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【摘 要】 变压器实验技术是将变压理论转化为生产实际的桥梁。本文将基于Internet的旋转变压器实验系统的框架，给出了系统硬件设计、控制端和客户端软件设计及实现方法，并对系统的控制功能、方案设计给予了详细的说明。
【关键词】 变压器；实验技术；网络实验室
一、前言
随着计算机网络和虚拟现实等技术的日益发展，目前虚拟实验室在国内外已有了比较广泛和深入的研究。虽然目前国内外许多高等院校或者科研机构已经开发了具有自身特色的虚拟实验室，但是已建成的虚拟实验室基本是基于仿真对象的，或仅基于单个实际对象。
二、变压器实验目的
变压器实验内容包括空载实验、短路实验和负载实验。实验目的是通过空载和短路实验测定变压器的变比等参数，通过负载实验测取变压器的运行特性。用户可以在客户端对电压、负载等参数进行调节，改变变压器的运行状态，并通过对得到的物理参数进行分析和处理，了解和掌握变压器的运行特性及其变比等参数的测定方法。由于网络实验室的特点是针对实际设备进行操作，得到的数据也都是实验过程的真实写照，为实验数据的分析和处理提供了基础。
三、基于Internet的旋转变压器实验系统介绍
1、系统结构
基于Internet的旋转变压器实验系统分为客户端、控制端和中心服务器三部分，其结构如图1所示。网络数据通信均采用基于TCP/IP协议族的自定义协议，利用了传输层（ transport layer）上的网络套接字（Socket）构建TCP协议，具有编程灵活且又能保证数据传输的正确性的特点。用户在客户端登录后，可以设置实验命令和实验参数，通过网络传输到控制端后转化为相应的实验操作（子实验切换、转盘转动角度、开关电源等），并按要求采集实验数据，再将实验结果返回到客户端并显示给用户。
图1 基于Internet的旋转变压器实验系统结构示意图
2、硬件设计
控制端硬件结构，如图2所示。怎样有效地设置旋转变压器转盘的角度成为系统控制难点。步进电机拥有良好的角度控制性能，可以正、反转动和整步、半步运行，控制精度高，因此采用步进电机来控制旋转变压器转盘角度。先把角度参数转化为步进电机的驱动信号，再通过步进电机来控制转盘转动相应的角度，最后还可以通过采集到的电压值来微调步进电机，达到闭环控制的目的，提高系统的控制性能。
系统硬件设备采用XZB-1A型正余弦旋转变压器和XZB-1型400 Hz稳压电源实验设备，57BY250A型两相混合式步进电机， ZD-HB2024D型两相混合式驱动器以及24 V稳压直流驱动电源，基于ISA总线且拥有24路数字量输入输出功能的PCL724板卡，带RS232串口标准的UT60D数字电压表和实验控制线路板。其中，稳压源给旋转变压器提供恒定的400 Hz/60 V的交流信号，实验控制线路板由继电器和接插件组成，接收PCL724的数字量输出信号，通过74HC244驱动芯片来控制继电器开关，从而控制实验线路接线，达到子实验切换的目的。步进电机驱动器接收PCL724的输出信号，来控制电机完成正转/反转、整步/半步、對应转动步数以完成旋转变压器转盘角度设定等实验操作，同时利用串口把电压表所测数据采集上来。
3、服务器
实验服务器主要作用是实验的管理、用户的管理、实验的调度安排、用户与实验间通讯的建立。在服务器上，利用具体的用户名标识具体登录用户，具体实验用称之为/实验号0的整型数值表示，用户和实验登录时，都需要相应的密码。服务器使用的计算机是高性能的Dell品牌专业服务器计算机POWEREDGE 6600，内含2颗IntelXeon 2G服务器专用处理器，4G内存，6个72 G的SCSI硬盘。在该计算机上安装了非常适合作为网络服务器的Linux操作系统，它运行稳定、性能可靠，使用Java编写网络实验室的服务器程序。
4、客户端软件设计
客户端包括给定命令参数设置、数据返回显示以及实物视频窗口。客户端软件设计流程图，如图3所示。用户在使用时先安装客户端程序，然后登录网络实验室，通过身份验证后就可以登记实验。如果当前该实验空闲，则直接进入实验，否则用户可以选择进入等待队列。用户可以在客户端搭建实验线路，对子实验序号、控制角度等实验参数进行设定，将设置好的参数发送到控制端。控制端根据设定的参数进行实验，将实验过程中得到的电压等实验数据通过Internet反馈给客户端，用户可以实时观测，得到在每个子实验状态下，不同的输入角度所对应的输出电压大小，最终得到输出特性曲线。
图3 客户端软件设计流程图
5、控制端软件设计
控制端软件负责响应客户端的请求，完成在传统的旋转变压器实验中由实验者手动完成的操作，如调节角度、测量输出电压等，可以测量旋转变压器处于空载、负载、原边补偿、副边补偿以及原、副边补偿状态下的输出特性曲线，大幅度提高了实验效率。控制端程序一直处于侦听状态，客户端发出命令后经服务器转发给控制端。在控制端接收到命令数据包并进行解析后，实时响应客户端的请求，通过执行相应的操作来改变系统运行状态，对改变后的系统状态量进行测量，并将采集到的电压等实验数据打包后发送给客户端。
制端利用工业PC的RS-232串口来读取数字电压表采集到的输出交流电压的有效值，从而获得各种实验状态下旋转变压器的输出特性。在子实验切换和实验结束时，转盘都有一个初始化归零的过程，使每个子实验开始时，转盘都复位至零度角，以保证实验角度的正确性。在归零的过程中系统首先把实验结束时设置的角度参数转化为步进电机的反转步数，完成粗调的步骤后，控制端通过串口采集输出电压，根据电压值的大小来确定步进电机的微调步数，使步进电机再转过一定的角度，以逼近零度角。考虑到实验过程中可能会出现网络故障等现象，在控制端设置一个看门狗时间，定时时间到即判断旋转变压器的设置角度是否为零，若不是，则系统自动归零。 6、同步实验和异步实验
为了最大限度地提高设备的利用率，同时保证实验效果，所以针对不同的实验人群，提供了2种实验模式：同步模式和异步模式。同步模式在客户端和控制机之间建立虚链路连接，控制机和客户端直接交互。该模式的实验允许实验者直接与设备交互，所以有种亲临实验室的感觉。而且用户可以反复实验，检验实验效果，非常适合研究性质的实验。然而对于教学实验，其实验过程是确定的，或者说可选择的内容是有限的。为此，笔者设计了异步模式。在异步实验模式下，客户端和控制机之间没有虚链路连接，实验者在客户端先将实验的整个流程设计好，由控制器一次性独立完成实验。
四、 变压器实验中的安全防护措施
1、由专业人员进行操作
在变压器的使用过程中，要将使用的安全性作为重点进行考虑，并加以重视，保证安全防护工作切实落实到位，避免因疏忽对操作人员的人身安全造成影响。在试验的操作过程中，要对于每一个步骤按照规范进行操作，在进行电路的连接和加压的过程中做到细致操作，减少因人员的疏忽产生的安全事故。
2、做好充分的准备工作
在对变压器进行试验之前，要对试验中使用到的器材进行认真准备，保证其安装到位，为实验的顺利进行做好充分的准备，在实验开始前要做好全面的防护工作，在试验区域的周围设置安全网，同时设立安全标志，避免不相关的人员进入到实验区内，为了保证试验过程中不受到外界的干扰，要有专门的负责人员进行巡逻，避免造成人员伤亡事故。
3、做好明确分工
在试验的过程中要对参与人员进行明确的分工，保证每个环节都有专人负责，从而保证试验的效率。在分工过程中，要根据工作人员的特点进行岗位的分配，使每个人都能够发挥自身的优点，将试验做好。在进行分工后，每个人员要对自身的工作进行负责，及时排除安全隐患，保证每一个细节的准确性，并在确认工作的安全性后将安全网去除。
4、加强高压变压器使用防护措施
在使用高压变压器时，要注意线路的连接，在线路连接后要使用外壳接地的方法保证其使用的安全性，同时，要将测量线阻的末端接地。此外，要保证生涯过程匀速进行，对仪表指针指向的位置和设备的反应情况进行认真观测，在出现异常反应时要切断电源并进行检查。
五、结束语
变压器实验技术是国家经济增长的标志。本文提出基于Internet实现远程控制，可最大限度地实現资源共享，为资金短缺的院校以及远程教育、继续教育等提供一种有效的实验方法。该系统融合了网络、计算机实时控制、面向对象编程、电气电子等技术，将真实的物理设备与网络相结合，为局域网和Internet用户提供了一个开放的实验平台，使学生可以通过因特网远程登录该系统后进行旋转变压器等相关实验。
参考文献：
[1]沈一骑.电路分析实验的改进与研究性拓展[J].实验技术与管理2013 ，30（1）：21-26.
[2]沈一骑，孔令红.电路与电工原理研究性实验教程[M].南京：南京大学出版社，2012.
[3] 张瑞祥，变压器虚拟实验的设计[J].实验室研究与探索. 2009.（4）：69-72
[4]孙志海.基于Internet的51单片机实验系统[J].实验室研究与探索，2000 25（ 2）： 189—191
[5]林群.基于Internet的电工电子网络实验室[D].杭州：浙汀大学申气学院，2004： 7 - 39
【关键词】 变压器；实验技术；网络实验室
一、前言
随着计算机网络和虚拟现实等技术的日益发展，目前虚拟实验室在国内外已有了比较广泛和深入的研究。虽然目前国内外许多高等院校或者科研机构已经开发了具有自身特色的虚拟实验室，但是已建成的虚拟实验室基本是基于仿真对象的，或仅基于单个实际对象。
二、变压器实验目的
变压器实验内容包括空载实验、短路实验和负载实验。实验目的是通过空载和短路实验测定变压器的变比等参数，通过负载实验测取变压器的运行特性。用户可以在客户端对电压、负载等参数进行调节，改变变压器的运行状态，并通过对得到的物理参数进行分析和处理，了解和掌握变压器的运行特性及其变比等参数的测定方法。由于网络实验室的特点是针对实际设备进行操作，得到的数据也都是实验过程的真实写照，为实验数据的分析和处理提供了基础。
三、基于Internet的旋转变压器实验系统介绍
1、系统结构
基于Internet的旋转变压器实验系统分为客户端、控制端和中心服务器三部分，其结构如图1所示。网络数据通信均采用基于TCP/IP协议族的自定义协议，利用了传输层（ transport layer）上的网络套接字（Socket）构建TCP协议，具有编程灵活且又能保证数据传输的正确性的特点。用户在客户端登录后，可以设置实验命令和实验参数，通过网络传输到控制端后转化为相应的实验操作（子实验切换、转盘转动角度、开关电源等），并按要求采集实验数据，再将实验结果返回到客户端并显示给用户。
图1 基于Internet的旋转变压器实验系统结构示意图
2、硬件设计
控制端硬件结构，如图2所示。怎样有效地设置旋转变压器转盘的角度成为系统控制难点。步进电机拥有良好的角度控制性能，可以正、反转动和整步、半步运行，控制精度高，因此采用步进电机来控制旋转变压器转盘角度。先把角度参数转化为步进电机的驱动信号，再通过步进电机来控制转盘转动相应的角度，最后还可以通过采集到的电压值来微调步进电机，达到闭环控制的目的，提高系统的控制性能。
系统硬件设备采用XZB-1A型正余弦旋转变压器和XZB-1型400 Hz稳压电源实验设备，57BY250A型两相混合式步进电机， ZD-HB2024D型两相混合式驱动器以及24 V稳压直流驱动电源，基于ISA总线且拥有24路数字量输入输出功能的PCL724板卡，带RS232串口标准的UT60D数字电压表和实验控制线路板。其中，稳压源给旋转变压器提供恒定的400 Hz/60 V的交流信号，实验控制线路板由继电器和接插件组成，接收PCL724的数字量输出信号，通过74HC244驱动芯片来控制继电器开关，从而控制实验线路接线，达到子实验切换的目的。步进电机驱动器接收PCL724的输出信号，来控制电机完成正转/反转、整步/半步、對应转动步数以完成旋转变压器转盘角度设定等实验操作，同时利用串口把电压表所测数据采集上来。
3、服务器
实验服务器主要作用是实验的管理、用户的管理、实验的调度安排、用户与实验间通讯的建立。在服务器上，利用具体的用户名标识具体登录用户，具体实验用称之为/实验号0的整型数值表示，用户和实验登录时，都需要相应的密码。服务器使用的计算机是高性能的Dell品牌专业服务器计算机POWEREDGE 6600，内含2颗IntelXeon 2G服务器专用处理器，4G内存，6个72 G的SCSI硬盘。在该计算机上安装了非常适合作为网络服务器的Linux操作系统，它运行稳定、性能可靠，使用Java编写网络实验室的服务器程序。
4、客户端软件设计
客户端包括给定命令参数设置、数据返回显示以及实物视频窗口。客户端软件设计流程图，如图3所示。用户在使用时先安装客户端程序，然后登录网络实验室，通过身份验证后就可以登记实验。如果当前该实验空闲，则直接进入实验，否则用户可以选择进入等待队列。用户可以在客户端搭建实验线路，对子实验序号、控制角度等实验参数进行设定，将设置好的参数发送到控制端。控制端根据设定的参数进行实验，将实验过程中得到的电压等实验数据通过Internet反馈给客户端，用户可以实时观测，得到在每个子实验状态下，不同的输入角度所对应的输出电压大小，最终得到输出特性曲线。
图3 客户端软件设计流程图
5、控制端软件设计
控制端软件负责响应客户端的请求，完成在传统的旋转变压器实验中由实验者手动完成的操作，如调节角度、测量输出电压等，可以测量旋转变压器处于空载、负载、原边补偿、副边补偿以及原、副边补偿状态下的输出特性曲线，大幅度提高了实验效率。控制端程序一直处于侦听状态，客户端发出命令后经服务器转发给控制端。在控制端接收到命令数据包并进行解析后，实时响应客户端的请求，通过执行相应的操作来改变系统运行状态，对改变后的系统状态量进行测量，并将采集到的电压等实验数据打包后发送给客户端。
制端利用工业PC的RS-232串口来读取数字电压表采集到的输出交流电压的有效值，从而获得各种实验状态下旋转变压器的输出特性。在子实验切换和实验结束时，转盘都有一个初始化归零的过程，使每个子实验开始时，转盘都复位至零度角，以保证实验角度的正确性。在归零的过程中系统首先把实验结束时设置的角度参数转化为步进电机的反转步数，完成粗调的步骤后，控制端通过串口采集输出电压，根据电压值的大小来确定步进电机的微调步数，使步进电机再转过一定的角度，以逼近零度角。考虑到实验过程中可能会出现网络故障等现象，在控制端设置一个看门狗时间，定时时间到即判断旋转变压器的设置角度是否为零，若不是，则系统自动归零。 6、同步实验和异步实验
为了最大限度地提高设备的利用率，同时保证实验效果，所以针对不同的实验人群，提供了2种实验模式：同步模式和异步模式。同步模式在客户端和控制机之间建立虚链路连接，控制机和客户端直接交互。该模式的实验允许实验者直接与设备交互，所以有种亲临实验室的感觉。而且用户可以反复实验，检验实验效果，非常适合研究性质的实验。然而对于教学实验，其实验过程是确定的，或者说可选择的内容是有限的。为此，笔者设计了异步模式。在异步实验模式下，客户端和控制机之间没有虚链路连接，实验者在客户端先将实验的整个流程设计好，由控制器一次性独立完成实验。
四、 变压器实验中的安全防护措施
1、由专业人员进行操作
在变压器的使用过程中，要将使用的安全性作为重点进行考虑，并加以重视，保证安全防护工作切实落实到位，避免因疏忽对操作人员的人身安全造成影响。在试验的操作过程中，要对于每一个步骤按照规范进行操作，在进行电路的连接和加压的过程中做到细致操作，减少因人员的疏忽产生的安全事故。
2、做好充分的准备工作
在对变压器进行试验之前，要对试验中使用到的器材进行认真准备，保证其安装到位，为实验的顺利进行做好充分的准备，在实验开始前要做好全面的防护工作，在试验区域的周围设置安全网，同时设立安全标志，避免不相关的人员进入到实验区内，为了保证试验过程中不受到外界的干扰，要有专门的负责人员进行巡逻，避免造成人员伤亡事故。
3、做好明确分工
在试验的过程中要对参与人员进行明确的分工，保证每个环节都有专人负责，从而保证试验的效率。在分工过程中，要根据工作人员的特点进行岗位的分配，使每个人都能够发挥自身的优点，将试验做好。在进行分工后，每个人员要对自身的工作进行负责，及时排除安全隐患，保证每一个细节的准确性，并在确认工作的安全性后将安全网去除。
4、加强高压变压器使用防护措施
在使用高压变压器时，要注意线路的连接，在线路连接后要使用外壳接地的方法保证其使用的安全性，同时，要将测量线阻的末端接地。此外，要保证生涯过程匀速进行，对仪表指针指向的位置和设备的反应情况进行认真观测，在出现异常反应时要切断电源并进行检查。
五、结束语
变压器实验技术是国家经济增长的标志。本文提出基于Internet实现远程控制，可最大限度地实現资源共享，为资金短缺的院校以及远程教育、继续教育等提供一种有效的实验方法。该系统融合了网络、计算机实时控制、面向对象编程、电气电子等技术，将真实的物理设备与网络相结合，为局域网和Internet用户提供了一个开放的实验平台，使学生可以通过因特网远程登录该系统后进行旋转变压器等相关实验。
参考文献：
[1]沈一骑.电路分析实验的改进与研究性拓展[J].实验技术与管理2013 ，30（1）：21-26.
[2]沈一骑，孔令红.电路与电工原理研究性实验教程[M].南京：南京大学出版社，2012.
[3] 张瑞祥，变压器虚拟实验的设计[J].实验室研究与探索. 2009.（4）：69-72
[4]孙志海.基于Internet的51单片机实验系统[J].实验室研究与探索，2000 25（ 2）： 189—191
[5]林群.基于Internet的电工电子网络实验室[D].杭州：浙汀大学申气学院，2004： 7 - 39