外文翻译--基于PLC的感应电动机监控系统设计与实现

- 1 - 附录 1： 外文文献 - 2 - - 3 - - 4 - 附录 2： 基于 PLC 的感应电动机监控系统设计与实现 玛丽亚 G 劳尔尼兹 IEEE高级成员 摘要： 本文描述了基于可编程控制器技术的感应电动机监控系统的实现方法。同时，介绍了通过对感应电动机的性能测量实现其速度控制和保护的软件和硬件。在正常操作和出现故障的条件下， PLC按照使用者所要求的速度运行参数监控系统的运行。对由变换器驱动和 PLC 控制的感应电动机系统进行了测试，结果表明与常规的 V/f 控制系统相比，前者在速度调节上具有更高的精确性。在高速时， PLC 控制感应电机的效率 达到同步转速的 95%。因此，通过试验证明了 PLC 在电气驱动控制方面是一个通用性和有效性的工具。 关键词： 计算机控制系统，计算机化监控，电气驱动，感应电动机，运动控制，可编程控制器（ PLC） ,变频驱动器，电压控制 I 前言 随着电气驱动器运动控制技术的广泛应用，可编程控制器（ PLCs）也随着工业电子学在电机中的应用被引进到自动化制造业中来 1, 2。这种应用具有在启动时电压下降较低、控制电动机和其他设备实际整功率因数等优点 3。很多工厂在自动化生产过程中使用 PLCs减少生产成本和增加产品质量和可靠性 49。其他应用包括应用 PLCs改进了工作母机的计算机数字控制精确度 10。 为了获得精确的工业电气驱动系统，将 PLCs与功率变换器、个人计算机（ PC）和其他电气设备连接起来是必要的 1113。然而，这些技术的应用，使设备变得更加完善、复杂和昂贵 14, 15。 很少看到关于 PLCs控制直流电动机的文章。他们的文章都是关于使用 PLC改变电枢电压实现直流电动机 /发电机组速度控制的模糊方法 16与基于自校正调节器技术的自适应控制装置和现有的工业 PLC的结合 17。其它类型的设备与 PLCs同样也需要连接。因此，使用一个工业 PLC在 5轴转子位置、方向和速度控制步进电机，简化了电路结构、降低了成本和提高了可靠性 18。为了把磁阻电动机转换为可调速度的直流或者交流驱动器，使用了一个单片逻辑控制器控制扭矩和速度，并通过 PLC和功率控制器执行控制逻辑 19。其他的应用有：在乘客电梯的线性感应电动机的控制中，应用 PLC实现驱动系统的控制和数据获取 20；为了监控电源状态和确认破坏电气车间生产的干扰，使用两个PLCs确定设备的灵敏度等 21。 在利用 PLC 控制感应电动机领域只有很少的文章发表。他 们主要在以下方面：三相感应电动机的功率因数控制器利用 PLC 去改进功率因数和保持它的电压在整个控制条件下频率比率稳定 3；矢量控制集成电路使用复杂逻辑控制器件 (CPLD)和电压整数算法或者三相脉宽调制 (PWM)变换器的 电流 /电压调节 22。 感应电动机的很多应用除了需要电机控制的函数性之外，还要有多个详细的模拟和数字 I/O 操 - 5 - 作，进站标志，差错信号，打开 /关闭 /反向命令。在这种情况下，一个包括 PLC 的控制单元必须添加在系统结构中。本文介绍了一个基于 PLC 的三相感应电动机监控系统，描述了系统的软件和硬件配置的 设计和实现方法。依据对感应电动机性能测试获得的结果表明：在变量装载恒速控制操作中，改进了工作效率，提高了精确性。因此，在正常操作和出现故障的条件下， PLC 依据和控制运行参数达到用户所需要的设定值并监控感应电机系统的运行。 II. PLC作为系统控制器 PLC 是一个在工业环境中为自动化生产过程而设计的基于微控制器的控制系统。它利用可编程存储器内部存储用户指令，执行具体的操作，比如：算法、计算、逻辑运算、排序和定时 23, 24。可通过编程使 PLC 判断、触发和控制工业设备。因此， PLC 具有与电气 信号接口的一定数目的 I/O 点。在加工过程中，输入设备和输出设备与 PLC 相连接，控制程序则下载到 PLC 存储器中（图 1）。 图 1 PLC的控制行为 在我们的应用中，依据模拟和数字输入， PLC 输出的变化控制感应电机恒定负荷速度的操作。同时， PLC 不停的监控输入和依据控制程序启动输出。本 PLC 系统是采用详细硬件构成单元的模块化类型，可以直接插入专用总线：一个中央处理单元（ CPU）、电源供给单元、输入输出模块和可编程终端。这样一个模块化处理的优点是，随着将来的应用可以扩展初始配置、构成多机系 统或者与计算机相连等。 III感应电机控制系统 实验系统的结构图见图 2。配置如下所述： a) 一个恒速运行的闭环控制系统由速度反馈和负载电流反馈组成。由变换器馈送的感应电机驱动的变动负荷， PLC控制变换器的 V/f输出。 b)一个变速运行的开环控制系统。由变换器恒定 V/f控制模块馈送的感应电机驱动变动负荷。 PLC是不工作的。 PLC 输入 控制 程序 输出 - 6 - c) 标准变速运行。恒定恒压频率标准三相电源馈送的感应电机驱动变动负荷。 将闭环配置 a)去掉速度和负荷反馈后，可得到开环配置 b)。另一方面，将整个控制系统旁路后，就是操作 c)。 IV.硬件描述 针对绕线转子感应电机，对控制系统进行了试验和测试，其详细技术说明见表 I。感应电机驱动提供可变载荷的直流发电机。三相供电电源与三相主开关连接后与的三相热过载继电器相连接。三相热过载继电器提供电流过载保护。继电器的输出与整流器相连接。整流器校正三相电压并对绝缘栅场效应晶体管（ IGBT）变换器提供直流输入。它的详细技术说明总结如表 II 25。 IGBT变换器将直流电压输入转换为三相电压输出，驱动感应电机定子。另一方面，变换器与基于 PLC的控制器相连接。 表 I 感应电机的详细技术说明 连接类型 /Y 输入电压 380/660 V AC 输入电流 1.5/0.9 A 额定功率 0.6kW 输入频率 50Hz 磁极数目 4 额定速度 1400rpm - 7 - 图 2. 实验系统的电气框图 - 8 - 表 II 变换器详细技术说明 输出电压 380,460 V AC 输出频率 0.480Hz 输出电流 2.5 A 输出过载 150% 60s 电源供给电压 380,460-10% V AC 输入电流 3A 耗散功率 46W 本控制器是在一个标准模块系统上完成的 5, 2628。 PLC的体系结构涉及其内部硬件和软件。作为一个基于微控制器的系统， PLC系统硬件利用如下模块设计和装配。 中央控制单元 (CPU)； 离散输出模块 (DOM)； 离散输入模块 (DIM)； 模拟输出模块 (AOM)； 模拟输入模块 (AIM)； 电源； 有关 PLC的其它配置详细资料见表 III 和 IV。 使用一个速度传感器作为速度反馈，而电流传感器则作为负荷电流反馈，另一个电流传感器与定子电路相连接。因此，通过使用负荷电流传感器、速度传感器和 AIM设置闭环系统的两个反馈回路。 测速发电机（永磁铁直流电机 ）用来测速。感应式电机机械地驱动轴旋转，并产生与旋转速度成正比的电压输出。极性取决于旋转的方向。测速发电机输出的电压信号必须与指定的 AIM的电压范围相匹配（ 0-5V DC 200-k 内阻）。其他 PLC外部控制电路的设计供电电压为 24V低压供给。 为了人工控制，本方案设计了启动、停止和差错按键，同时还有正向和反向选择开关。如图 2所示，所有描述的部分：主开关、自动三相开关、自动单相开关、三相热过载继电器、负荷自动开关，信号灯（正向、反向、启动、停止、差错），点动开关（启动、停止、切断）、选择开关（正向和反向旋 转选择），速度选择器、增益选择器， PLC模块和整流转换器也安装在控制面板上。程序通过个人电脑的 RS232串行接口下载到 PLC中。 - 9 - 参考文献 1 G. 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