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硕士温控论文
分类号：
TP273单位代码：
11407
密级：
学号：
20077040
北方民族大学
硕士学位论文
具有绝缘阻值在线检测功能的智能温度控制系统的设计
Theintelligencetemperaturecontrolwiththeinsulation
resistanceon-linemeasuringabilitysystem'sdesign
学位申请人：
刘军锋
指导教师：
虎恩典教授
合作指导教师：
申请学位门类级别：
工学硕士
专业名称：
电路与系统
研究方向：
计算机控制
所在学院：
电气工程学院
论文完成日期：
2010年4月10日
独创性声明
本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，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，也不包含为获得北方民族大学或其它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了谢意。
研究生签名：
时间：
年月日
关于论文使用授权的说明
本人完全了解北方民族大学有关保留、使用学位论文的规定，即：
学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
同意北方民族大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。
研究生签名：
时间：
年月日
导师签名：
时间：
年月日
摘要
为了适应企业对产品的性能准确评估要求，同时提升企业的生产力水平和产品竞争力，本课题来源于宁夏科技厅科技攻关项目——围绕电机生产过程开发了一套具有电机绕组绝缘阻值在线检测功能的智能温度控制系统。
本系统属于集散控制系统，主要由三部分组成，下位机是由多台智能温度仪表、智能数字兆欧表和485转232的转接头（485电平转成PC机能够接受的232电平）组成，上位机是基于PC机的组态王软件部分。
针对烘干炉惯性大、有滞后等特点，采用模糊控制方法，并设计了Smith-FuzzyPID控制器；针对电机绕组的大容性、热态绝缘阻值较小，容易击穿的特点，自主研发一种具有通信功能的低压智能兆欧表。
由多台仪表（温控仪表和智能兆欧表）通过RS485总线与上位机PC机构成整个在线监控系统，上位工控PC机中的组态王软件在线远程监控下位仪表自动测量烘干炉炉温和炉中电机绕组的绝缘阻值，利用组态王中的windows界面实时显示下位机传来的数据，并记录到了历史数据库中。
组态王软件还可以根据相关信息绘制出烘干炉的炉温曲线及电机绕组的热态绝缘阻值变化曲线，为控制产品质量和日后的故障判别提供依据。
本控制系统应用于宁夏石嘴山市某电机厂，数据测量效果良好，提高了厂家的自动化水平。
关键词：
绝缘阻值，兆欧表，组态王，在线检测，高压输出
Abstract
Inordertoadapttheenterprisetotheproductmanufacturingdaybydaystrictmanagementrequest,simultaneouslypromotesenterprise'sproductiveforceslevelandtheproductscompetitivepower,thisissuehasdevelopedasetofelectricmotorwindinginsulationresistanceonlineexaminationsystemsurroundingthemotorproductionprocess.Thesystembelongtothedistributedcontrolmode,mainlycomposedofthreeparts,thelowerpositionmachineiscomposedofmanyintelligentdigitmegameter,thesuperiormachineisKingviewsoftwarewhichbasedonthePCmachineand485revolutionof232extensionattachments.
Forthedryingfurnacehasthelagandlargeinertiacharacteristics,adoptfuzzycontrolmethod,anddesignoftheSmith-FuzzyPIDcontroller;forlargecapacitiveofthemotorwindings,smallthermalinsulationresistance,easytopenetratecharacteristics,independentlyresearchanddevelopalow-voltagesmartmeggerwithcommunicationfunction.morethanonemeter（temperature-controlledinstrumentationandintelligentmegger）throughRS485busandhostcomputercomposethewholeon-linemonitoringsystem,IndustrialPCConfigurationsoftwareon-lineremotelymonitorandcontrolthemetertoautomaticmeasureMotorwindinginsulationresistanceandunder-dryingfurnacetemperature,KingViewsoftwareusewindowsinterfacetodisplaycollecteddataandrecordcollecteddatainthehistoricaldatabase.KingViewsoftwarecanalsodrawdryingtemperaturecurveandinsulationresistancevarycurve,forcontrollingproductqualityandprovidingthebasisforfuturefaultdiscrimination.ThiscontrolsystemusedinaShizuishanCitymotorFactory,measurementdataresultisgood,improvetheleveloffactoryautomation.
Keywords：
InsulationResistance，Megameter，Kingview，OnlineExamination，HighVoltagePowerSupply
目录
摘要I
AbstractII
目录III
第一章绪论1
1.1课题研究背景及意义1
1.2国内外现状和发展趋势2
1.3课题的主要任务3
第二章绝缘介质特性与测量原理4
2.1绝缘介质的概念4
2.2绝缘介质的基本特性4
2.3绝缘阻值的动态测量与数学模型5
2.4兆欧表的测量方法8
2.4.1支路测量法8
2.4.2比较测量法9
2.4.3A/D转换器除法运算法9
2.4.4电阻—频率转换电路法10
第三章智能数字兆欧表的设计12
3.1兆欧表的硬件电路设计12
3.1.1直流电源的产生电路12
3.1.2负高压产生及自动调节电路13
3.1.3采样网络选择及自动量程转换15
3.1.4A/D信号采集电路16
3.1.5信号调理与抗干扰电路17
3.1.6人机接口电路17
3.1.7通信电路21
3.2RS485/RS232电平转化电路23
3.3智能兆欧表软件设计24
3.3.1主程序24
3.3.2数据处理程序25
3.3.3液晶显示程序25
3.3.4与组态软件的通讯协议26
3.3.5通讯程序28
第四章智能温控仪表的设计32
4.1温控仪表的硬件电路设计32
4.2接口与报警电路设计35
4.3温度控制器的控制策略37
4.3.1Smith预估器的控制原理38
4.3.2PID控制理论39
4.3.3模糊控制系统41
4.3.4Smith—FuzzyPID控制器的设计43
4.4利用MATLAB对控制器的建模仿真48
4.4.1构建Smith—FuzzyPID控制器的方法48
4.4.2Simulink仿真50
4.4.3仿真结果分析52
4.5温控仪表的软件设计52
4.5.1T0中断服务程序52
4.5.2采样程序和数字滤波程序53
4.5.3控制算法程序54
4.5.5脉冲宽度调制（PWM）算法54
第五章单片机系统的抗干扰设计55
5.1干扰的分类55
5.2单片机硬件电路中的抗干扰55
5.3单片机软件程序中的抗干扰58
第六章上位机组态软件的设计60
6.1组态软件概述60
6.2Kingview组态软件60
6.2.1使用Kingview组态王编写监控系统的过程61
6.2.1监控对象及其监控系统的实现62
6.3组态王与下位仪表的通讯通讯设计68
6.4组态王画面控制程序设计68
第七章结论与展望70
参考文献：
71
致谢：
73
附录：
74
第一章绪论
1.1课题研究背景和意义
随着现代技术的不断更新和拓展，对电力系统及其高压设备的可靠性也提出更高的要求。
高压设备的事故往往源于绝缘设备的老化、受潮或击穿，电气设备的使用寿命主要决定于其内部绝缘材料的性能，因而密切关注绝缘材料性能的下降和劣化至关重要。
电机是国民经济生产使用中最广泛的机电设备之一，它制约着工业生产的各个环节，而绕组又是电机的“心脏”，其匝间绝缘性能的优劣直接决定了电机的寿命。
电机在使用中出现故障最多的是绕组击穿、绕组短路、绕组断路、绕组烧坏等，这些都属于电机绝缘问题。
电机寿命的长短主要取决于绝缘质量，而电机绝缘质量的高低，主要是和电机绝缘处理有关。
虽然电机的线圈与其它部件在制成定子、转子时，已具有一定的绝缘能力，如漆包线是由漆膜作导线绝缘；铁芯槽内有槽绝缘等。
但漆包线上薄薄的一层漆膜作为导线绝缘，非常薄弱，易受损伤，且漆包线、槽绝缘、槽楔相互移动，电机在启动运行和停止时，绝缘材料要承受电磁振动和机械振动的冲击，还要受到空气中潮气、灰尘、盐雾、和工作环境中腐蚀气体或液滴的浸蚀，并经受运行时发热条件的老化，在电场作用下绝缘中的空气容易电离引起击穿。
因而必须对电机绕组进行绝缘处理，将线圈与其相邻部位用绝缘漆浸渍，使导线、槽绝缘等绝缘部件用绝缘树脂包封成为密实坚固的整体。
工厂在电机生产过程工序中包含对电机绕组进行预烘、浸漆、烘干等绝缘处理。
其目的是用漆填满绝缘内层中所有空隙和覆盖表面，去除潮气、氧、灰尘等有害物质，经绝缘处理后可以提高电机绕组的耐潮性能、耐热性和导热性、耐化学腐蚀性能、电机绝缘电气性能和机械性能以及绕组的化学稳定性等性能。
生产过程中，通过对电机绕组烘干过程中的炉温和电机绕组热态阻值跟踪测量，及时、准确的获取电机绕组在绝缘处理过程中的参数变化情况，再对所获信息进行归纳和综合后，与试验标准和工艺规定值以及以往试验结果进行比较，就可以得出当前电机绕组是否满足绝缘等级要求，即是否到达工艺标准。
在对相关记录数据分析归纳后，还可以针对相关数据进一步改进工艺，从而提高生产能力，减少废品率，降低出厂成本以及提高企业利润等。
本课题正是针对以上电机生产中电机绕组绝缘阻值[1][2][3]测量所存在的问题而提出的，主要围绕宁夏西北骏马煤矿电机厂的电机绝缘工艺过程。
在电机生产过程中，需要对电机绕组作预烘、浸漆、烘干等绝缘处理，在原有的单神经PID的温控系统基础上进行改造，并且，加入自主研发智能兆欧表，利用RS-485组成串行通信总线结构，从而构成具有绝缘阻值在线检测功能的智能温度控制系统。
通过智能兆欧表和智能仪表分别对热态电机绕组绝缘阻值和烘干温度进行自动监控，并将检测数据自动上传给工控机，由工控机对数据作记录、分析、存储。
整个过程实现自动值守，无人化管理模式，大大减轻了工人负担，并大幅提高了企业的管理水平。
1.2国内外现状
从电机整个生产工艺可以看出，电机绝缘性能的好坏直接与温度有着密切的关系，浸漆前的预烘，能够驱除绕组内部的潮气和挥发物，并使其获得适当的温度，以利于绝缘漆的渗透和填充；浸漆后的烘干，能够促进漆基的聚合和氧化作用，使浸入绕组内部的漆固化，并使其表面形成光滑漆膜。
而烘干过程又分为两个阶段进行：
第一阶段主要是溶剂的挥发，这时温度应控制在溶剂的挥发温度以上、沸点温度以下，使溶剂既能顺利逸出，又不致在绕组表面形成微孔和气泡，同时又可避免漆的表面形成硬膜，阻碍内部溶剂的挥发，在此过程中，还应控制风机进行换气，保证有炉内空气不断换新，以加速溶剂的挥发和防止溶剂气体过浓而引起爆炸事故；第二阶段主要是漆基的聚合固化，并在工件表面形成坚硬的漆膜。
由此可见，温度控制极其重要，国内外技术也比较成熟，控制方案众多，有PID调节、模糊PID、史密斯预估法、神经元控制、神经网络控制等，采用哪种控制方案要在价格和控制效果上选择。
电机绕组的绝缘程度程度，可由热态电机绕组的绝缘阻值来反映，绝缘阻值的测量仪表是智能兆欧表，此表的研制技术在国外已经比较完善，但是价格较贵，通常需要几千，甚至上万美元；并且，国外早在20世纪70年代，就已经开始对用电设备进行出厂前鉴定，还对用电设备进行跟踪检测及定期维护，尽量减少事故的发生。
在国内也有自主研发的，但是技术还不成熟，对热态电机绕组绝缘阻值测量这一块还没有引起重视，市场上还没有相应的测量仪表。
目前市场上大部分还是进口设备，这种兆欧表功能较单一，没有实时通讯功能，无法实现现场要求的多台仪表统一管理的智能控制要求，其次，市场上的智能兆欧表的实验直流电压基本都是在1kv以上，这样大的电压很容易击穿刚开始烘干的热态电机绕组（绝缘阻值不大，爬电间隙较小）。
再次，现今的智能兆欧表对电机绕组热态绝缘电机阻值较小，容性较大的情况下，测量数据精度不高，误差较大。
最后，所测数据无法自动采集、存储和查询，自动化水平比较低，而且不能一机多用。
因而，我们需要根据工厂要求，设计出500V、1kV可自动换挡的智能低压数字兆欧表，与智能温控仪表一起组成具有绝缘阻值在线检测功能温度控制系统。
与本课题类似的研究成果和实际产品主要是数字兆欧表。
国内的兆欧表厂商，例如武汉康达，上海六厂等，最低电压也是1kV，其产品的测量范围大多都在几MΩ～几十GΩ，测量误差在8%之内；国外产品，例如日本共立（KYORITSU）和恒河，德国BEHA，美国的ED&D等，其产品性能，功能和精度较之国内产品都更加优良，因此现在在绝缘电阻测试以及相关产品方面领先的仍然是国外的产品。
目前流行的智能高压兆欧表，是以单片机为核心组建，以其测试功能强，自动化程度高而备受青睐。
国外已在此基础上开发了基于绝缘电阻测量的数字兆欧表，有多种测量方式，可以自动计算、打印（试品的）绝缘电阻值、吸收比、极化指数和残余吸收电流等绝缘特征参数，获取的性能参数多。
本系统汲取国内外产品的优秀和成熟之处，根据实际需要设计了一套具有绝缘阻值在线检测功能的智能温度控制系统，该系统具有在线测试热态绝缘阻值和温度实时控制两大功能，其技术参数和性能不逊于国外现有产品。
1.3课题的主要任务
本课题主要尝试了一种新的智能温度控制方法和绝缘电阻测量方法，其特点主要是：
温度自动调节性能更优，相对于传统的绝缘阻值测试仪，智能数字兆欧表进行了本质上的改进，使其达到较高的测量精度，与智能温控仪表一起组成具有绝缘阻值测试功能的智能温度控制系统，可以全自动的测量数据，减少了工人的劳动强度。
同时，能够对电机绕组在烘干处理过程中进行绝缘阻值检测和烘干炉的炉温进行控制，并将产品型号、操作人员，生产日期，绝缘阻值和炉温等相关信息一同录入电脑中存档，以供查询，顺应了企业提高产品质量和管理水平的要求。
根据课题要求，进行了系统的整体设计，系统主要由上位机和下位机组成。
上位机是以组态王软件为基础开发的工控系统，下位机是以数字兆欧表和温控仪表为单元的测量仪表，上位机和下位机通过RS232/RS485转换器按照协议进行串行通讯。
整个系统的构成如图1-1所示:
图1-1系统结构图
根据整体设计，本论文分别从下位机仪表和上位机组态王这两个方面进行叙述，而仪表又以硬件部分和软件部分入手作详细讲解。
按此方式，本文共分为六大部分：
第一部分，介绍了本课题的研究背景和意义，国内外的发展趋势和系统总体设计。
第二部分是全文的第二章，介绍了绝缘体的基本特性、测量原理和测量方法，并对电机绝缘阻值测量的数学模型进行了动态分析；
第三部分是全文的第三章，介绍了智能数字兆欧表的设计，详细介绍了它的硬件电路设计和软件程序设计，并对单片机和上位PC机的通讯部分进行阐述；
第四部分是全文的第四章，介绍了智能温控仪表的设计，详细介绍了它的硬件电路设计和软件程序设计，并对软件中的温度控制策略的相关技术进行了阐述；
第五部分是全文的第五章，主要介绍了整个系统的抗干扰设计
第六部分是全文的第六章，主要介绍了上位机组态王的软件设计及相应的程序流程图；
最后一部分为论文的结论与展望，总结系统所实现的功能和特点，展望下位仪表的使用前景。
第二章绝缘介质特性与测量原理
2.1绝缘介质的概念
电介质（或称绝缘介质）主要作用是用来隔离带电的或不同电位的导体，使电流能按一定的方向在导体中流通。
电气设备的绝缘性能主要决定于所采用绝缘介质的性能和场强设计，在外电场作用下，电阻率超过108Ω·cm、能被极化的物质为电介质。
为了提高高压设备的耐压能力，广泛采用液体、固体和某些气体电介质作为内绝缘材料。
故绝缘材料的采用可以减小电器设备的结构尺寸，密封化结构可以使设备的绝缘能力一般不受外界大条件变化的影响。
绝缘材料除具有电气绝缘性能外，在电场作用下所表现出的物理特性主要有极化、电导、损耗，在外界强电场作用下会发生击穿，工作运行中也会逐渐老化。
因此，必须了解绝缘介质在电场中的上述特性，定期测量反应这些特性的绝缘电阻、泄露电流、介质损耗角正切等参数，以揭示绝缘性能的改变，达到绝缘检测的目的。
本文涉及的被测对象是大容量的防爆电机，一般都在几百KW以上，容性负载效应明显，每次测量时，电机绕组的绝缘阻值呈上升趋势，整个电机模型相当于一个电阻串联一个电阻和电容的并联支路，对电机测量初始，相当于兆欧表经过一个电阻对电容充电，随着电荷的增加，电容趋于饱和，真实的阻值就反映出来了。
2.2绝缘介质的基本特性
1极化
置于外电场中的电介质，沿电场方向产生偶极距、在电介质表面产生束缚电荷的现象称为极化。
介质极化的类型决定于绝缘介质的分子结构和分子的运动形式。
根据形成极化的机理不同，介质极化可以分为四种，即电子和离子的位移极化，热离子位移极化，偶极子极化以及夹层极化。
根据电介质极化形式大体可分为两种类型：
第一种类型的极化为立即瞬态过程，完全弹性方式，无能量损耗，也即无热损耗产生；
第二种类型的极化为非瞬态过程，极化的建立及消失都以热能的形式在介质中消耗而缓慢进行，这种称为松弛极化。
2电导
理想的绝缘介质不含带电质点，也没有自由电子，应该不具带电性。
在现实世界中，理想的绝缘介质是不存在的，任何绝缘材料和绝缘结构在电场作用下都会因载流子的定向流动形成微小的电流，具有微弱的导电性，呈现数值很高但有限量的绝缘阻值。
物体中衡量传导电流通过的能力为电导。
电介质中的电导可分为离子电导和电子电导。
正常情况下，电介质中导电的载流子是离子而不是自由电子。
绝缘介质中总含有少量的杂质离子，在外电场的作用下，介质本身的离子和外来杂质离子分解为正负离子，并各自沿电场方向移动，形成载流子迁移的离子性电导电流，电导电流随环境温度增大呈上升趋势，电导率增大，电阻率下降。
这一特性恰恰与金属导电的情况相反，这是因为温度升高时，到电的离子数量因热离解而增加；介质粘滞性的下降使分子间相互作用力减小，有利于离子的迁移。
绝缘介质在高压电场作应下被碰撞和游离激发出来的自由电子沿电场方向移动形成电子电导电流时，表明绝缘介质已被击穿。
一般认为绝缘介质中的电导均指离子性电导。
3电介质的损耗
绝缘介质在一定电压作用下都将产生的各种损耗，称为介质损耗。
按照物理性质，电介质损耗通常可分为三种形式。
第一种是电导损耗。
他是电导电流使绝缘介质发热而产生电导的能量损耗，在交直流电压下都产生，电导损耗对于后面两种损耗而言是很小的。
介质吸收水分后，将引起损耗增大时，这一损耗也急剧增加。
第二种是极化损耗。
在交变电场中，随着外界电场大小和方向的改变，绝缘介质的极化也随之改变其强度和方向，带电质点沿交变电场的方向作有限的往复位移和重新排列。
由于绝缘介质中存在建立时间较长的松弛极化现象，极化过程总滞后于交变电场的变化，在大部分时间内，电场总对移动中的电荷做功，产生绝缘介质因松弛极化而引起的热损耗，也就是极化损耗。
只在交变电场下才会出现这种类型的极化损耗。
随着交变电场频率的增加，电荷的往返运动更趋频繁，极化损耗也愈大。
第三种是游离损耗。
游离损耗是绝缘介质内局部由于气泡，油隙，电极尖端等电场集中处的电场强度高于某一数值时，产生游离放电引起的。
该局部放电因游离和电子注轰击而伴随有较大的能量损耗。
游离损耗只在外加电场超过一定数值后才会出现，并随着电压升高而急剧增加。
4电介质的击穿
在电介质上施加电压后，电介质中流过不大的泄露电流。
当作用电压超过某一临界值时，电介质中电流剧增，发生破裂或分解，以至丧失其固有的绝缘性能而呈导电性能，这种现象称为电介质的击穿。
在不均匀电场中，场强大处首先达到电介质的耐压强度，产生局部放电、局部击穿和电晕，但整个绝缘体不一定马上击穿，所以整个绝缘结构的击穿电压往往大于其局部放电或起始电晕电压。
对固体介质而言，大致可分为电击穿，热击穿和放电击穿三类。
实际上，上述三种击穿形式往往同时存在。
如图2-1所示，试品泄漏电流曲线的起始部分基本符合欧姆定律；当外施电压较高时，电流呈指数增大；最终为强电区，电流陡增，曲线弯曲并向上出现拐点，直至击穿。
图2-1绝缘击穿时电流与外施电压的关系
2.3绝缘阻值的动态测量与数学模型
1绝缘阻值的基本概念
防爆电机设备的体积较大，绝缘电阻值较高，并具有较大的分布电容，电机绕组在烘干过程中的热态绝缘阻值测试作为最基本非破坏性测量方法，在电机定子和线圈上施加直流实验电压后，置于电场中的电机绝缘介质沿电场方向产生偶极距，界面产生束缚电荷，形成极化现象。
测试电压施加于电机绕组上产生的电流及其随时间的变化规律反应了绝缘介质的物理特性，流过电机定子上的硅钢片与绕组之间的总电流由电容充电电流ig（t）、介质吸收
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