多型电机实时群控系统设计与实现

邓辉明,黄 峰

(1.湖南工程学院 电气信息学院,湘潭 411104；2.湖南省风电装备与电能变换协同创新中心，湘潭 411104；3.风力发电机组及控制湖南省重点实验室，湘潭 411104)

多型电机实时群控系统设计与实现

邓辉明1,2，3,黄 峰1,2，3

(1.湖南工程学院 电气信息学院,湘潭 411104；2.湖南省风电装备与电能变换协同创新中心，湘潭 411104；3.风力发电机组及控制湖南省重点实验室，湘潭 411104)

针对传统电机控制技术的不足设计了一套多型电机实时群控系统.系统由4台不同的电机组成，由智能型CPS控制与保护开关电器控制.上位机利用力控组态软件，采用Modbus-TCP通讯协议，实现电机的控制、保护、监测.测试表明，系统实现实时遥信、遥测、遥控、遥调等功能，提高了控制效率，简化了操作难度，提高了可靠性，可满足电机分布式控制要求.

电机；力控组态软件；Modbus通讯协议

0 引言

电机广泛应用在工业现场[1].每个电机都有控制保护电路，系统运行时需要对每台电机进行启动或关闭，操作繁琐.一旦遇到突发性故障，若不及时监控及处理，就会导致机器损失.同时，对电机的后期维修也有诸多不便.

工业现场电机数量多、种类复杂.传统的电机控制系统中，一般通过隔离开关+断路器+交流接触器+热继电器等分立元件对电机进行控制与保护.结构复杂、功能单一，不能满足客户需要.

本文采用了智能型CPS控制与保护开关电器[2]对不同类型的电机进行控制.利用力控组态软件[3]通过上位机，基于Modbus-TCP协议[4]对多电机进行实时群控.系统遵循配电系统标准规范，能实时对电机进行控制、记录、工作状态显示、配置参数远程设置、故障判定、保护及测量.实现多电机的远程集中监控、调度，实现实时遥信、遥测、遥控、遥调等功能，提高了系统效率及可靠性、安全性.

1 电机群控系统设计

电机群控系统的整体架构如图1所示.系统采用分层主从分布式计算机网络结构，分为现场设备层、网络通信层和系统管理层.现场设备层采用带通讯功能的控制与保护开关电器，实现对现场设备的就地操作和保护控制.采集电机的运行状态和报警信息，并通过通信模块将其传送给主机.网络通讯层是现场设备层与系统管理层实现数据交换传递的通讯设备和通讯线路，由Modbus-USB转换器和通讯电缆组成.系统管理层包括监控主机(上位机)、监控组态软件，实现对系统进行控制、监控及管理.

图1 电机群控系统的整体架构

控制与保护开关是系统的核心部件，集成单片机控制器，可执行系统的指令和功能、实现电机保护，并采集电机的现场数据.

采用力控组态软件设计上位机软件，对现场设备进行控制与监测.力控组态软件最大的特点是可以采用简单灵活的“组态方式”进行系统集成.只需在开发界面创建好需要的界面，再通过创建数据点与界面进行动画链接，最后通过I/O设备组态实现上位机与控制器进行通讯连接.

2 多型电机群控系统设计实现

2.1 通讯协议

(1) Modbus-RTU通讯协议

Modbus-RTU通讯方式是上位机力控组态软件通过RS-485转换器与设备相连实现.这种通讯方式设置比较简单，只需要将RS-485转换器将KB0-T的通讯口与上位机电脑端口连接，在力控组态软件中选择相应的串口，再设置与设备对应的通讯地址、波特率、奇偶校验位及停止位即可实现通讯.

(2)Modbus-TCP通讯协议

Modbus-TCP通讯方式有两种：透传和周期性报文.本系统采用透传的方式，通过VT1-AMT设置网关，在同一局域网中实现通讯.将上位机电脑和VT1-AMT分别连接网口.本系统中VT1-AMT设备地址采用默认IP地址19.2.168.0.2，上位机电脑IP地址为192.168.0.17，将KB0-T设备的通讯口连接VT1-AMT设备串口.理论上来讲一台VT1-AMT设备可以连接32台通讯设备，本系统只连接2台KB0-T设备试验.这种通讯方式相比RTU通讯方式更加方便，并且可以通过设置力控组态软件来远程访问系统，省去了RS-485通讯电缆，更加快捷可靠.

2.2 控制与保护特性

系统选用KB0-T系列控制与保护开关电器，控制与保护方便、可靠、节能.通过高效的PIC单片机，对三相电流及电压进行采集，利用嵌入式软件进行分析运算后发出相应的处理指令来控制电机的通断及传递信号.保护开关具有短路保护、过载保护、断相保护、电压保护、漏电流保护等功能.内部集成了通讯模块，采用Modbus通讯协议，通过RS-485和VT1-AMT能够跟上位机进行稳定及高速的数据交换.开关电器内部结构如图2所示.

图2 KB0-T开关电器内部结构

2.3 系统验证

为了验证系统的可行性，用4台不同类型电机进行测试.电机包括两台普通风机、一台可逆电机和一台双速风机进行组网.将1号和3号智能型控制与保护开关电器上的通讯接点通过Modbus-USB设备与上位机相连，2号、3号和4号智能型控制与保护开关电器上的通讯节点连接VT1-AMT设备串口，进行数据传递.上位机软件界面如图3所示.

图3 上位机软件界面

通过操作界面，可查看并配置电机重要信息.如配置参数信息、运行中电流信息、通讯及运行是否正常等.系统集成了过载、断相、堵转、欠载、电流不平衡、欠电压、起动超时的故障报警信息，同时，可随时进入组态功能，对系统进行启动、停止控制，参数修改，故障分析等操作.

KB0-T系列控制与保护开关电器内部集成了大量电机保护功能，运行中一旦电机发生故障，通过上位机软件界面，发生故障的原因将会亮红灯，可以清晰的查看故障电机位置以及发生故障的原因.便于有针对性的对电机进行维护修理，减少了工作量，提高了工作效率.

系统主要技术指标测试结果如表1所示.

表1 主要技术指标测试结果

3 总结

利用上位机组态软件，设计、实现电机群控系统.将电机的保护设备(CPS控制与保护开关)与直观的操作界面结合，实现了多电机的智能控制、保护、监测以及故障预警等功能.采用4台不同的电机进行组网测试.长时间的通电运行测试表明，系统实现了遥信、遥测、遥控、遥调等功能，具有较强的可靠性和稳定性.

[1] 程启明, 程尹曼, 王映斐,等. 交流电机控制策略的发展综述[J]. 电力系统保护与控制, 2011, 39(9): 145-154.

[2] 冯明哲, 王 坚. CPS在电气设计中的应用[J]. 低压电器, 1993(3): 40-42.

[3] 许利霞, 张铁民, 刘潇建. 组态软件在超声波电机驱动控制系统中的应用[J]. 微电机, 2010,43(3): 42-44.

[4] 朱 懿，蒋念平. Modbus协议在工业控制系统中的应用[J]. 微计算机信息，2006(22): 118-120.

Design and Realization of Multi Type Motors Group Real-time Control System

DENG Hui-ming1,2,3, HUANG Feng1,2,3

(1. College of Eleetrical & Information Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China;2. Hunan Province Cooperative Innovation Center for Wind Power Equipment and Energy Cenversion, Xiangtan 411104, China;3. Hunan Provincial Key Laboratory of Wind Generator and Its Control, Xiangtan 411104, China)

This paper designs a multi type motors group real-time control system. It consists of four different types of motors which are controlled by the intelligent control and protective switching devices. In host computer, it uses the force control configuration software in motor’s control. Modbus-TCP communication protocol is used in data communication. Tests show that the system can improve the control efficiency and simplify the operation difficulty and the reliability. It completely meets the requirements of distributed control.

motor； force control configuration software； modbus communication protocol

2016-10-09

湖南省教育厅资助科研项目(15K032)；湖南省高校科技创新团队支持计划资助(湘教通[2014]103号)

邓辉明(1992-)，男，硕士研究生，研究方向：电机控制.

TM301.2

A

1671-119X(2017)01-0021-03