双速电机上位机监控系统设计方案.docx

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双速电机上位机监控系统设计方案

SCADA系统发展到今天已经经历了三代。

第一代是基于专用计算机和专用操作系统的SCADA系统，这一阶段是从计算机运用到SCADA系统时开始到70年代。

第二代是80年代基于通用计算机的SCADA系统，在这一阶段，SCADA系统在电网调度自动化中与经济运行分析，自动发电控制（AGC）以及网络分析结合到一起构成了EMS系统（能量管理系统）。

第一代与第二代SCADA系统的共同特点是基于集中式计算机系统，并且系统不具有开放性，因而系统维护，升级以及与其它联网构成很大困难。

90年代按照开放的原则，基于分布式计算机网络以及关系数据库技术的能够实现大范围联网的EMS/SCADA系统称为第三代。

这一阶段是我国 SCADA/EMS系统发展最快的阶段，各种最新的计算机技术都汇集进SCADA/EMS系统中。

本文开发设计了一套双速电机寿命实验“数据采集和监控管理系统（SCADA）系统，该系统可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。

在SCADA系统集成平台上，实现信息的采集、信息的传输、信息的处理以及信息的综合利用。

它将数据采集控制系统与工厂内部管理网络系统连接，利用Internet/Web技术，达到工厂内部信息交换，实现企业的管控一体化，提高企业的生产效率。

1SCADA系统的概述

1.1SCADA系统的发展历程

SCADA系统，全名为数据采集与监视控制系统。

SCADA系统自诞生之日起就与计算机技术的发展紧密相关。

SCADA系统发展到今天已经经历了三代。

第一代是基于专用计算机和专用操作系统的SCADA系统，如电力自动化研究院为华北电网开发的SD176系统以及在日本日立公司为我国铁道电气化远动系统所设计的H-80M系统。

这一阶段是从计算机运用到SCADA系统时开始到70年代。

第二代是80年代基于通用计算机的SCADA系统，在第二代中，广泛采用VAX等其它计算机以及其它通用工作站，操作系统一般是通用的UNIX操作系统。

在这一阶段，SCADA系统在电网调度自动化中与经济运行分析，自动发电控制（AGC）以及网络分析结合到一起构成了EMS系统（能量管理系统）。

第一代与第二代SCADA系统的共同特点是基于集中式计算机系统，并且系统不具有开放性，因而系统维护，升级以及与其它联网构成很大困难。

第三代，90年代按照开放的原则，基于分布式计算机网络以及关系数据库技术的能够实现大范围联网的EMS/SCADA系统称为第三代。

这一阶段是我国SCADA/EMS系统发展最快的阶段，各种最新的计算机技术都汇集进SCADA/EMS系统中。

这一阶段也是我国对电力系统自动化以及电网建设投资最大的时期，国家计划未来三年内投资2700亿元改造城乡电网可见国家对电力系统自动化以及电网建设的重视程度。

第四代SCADA/EMS系统的基础条件已经或即将具备，预计将与21世纪初诞生。

该系统的主要特征是采用Internet技术、面向对象技术、神经网络技术以及JAVA技术等技术，继续扩大SCADA/EMS系统与其它系统的集成，综合安全经济运行以及商业化运营的需要。

SCADA系统在电气化铁道远动系统的应用技术上已经取得突破性进展，应用上也有迅猛的发展。

由于电气化铁道与电力系统有着不同的特点，在SCADA系统的发展上与电力系统的道路并不完全一样。

在电气化铁道远动系统上已经成熟的产品有由我所自行研制开发的HY200微机远动系统以及由西南交通大学开发的 DWY微机远动系统等。

这些系统性能可靠、功能强大，在保证电气化铁道供电安全，提高供电质量上起到了重要的作用，对SCADA系统在铁道电气化上的应用功不可没[1]。

1.2SCADA系统的发展展望

SCADA系统在不断完善，不断发展，其技术进步一刻也没有停止过。

当今，随着电力系统以及铁道电气化系统对SCADA系统需求的提高以及计算机技术的发展，为SCADA系统提出新的要求，概括地说，有以下几点：

1.2.1SCADA/EMS系统与其它系统的广泛集成

SCADA系统是电力系统自动化的实时数据源，为EMS系统提供大量的实时数据。

同时在模拟培训系统，MIS系统等系统中都需要用到电网实时数据，而没有这个电网实时数据信息，所有其它系统都成为"无源之水"。

现在在SCADA系统已经成功地实现与DTS、企业MIS系统的连接。

SCADA系统与电能量计量系统，地理信息系统、水调度自动化系统、调度生产自动化系统以及办公自动化系统的集成成为SCADA系统的一个发展方向。

1.2.2专家系统、模糊决策、神经网络等新技术研究与应用

利用这些新技术模拟电网的各种运行状态，并开发出调度辅助软件和管理决策软件，由专家系统根据不同的实际情况推理出最优化的运行方式或出来故障的方法，以达到合理、经济地进行电网电力调度，提高运输效率的目的。

1.2.3面向对象技术、Internet技术的应用

面向对象技术（OOT）是网络数据库设计、市场模型设计和电力系统分析软件设计的合适工具，将面向对象技术（OOT）运用于SCADA/EMS系统是发展趋势。

随着Internet技术的发展，浏览器界面已经成为计算机桌面的基本平台，将浏览器技术运用于SCADA/EMS系统，将浏览器界面作为电网调度自动化系统的人机界面，对扩大实时系统的应用范围，减少维护工作量非常有利；在新一代的SCADA/EMS系统中，传统的MMI界面将保留，主要供调度员使用，新增设的Web服务器供非实时用户浏览，以后将逐渐统一为一种人机界面。

2双速电机寿命实验流程与系统结构

目前电机的种类繁多如：

空调电机，双速电机，串级电机等等。

在全自动滚筒洗衣机上通常选用单相电容运转式双速电机或单相串级电机。

由于双速电机克服了串级电机换向困难，噪声大，功率小，价格较高的缺点，逐渐被电机厂商所采用。

2.1双速电机的原理

双速电动机属于异步电动机变极调速，原理同单速电机一样，不同的是此类电机的定子上有两套极数不同的绕组用来产生不同的转速，是通过改变定子绕组的连接方法达到改变定子旋转磁场磁极对数，从而改变电动机的转速。

按照绕组结构的不同又可以分为分离绕组和共享绕组两类。

（1）分离绕组双速电机：

定子上有两套完全独立的不同极数的绕组，如2极/6极、2极/16极、4极/6极等。

由感应电机的特点知道，转子鼠笼会自动形成与定子旋转磁场相同的极数，因此通过给不同极数的定子绕组供电便可得到不同的电机转速，用来适应不同的要求，如2极或4极用于甩干，6极、16极用于洗涤等等，由此给客户更多的选择。

此类电机的性能特点同单速电机相比，因为其定子上需要两套绕组，所以体积比单速电机大，成本也高。

（2）共享绕组双速电机：

这是艾默生电机发明的，是对分离绕组双速电机的进一步改进，其特点是通过改变连接方式可以使同一定子绕组为两种不同的极数所共用。

比如说已经大批量生产的4极/6极双速电机，其定子绕组既可以用作4极，通过改变连接又可以用作6极，而且4极与6极都可分别用于洗涤和甩干。

因为此类电机的定子绕组是两种极数共享的，所以它的体积要比普通的分离绕组双速电机小得多，也就是说在同样的体积下可以得到更大的输出功率，从而可以更好地满足客户的需求。

根据公式；n1=60f/p可知异步电动机的同步转速与磁极对数成反比，磁极对数增加一倍，同步转速n1下降至原转速的一半，电动机额定转速n也将下降近似一半，所以改变磁极对数可以达到改变电动机转速的目的。

这种调速方法是有级的，不能平滑调速，而且只适用于鼠笼式电动机。

举一简单的例子，如二级/四极或四级/八级，定子绕组由△接法变为YY接法，级对数变为原来的一半，转速则变为原来的2倍。

其高低速时的绕组接线图如下：

低速时绕组的接法高速时绕组的接法

图1-1双速电机的绕组

Fig.1-1Thecoilwindingoftwo-speedmotor

如图所示是双速电动机定子绕组的接线方法和双速电动机的控制线路。

工作原理如下：

按下低速起动按钮DQA，低速接触器线圈DC通电，电动机低速运转。

此时电动机的绕组作Δ连接。

如需换为高速运转，可按下高速起动按钮GQA，于是线圈DC断电，高速接触器线圈1GC和2GC接通，电动机高速运转。

此时电动机绕组作双Y并联。

2.2双速电机寿命实验的现状

电机厂商为保证产品质量，在电机出厂前必须进行寿命、高温、淋雨、盐雾、行程等若干实验，用来检测电机的各种性能。

但是目前我国大多电机企业的电机寿命实验现状是采用分离部件组成实验系统，手工操作、手工记录、人为监控。

2.3现有系统存在的问题

（1）寿命实验在测电机多，电参数测试仪、电源调压器少，很难对每台电机进行数据采集和分析；

（2）寿命实验电参数测试仪大多无232通讯接口，无法实现自动采集；

（3）人工巡视、记录有关数据，工作量大，不具备实时性，无法进行正确的数据分析；

（4）由于在测寿命实验电机台数较多，电机负载难以符合实际要求，尤其是实现变载运行比较困难；

（5）浪费大量的人力资源，造成生产效率低，产品质量无法保证。

2.4解决的方法

针对这种情况我们开发设计了一套双速电机寿命实验“数据采集和监控管理系统（SCADA）系统，该系统可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。

在SCADA系统集成平台上，实现信息的采集、信息的传输、信息的处理以及信息的综合利用[2-5]。

它将数据采集控制系统与工厂内部管理网络系统连接，利用Internet/Web技术，达到工厂内部信息交换，实现企业的管控一体化，提高企业的生产效率。

2.5系统设计要求

经过上述的方案对电机寿命实验系统进行改造,改造后的系统将满足如下几点要求:

（1）每台电机使用单独的参数采集模块，可采集电压、电流、有功功率、无功功率，频率，耗电量等参数；

（2）根据不同种类电机，能够模拟电机负载，做到负载连续可调，部分电机电压可调；

（3）电机在测试期间根据电流、电压等电量参数的变化，自动绘制实时、历史曲线图；

（4）当电流、功率等参数异常时发出报警信号，并进行记录；

（5）所有电参数采用计算机自动采集分析，转换成标准的数据库，经过实验室工作站送入公司局域网，以供公司ERP、MES等系统分析或其它相关部门使用；

（6）用户可以通过公司网站浏览到自己所用电机的有关实验参数和相应的参数变化曲线等；

（7）系统具备监控系统所具有的一般实用功能：

如参数显示，参数量程上下限设置，打印及报表输出，用户管理，报警输出，历史曲线生成，实时曲线生成，历史趋势分析等功能。

2.6实验流程

电机的种类繁多如：

空调电机，双速电机，串级电机等等。

在全自动滚筒洗衣机上通常选用单相电容运转式双速电机或单相串级电机。

由于双速电机克服了串级电机换向困难，噪声大，功率小，价格较高的缺点，逐渐被电机厂商所采用。

双速电机在做寿命实验时应模拟洗衣机在实际工作的流程。

比如滚筒洗衣机在洗涤时，电机低速作正反向交替旋转，进行衣物的洗涤；脱水时，电机作高速单向旋转，利用旋转离心力进行脱水。

一般洗涤时转速为300转/分左右，脱水时可达到2800转/分左右。

由于洗衣机洗衣流程图如下:

图2-1-1洗衣机洗衣流程图

Fig.2-1-1Thewashingflowchartofwasher

故我们设计的洗衣机的电机实验流程图所示：

图2-1-2双速电机实验流程图

Fig.2-1-2Thetestflowchartoftwo-speedmotor

2.7监控系统整体结构

本文设计的一套五工位的双速电机寿命实验数据采集和监控管理系统，该系统对实验电机进行监视和控制，实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。

在系统集成平台上，完成信息的采集、传输处理以及综合利用。

同时将数据采集控制系统与工厂内部管理网络系统连接，利用Internet/Web技术，完成工厂内部信息交换，实现企业的管控一体化，提高企业的生产效率。

系统共分为上位机监控系统、系统网络，下位机数据采集控制部分，电机测试实验台系统和水冷系统五部分。

（1）上位机监控系统包括：

IPC，监控软件，多串口卡；

（2）系统网络部分：

采用技术成熟的RS485总线网，5块电量采集模块组成一个485网络，PLC为一个485网络。

通过研华ADAM4520连接上位机；

（3）下位机部分包括：

下位机数据采集控制包括三菱FX2NPLC，触摸屏，力创电量采集模块EDA9011，测速板，调压器与调功器等。

其中PLC主要完成电机不同速率的切换、自动调压器的控制和转速、温度等参数的采集；力创电量采集模块主要完成电压、电流、功率等参数的采集。

（4）测试实验台：

包括双速电机，电机负载，负载控制器，工装夹具和电机连轴器等；

（5）水冷系统：

寿命实验电机需要连续不间断运行，所以电机负载发热很厉害，需要进行水冷却。

硬件包括循环水泵，水箱等。

系统结构如图2-2所示：

图2-2双速电机测试SCADA系统结构示意图

Fig.2-2ThesketchmapofSCADAsystemfortwo-speedmotor

2.8上位机监控软件

2.8.1三维力控组态软件概述

从1993年至今，力控监控组态软件为国家经济建设做出了应有贡献，在石油、石化、化工、国防、铁路（含城铁或地铁）、冶金、煤矿、配电、发电、制药、热网、电信、能源管理、水利、公路交通（含隧道）、机电制造等行业均有力控软件的成功应用，力控监控组态软件已经成为民族工业软件的一颗璀璨明星。

一直以来，北京三维力控始终有预见性地开发具有潜在应用价值的功能模块，同时认真评估用户反馈建议来改进力控产品，使用户得到超值回报，与客户的互动合作将促进了北京三维力控的发展。

力控监控组态软件的分布式的结构保证了发挥系统最大的效率。

力控软件以计算机为基本工具，为实施数据采集、过程监控、生产控制提供了基础平台，它可以和检测、控制设备构成任意复杂的监控系统。

在过程监控中发挥了核心作用，可以帮助企业消除信息孤岛，降低运作成本，提高生产效率，加快市场反应速度。

在今天，企业管理者已经不再满足于在办公室内直接监控工业现场，基于网络浏览器的Web方式正在成为远程监控的主流，作为国产软件中国内最大规模SCADA系统的WWW网络应用的软件，力控为满足企业的管控一体化需求提供了完整、可靠的解决方案。

2.8.2软件构成

力控软件包括：

工程管理器、人机界面VIEW、实时数据库DB、I/O驱动程序、控制策略生成器以及各种网络服务组件等。

力控监控组态软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，最大的特点是能以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式来进行系统集成，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，缩短了自动化工程师的系统集成的时间，大大的提高了集成效率。

力控监控组态软件是在自动控制系统监控层一级的软件平台，它能同时和国内外各种工业控制厂家的设备进行网络通讯，它可以与高可靠的工控计算机和网络系统结合，便可以达到集中管理和监控的目的，同时还可以方便的向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，来实现与“第三方”的软、硬件系统来进行集成。

图2-3SCADA系统结构示意图

Fig.2-3ThesketchmapofSCADAsystem

主要的各种组件说明见下：

（1）工程管理器（ProjectManager）

工程管理器用于创建工程、工程管理等用于创建、删除、备份、恢复、选择当前工程等。

（2）开发系统（Draw）

开发系统是一个集成环境，可以创建工程画面，配置各种系统参数，启动力控其它程序组件等。

（3）界面运行系统（View）

界面运行系统用来运行由开发系统Draw创建的画面，脚本、动画连接等工程，操作人员通过它来完成监控。

（4）实时数据库（DB）

实时数据库是力控软件系统的数据处理核心，构建分布式应用系统的基础。

它负责实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警处理、数据服务请求处理等。

（5）I/O驱动程序（I/OSERVER）

I/O驱动程序负责力控与控制设备的通信。

它将I/O设备寄存器中的数据读出后，传送到力控的数据库，然后在界面运行系统的画面上动态显示。

（6）网络通信程序（NetClient/NetServer）

网络通信程序采用TCP/IP通信协议，可利用Intranet/Internet实现不同网络结点上力控OR之间的数据通信。

（7）通信程序（PortServer）

通信程序支持串口、电台、拨号、移动网络通信。

通过力控在两台计算机之间，使用RS232C接口，可实现一对一（1：

1方式）的通信；如果使用RS485总线，还可实现一对多台计算机（1：

N方式）的通信，同时也可以通过电台、MODEM、移动网络的方式进行通信。

（8）Web服务器程序（WebServer）

Web服务器程序可为处在世界各地的远程用户实现在台式机或便携机上用标准浏览器实时监控现场生产过程。

（9）控制策略生成器（StrategyBuilder）

控制策略生成器是面向控制的新一代软件逻辑自动化控制软件，采用符合IEC1131-3标准的图形化编程方式，提供包括：

变量、数学运算、逻辑功能、程序控制、常规功能、控制回路、数字点处理等在内的十几类基本运算块，内置常规PID、比值控制、开关控制、斜坡控制等丰富的控制算法。

同时提供开放的算法接口，可以嵌入用户自己的控制程序。

控制策略生成器与力控的其它程序组件可以无缝连接。

2.8.3内部组件和控件

●视频组件：

进行视频的捕捉和回放；

●温控曲线组件：

可以进行温度的自动升温和保温控制；

●浏览器组件：

可以作为标准的浏览器客户端；

●标准WINDOWS组件：

支持标准的文本框、单选框、列表框等组件；

●增强的报警组件：

集成的报警管理和查询；

●X—Y曲线组件：

可以自由的进行曲线分析和查询；

●幻灯片组件：

灵活的幻灯片播放，可进行自由控制；

●自由曲线组件：

方便的绘制各种曲线和动画连接；

●万能报表组件：

类EXCEL的报表工具，方便您完成管理报表；

●立体棒图组件：

直方图的分析工具；

●历史追忆组件：

可以追忆带毫秒标签的数据，方便事故查询；

●手机短信组件：

简单的手机短信发送组件；

2.9系统网络部分

外部总线又称为通信总线，用于计算机之间，计算机与远程终端，计算机与外部设备以及计算机与测量仪器仪表之间的通信。

该类总线不是计算机系统已有的总线，而是利用电子工业或其他领域已有的总线标准。

外部总线又分为并行总线和串行总线，并且总线主要有IEEE-488总线，串行总线主要有RS-232-C﹑RS-422﹑RS-485﹑IEEE1394以及USB总线等，在计算机接口﹑计算机网络以及计算机控制系统中得到了广泛的应用，下面主要介绍RS-232-C和RS-485总线。

2.9.1RS-232-C总线

RS-232-C是美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一种串行物理接口标准。

RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。

RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线[6-8]。

RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。

RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每M电缆的电容量减小，通信距离可以增加。

传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。

2.9.2RS-485总线

RS-485标准是由两个行业协会共同制订和开发的，即EIA—电子工业协会和TIA—通讯工业协会。

EIA曾经在它所有标准前面加上RS前缀英文Rcommendedstandard的缩写，因此许多工程师一直延用这种名称。

1.RS-485总线应用场合

RS-485总线作为一种多点差分数据传输的电气规范规，已成为业界应用最为广泛的标准通信接口之一[9]。

这种通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点双向通信，它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性是其他标准无法比拟的。

正因为此，许多不同领域都采用RS-485作为数据传输链路。

例如：

汽车电子、电信设备局域网、智能楼宇等都经常可以见到具有RS-485接口电路的设备。

这项标准得到广泛接受的另外一个原因是它的通用性RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。

2.RS-485总线的电气特性

表2-1RS-485总线电气性能

Table2-1TheelectricalspecificationofRS-485

性能指标

RS485总线

工作模式

差分传输（平衡传输）

允许的收发器数目

32（受芯片驱动能力限制）

最大电缆长度

4000英尺（1219M）

最高数据速率

10Mbps

最小驱动输出电压范围

±1.5V

最大驱动输出电压范围

±5V

最大输出短路电流

250mA

最大输入电流

1.0mA/12Vin

-0.8mA/-7Vin

驱动器输出阻抗

54欧

输入端电容

≤50pF

接收器输入灵敏度

±200mV

接收器最小输入阻抗

12k

接收器输入电压范围

-7V~+12V

接收器输出逻辑高

>200mV

接收器输出逻辑低

<200mV

3.RS-485总线缺点

●RS485总线的通讯容量较少，理论上最多仅容许接入32个设备，不适于以楼宇为结点的多用户容量要求。

●RS485总线的通讯速率低，常用波特率为9600bps。

而且其速率与通讯距离有直接关系，当达到数百M以上通讯距离时，其可靠通讯速率<1200bps。

●RS485芯片功耗较大，静态功耗达到2-3mA，工作电流（发送）达到20mA，若加上偏置电阻及终端电阻，工作电流会更大，增加了线路电压降，不利于远程布线。

●RS485总线构成的网络只能以串行布线，不能构成星形等任意分支。

串行布线对于小区实际布线设计及施工造成很大难度，不遵循串行布线规则又将大大降低通讯的稳定性。

●RS485总线自身的电气性能决定了其在实际工程应用中稳定性较差，在多节点、长距离场合需对网络进行阻抗匹配等调试，增添工程复杂性。

●RS485总线通常不带隔离，当网络上某一节点出现故障会导致系统整体或局部的瘫痪，而且又难以判断其故障位置。

●RS485总线采用主机轮询方式，这样会造成以下的弊端：

（1）通信的吞吐量较低，不适用于通信量要求较大（或平均通信量较低，但呈突发式的）场合。

（2）系统较大时，实时性较差。

（3）主机不停地轮询各从机，每个从机都必须对主机的所有查询作出分析，以决定是否回应主机，势必增加各从机的系统开销。

（4）当从机之间需要进行通信时，必须通过主机，增加了从机间通信的难度及主机负担。

●RS485总线长距离传输（1200M以上）时一般暴露于户外，极易因为雷击等原因引入过电压。

RS485收发器工作电压较低（5V左右），其本身耐压也非常低（-7V~+12V），一旦过压引入，就会击穿损坏。

通信节点受损后无