù)修改，故障分析等操作.

KB0-T系列控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)電器內(nèi)部集成了大量電機(jī)保護(hù)功能，運(yùn)行中一旦電機(jī)發(fā)生故障，通過(guò)上位機(jī)軟件界面，發(fā)生故障的原因?qū)?huì)亮紅燈，可以清晰的查看故障電機(jī)位置以及發(fā)生故障的原因.便于有針對(duì)性的對(duì)電機(jī)進(jìn)行維護(hù)修理，減少了工作量，提高了工作效率.

系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表1所示.

表1 主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

3 總結(jié)

利用上位機(jī)組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)電機(jī)群控系統(tǒng).將電機(jī)的保護(hù)設(shè)備(CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān))與直觀的操作界面結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)的智能控制、保護(hù)、監(jiān)測(cè)以及故障預(yù)警等功能.采用4臺(tái)不同的電機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)測(cè)試.長(zhǎng)時(shí)間的通電運(yùn)行測(cè)試表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)等功能，具有較強(qiáng)的可靠性和穩(wěn)定性.

[1] 程啟明, 程尹曼, 王映斐,等. 交流電機(jī)控制策略的發(fā)展綜述[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2011, 39(9): 145-154.

[2] 馮明哲, 王 堅(jiān). CPS在電氣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 低壓電器, 1993(3): 40-42.

[3] 許利霞, 張鐵民, 劉瀟建. 組態(tài)軟件在超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 微電機(jī), 2010,43(3): 42-44.

[4] 朱 懿，蔣念平. Modbus協(xié)議在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2006(22): 118-120.

Design and Realization of Multi Type Motors Group Real-time Control System

DENG Hui-ming1,2,3, HUANG Feng1,2,3

(1. College of Eleetrical & Information Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China;2. Hunan Province Cooperative Innovation Center for Wind Power Equipment and Energy Cenversion, Xiangtan 411104, China;3. Hunan Provincial Key Laboratory of Wind Generator and Its Control, Xiangtan 411104, China)

This paper designs a multi type motors group real-time control system. It consists of four different types of motors which are controlled by the intelligent control and protective switching devices. In host computer, it uses the force control configuration software in motor’s control. Modbus-TCP communication protocol is used in data communication. Tests show that the system can improve the control efficiency and simplify the operation difficulty and the reliability. It completely meets the requirements of distributed control.

motor； force control configuration software； modbus communication protocol

2016-10-09

湖南省教育廳資助科研項(xiàng)目(15K032)；湖南省高校科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃資助(湘教通[2014]103號(hào))

鄧輝明(1992-)，男，碩士研究生，研究方向：電機(jī)控制.

TM301.2

A

1671-119X(2017)01-0021-03