基于C#的交流異步電機(jī)測(cè)試與分析系統(tǒng)開發(fā)

高德欣， 程 捷， 白劍飛

(青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，山東 青島 266042)

基于C#的交流異步電機(jī)測(cè)試與分析系統(tǒng)開發(fā)

高德欣， 程 捷， 白劍飛

(青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，山東 青島 266042)

針對(duì)電機(jī)出廠前需進(jìn)行測(cè)試分析這一情況，以西門子S7-1200為控制器，基于Visual Studio平臺(tái)，采用C#高級(jí)語言開發(fā)了一套交流異步電機(jī)測(cè)試與分析系統(tǒng);首先，設(shè)計(jì)了包括監(jiān)控層、測(cè)控層、設(shè)備層的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)；其次，給出了西門子S7-1200PLC與上位機(jī)的以太網(wǎng)通訊，及與匝間耐壓測(cè)試儀、電參數(shù)測(cè)試儀、轉(zhuǎn)矩測(cè)試儀等儀表之間的RS485通訊實(shí)現(xiàn)方法；然后，根據(jù)國標(biāo)GB/T1032-2012開發(fā)了系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)功能和數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)方法；最后，系統(tǒng)應(yīng)用于某電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)例表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)在不同狀態(tài)下的數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲(chǔ)和分析，并形成了試驗(yàn)報(bào)告，幫助企業(yè)提高了生產(chǎn)效率和試驗(yàn)精度。

交流異步電機(jī)；C#；S7-1200；以太網(wǎng)；RS485

0 引言

電機(jī)在國民生活和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著重要的作用。為提高電機(jī)生產(chǎn)質(zhì)量，新電機(jī)研發(fā)生產(chǎn)后，生產(chǎn)企業(yè)要參照國標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行出廠試驗(yàn)和型式試驗(yàn)，判定其性能好壞。傳統(tǒng)的電機(jī)試驗(yàn)一般用分離儀表進(jìn)行測(cè)試，采用人工方式讀取、記錄、處理數(shù)據(jù)和手工方式繪制曲線，這種方式自動(dòng)化程度較低，工作強(qiáng)度大，耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間，人為因素的介入再加上試驗(yàn)儀表誤差，會(huì)造成試驗(yàn)過程中誤差增大，測(cè)試精度大大降低，從而影響對(duì)電機(jī)總體性能的判斷[1-5]。

根據(jù)以上電機(jī)測(cè)試中存在的問題，本文以Microsoft Visual Studio為平臺(tái)，采用C#高級(jí)語言開發(fā)了一套交流異步電機(jī)測(cè)試與分析系統(tǒng)。系統(tǒng)以西門子S7-1200為控制器，采用匝間耐壓測(cè)試儀、電參數(shù)測(cè)試儀、轉(zhuǎn)矩測(cè)試儀等設(shè)備為測(cè)量?jī)x表，通過工業(yè)以太網(wǎng)和RS485網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式通訊，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)測(cè)試的自動(dòng)化和數(shù)據(jù)處理的智能化，提高了試驗(yàn)精度，提高了工作效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

交流異步電機(jī)測(cè)試與分析系統(tǒng)按照GB/T1032-2012《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》設(shè)計(jì)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為：監(jiān)控層、測(cè)控層和設(shè)備層三部分[6]，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1)監(jiān)控層：主要包括工控機(jī)和UPS不間斷電源等。工控機(jī)作為系統(tǒng)的監(jiān)控主機(jī)；UPS保障系統(tǒng)在意外停電的情況下的正常運(yùn)行。

2)測(cè)控層：包括S7-1200 PLC、觸摸屏、匝間耐壓測(cè)試儀、電參數(shù)測(cè)試儀、堵轉(zhuǎn)測(cè)試儀、溫度傳感器等測(cè)量控制設(shè)備。其中，耐壓匝間測(cè)試儀是做出廠試驗(yàn)的必備工具，它能夠進(jìn)行耐壓、匝間、絕緣測(cè)試，采集其中的電阻、電壓等參數(shù)；電參數(shù)測(cè)量?jī)x主要采集電壓、電流、功率因數(shù)、輸入功率、輸出功率等參數(shù)；堵轉(zhuǎn)測(cè)試儀能夠測(cè)試電機(jī)堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩等參數(shù)；溫度傳感器采集被測(cè)電機(jī)和陪測(cè)電機(jī)的進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)及環(huán)境等溫度參數(shù)。

3)設(shè)備層：包括陪試電機(jī)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、被試電機(jī)。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

2 通信設(shè)計(jì)

通訊在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常重要，它保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，本系統(tǒng)中主要涉及S7- 1200 PLC與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的通訊，及其與各測(cè)試儀表之間的通訊。

2.1 PLC與上位機(jī)的通訊

西門子S7-1200PLC與上位機(jī)之間的通訊方式主要采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式，目前實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種：Prodave控件方式和直接協(xié)議通訊方式。Prodave控件是西門子主要為S7-300或S7-400PLC通信開發(fā)的底層DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫，當(dāng)用于S7-1200 PLC的時(shí)候需要進(jìn)行一些修改；直接協(xié)議通訊比較靈活，本系統(tǒng)采用該方式。

2.1.1 Modbus協(xié)議規(guī)范[7]

Moudbus是一種簡(jiǎn)單客戶機(jī)/服務(wù)器應(yīng)用協(xié)議，客戶機(jī)能夠向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，服務(wù)器分析請(qǐng)求，處理請(qǐng)求，向發(fā)送機(jī)發(fā)送報(bào)告，其提供的是在以太網(wǎng)上的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備之間的通信。Modbus協(xié)議定義了一個(gè)與基礎(chǔ)通信層無關(guān)的簡(jiǎn)單協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)，特定總線或網(wǎng)絡(luò)上的Modbus協(xié)議映射能夠在應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(ADU)上引入一些附加域，如圖2所示是通用Modbus數(shù)據(jù)幀格式。

圖2 通用Modbus數(shù)據(jù)幀格式

當(dāng)服務(wù)器對(duì)客戶機(jī)響應(yīng)時(shí)，使用功能碼來域來指示正常響應(yīng)或異常響應(yīng)。對(duì)一個(gè)正常響應(yīng)來說，服務(wù)器只是復(fù)制原始功能碼；對(duì)于異常響應(yīng)，服務(wù)器將原始功能碼的最高有效位設(shè)置邏輯1后返回，然后異常碼指示差錯(cuò)類型。

2.1.2 Modbus/TCP通訊實(shí)現(xiàn)

Modbus協(xié)議通訊實(shí)現(xiàn)分為兩種，一種是在串行鏈路上的實(shí)現(xiàn)，一種是在TCP/IP上的實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)選擇的是后者。通過它PLC可以與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信，Modbus/TCP數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。

圖3 Modbus/TCP數(shù)據(jù)幀格式

所有的Modbus/TCP ADU通過TCP上注冊(cè)的502端口上發(fā)送。

在C#環(huán)境中，在上位機(jī)上建立Modbus客戶端，西門S7-1200PLC為服務(wù)器，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)Modbus/TCP通信。S7-1200的IP地址為192.168.0.1，通過以太網(wǎng)把上位機(jī)和PLC連起來，并設(shè)置本機(jī)的IP地址為192.168.0.5，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，這樣上位機(jī)就和PLC組成了客戶機(jī)/服務(wù)器模式。

在上位機(jī)上用C#編寫Modbus/TCP客戶端程序。其中用到TcpClient客戶端類和TcpListener服務(wù)器端類，在TcpClient類內(nèi)部封裝一個(gè)Soket類實(shí)例，它被用來使用TCP協(xié)議向服務(wù)器請(qǐng)求和獲取數(shù)據(jù)，其程序如下：

private static string IP = ConfigurationManager.AppSettings["IP"];

private static int Port = Int32.Parse(ConfigurationManager.AppSettings["Port"]);

private Socket socket = null;

public void Connect()

{

this.socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);

IPEndPoint ip = new IPEndPoint(IPAddress.Parse(IP), Port);

this.socket.Connect(ip);

}

2.2 S7-1200PLC與儀表的通訊

S7-1200PLC與測(cè)量?jī)x表采用RS485方式通訊，S7-1200PLC不帶RS485通訊口，需要擴(kuò)展RS485模塊，本系統(tǒng)采用的是CM1241 RS485擴(kuò)展模塊。以溫度傳感器為例，溫度傳感器作為從站，只需在設(shè)定中選擇Modbus-RTU通信協(xié)議并且為設(shè)備分配不重復(fù)的站地址即可。S7-1200 PLC作為主站，其通信的基本原理是：首先程序開始運(yùn)行時(shí)，調(diào)用一次Modbus庫中的功能塊MB_COMM_LOAD來組態(tài)RS485模塊上的端口；其次調(diào)用庫中的功能塊MB_MASTER作為Modbus主站與設(shè)備進(jìn)行通信。其界面及參數(shù)設(shè)置如圖4、圖5所示。

圖4 MB_COMM_LOAD塊

圖5 MB_MASTER塊

從圖4中可以看出RS485端口地址為1，波特率為9600，奇偶校驗(yàn)為無。1200PLC作為主站通信是由DATA_ADDR(從站中的起始Modbus地址)和MODE(讀、寫、診斷模式)參數(shù)一起確定實(shí)際Modbus消息中使用的功能代碼。DATA_PTR(數(shù)據(jù)指針)指向要寫入或讀取的數(shù)據(jù)的CPU DB地址，該DB必須為“非僅符號(hào)訪問”DB類型。從圖5中可以看出，模式為0，DATA_ADDR地址為40001，地址類型為保持寄存器，數(shù)據(jù)長度為20，讀取的數(shù)據(jù)的CPU DB地址為P#DB10.DBX0.0WORD 21。

3 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)國標(biāo)和電機(jī)廠家的需求，設(shè)計(jì)的交流異步電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 交流異步電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)

系統(tǒng)可對(duì)電機(jī)進(jìn)行空載試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、T_N試驗(yàn)、安規(guī)試驗(yàn)和初始電阻等7個(gè)試驗(yàn)。測(cè)試流程是：首先填寫測(cè)試單信息，當(dāng)測(cè)試單完成后，選中試驗(yàn)類型，然后啟動(dòng)測(cè)試，測(cè)試狀態(tài)由“停止”變?yōu)椤皽y(cè)試中”，試驗(yàn)中測(cè)試數(shù)據(jù)顯示在界面上，在測(cè)試過程中還可以選擇手動(dòng)或自動(dòng)方式。當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束后停止測(cè)試，如果在做其他試驗(yàn)，按照上面所示的相同步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.2 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Access 2010實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。根據(jù)試驗(yàn)的要求，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)了21個(gè)表對(duì)空載試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、T_N試驗(yàn)、安規(guī)試驗(yàn)等不同實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集存儲(chǔ)。通過SQL語句并搭配C#語言實(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以負(fù)載試驗(yàn)為例，向LoadBRecord表中插入數(shù)據(jù)的程序如下：

string Nowtime = DateTime.Now.ToString();

string connectionString1 = "Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0;" +

"Data Source=e:database" + textBoxtestbill.Text + ".mdb";

OleDbConnection connection1 = new OleDbConnection(connectionString1);

string sql1 = "insert into LoadBRecord(ReportNumber,[測(cè)試時(shí)間],[電機(jī)型號(hào)],[A相電流],…) values ('" + textBoxtestbill.Text + "','" + Nowtime + "','" + textBoxmotorname.Text + "', '" + textBoxLIa.Text + "', …)";

OleDbCommand cmd1 = new OleDbCommand(sql1, connection1);

connection1.Open();

cmd1.ExecuteNonQuery();

connection1.Close();

connection1.Dispose();

然后在timer組件中的Interval屬性中輸入1 000，在timer_click中寫入更新程序，表示每隔1 s數(shù)據(jù)庫LoadBRecord表中的數(shù)據(jù)更新一次。

4 測(cè)試實(shí)例與分析

交流異步電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)電機(jī)各參數(shù)的數(shù)據(jù)采集后，需根據(jù)國標(biāo)中各參數(shù)之間的關(guān)系和對(duì)各試驗(yàn)特性曲線要求，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，并且擬合成曲線。根據(jù)這種情況，基于最小二乘法原理，設(shè)計(jì)了交流異步電機(jī)分析系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 交流異步電機(jī)分析系統(tǒng)

分析過程首先單擊“數(shù)據(jù)連接”，目的是連接數(shù)據(jù)庫；其次單擊“數(shù)據(jù)采集”，目的是采集數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)在界面上顯示；最后單擊“曲線擬合”，目的是擬合曲線。另外，系統(tǒng)中還有“報(bào)告輸出”和“曲線輸出”按鈕，點(diǎn)擊“報(bào)告輸出”，所有數(shù)據(jù)以Excel格式輸出；點(diǎn)擊“曲線輸出”，會(huì)出現(xiàn)打印預(yù)覽窗口，然后通過打印機(jī)將數(shù)據(jù)和曲線分別打印出來，以便以后分析。

以某電機(jī)廠型號(hào)為YX3-180M-4電機(jī)的負(fù)載試驗(yàn)為例，對(duì)分析系統(tǒng)說明。表1是該電機(jī)的銘牌參數(shù)，表2是該電機(jī)的負(fù)載原始數(shù)據(jù)。

表1 電機(jī)銘牌參數(shù)

表2 負(fù)載原始數(shù)據(jù)

交流異步電機(jī)分析系統(tǒng)能夠獲取測(cè)試系統(tǒng)存入數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)按照GB/T1032-2012《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》進(jìn)行計(jì)算，將參數(shù)擬合成曲線，通過表2中的負(fù)載原始數(shù)據(jù)得到負(fù)載擬合曲線如圖8所示。

圖中Eff表示效率，n表示轉(zhuǎn)速，Pf表示功率因數(shù)，I表示電流，P1表示輸入功率，P2表示輸出功率，從曲線中可以看出每條曲線都是二次曲線，參照國標(biāo)，可以判斷該電機(jī)負(fù)載性能合格。

圖8 交流異步電機(jī)分析系統(tǒng)

5 結(jié)論

系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，達(dá)到了企業(yè)要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)型式試驗(yàn)測(cè)試與分析的自動(dòng)化，能夠?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行批量測(cè)試，減少測(cè)試誤差，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，對(duì)指導(dǎo)企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量有一定意義，具有一定的行業(yè)推廣價(jià)值。

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Development of Test and Analysis System of AC Asynchronous Motor Based on C#

Gao Dexin，Cheng Jie，Bai Jianfei

(College of Automation and Electronic Engineering, Qingdao University of Science & Technology, Qingdao 266042, China)

Motor need to be tested before out of the factory. According to this situation, Siemens S7-1200 as the controller,a set of test and analysis system of AC asynchronous motor are developed based on Visual Studio and C#.Firstly,this paper introduces the general structure of the system, including monitoring layer, measurement and control layer and equipment layer.Secondly,it introduces the Ethernet communication between Siemens S7-1200 PLC and PC and the concrete implemention ways of RS485 communication between Siemens S7-1200 PLC and interturn withstand voltage tester, electric parameter tester ,the torque tester and so on.Then according to national standard GB/1032-2012,the system are developed and it gives the fuction of the system and designed means of database.Finally,the system is applied to a motor manufacturing enterprises.The examples of test on spot show that the system realizes acquisition,display,storage and analysis of the data in the different state of motor.Also it forms the test report and help enterprises improve the production efficiency and test accuracy.

AC asynchronous motor; C#; S7-1200; Ethernet; RS485

2016-06-30；

2016-07-12。

高德欣(1978-)，男，山東煙臺(tái)人，博士后，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事優(yōu)化控制、計(jì)算機(jī)控制等方向的研究。

1671-4598(2016)12-0037-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.011

TP273

A