外文翻译译文-基于PLC监控系统的感应电动机的设计与实现

基于PLC监控系统的感应电动机的设计与实现MariaG.Ioannides，IEEE高级会员摘要我们将对基于可编程逻辑控制器（PLC）技术的感应电机的监测控制系统的实现进行说明。此外，我们也提供速度控制与保护的硬件软件的实现。这部分是来自对感应电机性能测试所获取的结果。在正常操作期间和跳闸条件下，PLC对速度的相关操作参数由用户与监测器的请求来实现。和常见的V/f控制系统相比，由变压器驱动和PLC控制的感应电机系统的测试证明了其在调速方面有更高的精度。PLC控制的效率高速地增加到了95%的同步率。因此，PLC证明了他们自己在电力驱动的工控方面是一个通用有效的工具。关键词：计算机控制系统；计算机监控；电力驱动；感应电机；运动控制；可编程逻辑控制器（PLC）；变频驱动器；电压控制1引言自从有了有效的电力驱动器的运动控制技术后，在电机应用方面，可编程逻辑控制器（PLC）与电力电子的结合使用已经被引入到自动化制造中1，2。这种使用有以下优点，比如当开关接通时低压下降，以及用一个功率因素控制电机和其他设备的能力3。许多工厂在自动化过程使用PLC以减少生产成本，并提高质量与可靠性4-9。由于使用PLC了，其它应用也有这些优点，其中包括具有改进精度的计算机化数字控制（CNC）10。为了获得准确的工业电力驱动系统，很有必要使用配有电力转换器、个人计算机和其它电气设备的接口PLC11-13。然而这会使得设备更加精细、复杂和昂贵14，15。已发布的论文中少有涉及到PLC控制的直流电机。他们既报道用PLC改变电枢电压，来实现直流电机/发电机的速度控制模糊方法16，也报道现有工业PLC中基于自校正调节器技术的自适应控制器一体化17。此外，其他类型的机器也与PLC有接口。因此，工业PLC多用于控制步进电机的五轴转子的位置、方向和速度，并降低电路部件的数目，减少成本，提高可靠性18。由于开关磁阻电机作为一种可能的替代方法，以代替速度可调的交流和直流驱动器，所以用于控制转矩和速度的单芯片逻辑控制器就使用了配备电力控制器的PLC来实现数字逻辑19。其他被报道的应用涉及了一种用于乘客电梯的线性感应电机，该电机采用PLC来实现驱动系统的控制和数据采集20。为了监测电能质量，并确定破坏变电站生产的干扰，两个PLC被用来确定设备的灵敏度21。只有极少数的论文发表在感应电机与PLC的领域。三相感应电机的功率因数控制器利用PLC以提高功率因数，并在整个控制的条件下使其电压-频率定比保持恒定3。矢量控制集成电路在三相脉宽调制（PWM）逆变器22的电压或电流调节上，使用一个复杂可编程逻辑器件（CPLD）和整数运算。此外，感应电机的许多应用需要电机控制功能，对几个特定的模拟和数字I/O信号、家用信号、跳闸信号、开/关/反转指令的处理。在这样的情况下，包括PLC的控制单元必须被添加到系统的结构中。本文针对三相异步电机提出了一种基于PLC的监控系统。它描述了其所配置的硬件与软件的设计与实现。在感应电动机的性能表现上获得的测试结果提高了效率，并在可变负载恒速控制操作下提高精度。因此，PLC关联并控制用户请求的速度设定点的操作参数，并在正常操作和跳闸条件下监测感应电动机系统。流程的输入输出设备连接到PLC上，而且控制程序被输入到PLC的存储器中（图1）。2PLC用作系统控制器PLC是一种以微处理器为基础的控制系统，专为在工业环境中的自动化过程而设计。它使用一个可编程存储器来实现特定的功能，如算术，计数，逻辑，排序和定时，该可编程存储器适用于定位用户的指导说明的内存23，24。PLC可以编程用于感应、激活和控制工业设备，因此，采用了许多允许电信号进行接口的I/O口。图1PLC的控制动作在我们的应用里，它控制着通过模拟和数字的输入输出，这些输入输出是感应电机多变的恒定负载的速度运行时的变化。另外，通过控制程序，PLC会连续性地监视输入并激活输出。这个PLC系统是一种包含特殊化硬件构造块的模块类型，它直接插入一个专用总线，一个中央处理单元（CPU），一个供电单元，输入输出模块的I/O口，以及一个程序终端。这种模块化方法具有这样的优点：初始配置可用于扩展其他未来的应用，例如多机系统或计算机连接。3感应电机控制系统图2是实验系统的方框图，下列配置能够从这种设置中获得。a）一个用于恒定速度操作的闭环控制系统，配置有速度反馈和负载电流反馈。由逆变器供电，感应电动机驱动可变负载，同时PLC控制逆变器V/f的输出。b）一个用于可变速度运转的开环控制系统。感应电机驱动可变负载，并通过在恒定控制V/f模式下的逆变器进行供电。PLC停止活动。图2实验系统的电气图c）标准变速操作。感应电机驱动的可变负载，并且由恒定电压-恒定频率的标准三相电源供电。从闭环结构a）除去速度和负载反馈可以得到开环配置b）。4硬件说明该控制系统由绕线转子感应电动机实现并测试，其具有的技术规范在表I中已给出。感应电动机驱动一个提供了一个可变负载的直流发电机。三相电源与三相主开关相连，然后接到一个三相热过载继电器上，该继电器提供保护以防止电流过载。继电器输出端连接到整流器，整流器整流三相电压，并给出一个直流输入送至绝缘栅双极晶体管（IGBT）逆变器。表概括了它的技术规范25。直流电压输入值通过IGBT逆变器转换成三相电压输出，这个电压将供给感应电动机的定子。另一方面，逆变器和基于PLC控制器的接口相连。表1异步电动机技术规格表2逆变器技术规格此控制器的是在PLC的模块化系统上实现的5，26-28。PLC的结构指的是其内部的硬件和软件。作为一个基于微处理器的系统，PLC系统硬件由以下模块设计并构建29-37：中央处理器单元（CPU）；离散输出模块（DOM）；离散输入模块（DIM）；模拟量输出模块（AOM）；模拟量输入模块（AIM）；电源。PLC配置的其他细节如表3和4所示。表3PLC配置速度传感器被用于速度反馈，电流传感器被用于负载电流反馈，而第二个电流传感器连接到定子回路32。因此，闭环系统的两个反馈回路是通过使用负载电流传感器、速度传感器和AIM来设置的。测速发电机（永磁直流电动机）被用于速度检测。感应电机机械地驱动其主轴并产生一个输出电压，它的幅度和旋转速度成正比。极性取决于旋转的方向。来自测速发电机的电压信号必须和AIM指定的电压范围匹配（0-5V直流和200千欧内阻）。其他的PLC外部控制电路由24V直流低压提供设计。表4PLC模块与I/O口设计对于手动控制，该方案配备了启动，停止，和跳闸按钮，以及一个前后方向选择的开关。如图2所示，所有被描述的组件：主开关，自动三相开关，自动单相开关，三相热过载继电器，负载自动开关，信号灯（前进，后退，开始，停止，跳闸），按钮（开始，停止，跳闸），选择开关（向前或向后旋转），速度选择器，增益选择器，以及在控制面板上安装的PLC模块和整流逆变器。程序通过PC个人计算机和RS232串口下载到PLC中。5.软件说明PLC的编程要基于输入设备的逻辑要求，并且程序主要是逻辑算法实现，而不是数值计算。大多数的编程操作是在简单的两态“开或关”的基础上工作，这些不同的可能性分别对应于“真或假”（逻辑格式）和“1或0”（二进制形式）。因此，PLC使用模拟设备，对基于继电器控制系统的电路提供灵活的可程序化选择。PLC使用梯形图编程方法。PLC系统以软件工具的形式供了一个在主计算机终端上运行的设计环境，该环境允许开发，检验，测试和诊断梯形图。首先，在梯形图中写入高级别程序33，34。然后，梯形图被转换成二进制指令码，以便它们可以被存储在随机存取存储器（RAM）或可擦除可编程只读存储器（EPROM）中。每个连续的指令由CPU译码并执行。CPU的功能是控制存储器和I/O设备的动作，并根据程序来处理数据。PLC的每个输入和输出连接点有用于识别I/O位的地址。该方法用于与输入、输出相关联的数据的直接表示，并且存储器是基于这样一个事实，即PLC的存储器被组织成三个区域：输入图象存储器（I）、输出图像存储器（Q）、以及内部存储器（M）。任何一个存储单元都用I，Q和M直接引用（表4）。图3主程序流程图PLC程序在主程序中采用循环扫描以便对输入变量进行定期检查（图3）。该程序循环一开始通过扫描输入到系统里，并在固定存储器位置（输入图象存储器I）中存储它们的状态。然后梯形图程序逐级执行。扫描程序并解决各种梯级的逻辑性以判定输出状态。更新后的输出状态被存储在固定的存储单元（输出图像存储器Q）。然后在程序扫描结束时，保存在内存中的输出值被用于同时设置和重置PLC的物理输出。对于给定的PLC，完成一个循环时间或扫描时间所花费的时间为0.18毫秒/K（1000步），并且有1000步的最大程序容量。开发系统包括一台通过RS232端口与PLC目标连接的主机（PC）。主机提供软件环境来执行文件编辑、存储、打印和程序操作监测。在PLC上运行开发程序的过程包括：使用编辑器画出梯形图源程序，源程序转换成二进制对象代码，这些代码将运行在PLC的微处理器上，并通过串行通讯端口从PC上下载目标代码到PLC系统。A.PLC控制软件如图4所示，这是速度控制软件的流程图。软件调节速度并监视恒速控制而不考虑扭矩的变化。此时作为电机电源的逆变器开始执行，同时它也受PLC的软件控制。没有反馈控制回路和PLC，逆变器不能单独保持恒定的速度。在控制面板上，操作者选择速度设定值以及向前/向后的旋转方向。然后，通spn过按压手动启动按钮时，电动机开始转动。如果停止按钮被按下，则停止转动。如表4所示，对应的输入信号通过接口连接到DIM，而输出信号连接到DOM。AIM从定子电流传感器中接收跳闸信号，从测速发电机中接收速度反馈信号，SI以及从控制面板上接收信号。PLC以这种方式来读取被要求的速度和电机的实际速spn度。操作者要求的速度和电动机的实际速度之间的差值会给出误差信号。如果误差信号不是零，而是正或负的，那么根据由CPU执行的计算，PLC会减小或增加逆变器的V/f值，最后结果就是电动机的速度会被校正。所实现的控制是比例积分（PI）类型（即：误差信号由增益K和被积分值相乘，并加入到所请求的速度中）。其结果是，控制信号被发送到DOM并连接逆变器的数字输入端以控制K的变化。在开始时，操作员通过使用安装在控制面板上的旋转电阻（增益调整）来选择增益K，而AIM接收它的压降作为控制器的增益信号（0-10伏）。我们使用旋转电阻来选择所需的转速，同时AIM会读取该信号。它的值会被spn发送到AOM并在控制面板上显示（速度设定点显示器）。控制面板的其它显示器显示实际速度，这些实际速度是从速度反馈信号中计算得出的。第三个显示器以牛顿-米的单位形式显示来自负载电流信号所计算出的负载转矩（牛米）。其相应信号被输出到AOM中（表IV）。图4速度控制软件流程图B.监测器与保护软件图5显示出了该软件的流程图。在电机运转期间，不可能通过改变开关位置以反转其方向。在方向逆转之前，必须按下停止按钮。在启动和加载过程中，为了保护电机防止电流过载，下列的命令要被编写入软件中。i)向前/向后的信号要输入到DIM。ii)速度给定信号，负载电流，定子电流，和速度反馈信号要输入到spnLISIAIM。iii)无负载时，如果速度设置点低于超过20%或者，电1.0SIA30/minspnr机不会启动。i)当增量负载超过0.4Nm（额定转矩的40%），并且速度设定点低于量1.SIA超过40%或者时，电机不会启动。6/minspnrii)如果负载增加超过了1.0Nm（额定转矩），并且如果速度设定点超过.5S了100%或者，点击进入中止过程。150/ispiii)在所有其他情况下，电机进入速度控制模式并执行速度控制软件如A小节所述。图5监测器和保护软件流程图C.电机的中止和重启软件图6是该软件的流程图。在超载的情况下，电机被切断，跳闸指示灯（黄色）亮起。操作者必须释放热继电器，然后通过按下跳闸按钮或停止按钮关掉跳闸灯。热继电器设置为1.5A的额定电流。接下来电机可以再次启动。操作者可以按下停止按钮切断电机：实际速度的显示被设置为零，启动灯（绿色）熄灭，以及停车灯（红）亮起并保持点亮3秒钟。在电机被切断后和驱动系统被重新启动之前，负载必须立刻断开。电机在切断后，即使按下了启动按钮后，3秒内也无法启动。图6电机的中止和重启软件流程图6.结果在运行过程中系统和变化的负载进行测试，包括对跳闸的情况下的测试和对异步电动机调速性能的测试。PLC通过软件监测电机的操作和相关参数。一开始，感应电动机的性能由标准380伏电压提供，测量50-Hz的网络，以上仅供参考。然后，如第III部分中所描述的那样，在无负载和满载（1，0Nm）两种不同模式之间操作试验的控制系统：a）由变频器和PLC控制反馈至异步电机;b）由逆变器反馈至感应电机。在前几节已描述，速度和负载转矩的范围对应于PLC硬件和软件的设计。如图7所示，我们在500-1500转/分的范围内对转速转矩特性进行了研究。结果表明，对于不同的速度设定值，配置b）在变速变负载转矩特性下工作。配置spna）在速度范围0-1400转/分和负载范围0-100下工作时有恒速变负载转矩的特性。但是，在速度超过1400转/分并且负载高于70的范围时，系统不能保持在变速变负载和恒速下工作。因此，当N1400转/分时，两种配置a）和b）具有类似的转矩速度响应。这一事实表明，在同步率低于93的速度时，PI控制对于由PLC软件实现的恒定速度有效。图7含PLC和逆变器的转速-扭矩实验曲线我们研究了不同值的效率。在图8中，效率经过归一化后表示出来，作为基准spn值或1PU来自标准网络提供的感应电机的效率来使用。如图8所描绘的，结果表明，在所有情况下配置a）比配置b）具有更高的效率。此外，在负载高于70且归一化效率是时操作，意味着在PLC控制下所获得的效率比另一种情况的效率更高。()pu后者是指在标准380伏、50赫兹的网络，没有PLC控制也没有逆变器的情况下操作感应电机所得到的效率。根据该图，PLC控制系统与标准电机操作相比，其效率提高了10-12。从理论的角度来看，如果我们忽略磁化电流，效率的近似值是：1SRs其中S是滑差，、分别是定子绕组阻抗和转子绕组阻抗。如从图7中可以看SR出，PLC控制系统a）工作时有非常低的滑差值，几乎为零。在所有的速度和负载转矩条件下，配置a）比配置b）有更小的滑移，因而效率较高的值是合理，尤其是在高速和高频条件下。在较低的频率时，磁通会增加，一次励磁电流的增加导致损失增加。图9表示PLC控制变频器的定子电压定子频率特性，和在图7中的速度和转矩是相同的范围。对于图7中的每一个速度转矩特性，定子电压和定子频率之间的关系是不变的。然而，如图10所示,对应于电机磁通的这种关系随着频率的降低而增加，从50赫兹的8.3到12赫兹的11.25。因此，从图7可看出，其中可用的扭矩从50赫兹的100下降到20赫兹的60。当电压和频率都下降时，磁通量会随着最大可用扭矩的减少而增加。图8控制系统在有、无PLC情况下每单位标准供给电机的效率对于全部速度和转矩范围的调节器增益Kg的曲线如图11所示。结果表明，在特性之间小的位移情况下，在变化的负载情况下，它提供了一个几乎线性的变化。spn这个系统提供了一个相似的动态响应，作为V/f速度控制的闭环系统。它的暂态性能是有限的，由于扭矩的振荡32和它的行为对进程限制了该系统的应用，而该过程仅需缓慢的速度变化。7.结论从先前描述的方案可以获得成功的实验结果，结果表明PLC可用于有感应电机的自动化系统。由逆变器驱动并由PLC控制的感应电机监控系统证明了其在恒速可变负荷下运转时，具有高准确度的调速功能。图9PLC控制逆变器的定子电压频率特性曲线图10定子电压与定子频率之比图11PLC控制特性曲线忽略所用的速度控制方法的简单性，这种系统列出：在负载转矩下恒定速度的变化;在更宽的转速范围内的可调全扭矩;闭环速度控制方案具有很好的精度;更高的效率;过载保护。从而，在工业电力驱动应用方面，PLC被证明是通用且有效的控制工具。致谢笔者衷心感谢雅典国家技术大学对实验系统建设和实验室测试及测量的财政支持。参考文献1G.Kaplan,“Technology1992.Industrialelectronics,”IEEESpectr.,vol.29,pp.4748,Jan.1992.2,“Technology1993.Industrialelectronics,”IEEESpectr.,vol.30,pp.5860,Jan.1993.3A.R.Al-Ali,M.M.Negm,andM.Kassas,“APLCbasedpowerfactorcontrollerfora3-phaseinductionmotor,”inProc.Conf.Rec.IEEEIndustryApplications,vol.2,2000,pp.10651072.4A.HossainandS.M.Suyut,“Monitoringandcontrollingofarealtimeindustrialprocessusingdynamicmodelcontroltechnology,”inProc.IEEEInd.Applicat.Soc.WorkshoponDynamicModelingControlApplicationsforIndustry,1997,pp.2025.5K.T.Erickson,“Programmablelogiccontrollers,”IEEEPotentials,vol.15,pp.1417,Feb./Mar.1996.6B.Maaref,S.Nasri,andP.Sicard,“Communicationsystemforindustrialautomation,”inProc.IEEEInt.Symp.IndustrialElectronics,vol.3,1997,pp.12861291.7A.MaderandH.Wuper,“Timedautomationmodelsforsimpleprogrammablelogiccontrollers,”inProc.11thEuromicroConf.Real-TimeSystems,1999,pp.106113.8J.Marcos,E.Mandado,andC.M.Penalver,“Implementationoffail-safecontrolsystemsusingprogrammablelogiccontrollers,”inProc.IEEE/IASInt.Conf.IndustrialAutomationandControl,1995,pp.395400.9Z.Futao,D.Wei,X.Yiheng,andH.Zhiren,“Programmablelogiccontrollerappliedinsteamgeneratorswaterlevels,”inProc.IEEE/IAS31stAnnu.MeetingConf.Rec.,vol.3,1996,pp.15511556.10K.Dong-Il,S.Jin-Il,andK.Sungkwun,“Dependenceofmachiningaccuracyonacceleration/decelerationandinterpolationmethodsinCNCmachinetools,”inProc.Conf.Rec.IEEEIndustryApplicationsSoc.Annu.Meeting,vol.3,1994,pp.18981905.11D.P.Eng,“Dieselgenerationcontrolsystemmodernization,”inProc.IEEECan.Elect.Comput.Eng.Conf.Rec.,vol.1,1998,pp.125128.12J.J.Harris,J.D.Broesch,andR.M.Coon,“AcombinedPLCandCPUapproachtomultiprocessorcontrol,”inProc.16thIEEE/NPSSSymp.FusionEngineering,vol.2,1995,pp.874877.13T.KrairojanananandS.Suthapradit,“APLCprogramgeneratorincorporatingsequentialcircuitsynthesistechniques,”inProc.IEEEAsia-PacificConf.CircuitandSystems,1998,pp.399402.14M.FabianandA.Hellgren,“PLC-basedimplementationofsupervisorycontrolfordiscreteeventsystems,”inProc.37thIEEEConf.DecisionandControl,vol.3,1998,pp.33053310.15P.Marino,F.Poza,andJ.B.Noguira,“IndustrialLANswithreal-timecommunicationservers,”inProc.IEEEInt.Symp.IndustrialElectronics,vol.1,1997,pp.2328.16A.M.GrahamandM.Etezadi-Amoli,“Design,implementationandsimulationofPLCbasedspeedcontrollerusingfuzzylogic,”inProc.IEEEPowerEng.Soc.SummerMeeting,vol.4,2000,pp.24752480.17A.A.Ghandakly,M.E.Shields,andM.E.Brihoum,“DesignofanadaptivecontrollerforaDCmotorwithinanexistingPLCframework,”inProc.Conf.Rec.31stIEEEIndustryApplicationsSocietyAnnu.Meeting,vol.3,1996,pp.15671574.18A.S.ZeinElDin,“HighperformancePLCcontrolledsteppermotorinrobotmanipulator,”inProc.EEEInt.Symp.IndustrialElectronics,vol.2,1996,pp.974978.19A.HossainandA.Ahmed,“Anewintegratedcontrollerforswitchedreluctancemotor,”inProc.Conf.Rec.30thIEEEIndustryApplicationsSocietyAnnu.Meeting,vol.3,1995,pp.19171921.20J.F.Gieras,P.D.Hartzenberg,I.J.Magura,andM.Wing,“Controlofanelevatordrivewithasingle-sidedlinearinductionmotor,”inProc.5thEur.Conf.PowerElectronicsandApplications,vol.4,1993,pp.353358.21V.E.Wagner,A.A.Andreshak,andJ.P.Staniak,“Powerqualityandfactoryautomation,”IEEETrans.Ind.Applicat.,vol.26,pp.620626,July/Aug.1990.22J.-Y.JyangandY.-Y.Tzou,“ACPLD-basedvoltage/currentvectorcontrollerfor3-phasePWMinverters,”inProc.29thAnnu.IEEEPowerElectronicsSpecialistsConf.Rec.,vol.1,pp.262268.23ProgrammableControllers.Part1:GeneralInformation,1992.24BritishStandard,BSEN61131-1,1994.25SINUS/ISDInverterUserManual,1997.26N.Aramaki,Y.Shimikawa,S.Kuno,T.Saitoh,andH.Hashimoto,“Anewarchitectureforhigh-performanceprogrammablelogiccontroller,”inProc.23rdInt.Conf.IndustrialElectronics,ControlandInstrumentation,vol.1,1997,pp.187199.27I.Moon,“Modelingprogrammablelogiccontrollersforlogicverification,”IEEEControlSyst.Mag.,vol.14,pp.5359,Apr.199