基于S7-1200的电动机附加损耗测试系统设计

单宝明,赵文强

(青岛科技大学 自动化与电子工程学院,山东 青岛　266042)



基于S7-1200的电动机附加损耗测试系统设计

单宝明,赵文强

(青岛科技大学 自动化与电子工程学院,山东 青岛266042)

摘要根据EH-star法电动机附加损耗的测试原理,设计了一套以S7-1200为控制核心和以Wincc为组态软件的电机附加损耗测试系统。该系统采用S7-1200控制设备运行和数据的采集,利用OPC技术建立了S7-1200与Wincc的通讯,通过组态软件Wincc对数据进行处理,实现了电动机附加损耗的自动测试。该系统解决了在人工测试时,数据处理速度慢、误差大等问题,提高了测试效率和测试结果的准确度。

关键词EH-STAR；电动机附加损耗；S7-1200；Wincc

随着人们节能减排意识的提高,电动机作为工农业生产中的重要设备,其效率越来越受到人们的关注。电动机附加损耗作为电机效率的重要指标,已被列为世界各国的重要考核对象,其准确性测试也变得十分重要。根据国际电工委员会最新发布的 IEC60034-2-1《确定损耗和效率的试验方法(牵引电机除外)》标准,对确定电动机附加损耗的方法做了修改,附加损耗的取值为输入功率的0.5%的这一规定被取消,EH-star法作为电机附加损耗的最新测试方法被采用[1-4]。由于EH-star法测试的不确定度为中,试验时不需外接负载,不需要测功机,具有投入成本低,操作方便等优点,使其在欧洲各国得到广泛应用。我们的设计依据EH-star法的测试原理,利用S7-1200和组态软件Wincc,实现了电动机附加损耗的测试。

1系统测试原理

EH-star中的EH指的是德语单词EinphasigmitHilfswidertard=single phase with auxiliary resistante的首字母,即单相辅助电阻；star指的是测试时将电机绕组接成“星”型。EH-star法测试电路如图1所示。

根据规定,额定运行时,电机绕组是“角”接的,测试时,必须改成“星”接,“星”接中点必须断开以避免零序电流产生,影响测试结果。测试时、电机不带负载,以非平衡供电方式运行。测试电压、测试电流以及辅助电阻的大小可根据以下公式进行设置。

额定运行时电机绕组是“星”接的,即

Ut=UN,

(1)

(2)

(3)

额定运行时电机绕组是“角”接的,即

(4)

(5)

(6)

测试期间,辅助电阻Reh的取值应使得正序电流Iips与负序电流Iins的比值小于0.3,电机转速应接近额定转速nN。测试启动后,调节供电电压选取六个工作点,使V相电流Iv在75%～150%额定电流范围内,从高到低依次测取每一点的实验值:Uuv、Uvw、Uuw、Iu、Iv、Iw、Puv、Pvw、n。为保测试结果准确,在所有电流下的转差率不应大于额定转差率的两倍,即n>nsyn-2(nsyn-nN)(nsyn为同步转速,nN为额定转速)；否则,应调节辅助电阻Reh进行重新测试。

2系统方案设计和配置

2.1系统方案组成

基于S7-1200的电动机附加损耗测试系统主要由上位机、S7-1200PLC、电量监测仪、电阻测试仪以及变频电源等设备构成,其组成结构如图2所示。该系统以工业PC为上位机,通过工业以太网和PLC进行通讯,利用组态软件Wincc对PLC所采集到的数据进行显示、处理以及对系统的运行状态进行监控；电量监测仪和电阻测试仪分别负责电量参数和电阻阻值的采集；步进电机根据PLC输出的脉冲,驱动滚珠丝杆带动辅助电阻的触头,实现电阻的自动调节；变频电源根据测试要求,输出电能驱动测试电机；光电编码器用于测试电机转速。

2.2主要硬件配置

(1)PLC的选型:控制系统采用1214C型S7-1200PLC,其输入与输出形式为DC/DC继电器,带有以太网通讯端口和高速计数器,集成了14路DI和10路DO,具有脉冲捕捉输入和输出功能,可扩展3个通讯模块和1个信号板。

(2)通讯模块:设计中,测试系统数据的采集和测试参数的设定,均须通过PLC和相关设备通讯来完成。为实现上述功能,选用CM1241RS485作为PLC通讯扩展模块,其支持 Modbus RTU通讯协议,与外围带有485端口的设备进行通讯时,将其作为主站,其他设备作为从站,从站设备通过编址进行区分。

(3)外围硬件配置:电量监测仪采用国产8976B型综合电量测试仪,可测量三相电压、三相电流、三相功率、总功率、功率因数、频率、累计电能等参数,可靠性高、抗干扰能力强,带有485通讯接口,可实现数据的远传。

电阻测试仪采用国产AT510型电阻测试仪,电阻测量范围1μΩ～3MΩ,最大显示30 000数。最高测试速度60次/s,测试速度在15次/s下,依然可以保证0.05%的准确度。带有485接口,可与上位机自由通讯。

2.3软件配置

S7-1200PLC 的编程软件选用Step7_professional_v11,利用该软件完成控制程序的开发和调试。上位机软件采用组态软件Wincc7.0。由于Wincc7.0中缺少和S7-1200进行通讯的驱动程序,所以Wincc7.0与S7-1200之间通过以太网的通讯,只能通过OPC的方式进行[5-7]。SIMATIC NET 作为西门子工业网络的通讯软件,该软件能将工业现场的PLC、主机、工作站和个人电脑联网通讯。设计中,利用SIMATIC NET中的OPC模块,将 S7-1200作为OPC的服务器端,上位机作为OPC的客户端,利用SIMATIC NET实现Wincc7.0与S7-1200PLC之间的通讯。

3Wincc7.0与S7-1200通讯的建立

3.1在Step7中建立PC站

在Step7创建新项目EH-star,点击项目栏中的设备和网络选项,向画面中分别添加PLC、PC站点、OPC服务器以及常规IE组件,添加完成后,分别点击PLC和常规IE的以太网接口,修改各自的IP地址以及子网掩码。常规IE的地址必须与本地计算机的IP相同,PLC的IP地址必须和常规IE的IP在同一网段上。修改完成后,将两者建立起连接,连接方式选择S7-Connection。至此,完成了在Step7中PC站的硬件组态,结果如图3所示。

3.2配置PC站的硬件机架

打开位于桌面上的站组态编辑器,利用添加按钮分别向1号槽和3号槽添加OPC服务器和IE 通用组件,双击IE通用设置网络参数。设置完成后,点击站名按钮,添加站名(站名必须与Step7中的PC站站名相同)。以上完成后,打开配置控制台,将访问点中的S7ONLINE 指向PC internal(local),为PC 站组态的下载做准备。上述配置完成后,将Step7中的组态好的网络连接下载到PC站中。下载成功后的画面如图4所示。

3.3通讯测试

打开OPC Scout软件,在画面中创建新工程,创建完成后,点击画面左栏中的OPC Simatic.NET,在该目录下选择S7connection_1文件夹,双击该目录下的object文件夹,添加所要观察的变量。S7-1200与SIMATIC NET之间进行DB通讯,需要通过建立中间变量来完成。变量添加完成后,点击“Monitring ON”按钮,进行测试。测试画面如图5所示。

3.4配置Wincc站

在Wincc中创建新项目后,点击画面左侧变量管理选项,在弹出的所示驱动选项中,选择OPC,chn进行添加。添加完成后,鼠标右键点击OPC Group,在快捷菜单中点击系统参数,在弹出的对话框中选中OPC Simatic.NET,点击浏览服务器按钮,将OPC Scout中创建的变量添加到项目中,操作完成后,就可在Wincc中使用这些变量。通过上述操作,建立了S7-1200与Wincc之间的通讯。

4系统软件设计

4.1控制系统软件设计

(1)辅助电阻自动调节的实现辅助电阻的接入大小直接影响着测试结果的准确性,为了使其能根据控制要求进行自动调节,在设计中,利用电阻公式将电阻的阻值和长度建立关系,由于滚珠丝杆的移动距离与步进电机的旋转角度有确定关系,步进电机的旋转角度又与PLC输出脉冲数有关。因此,可将电阻阻值与输出脉冲数建立对应关系。通过控制输出脉冲数,来控制辅助电阻的自动调节。控制框图如图6所示。

(2)控制系统的工作流程设计中,PLC主要负责所需电测量参数的采集以及测试条件的设置,其在运行过程中需要和上位机进行交互式通讯完成相关动作。PLC的工作流程图如图7所示。在整个工作流程中,PLC根据上位机所提供的参数,控制辅助电阻的设计和变频电源的设定；上位机根据PLC所采集到的电量参数,对其进行及时处理,并将处理结果返回给PLC；PLC依据反馈的测试结果,决定是否存储数据或重新测试。

4.2上位机软件设计

上位机软件部分主要进行测试数据的处理、存储、打印。EH-STAR法数据处理算法中需要进行大量复数运算,而PLC很难实现这些功能。为解决上述问题,在Wincc中,利用其自带VC脚本,将数据处理算法通过C语言来实现,通过在PLC中设置非周期变量触发脚本完成数据的处理。为了克服Wincc自带数据报表在数据查询、过滤方面存在的不足以及格式不灵活等缺点[8],在设计中,通过新建数据库,编写VB脚本,利用PLC中设置的变量以及画面中的按钮,实现数据的自动存储、查询和打印,测试结果查询画面如图8所示。

5结语

结合EH-star法测试原理,设计了以S7-1200为核心的测试系统,实现了测试的自动化；通过组态软件Wincc,完成了测试数据的处理、存储以及报表的打印功能。该系统解决了手动测试过程中测试效率低、数据记录不准确的问题,提高了测试结果的可信度。

参考文献:

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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.

作者简介:单宝明(1974-),男,山东东营人,硕士,副教授,研究方向为嵌入式系统设计、智能控制技术.E-mail:13153250037@163.com. 通讯作者:赵文强.E-mail:553952047@qq.com.

中图分类号:TP273

文献标志码:A

文章编号: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.[单宝明,赵文强.基于S7-1200的电动机附加损耗测试系统设计[J].甘肃科学学报,2016,28(3):35-39.]