1、分类号：TP273 单位代码：11407密 级： 学 号：20077040北方民族大学硕士学位论文具有绝缘阻值在线检测功能的智能温度控制系统的设计The intelligence temperature control with the insulation resistance on-line measuring ability systems design 学 位 申 请 人： 刘军锋 指 导 教 师 ： 虎恩典 教授 合 作 指 导 教 师： 申 请 学 位 门 类 级 别： 工学硕士 专 业 名 称 ： 电路与系统 研 究 方 向 ： 计算机控制 所 在 学 院 ： 电气工程学院 论
2、文 完 成 日 期： 2010 年 4 月 10 日 独 创 性 声 明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北方民族大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名： 时间： 年 月 日关于论文使用授权的说明本人完全了解北方民族大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学
3、位论文。同意北方民族大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。研究生签名： 时间： 年 月 日导师签名： 时间： 年 月 日摘 要为了适应企业对产品的性能准确评估要求，同时提升企业的生产力水平和产品竞争力，本课题来源于宁夏科技厅科技攻关项目围绕电机生产过程开发了一套具有电机绕组绝缘阻值在线检测功能的智能温度控制系统。本系统属于集散控制系统，主要由三部分组成，下位机是由多台智能温度仪表、智能数字兆欧表和 485 转232 的转接头（485 电平转成 PC 机能够接受的 232 电平）组成，上位机是基于 PC 机的组态王软件部分。针对烘干炉惯性大、有滞后等特点，采用模糊控制
4、方法，并设计了 Smith-Fuzzy PID 控制器；针对电机绕组的大容性、热态绝缘阻值较小，容易击穿的特点，自主研发一种具有通信功能的低压智能兆欧表。由多台仪表(温控仪表和智能兆欧表)通过 RS485 总线与上位机 PC 机构成整个在线监控系统，上位工控 PC 机中的组态王软件在线远程监控下位仪表自动测量烘干炉炉温和炉中电机绕组的绝缘阻值，利用组态王中的 windows 界面实时显示下位机传来的数据，并记录到了历史数据库中。组态王软件还可以根据相关信息绘制出烘干炉的炉温曲线及电机绕组的热态绝缘阻值变化曲线，为控制产品质量和日后的故障判别提供依据。本控制系统应用于宁夏石嘴山市某电机厂，数据测
5、量效果良好，提高了厂家的自动化水平。关键词： 绝缘阻值，兆欧表，组态王，在线检测，高压输出IAbstractIn order to adapt the enterprise to the product manufacturing day by day strict management request, simultaneously promotes enterprises productive forces level and the products competitive power, this issue has developed a set of electric motor w
6、inding insulation resistance online examination system surrounding the motor production process. The system belong to the distributed control mode, mainly composed of three parts, the lower position machine is composed of many intelligent digit megameter, the superior machine is Kingview software wh
7、ich based on the PC machine and 485 revolution of 232 extension attachments.For the drying furnace has the lag and large inertia characteristics, adopt fuzzy control method, and design of the Smith-Fuzzy PID controller; for large capacitive of the motor windings, small thermal insulation resistance,
8、 easy to penetrate characteristics, independently research and develop a low-voltage smart megger with communication function. more than one meter (temperature-controlled instrumentation and intelligent megger) through RS485 bus and host computer compose the whole on-line monitoring system, Industri
9、al PC Configuration software on-line remotely monitor and control the meter to automatic measure Motor winding insulation resistance and under-drying furnace temperature, KingView software use windows interface to display collected data and record collected data in the historical database. KingView
10、software can also draw drying temperature curve and insulation resistance vary curve, for controlling product quality and providing the basis for future fault discrimination.This control system used in a Shizuishan City motor Factory, measurement data result is good, improve the level of factory aut
11、omation.Key words：Insulation Resistance，Megameter，Kingview ，Online Examination，HighVoltage Power SupplyII目 录摘要 .IABSTRACT .II目 录 .III第一章 绪论 .11.1 课题研究背景及意义 .11.2 国内外现状和发展趋势 .21.3 课题的主要任务 .3第二章 绝缘介质特性与测量原理 .42.1 绝缘介质的概念 .42.2 绝缘介质的基本特性 .42.3 绝缘阻值的动态测量与数学模型 .52.4 兆欧表的测量方法 .82.4.1 支路测量法 .82.4.2 比较测量法 .
12、92.4.3 A/D 转换器除法运算法 .92.4.4 电阻 频率转换电路法 .10第三章 智能数字兆欧表的设计 .123.1 兆欧表的硬件电路设计 .123.1.1 直流电源的产生电路 .123.1.2 负高压产生及自动调节电路 .133.1.3 采样网络选择及自动量程转换 .153.1.4 A/D 信号采集电路 .163.1.5 信号调理与抗干扰电路 .17III3.1.6 人机接口电路 .173.1.7 通信电路 .213.2 RS485/ RS232 电平转化电路 .233.3 智能兆欧表软件设计 .243.3.1 主程序 .243.3.2 数据处理程序 .253.3.3 液晶显示程序
13、 .253.3.4 与组态软件的通讯协议 .263.3.5 通讯程序 .28第四章 智能温控仪表的设计 .324.1 温控仪表的硬件电路设计 .324.2 接口与报警电路设计 .354.3 温度控制器的控制策略 .374.3.1 Smith 预估器的控制原理 .384.3.2 PID 控制理论 .394.3.3 模糊控制系统 .414.3.4 SmithFuzzy PID 控制器的设计 .434.4 利用 MATLAB 对控制器的建模仿真 .484.4.1 构建 SmithFuzzy PID 控制器的方法 .484.4.2 Simulink 仿真 .504.4.3 仿真结果分析 .524.5
14、温控仪表的软件设计 .524.5.1 T0 中断服务程序 .524.5.2 采样程序和数字滤波程序 .534.5.3 控制算法程序 .54IV4.5.5 脉冲宽度调制（PWM）算法 .54第五章 单片机系统的抗干扰设计 .555.1 干扰的分类 .555.2 单片机硬件电路中的抗干扰 .555.3 单片机软件程序中的抗干扰 .58第六章 上位机组态软件的设计 .606.1 组态软件概述 .606.2 Kingview 组态软件 .606.2.1 使用 Kingview 组态王编写监控系统的过程 .616.2.1 监控对象及其监控系统的实现 .626.3 组态王与下位仪表的通讯通讯设计 .686
15、.4 组态王画面控制程序设计 .68第七章 结论与展望 .70参考文献： .71致谢： .73附录： .74北方民族大学硕士学位论文 第一章 绪论第 0 页第一章 绪论1.1 课题研究背景和意义随着现代技术的不断更新和拓展，对电力系统及其高压设备的可靠性也提出更高的要求。高压设备的事故往往源于绝缘设备的老化、受潮或击穿，电气设备的使用寿命主要决定于其内部绝缘材料的性能，因而密切关注绝缘材料性能的下降和劣化至关重要。电机是国民经济生产使用中最广泛的机电设备之一，它制约着工业生产的各个环节，而绕组又是电机的“心脏” ，其匝间绝缘性能的优劣直接决定了电机的寿命。电机在使用中出现故障最多的是绕组击穿、
16、绕组短路、绕组断路、绕组烧坏等，这些都属于电机绝缘问题。电机寿命的长短主要取决于绝缘质量，而电机绝缘质量的高低，主要是和电机绝缘处理有关。虽然电机的线圈与其它部件在制成定子、转子时，已具有一定的绝缘能力，如漆包线是由漆膜作导线绝缘；铁芯槽内有槽绝缘等。但漆包线上薄薄的一层漆膜作为导线绝缘，非常薄弱，易受损伤，且漆包线、槽绝缘、槽楔相互移动，电机在启动运行和停止时，绝缘材料要承受电磁振动和机械振动的冲击，还要受到空气中潮气、灰尘、盐雾、和工作环境中腐蚀气体或液滴的浸蚀，并经受运行时发热条件的老化，在电场作用下绝缘中的空气容易电离引起击穿。因而必须对电机绕组进行绝缘处理，将线圈与其相邻部位用绝缘漆
17、浸渍，使导线、槽绝缘等绝缘部件用绝缘树脂包封成为密实坚固的整体。工厂在电机生产过程工序中包含对电机绕组进行预烘、浸漆、烘干等绝缘处理。其目的是用漆填满绝缘内层中所有空隙和覆盖表面，去除潮气、氧、灰尘等有害物质，经绝缘处理后可以提高电机绕组的耐潮性能、耐热性和导热性、耐化学腐蚀性能、电机绝缘电气性能和机械性能以及绕组的化学稳定性等性能。生产过程中，通过对电机绕组烘干过程中的炉温和电机绕组热态阻值跟踪测量，及时、准确的获取电机绕组在绝缘处理过程中的参数变化情况，再对所获信息进行归纳和综合后，与试验标准和工艺规定值以及以往试验结果进行比较，就可以得出当前电机绕组是否满足绝缘等级要求，即是否到达工艺标
18、准。在对相关记录数据分析归纳后，还可以针对相关数据进一步改进工艺，从而提高生产能力，减少废品率，降低出厂成本以及提高企业利润等。本课题正是针对以上电机生产中电机绕组绝缘阻值 123测量所存在的问题而提出的，主要围绕宁夏西北骏马煤矿电机厂的电机绝缘工艺过程。在电机生产过程中，需要对电机绕组作预烘、浸漆、烘干等绝缘处理，在原有的单神经 PID 的温控系统基础上进行改造，并且，加入自主研发智能兆欧表，利用 RS-485 组成串行通信总线结构，从而构成具有绝缘阻值在线检测功能的智能温度控制系统。通过智能兆欧表和智能仪表分别对热态电机绕组绝缘阻值和烘干温度进行自动监控，并将检测数据自动上传给工控机，由工
19、控机对数据作记录、分析、存储。整个过程实现自动值守，无人化管理模式，大大减轻了工人负担，并大幅提高了企业的管理水平。北方民族大学硕士学位论文 第一章 绪论第 1 页1.2 国内外现状从电机整个生产工艺可以看出，电机绝缘性能的好坏直接与温度有着密切的关系，浸漆前的预烘，能够驱除绕组内部的潮气和挥发物，并使其获得适当的温度，以利于绝缘漆的渗透和填充；浸漆后的烘干，能够促进漆基的聚合和氧化作用，使浸入绕组内部的漆固化，并使其表面形成光滑漆膜。而烘干过程又分为两个阶段进行：第一阶段主要是溶剂的挥发，这时温度应控制在溶剂的挥发温度以上、沸点温度以下，使溶剂既能顺利逸出，又不致在绕组表面形成微孔和气泡，同
20、时又可避免漆的表面形成硬膜，阻碍内部溶剂的挥发，在此过程中，还应控制风机进行换气，保证有炉内空气不断换新，以加速溶剂的挥发和防止溶剂气体过浓而引起爆炸事故；第二阶段主要是漆基的聚合固化，并在工件表面形成坚硬的漆膜。由此可见，温度控制极其重要，国内外技术也比较成熟，控制方案众多，有 PID 调节、模糊 PID、史密斯预估法、神经元控制、神经网络控制等，采用哪种控制方案要在价格和控制效果上选择。电机绕组的绝缘程度程度，可由热态电机绕组的绝缘阻值来反映，绝缘阻值的测量仪表是智能兆欧表，此表的研制技术在国外已经比较完善，但是价格较贵，通常需要几千，甚至上万美元；并且，国外早在 20 世纪 70 年代，
21、就已经开始对用电设备进行出厂前鉴定，还对用电设备进行跟踪检测及定期维护，尽量减少事故的发生。在国内也有自主研发的，但是技术还不成熟，对热态电机绕组绝缘阻值测量这一块还没有引起重视，市场上还没有相应的测量仪表。目前市场上大部分还是进口设备，这种兆欧表功能较单一，没有实时通讯功能，无法实现现场要求的多台仪表统一管理的智能控制要求，其次，市场上的智能兆欧表的实验直流电压基本都是在 1kv 以上，这样大的电压很容易击穿刚开始烘干的热态电机绕组（绝缘阻值不大，爬电间隙较小） 。再次，现今的智能兆欧表对电机绕组热态绝缘电机阻值较小，容性较大的情况下，测量数据精度不高，误差较大。最后，所测数据无法自动采集、
22、存储和查询，自动化水平比较低，而且不能一机多用。因而，我们需要根据工厂要求，设 计 出 500V、 1kV 可 自 动 换 挡 的智 能 低 压 数 字 兆 欧 表 ， 与 智 能 温 控 仪 表 一 起 组 成 具 有 绝 缘 阻 值 在 线 检 测 功 能 温 度 控 制 系统 。与本课题类似的研究成果和实际产品主要是数字兆欧表。国内的兆欧表厂商，例如武汉康达，上海六厂等，最低电压也是 1kV， 其产品的测量范围大多都在几 M几十 G，测量误差在 8%之内；国外产品，例如日本共立(KYORITSU)和恒河，德国 BEHA，美国的 ED&D 等，其产品性能，功能和精度较之国内产品都更加优良，
23、因此现在在绝缘电阻测试以及相关产品方面领先的仍然是国外的产品。目前流行的智能高压兆欧表，是以单片机为核心组建，以其测试功能强，自动化程度高而备受青睐。国外已在此基础上开发了基于绝缘电阻测量的数字兆欧表，有多种测量方式，可以自动计算、打印（试品的）绝缘电阻值、吸收比、极化指数和残余吸收电流等绝缘特征参数，获取的性能参数多。本系统汲取国内外产品的优秀和成熟之处，根据实际需要设计了一套具有绝缘阻值在线检测功能的智能温度控制系统，该系统具有在线测试热态绝缘阻值和温度实时控制两大功能，其技术参数和性能不逊于国外现有产品。北方民族大学硕士学位论文 第一章 绪论第 2 页1.3 课题的主要任务本课题主要尝试
24、了一种新的智能温度控制方法和绝缘电阻测量方法，其特点主要是：温度自动调节性能更优，相对于传统的绝缘阻值测试仪，智能数字兆欧表进行了本质上的改进，使其达到较高的测量精度，与智能温控仪表一起组成具有绝缘阻值测试功能的智能温度控制系统，可以全自动的测量数据，减少了工人的劳动强度。同时，能够对电机绕组在烘干处理过程中进行绝缘阻值检测和烘干炉的炉温进行控制，并将产品型号、操作人员，生产日期，绝缘阻值和炉温等相关信息一同录入电脑中存档，以供查询，顺应了企业提高产品质量和管理水平的要求。根据课题要求，进行了系统的整体设计，系统主要由上位机和下位机组成。上位机是以组态王软件为基础开发的工控系统，下位机是以数字
25、兆欧表和温控仪表为单元的测量仪表，上位机和下位机通过 RS232/RS485 转换器按照协议进行串行通讯。整个系统的构成如图 1-1 所示:图 1-1 系统结构图根据整体设计，本论文分别从下位机仪表和上位机组态王这两个方面进行叙述，而仪表又以硬件部分和软件部分入手作详细讲解。按此方式，本文共分为六大部分：第一部分，介绍了本课题的研究背景和意义，国内外的发展趋势和系统总体设计。第二部分是全文的第二章，介绍了绝缘体的基本特性、测量原理和测量方法，并对电机绝缘阻值测量的数学模型进行了动态分析；第三部分是全文的第三章，介绍了智能数字兆欧表的设计，详细介绍了它的硬件电路设计和软件程序设计，并对单片机和上位 PC 机的通讯部分进行阐述；第四部分是全文的第四章，介绍了智能温控仪表的设计，详细介绍了它的硬件电路设计和软件程序设计，并对软件中的温度控制策略的相关技术进行了阐述；第五部分是全文的第五章，主要介绍了整个系统的抗干扰设计第六部分是全文的第六章，主要介绍了上位机组态王的软件设计及相应的程序流程图；最后一部分为论文的结论与展望，总结系统所实现的功能和特点，展望下位仪表的使用前景。
