一種遠(yuǎn)程高壓電機(jī)絕緣測試裝置的開發(fā)研究

何鎖俠，佟洪明，肖 驥，李開寒

（1.南京梅山冶金發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司，江蘇南京 210041；2.武漢科技大學(xué)，湖北武漢430081）

1 引言

南鋼礦業(yè)公司選礦廠因生產(chǎn)工藝的特殊性，需要頻繁的對球磨機(jī)進(jìn)行搖測絕緣。目前，傳統(tǒng)的在高壓柜后對設(shè)備搖測絕緣的方法有3種，第一種是測試人員到現(xiàn)場，打開高壓柜后門，對被試品充分放電后用相應(yīng)電壓等級的兆歐表進(jìn)行檢測；第二種是在高壓柜后門上開孔，檢測絕緣時，打開孔蓋板，用絕緣棒將線連到被試品，進(jìn)行絕緣檢測；第三種是將斷路器及小車拖出倉，打開高壓柜內(nèi)活門，用絕緣棒將線連到被試品進(jìn)行絕緣檢測。這3種方法都要測試人員到現(xiàn)場手動操作，并且要破壞高壓柜的“五防”機(jī)構(gòu)【1】，對人員、設(shè)備都造成了危害，增加檢修費用。

因此，研究一套遠(yuǎn)程遙測設(shè)備絕緣的裝置，使設(shè)備絕緣搖測不用打開高壓柜門，不用人員手動現(xiàn)場操作，而是在遠(yuǎn)方利用電腦操作檢測高壓設(shè)備的絕緣電阻非常有意義，可使設(shè)備絕緣檢測真正做到由“搖測”向“遙測”的轉(zhuǎn)變【2】。

2 裝置整體框架的設(shè)計

梅山鐵礦的4臺球磨機(jī)的電機(jī)的絕緣測試主要以人工手動操作為主，操作人員危險系數(shù)比較高，破壞了高壓柜的“五防”機(jī)構(gòu)，針對當(dāng)前高壓電機(jī)絕緣測試控制自動化水平不高的問題，開發(fā)出一套以PLC為核心的遠(yuǎn)程高壓電機(jī)絕緣測試裝置【3】，主要包括如下幾方面機(jī)構(gòu)和功能，如圖1所示。

圖1 絕緣測試裝置構(gòu)造和功能圖

其中線型1為數(shù)據(jù)通訊開發(fā)，線型2為PLC控制邏輯設(shè)計設(shè)備，線型3為機(jī)械聯(lián)鎖控制設(shè)計。

（1）HⅠM顯示屏，該設(shè)備可直觀顯示4臺高壓電機(jī)的絕緣值，并能記錄前20次測量絕緣值參數(shù)，測試數(shù)據(jù)自動更新，現(xiàn)場數(shù)據(jù)報警及歷史數(shù)據(jù)生成。

（2）S7-200 PLC，該設(shè)備作為整個設(shè)備的核心，其主要功能是實現(xiàn)對檢測過程進(jìn)行邏輯控制，并與絕緣測試儀和觸摸屏進(jìn)行信息通訊。

（3）絕緣測試儀，該設(shè)備主要作為高壓電機(jī)絕緣的測量設(shè)備，快速準(zhǔn)確測量電機(jī)的絕緣，并向PLC傳送電機(jī)絕緣測試的實時數(shù)據(jù)。

（4）機(jī)械抓，該裝置主要實現(xiàn)絕緣測試線與被試品之間的自動連接與分離。

3 P L C控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)備的改造與設(shè)計

3.1.1 絕緣測試儀表的改造

絕緣測試儀是該裝置的主要測量裝置，如圖2所示【4】，為電子絕緣電阻表的結(jié)構(gòu)框圖。在裝置調(diào)試的過程中發(fā)現(xiàn)了一些問題，主要概括為以下2點：

圖2 電子式絕緣電阻表的結(jié)構(gòu)框圖

(1)交流零線、地線對絕緣值測量的影響

在實驗中，首先使用三相四線制AC220V通過開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為DC12V向絕緣測試裝置供電。分別使用絕緣測試裝置和傳統(tǒng)絕緣搖表，對現(xiàn)場電機(jī)A相反復(fù)測量絕緣值，發(fā)現(xiàn)絕緣測試裝置測量值與真實值偏差很大，由絕緣測試裝置測量值的特性發(fā)現(xiàn)，當(dāng)測量端未短路時，絕緣測試裝置的L測量端和E接地端接入了另一個等效電阻。故而判斷AC220V轉(zhuǎn)換DC12V開關(guān)電源地線零線與絕緣測試裝置的地線未完全隔離。

(2)RS-485通信對絕緣值測量的影響

在S7-200與連接上RS-485通信電纜測量絕緣值得到測量數(shù)據(jù)，通過對測量數(shù)據(jù)的分析得知在通信開啟狀態(tài)下，絕緣測量值受到干擾。RS485總線是一種常見的串行總線標(biāo)準(zhǔn)，雖然采用平衡發(fā)送與差分接收的方式，具有抑制共模干擾的能力，但在現(xiàn)場復(fù)雜的環(huán)境下，各個節(jié)點之間存在很高的共模電壓已經(jīng)超過了RS-485接收器的極限接收電壓。

針對以上兩種依次出現(xiàn)的故障狀況，對原有的絕緣測試儀表進(jìn)行了兩方面的改造：

1)選擇現(xiàn)場DC220V電源通過開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為DC12V為絕緣測試儀供電，完全隔離開了地線之間的干擾；

2)通過DC-DC將系統(tǒng)電源和RS-485收發(fā)器的電源隔離；通過使用二次集成芯片將信號隔離，徹底消除共模電壓的影響。

至此，通過加入RS-485通信模塊和控制模塊，將原有高壓絕緣測試儀獨自研發(fā)成了一種具有測量準(zhǔn)確、具有高抗干擾能力的新一代電子式絕緣檢測儀。使測量數(shù)據(jù)能夠上傳入上位機(jī)，并且通過上位機(jī)可以控制高壓絕緣檢測儀檢測。

3.1.2 機(jī)械抓

機(jī)械抓具有自動投切及智能電動驅(qū)動裝置，如圖3、圖4所示，驅(qū)動裝置具有動靜觸頭兩部分，通過遠(yuǎn)程遙控電動機(jī)帶動動觸頭與靜觸頭閉合與斷開，實現(xiàn)絕緣測試線與被試品之間的自動連接與分離，也可手動操作；裝置上增加輔助接點，實現(xiàn)與斷路器及地刀之間的閉鎖與反閉鎖，確保搖絕緣與高壓柜五防功能的結(jié)合。

圖4 絕緣檢測電動驅(qū)動裝置控制原理

圖3 絕緣檢測機(jī)械抓示意圖

3.2 絕緣監(jiān)測設(shè)備控制邏輯設(shè)計

按照檢測工藝和操作要求，安全準(zhǔn)確的完成監(jiān)測工作，設(shè)計如下控制時序。

如圖5所示，在絕緣測試裝置控制柜上電后，監(jiān)測每個高壓電機(jī)的高壓電源是否分閘，機(jī)械手是否咬合，小車是否到試驗位。在系統(tǒng)啟動后，高壓電源分閘，機(jī)械臂咬合，小車到試驗位（即準(zhǔn)備好）的高壓電機(jī)A相繼電器閉合，2 s后絕緣測試裝置檢測，10S后絕緣測試裝置結(jié)束檢測（其中第8秒將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC），2S后A相繼電器斷開，6S后開始檢測B相。B相檢測時序與A相相同。在該電機(jī)檢測結(jié)束后，系統(tǒng)自動開始檢測下一個準(zhǔn)備好的高壓電機(jī)絕緣值。

圖5 系統(tǒng)檢測控制時序

3.3 P L C與絕緣測試儀的通信設(shè)計

(1)通信硬件進(jìn)行搭建

PLC與絕緣測試儀采用RS-485通信協(xié)議通訊，S7-200通訊口引腳分配定義，如下表1所示。并對PLC和絕緣測試儀的具體通訊協(xié)議和通信設(shè)置進(jìn)行設(shè)置，如表2所示。

表1 R S 485通信口引腳分配

表2 P L C 485通信口協(xié)議配置

(2)通信軟件進(jìn)行設(shè)計

通信軟件設(shè)計的流程如圖6所示。

在發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令過程中，何時觸發(fā)發(fā)送中斷是個重要的問題。經(jīng)研究實驗發(fā)現(xiàn)，在絕緣值測量過程中，由于電機(jī)屬于電容性電阻，故而通過絕緣測試裝置測量絕緣值時，存在一個充電過程。絕緣測試裝置在開始檢測后，檢測值會隨充電情況上升只到充電飽和，故而選擇在每次絕緣測試裝置開始工作（可在觸摸屏上設(shè)置檢測時間長度）觸發(fā)發(fā)送中斷，將絕緣測試裝置中的實時數(shù)據(jù)發(fā)送到PLC中，并儲存在相應(yīng)地址中。

圖6 通信軟件設(shè)計的流程圖

故而PLC在VW4至VW16即測試時間中，通過SM0.5時鐘脈沖發(fā)生位，每秒向儀表通信模塊發(fā)送請求，獲得實時檢測數(shù)據(jù)。

4 觸摸屏的設(shè)計

4.1 觸摸屏的頁面設(shè)計

本觸摸屏設(shè)計為4個頁面，分別為：主頁面，當(dāng)前絕緣值頁面，絕緣報警值設(shè)定頁面，歷史參數(shù)頁面【5】。可以通過觸摸屏幕下端的相應(yīng)的按鈕實現(xiàn)各畫面的切換，如圖7所示。

圖7 觸摸屏頁面

如圖7所示，顯示的是初始畫面，顯示時間，可以通過“時間設(shè)置”按鈕，可以設(shè)置現(xiàn)場時間。

觸摸“當(dāng)前絕緣值”按鈕，就可以分別顯示1-4路（4個電機(jī)），每一路 A、B、C各自的絕緣值；再觸摸“當(dāng)前絕緣值”頁面中的“啟動”按鈕便可以開始絕緣值檢測，通過絕緣值與絕緣報警值相互比較，系統(tǒng)判斷絕緣值正常和故障，并產(chǎn)生報警；觸摸“停止”按鈕，完成檢測工作，并且監(jiān)測數(shù)據(jù)自動顯示在歷史參數(shù)畫面；觸摸屏上1號至4號按鈕，可以進(jìn)入詳細(xì)參數(shù)顯示界面，如圖8所示。絕緣報警值設(shè)定頁面，觸摸絕緣報警值顯示窗口，彈出小鍵盤，輸入絕緣報警值，并可以對其進(jìn)行微調(diào)。絕緣報警值設(shè)定絕緣值的下限，一旦絕緣測試值小于該值則產(chǎn)生報警。

圖8 當(dāng)前絕緣值畫面

觸摸“歷史參數(shù)”，歷史參數(shù)頁面就可顯示每次檢測完成后，每一個檢測數(shù)據(jù)；報警信息；巡檢儀數(shù)據(jù)發(fā)送時間。

4.2 觸摸屏數(shù)據(jù)處理腳本開發(fā)

觸摸屏通過以太網(wǎng)與S7-200的以太網(wǎng)模塊通信，而根據(jù)通信協(xié)議，從PLC地址中采集的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過編譯才可正確顯示在觸摸屏上。

為了解決這個問題，在觸摸屏的后臺腳本中編寫了程序。其中小數(shù)點位，單位信息，測量值信息，分別儲存在VW206，VW208兩個字地址中。內(nèi)部變量S_1a為提取后的單位地址，R_1a為測量值信息，T_1a小數(shù)點位信息。經(jīng)過如此處理系統(tǒng)正確處理了從PLC傳輸?shù)接|摸屏上的信息，并使其以直觀方便的形式顯示出來。

5 遠(yuǎn)程遙控設(shè)計

5.1 對高配測控柜的改造設(shè)計

高配測控柜均有遠(yuǎn)程控制及遙信功能，可用后臺電腦操作。為了實現(xiàn)絕緣遙測的目的，對高配測控柜進(jìn)行了改造，增加了DO板及壓板。

5.2 對高配測控柜的通信改造

為了實現(xiàn)絕緣數(shù)據(jù)遙信的目的，通過RS485通訊線及PSX643集中式規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置，編寫Modbus規(guī)約轉(zhuǎn)換程序?qū)LC儲存的絕緣測試值上傳到電腦后臺。高配綜保后臺絕緣測試畫面如圖9所示。

圖9 高配綜保后臺絕緣測試畫面

6 結(jié)束語

所開發(fā)研究的遠(yuǎn)程高壓電機(jī)絕緣測試裝置運用于梅山鐵礦的4臺球磨機(jī)的電機(jī)的絕緣測試，提高了高壓電機(jī)絕緣檢測的自動化水平的，保障了工人的人身安全，受到廠方的一致好評！

1）當(dāng)以直流220V供電，采用完全隔離的RS-485通訊模塊測量現(xiàn)場絕緣值正確。

2）在高壓試驗位信號、機(jī)械抓咬合信號、高壓柜分閘信號全部發(fā)送到絕緣檢測儀裝置中后，觸摸啟動按鈕開始絕緣值檢測工作。至檢測完成后，觸摸停止按鈕停止檢測，記錄數(shù)據(jù)。全部過程一鍵式操作，安全便捷。

3）設(shè)計的高壓電機(jī)絕緣測試裝置具有一套絕緣測試系統(tǒng)測試多臺電機(jī)絕緣，不論是遠(yuǎn)程還是就地測量，均不用打開高壓柜后門，測量速度快，對設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)破壞小，值班人員操作安全系數(shù)高。

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