译文—基于PLC的感应电动机监控系统设计与实现.doc
LW01-088@滑块厚度综合检测平台控制系统软件部分
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IEEE 能量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 PLC 的感应电动机监控系统设计与实现 0885-8969/04$20.00 2004 IEEE 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ntsIEEE 能量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 PLC 的感应电动机监控系统设计与实现 0885-8969/04$20.00 2004 IEEE 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PLC 输入 控制 程序 输出 ntsIEEE 能量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 PLC 的感应电动机监控系统设计与实现 0885-8969/04$20.00 2004 IEEE 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。 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 ntsIEEE 能量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 PLC 的感应电动机监控系统设计与实现 0885-8969/04$20.00 2004 IEEE 图 2. 实验系统的电气框图 ntsIEEE 能量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 PLC 的感应电动机监控系统设计与实现 0885-8969/04$20.00 2004 IEEE 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 2937。 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ntsIEEE 能量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 PLC 的感应电动机监控系统设计与实现 0885-8969/04$20.00 2004 IEEE 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。 V.软件描述 PLC程序是基于输入设备的逻辑命令，并且程序的执行是支配逻辑而不是数字计算机的规则系统。大部分的编程操作是简单的双态“开或关”，这些交替的可能性分别与“真或假”（逻辑形式）“ 1或 0”相对。因此，对组建使用模拟设备的基于电气电路继电器的控制系统， PLCs提供了一个灵活的编程选择性。 图 3.主程序流程图 表 III PLC配置 可用数目 使用 数 离散输入（ %I） 32 8 离散输出（ %Q） 16 9 模拟输入（ %AI） 8 7 模拟输出（ %AQ） 8 6 寄存器存储（ %M） 540 编程方法使用的是梯形图语言。 PLC系统提供了一个软件开发设计环境，在这个环境中，可以开发、检验、调试和诊断并在主机终端上运行。 首先，用梯形图控制模式 停止 模式 扫描输入 存储状态 梯形程序执行： 速度控制软件 保护软件 切断 /重启电机软件 刷新输出 扫描循环 ntsIEEE 能量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 PLC 的感应电动机监控系统设计与实现 0885-8969/04$20.00 2004 IEEE 编写高级程序 33, 34。然后，将梯形图转换为二进制指令代码存储在 RAM中或者EPROM中。 CPU逐条进行译码执行。 CPU的功能是控制存储器操作和输入输出设备并依据程序传输数据。将每一个与 PLC连接的输入 输出点作为 I/O点统一编址。数据与输入、输出和存储器的直接关联方法是建立三个区域：输入映像存储器（ I）、输出映像存储器（ Q）和内部存储器（ M）。每一个存储单元可以用 %I, %Q, 和 %M直接引用 (表 III)。 表 IV PLC 模块和 I/O 描述 母板 模块 1 模块 2 模块 3 模块 4 模块 5 模拟输入模块(AIM) 离散输入模块 (DIM) 模拟输出模块(AOM) 离散输出模块(DOM) 1.CPU 1.速度反馈信号（输入） 1.启动按钮信号 1. 速度反馈信号（显示） 1.继电器 1 2. 电源 2.负荷电流反馈信号 2.停止按钮信号 2. 速度设定点信号（显示） 2.启动指示灯（运行） 3.定子电流信号（输入） 3.切断按钮信号 3.负荷扭矩信号（显示） 3.继电器 2 4. 速度设定点信号 4.正向开关信号 4.变换器频率参考 4.停止指示灯 5.控制器获得信号 5.反向开关信号 5.load relay 装载继电器 5.继电器 3 6.控制器定时信号 6. signal切断按钮信号 6.定子继电器 6.切断指示灯 7.变换器模拟端口 7.24VDC 7.变换器数 字点 8.0VDC 8. 24VDC 9.0VDC PLC程序在主程序中用了一个循环扫描，这样对输入的变化进行周期性的监视（图 3）。程序循环对系统输入进行扫描并把他们的状态存储在固定存储器的特定ntsIEEE 能量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 PLC 的感应电动机监控系统设计与实现 0885-8969/04$20.00 2004 IEEE 区域（输入映像存储器）。梯形图程序 就 这样循环执行。 PLC扫描程序和解释不同的梯形网络逻辑 以 决定输出的状态。实时的输出状态存储在固定存储区域（输出映像存储器）。输出值保存在存储器中，在 PLC程序扫描结束后，同时输出到 PLC的物理输出上。对于给定的 PLC，完成一圈的扫描时间或者扫描时间是 0.18ms/K (1000步 )并且最大的程序容量是 1000步。 开发系统的主机 (PC)通过 RS232端口与 PLC相连接。主机提供文本编辑、存储、打印和程序操作监控的软件环境。程序的开发过程是使用编辑器编写梯形图程序源代码并转换为可以在 PLC上执行的二进制目标代码，通过 PLC的串行通信口下载到 PLC上执行。当控制机械系统时， PLC系统是处于联机状态并监视所有正确操作的数据。 A. PLC速度控制软件 速度控制软件流程图见图 4。 图 4.速度控制软件流程图 软件调节速度并监视等速控制而忽略 扭矩的变化。同时，作为电机电源的变换器也开始执行，并且由 PLCs软件控制。没有 PLC和 控制回路的反馈，仅一个变换器无法保持速度恒定。 在控制面板上，操作者选择速度设定点 nsp和旋转的正反方向。然后，通过按下手动启动按键就可以启动电机。如果按下停止按键，电机 将被 停止。相应的输入信号与 DIM相连接，输出信号与 DOM相连，如表 IV。 读取输入： 正向 /反向信号 启动信号 速度设定信号 nsp 速度反馈信号 停止信号 计算速度误差信号 误差 =0？ N 校正 V/f 刷新变换器 Y ntsIEEE 能量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 PLC 的感应电动机监控系统设计与实现 0885-8969/04$20.00 2004 IEEE AIM 从定子电流传感器接收差错信号 IS、测速发电机的速度反馈信号和来自控制面板的 nsp 信号。这样， PLC 读取设定速度和电机的实际速度。操作者的设定速度与电机的实际速度的差值给出误差信 号。如果误差信号不为零，是大或者小，PLC 依据 CPU 的计算执行减小或增大变换器的 Vf， 就 这样校正了电机的速度。 图 5.监控和保护软件流程图 执行 的 控制是比例和整型（ PI）的（也就是错误信号要乘以增益 Kp ，综合和添加到所要求得速度）。结果，控制信号传送到 DOM 并且连接到变换器的数字输入去控制 V/f 的变化。首先，操作者通过安装在控制面板上（增益调节）的可变电阻器选择增益 Kp 并且由 AIM 获取其电压降落作为控制器的增益信号（ 0-10V）。 通过一个可变电 阻器选择设定速度 nsp，并且由 AIM 读取这个信号。这个值被发送到 AOM 并在控制面板上显示（速度设定点显示）。控制面板上的第二个显示器指示了来自速度反馈信号的计算的实际速度。第三个显示器指示了来自负荷电N Y Y N N N Y Y Y N N Y 读取输入： 正向 /反向信号 启动信号 速度设定信号 nsp 负荷电流 IL 定子电流 IS 速度反馈信号 锁定旋转方向 IS1.3A nsp1.5A nsp1500 切断电机 N 速度控制模式 ntsIEEE 能量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 PLC 的感应电动机监控系统设计与实现 0885-8969/04$20.00 2004 IEEE 流信号的负荷扭矩，以牛顿 -米（ N*m）表示。他们的通信信号输出到 AOM（表 IV）。 B. 监控和保护软件 软件的流程图见图 5。在电机操作过程中，不可能通过改变开关的位置使其旋转方向反向。在改变方向前，必须先按下停止按键，使电机停下来。为了保护电机，防止在启动和装载时电流过载，在软件中编写了如下命令。 i)正向 /反向信号输入到 DIM。 ii) 速度设定信号 nsp，负荷电流 IL，定子电流 IS和速度反馈信号输入到 AIM. iii) 在没有负载 IS 1.0A时，如果速度调整点低于 20%或者 nsp1.5A 速度控制 模块 Y 点亮差错指示灯 打开自动三相开关 将实际速度显示设 0 关闭启动指示灯（绿色） 打开停止指示灯（红色） 打开负荷自动开关 等待 3s 关闭差错指示灯（黄色） 释放热继电器 启动电机 监控和保护模式 ntsIEEE 能量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 PLC 的感应电动机监控系统设计与实现 0885-8969/04$20.00 2004 IEEE 下，配置 a)比配置 b)具有更高的效率。同时，在负荷高于 70%下操作，标准化效率(pu)1，意味着 PLC控制的获得效率比没有 PLC控制的有标准网络提供 380V,50Hz和没有变换器的感应电机的效率更高。依据图形显示， PLC控制系统的效率比标准电机操作提高了 10-12%。从理论的观点来看，如果我们忽略磁化电流，效率的近似值为： RS RRss /1 1 s是滑移， RS RR分别是定子和转子线圈阻抗。由图 7可以看出， PLC控制系统（ a）只有很缓慢的滑移，近似于 0。在所有速度和载荷条件下，配置 a)比配置 b）的滑移更小。因此，证明了其具有更高的效率，尤其是在高速和高频下。在低频时，磁通量增大，因此导致了磁化电流的增加，损耗也随之增加。 图 9显示了与图 7在相同的速度和转矩范围内，利用 PLC控制的变换器定子电压与定子频率的特性曲线，定子电压和定子频率之间是常数关系。然而，这种与电机通量相关的关系，随着频率由 50Hz减少到 12Hz，其从 8.3增加到 11.25，如图 10 图 7. PLC和变换器的速度 -扭矩试验性能 ntsIEEE 能量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 PLC 的感应电动机监控系统设计与实现 0885-8969/04$20.00 2004 IEEE 图 8.在有和没有 PLC的控制系统的每单位效率标准供给电机 效率 所示。因此，由图 7可以看出，有效转矩由 50 Hz 的 100% 减少到 20 Hz的 60%，当电压和频率都增加时，磁通量随着增加同时最大有用转矩减小了。 图 9. 有 PLC控制的变换器的定子电压与频率的性能曲线。 在图 11中，绘出了在所有速度和转矩 范围内调整器的增益 Kp 的曲线。结果显频率 定子电压 ntsIEEE 能量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 PLC 的感应电动机监控系统设计与实现 0885-8969/04$20.00 2004 IEEE 示，在可变载荷下， Kp 与 nsp几乎呈直线变化，但在每个曲线之间有很小的位移。 图 10. 定子电压与定子电流的比率 图 11. PLC的控制性能 速度设定点 增益 频率 ntsIEEE 能量转换学报 2004 年 9 月 第 3 号 19 卷 基于 PLC 的感应电动机监控系统设计与实现 0885-8969/04$20.00 2004 IEEE 系统在利用 V/f速度控制的闭环系统的情况下，呈现出相似的动态响应。它的瞬态响应性能由于扭矩的震动而受到限制，并且这种现象限制了这个系统只能在低速度变化的情况下应用。 VII.结论 由 前 面描述的方案获得的成功 实验结果表明 ： PLC可以在有感应电机的的自动化系统中使用。由变换器驱动和 PLC控制的感应电机监控系统证明了在恒速变载荷操作下具有更高的速度调节精确性。 基于 PLC的控制软件的有效性达到同步转速的 96%。使用 PLC控制的获得效率比由变换器馈 送 的感应电机的开环配置有了增加。尤其是在高速和负载下， PLC控制系统的效率与标准网络供给的感应电机的效率相比提高了 10-12%。尽管使用简单的速度控制方法，本系统提出： 在变化负荷扭矩时恒速； 在较宽的范围内全扭矩有效； 在闭环速度控制方案中很好的精确性； 较高的效率； 过载保 护； 因此，证明了 PLC在工业电气驱动应用领域是一个通用性和有效性的工具。 感谢 作者对雅典国 家 技术大学在经济上和实验系统的构建、实验室测试和测量等方面的支持表示非常感激！ 参考 文献 1 G. Kaplan, “Technology 1992. Industrial electronics,” IEEE Spectr., vol. 29, pp. 4748, Jan. 1992. 2 , “Technology 1993. Industrial electronics,” IEEE Spectr., vol. 30, pp. 5860, Jan. 1993. 3 A. R. Al-Ali, M. M. Negm, and M. Kassas, “A PLC based power factor controller for a 3-phase induction motor,” in Proc. Conf. Rec. IEEE Industry Applications, vol. 2, 2000, pp. 10651072. 4 A. Hossain and S. M. 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