在线高压电机绝缘检测系统的设计与实现

张世弘 ，刘振兴，廖雪超，呙 娟

（1.武汉科技大学 信息科学与工程学院，武汉 430081；2.武汉科技大学 计算机科学与技术学院，武汉 430081；3.华南理工大学 土木与交通学院，广州 510640）

随着监控技术和绝缘检测技术的高速发展，已有越来越多的监测系统应用在低压电机的绝缘检测中，而高压电机的在线绝缘检测系统，仅在国外得到一定的发展及应用。目前，高压电机绝缘检测系统因测试电压高、价格高（约是低压电机绝缘测试系统的5倍），在国内尚未应用。而传统的测量仪器多为手持式，需要工人到现场手动操作，极易破坏高压供电柜的“五防”机构，并且由于本项目中现场生产工艺的特殊性，需要频繁地对高压电机进行绝缘测量。因此本文设计了一套在线高压电机绝缘检测系统，采用上位机、触摸屏、PLC、数字绝缘电阻表和执行机构作为硬件平台，通过轮询方式控制一台数字绝缘电阻表，分时检测多台高压电机的绝缘，并对外部干扰信号进行分析和处理，实现了自动在线安全检测。

1 系统检测流程

本系统主要由1台KD2671数字绝缘电阻表（以下简称：KD2671），4台电动隔离刀闸，12个高压继电器，4台5 kV高压三相交流电机组成。

KD2671：一种手持式多功能绝缘检测显示器，适用于一般电气设备的维修、实验及检定中的绝缘测试[1]。为了更好地适应现场环境，达到更安全、更可靠、更便捷的目的，本系统对原KD2671进行了改造，加入了外接电源，添加RS-485通讯模块和数字控制单元，使之能与PLC实现通讯并通过PLC遥控其进行绝缘检测。

电动隔离刀闸：安装在高压柜内，用以控制KD2671的绝缘检测线与高压电机三相电路的闭合与断开。另外，在电动隔离刀闸上安装辅助触点，实现其与高压供电柜断路器及接地刀闸之间的闭锁与反闭锁。

高压继电器：线包工作电压为DC 24 V；接点耐压值很高，能达到5000 V，用以控制KD2671的绝缘检测线与高压电机单相电路的闭合与断开。

高压电机：其绝缘检测优先级为1号电机>2号电机>3号电机>4号电机，同一时间只允许一台高压电机的单相电路进行绝缘检测。

本系统进行检测时，首先闭合电动隔离刀闸，然后依次分别接通A、B、C三相电路中的高压继电器，再启动KD2671对单相电路进行绝缘检测并上传测量数据与参数。系统结束检测时，首先停止KD2671，然后断开高压继电器，最后断开电动隔离刀闸。与此同时，触摸屏和上位机可实时监控系统的检测结果和运行状态。

2 系统硬件结构

本系统由上位机、触摸屏、PLC、KD2671和执行机构组成一个三级计算机控制网络，采用PLC作为控制核心，搭建通信网络，分别与上位机、触摸屏和KD2671进行通信。

1）MODBUS通信：以上位机作主站，PLC作从站，基于MODBUS通信协议的RS-485通信，用以远程监控PLC完成检测操作。

2）以太网通信：PLC通过CP243-1模块与触摸屏完成以太网通讯，使其能够完成现场检测。

3）RS-485通信：以PLC作主站，KD2671作从站的RS-485自由口通信，用以采集现场实时测量数据与参数。

PLC为本系统控制核心，主要控制KD2671自动检测绝缘，以及各个电动隔离刀闸与高压继电器，实现多台电机多相电路的分时接通，系统硬件网络结构图如图1所示。

图1 系统硬件网络结构示意图Fig.1 Control system hardware structure

PLC在检测开始时，首先判断每台高压电机是否具备检测绝缘的条件，然后依次检测具备条件的高压电机三相电路的绝缘值。具体条件为：高压供电柜分闸，电动隔离刀闸闭合，高压实验信号启动。

此外，在KD2671检测绝缘过程中，KD2671需将测量数据实时采集并上传至PLC。数据经过处理后再上传至触摸屏与上位机，进行显示并构造高压电机绝缘值测量趋势图，以便更准确直观地判断其绝缘情况。

据此，设计每台高压电机绝缘值检测控制时序，其中1号电机控制时序图如图2所示。

图2 1号电机检测时序图Fig.2 Timing diagram of 1st motor detection

1号电机检测时序时间如表1所示。

表1 1号电机检测时序时间Tab.1 Detection timing interval of the 1st motor

3 系统RS-485通信实现

本绝缘检测系统的关键控制环节是PLC对KD2671检测时序的控制以及测量数据的实时采集。而这2部分的工作都需要PLC通过RS-485串口通信方式对KD2671进行读写操作[2]。

3.1 PLC主站

S7-200 上的通信口（Port0、Port1）可以工作在“自由口”模式下。所谓自由口就是建立在RS-485半双工硬件基础上的串行通信功能，其字节格式为1个起始位，7或8位数据，1个可选的奇偶校验位，1个停止位。凡此格式的通信对象，一般都可与S7-200通信[2]。

3.2 KD2671从站

KD2671通信操作模式为指令式，当输入端[RXD]收到来自主站的读取数据请求后，KD2671会响应指令要求，发送数据。

1）主站发送读数据帧格式

主站发送读取参数数据协议格式如表2所示。

表2 读指令数据帧格式Tab.2 Frame protocol structure of reading data

2）从站回送数据帧格式

从站响应指令要求回送数据协议格式如表3所示。

其中：绝缘状态值C1由8位表示，如表4所示。

档位状态：00=OFF，01=500 V，10=1000 V，11=2500 V。

小数位数：00=无，01=1位小数，10=2位小数，11=3位小数。

单位：0=MΩ，1=GΩ。

表3 回送数据帧格式Tab.3 Frame protocol structure of echo

表4 绝缘状态值分析Tab.4 Analysis of insulation state

4 系统软件实现

搭建系统硬件与通信网络后，要完成4台高压电机在线检测绝缘工作，PLC程序的设计也是一个重要环节，其核心是通信程序与控制逻辑。

通信部分：在PLC的DB块中构造上述发送和接收协议的数据帧格式，然后调用PLC的自由口通信发送（XMT）指令，将DB块中的数据帧发送至从站，并调用接收（RCV）指令，将接受到的数据帧存入指定的DB块中。用户程序使用通信数据缓冲区和特殊存储器与操作系统交换相关的信息[3]。

控制逻辑部分：首先利用PLC程序中的时钟脉冲与递增功能实现时序计时，然后根据各信号的时序控制要求完成控制逻辑设计。

据此，该系统的软件实现包括：通信与数据区初始化、发送数据、接受数据和控制逻辑。

4.1 通信与数据区初始化

首先采用图3程序，设置通信端口的参数。

图3 通信初始化程序代码Fig.3 Communication initiation code

考虑到PLC不仅作为控制核心，还需缓存KD2671上传的数据、上传给上位机的数据以及储存读取从站数据参数的指令数据帧，故采用4个DB块来分别执行。系统可以根据每个DB块的不同功能在不同时刻对其进行初始化。据此，设计PLC数据块结构，如表5所示。

表5 PLC数据块结构Tab.5 DB block structure of PLC

4.2 XMT发送数据程序设计

因需要实时监控测量数据，故采用循环的方式访问KD2671，在KD2671开始工作时，即启动一个循环触发计时器来实现访问。而循环周期T的设置非常重要。主站与从站通信，需经过2次数据交互周期。数据传输时，发送和接收的数据帧长度（BYTE）均为

起始码（1）+地址码（1）+功能码（1）+数据长度（1）+数据（6）+校验码（2）=12

PLC与KD2671完成一次通信所需时间为：（12+12）×8/9600=0.02 s=20 ms

据以上分析，完成一次通信，循环周期应至少大于20 ms。为给通信信道保留一定的空闲时间，并保证程序设计循环时间的合理性，系统设计PLC作为主站每100 ms给从站设备发送DB块中的读指令数据帧。

4.3 RCV接受数据程序设计

RCV指令的基本工作过程为：

1）在逻辑条件满足时，启动一次RCV指令，进入接收等待状态；

2）监视通信端口，等待设置的消息起始条件满足，然后进入消息接收状态；

3）如果满足了设置的消息结束条件，则结束消息，然后退出接收状态[4]。

根据KD2671从站应答数据帧结构，当主站发送读取参数指令后，从站会将相应参数代码的值回送给主站；主站成功接收到从站应答的数据后，进行CRC校验，校验正确则将一帧数据中的多余字符（如：控制字符、参数代码和校验码等）剔除，并且将实际有用数据信息转换为绝缘值数据，保存至相应的DB区域中；若校验错误则重新开始该电路绝缘检测。

4.4 系统控制逻辑程序设计

系统启动后，首先进行通信及数据区初始化，然后轮询检测四台高压电机绝缘。当一台电机开始检测绝缘时，启动如下程序。

其中，SM0.5为时钟脉冲：接通0.5 s，关断0.5 s，工作周期时间为1 s。

VW0为单相电路检测时间计时量：当VW0处于0～14 s中，接通该电机该相电路对应高压继电器；2～12 s时控制KD2671进行绝缘检测，并且启动循环访问读取测量数据存入相应数据区；当VW0计时到20 s时，则该电机该相电路检测完成并将VW0置 0。

VW2为三相电路总检测时间计时量：当VW2分别处于 0～20 s、21～40 s、41～60 s中， 系统分别检测该电机的A、B、C电路；当VW2计时到60 s时，则该电机检测完成并将VW2置0。

据此，设计出系统的软件实现流程如图4所示。

图4 系统软件实现流程Fig.4 Flow chart of system software realization

5 系统实现

在系统实现阶段中，分别采用本系统和绝缘摇表对200 MΩ高压电阻、开路、短路以及高压电机三相电路等检测项目进行了实验，发现现场干扰信号对系统产生影响使其无法正常工作，进而对系统测量数据进行了如下分析，如表6所示。

表6 高压绝缘检测系统调试数据Tab.6 Debug data of inspection system for HV motor insulation

当采用KD2671直接检测时，可采用220 V AC-12 V DC开关电源为KD2671供电的情况下进行绝缘检测，其结果与绝缘摇表的测量数据差异很大（见表6中情况1）。

考虑到原KD2671为手持式，采用8节1.5 V干电池供电，故分析开关电源输出直流电存在干扰信号，于是采用现场直流供电柜输出的220 V DC，经过变压器降压为12 V DC为KD2671供电。重新进行检测后，系统测量数据与绝缘摇表测量数据相近，且在允许误差内（见表6中情况2）。

系统在KD2671采用直流供电后，将KD2671与PLC进行通信，进行绝缘检测。其检测过程中，测量数值固定，且小数点位在低两位随机波动（见表6中情况3）。

考虑到RS-485接口虽然采用的是差分传输方式，具有一定的抗共模干扰的能力，但当共模电压超过RS-485接收器的极限接收电压，即大于+12 V或小于－7 V时，接收器就再也无法正常工作了，故采用二次集成芯片将KD2671电源和RS-485收发器的电源进行隔离[5]，彻底消除共模电压的影响。重新进行测量后，系统测量数据与绝缘摇表测量值相近，且在允许误差内（见表6中情况4）。

6 结语

本高压绝缘检测系统自动化程度较高、操作简便安全、通用性强、成本较低。自运行以来，硬件、通信以及自动控制系统全部正常运行，从未出现过任何故障以及其它干扰现象。操作人员通过触摸屏与上位机实现绝缘检测全部过程一键式操作，检测数据准确、稳定、可靠。

[1] 武汉市康达电气有限公司.KD2671数字绝缘电阻表说明书[Z]，2008.

[2] 许其义，武玉强，初学导.西门子S7-200PPI协议获取及其通信控件研究[J].自动化仪表，2008，29（1）：33-36.

[3] 崔坚.西门子工业网络通信指南[M].北京：机械工业出版社，2006.

[4] 李志俊，程涛.基于多线程的多串行通信任务的实现[J].武汉理工大学学报，2002（5）：15-17.

[5] 盛新，韩豫萍.西门子S7_200PLC的RS_485通信接口简介及故障解析[J].PLC&FA，2007，11：33-35.

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