張世弘 ，劉振興，廖雪超，咼 娟

（1.武漢科技大學 信息科學與工程學院，武漢 430081；2.武漢科技大學 計算機科學與技術學院，武漢 430081；3.華南理工大學 土木與交通學院，廣州 510640）

隨著監(jiān)控技術和絕緣檢測技術的高速發(fā)展，已有越來越多的監(jiān)測系統(tǒng)應用在低壓電機的絕緣檢測中，而高壓電機的在線絕緣檢測系統(tǒng)，僅在國外得到一定的發(fā)展及應用。目前，高壓電機絕緣檢測系統(tǒng)因測試電壓高、價格高（約是低壓電機絕緣測試系統(tǒng)的5倍），在國內尚未應用。而傳統(tǒng)的測量儀器多為手持式，需要工人到現場手動操作，極易破壞高壓供電柜的“五防”機構，并且由于本項目中現場生產工藝的特殊性，需要頻繁地對高壓電機進行絕緣測量。因此本文設計了一套在線高壓電機絕緣檢測系統(tǒng)，采用上位機、觸摸屏、PLC、數字絕緣電阻表和執(zhí)行機構作為硬件平臺，通過輪詢方式控制一臺數字絕緣電阻表，分時檢測多臺高壓電機的絕緣，并對外部干擾信號進行分析和處理，實現了自動在線安全檢測。

1 系統(tǒng)檢測流程

本系統(tǒng)主要由1臺KD2671數字絕緣電阻表（以下簡稱：KD2671），4臺電動隔離刀閘，12個高壓繼電器，4臺5 kV高壓三相交流電機組成。

KD2671：一種手持式多功能絕緣檢測顯示器，適用于一般電氣設備的維修、實驗及檢定中的絕緣測試[1]。為了更好地適應現場環(huán)境，達到更安全、更可靠、更便捷的目的，本系統(tǒng)對原KD2671進行了改造，加入了外接電源，添加RS-485通訊模塊和數字控制單元，使之能與PLC實現通訊并通過PLC遙控其進行絕緣檢測。

電動隔離刀閘：安裝在高壓柜內，用以控制KD2671的絕緣檢測線與高壓電機三相電路的閉合與斷開。另外，在電動隔離刀閘上安裝輔助觸點，實現其與高壓供電柜斷路器及接地刀閘之間的閉鎖與反閉鎖。

高壓繼電器：線包工作電壓為DC 24 V；接點耐壓值很高，能達到5000 V，用以控制KD2671的絕緣檢測線與高壓電機單相電路的閉合與斷開。

高壓電機：其絕緣檢測優(yōu)先級為1號電機>2號電機>3號電機>4號電機，同一時間只允許一臺高壓電機的單相電路進行絕緣檢測。

本系統(tǒng)進行檢測時，首先閉合電動隔離刀閘，然后依次分別接通A、B、C三相電路中的高壓繼電器，再啟動KD2671對單相電路進行絕緣檢測并上傳測量數據與參數。系統(tǒng)結束檢測時，首先停止KD2671，然后斷開高壓繼電器，最后斷開電動隔離刀閘。與此同時，觸摸屏和上位機可實時監(jiān)控系統(tǒng)的檢測結果和運行狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件結構

本系統(tǒng)由上位機、觸摸屏、PLC、KD2671和執(zhí)行機構組成一個三級計算機控制網絡，采用PLC作為控制核心，搭建通信網絡，分別與上位機、觸摸屏和KD2671進行通信。

1）MODBUS通信：以上位機作主站，PLC作從站，基于MODBUS通信協(xié)議的RS-485通信，用以遠程監(jiān)控PLC完成檢測操作。

2）以太網通信：PLC通過CP243-1模塊與觸摸屏完成以太網通訊，使其能夠完成現場檢測。

3）RS-485通信：以PLC作主站，KD2671作從站的RS-485自由口通信，用以采集現場實時測量數據與參數。

PLC為本系統(tǒng)控制核心，主要控制KD2671自動檢測絕緣，以及各個電動隔離刀閘與高壓繼電器，實現多臺電機多相電路的分時接通，系統(tǒng)硬件網絡結構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件網絡結構示意圖Fig.1 Control system hardware structure

PLC在檢測開始時，首先判斷每臺高壓電機是否具備檢測絕緣的條件，然后依次檢測具備條件的高壓電機三相電路的絕緣值。具體條件為：高壓供電柜分閘，電動隔離刀閘閉合，高壓實驗信號啟動。

此外，在KD2671檢測絕緣過程中，KD2671需將測量數據實時采集并上傳至PLC。數據經過處理后再上傳至觸摸屏與上位機，進行顯示并構造高壓電機絕緣值測量趨勢圖，以便更準確直觀地判斷其絕緣情況。

據此，設計每臺高壓電機絕緣值檢測控制時序，其中1號電機控制時序圖如圖2所示。

圖2 1號電機檢測時序圖Fig.2 Timing diagram of 1st motor detection

1號電機檢測時序時間如表1所示。

表1 1號電機檢測時序時間Tab.1 Detection timing interval of the 1st motor

3 系統(tǒng)RS-485通信實現

本絕緣檢測系統(tǒng)的關鍵控制環(huán)節(jié)是PLC對KD2671檢測時序的控制以及測量數據的實時采集。而這2部分的工作都需要PLC通過RS-485串口通信方式對KD2671進行讀寫操作[2]。

3.1 PLC主站

S7-200 上的通信口（Port0、Port1）可以工作在“自由口”模式下。所謂自由口就是建立在RS-485半雙工硬件基礎上的串行通信功能，其字節(jié)格式為1個起始位，7或8位數據，1個可選的奇偶校驗位，1個停止位。凡此格式的通信對象，一般都可與S7-200通信[2]。

3.2 KD2671從站

KD2671通信操作模式為指令式，當輸入端[RXD]收到來自主站的讀取數據請求后，KD2671會響應指令要求，發(fā)送數據。

1）主站發(fā)送讀數據幀格式

主站發(fā)送讀取參數數據協(xié)議格式如表2所示。

表2 讀指令數據幀格式Tab.2 Frame protocol structure of reading data

2）從站回送數據幀格式

從站響應指令要求回送數據協(xié)議格式如表3所示。

其中：絕緣狀態(tài)值C1由8位表示，如表4所示。

檔位狀態(tài)：00=OFF，01=500 V，10=1000 V，11=2500 V。

小數位數：00=無，01=1位小數，10=2位小數，11=3位小數。

單位：0=MΩ，1=GΩ。

表3 回送數據幀格式Tab.3 Frame protocol structure of echo

表4 絕緣狀態(tài)值分析Tab.4 Analysis of insulation state

4 系統(tǒng)軟件實現

搭建系統(tǒng)硬件與通信網絡后，要完成4臺高壓電機在線檢測絕緣工作，PLC程序的設計也是一個重要環(huán)節(jié)，其核心是通信程序與控制邏輯。

通信部分：在PLC的DB塊中構造上述發(fā)送和接收協(xié)議的數據幀格式，然后調用PLC的自由口通信發(fā)送（XMT）指令，將DB塊中的數據幀發(fā)送至從站，并調用接收（RCV）指令，將接受到的數據幀存入指定的DB塊中。用戶程序使用通信數據緩沖區(qū)和特殊存儲器與操作系統(tǒng)交換相關的信息[3]。

控制邏輯部分：首先利用PLC程序中的時鐘脈沖與遞增功能實現時序計時，然后根據各信號的時序控制要求完成控制邏輯設計。

據此，該系統(tǒng)的軟件實現包括：通信與數據區(qū)初始化、發(fā)送數據、接受數據和控制邏輯。

4.1 通信與數據區(qū)初始化

首先采用圖3程序，設置通信端口的參數。

圖3 通信初始化程序代碼Fig.3 Communication initiation code

考慮到PLC不僅作為控制核心，還需緩存KD2671上傳的數據、上傳給上位機的數據以及儲存讀取從站數據參數的指令數據幀，故采用4個DB塊來分別執(zhí)行。系統(tǒng)可以根據每個DB塊的不同功能在不同時刻對其進行初始化。據此，設計PLC數據塊結構，如表5所示。

表5 PLC數據塊結構Tab.5 DB block structure of PLC

4.2 XMT發(fā)送數據程序設計

因需要實時監(jiān)控測量數據，故采用循環(huán)的方式訪問KD2671，在KD2671開始工作時，即啟動一個循環(huán)觸發(fā)計時器來實現訪問。而循環(huán)周期T的設置非常重要。主站與從站通信，需經過2次數據交互周期。數據傳輸時，發(fā)送和接收的數據幀長度（BYTE）均為

起始碼（1）+地址碼（1）+功能碼（1）+數據長度（1）+數據（6）+校驗碼（2）=12

PLC與KD2671完成一次通信所需時間為：（12+12）×8/9600=0.02 s=20 ms

據以上分析，完成一次通信，循環(huán)周期應至少大于20 ms。為給通信信道保留一定的空閑時間，并保證程序設計循環(huán)時間的合理性，系統(tǒng)設計PLC作為主站每100 ms給從站設備發(fā)送DB塊中的讀指令數據幀。

4.3 RCV接受數據程序設計

RCV指令的基本工作過程為：

1）在邏輯條件滿足時，啟動一次RCV指令，進入接收等待狀態(tài)；

2）監(jiān)視通信端口，等待設置的消息起始條件滿足，然后進入消息接收狀態(tài)；

3）如果滿足了設置的消息結束條件，則結束消息，然后退出接收狀態(tài)[4]。

根據KD2671從站應答數據幀結構，當主站發(fā)送讀取參數指令后，從站會將相應參數代碼的值回送給主站；主站成功接收到從站應答的數據后，進行CRC校驗，校驗正確則將一幀數據中的多余字符（如：控制字符、參數代碼和校驗碼等）剔除，并且將實際有用數據信息轉換為絕緣值數據，保存至相應的DB區(qū)域中；若校驗錯誤則重新開始該電路絕緣檢測。

4.4 系統(tǒng)控制邏輯程序設計

系統(tǒng)啟動后，首先進行通信及數據區(qū)初始化，然后輪詢檢測四臺高壓電機絕緣。當一臺電機開始檢測絕緣時，啟動如下程序。

其中，SM0.5為時鐘脈沖：接通0.5 s，關斷0.5 s，工作周期時間為1 s。

VW0為單相電路檢測時間計時量：當VW0處于0～14 s中，接通該電機該相電路對應高壓繼電器；2～12 s時控制KD2671進行絕緣檢測，并且啟動循環(huán)訪問讀取測量數據存入相應數據區(qū)；當VW0計時到20 s時，則該電機該相電路檢測完成并將VW0置 0。

VW2為三相電路總檢測時間計時量：當VW2分別處于 0～20 s、21～40 s、41～60 s中， 系統(tǒng)分別檢測該電機的A、B、C電路；當VW2計時到60 s時，則該電機檢測完成并將VW2置0。

據此，設計出系統(tǒng)的軟件實現流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件實現流程Fig.4 Flow chart of system software realization

5 系統(tǒng)實現

在系統(tǒng)實現階段中，分別采用本系統(tǒng)和絕緣搖表對200 MΩ高壓電阻、開路、短路以及高壓電機三相電路等檢測項目進行了實驗，發(fā)現現場干擾信號對系統(tǒng)產生影響使其無法正常工作，進而對系統(tǒng)測量數據進行了如下分析，如表6所示。

表6 高壓絕緣檢測系統(tǒng)調試數據Tab.6 Debug data of inspection system for HV motor insulation

當采用KD2671直接檢測時，可采用220 V AC-12 V DC開關電源為KD2671供電的情況下進行絕緣檢測，其結果與絕緣搖表的測量數據差異很大（見表6中情況1）。

考慮到原KD2671為手持式，采用8節(jié)1.5 V干電池供電，故分析開關電源輸出直流電存在干擾信號，于是采用現場直流供電柜輸出的220 V DC，經過變壓器降壓為12 V DC為KD2671供電。重新進行檢測后，系統(tǒng)測量數據與絕緣搖表測量數據相近，且在允許誤差內（見表6中情況2）。

系統(tǒng)在KD2671采用直流供電后，將KD2671與PLC進行通信，進行絕緣檢測。其檢測過程中，測量數值固定，且小數點位在低兩位隨機波動（見表6中情況3）。

考慮到RS-485接口雖然采用的是差分傳輸方式，具有一定的抗共模干擾的能力，但當共模電壓超過RS-485接收器的極限接收電壓，即大于+12 V或小于－7 V時，接收器就再也無法正常工作了，故采用二次集成芯片將KD2671電源和RS-485收發(fā)器的電源進行隔離[5]，徹底消除共模電壓的影響。重新進行測量后，系統(tǒng)測量數據與絕緣搖表測量值相近，且在允許誤差內（見表6中情況4）。

6 結語

本高壓絕緣檢測系統(tǒng)自動化程度較高、操作簡便安全、通用性強、成本較低。自運行以來，硬件、通信以及自動控制系統(tǒng)全部正常運行，從未出現過任何故障以及其它干擾現象。操作人員通過觸摸屏與上位機實現絕緣檢測全部過程一鍵式操作，檢測數據準確、穩(wěn)定、可靠。

[1] 武漢市康達電氣有限公司.KD2671數字絕緣電阻表說明書[Z]，2008.

[2] 許其義，武玉強，初學導.西門子S7-200PPI協(xié)議獲取及其通信控件研究[J].自動化儀表，2008，29（1）：33-36.

[3] 崔堅.西門子工業(yè)網絡通信指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[4] 李志俊，程濤.基于多線程的多串行通信任務的實現[J].武漢理工大學學報，2002（5）：15-17.

[5] 盛新，韓豫萍.西門子S7_200PLC的RS_485通信接口簡介及故障解析[J].PLC&FA，2007，11：33-35.

國內首條年產百萬只超級電容器生產線投產

國內第一條年產100萬只超級電容器生產線近日在湖南投產。由湖南耐普恩電能科技有限公司自主研發(fā)的這條生產線，涵蓋了極片制備、單體組裝全工藝流程，標志著國內超級電容器行業(yè)長期被國外廠商壟斷的局面將被打破，必將加速我國超級電容器產業(yè)的發(fā)展。

超級電容器是近年來隨著新材料科學的突破，而出現的一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間的新型綠色環(huán)保物理儲能器件，是對化學儲能技術的有益補充。其最大優(yōu)點是，充放電時間短、可大電流充放電、功率密度遠高于鋰電池，充放電循環(huán)次數可達50萬次以上，使用壽命長達10年?？蓮V泛應用于新能源汽車、軌道交通、升降設備和軍事裝備等領域。

位于長沙經開區(qū)的湖南耐普恩公司，自2010年成立以來專注于超級電容器及其在新能源儲能方面的研發(fā)。新投產的超級電容器生產線總投資超過4000萬元人民幣，可實現年產100萬只超級電容器。其產品將在電梯節(jié)能系統(tǒng)、風光互補路燈儲能系統(tǒng)、汽車啟停裝置等方面得到廣泛應用。

清華大學教授王要武認為，耐普恩超級電容器生產線是我國從基礎研究到自主設計、研發(fā)生產的首條超級電容器生產線，改變了之前我國超級電容器產業(yè)核心技術依靠引進的局面。其產品極片制備技術為自主開發(fā)，工廠量產成本大大降低，擁有極高的性價比，對中國超級電容器產業(yè)的發(fā)展具有重大意義。