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基于PLC的感应电动机监控系统的设计与实现

摘要：本文描述了基于可编程逻辑控制器（PLC）的异步电动机监测和控制系统的实施。此外，还提出了异步电动机的速度控制的硬件和软件要求。PLC程序与用户要求的速度运行参数及对系统在正常运行和跳闸条件下的监控情况相关。变频器驱动异步电动机系统的调速，并通过PLC控制，比传统的V / f控制的调速精度更高。PLC的控制效率在同步速度高速运行时提高了95%。因此，PLC证明了其在工业电力驱动控制中可作为用途非常广泛和有效的工具。

关键词：计算机控制系统，计算机监控，电力驱动，异步电机，运动控制，可编程逻辑控制器（PLC），变频驱动，电压控制。

一 导言

随着电力驱动的运动控制技术的面世，使用电力电子技术的可编程逻辑控制器（PLC）应用已引入制造自动化制造行业[1][2]。这种应用有很多优势，如，开启时较低的压降，使电机和其他设备具有一个几乎统一的功率因数的控制能力。许多工厂在自动化流程中使用PLC，以减少生产成本，提高质量和可靠性[4] - [9]。其他应用还包括在使用的PLC的基础上改进电脑数控机床（数控）的精度。为了获得准确的工业电力驱动系统，需要使用带电源转换器PLC的接口，个人电脑及其他电子设备[11] - [13]。尽管如此，这使得设备更精密，复杂，昂贵的[14]，[15]。

涉及PLC控制直流电机的文章很少。这些文章涉及一些采用PLC控制电枢电压来调节直流电动机/发电机控制的速度的方法实施，及将基于自校正调节器技术的自适应控制器纳入到现有的工业PLC[17]。此外，其他类型的机器与PLC的连接。因此，工业PLC用于控制步进电机五轴转子位置，方向和速度，减少了电路元件数量，降低成本，提高可靠性[18]。由于开关磁阻电机可代替交流和直流驱动实现调速，单芯片逻辑控制器使用PLC控制转矩和速度，再加上一个电源控制器[19]，实现数字逻辑。作为一个可能的替代其他的一些应用涉及电梯的直线感应电机与PLC实现驱动系统的控制和数据采集[20]。为了监测电能质量和识别破坏电能生产的干扰，需要两个PLC来确定设备的灵敏度[21]。

只有很少部分文章是介绍PLC在异步电动机上的应用。一个三相异步电动机功率控制器利用PLC来提高功率因数，且通过调整频率占空比来调整电压。矢量控制集成电路用复杂逻辑可编程和整数算法调整三相PWM逆变器的电压和电流[22]。

异步电机的应用出了包括电机控制功能，还有许多特殊模拟和数字I/O信号，源信号，跳闸信号，开关转换信号的处理。在这种情况下，PLC控制单元也需要加入到系统结构中。这篇文章讲述了基于PLC的三相电动机监督控制系统。它描述了配置的硬件和软件的应用。异步电动机实验表明了在变动负载和恒速的运动情况下功率和精度都提高了。总之，PLC控制正常和非正常情况下用户和监控者要求的速度设定点下的运行参数。

二 PLC作为系统控制器

一个PLC是一种基于微处理器的控制系统，用于在工业环境中的自动化进程控制。它使用一个可编程的存储器，用户至上的指示执行特定功能，如算术内部存储，计算，逻辑，顺序，时机[23]，[24]。PLC可编程来进行感应，动作和控制工业设备，因此，采用的I / O点，允许电信号接口。输入设备和输出设备连接到PLC的控制程序输入到PLC内存（图1）。

在我们的应用程序中，它通过模拟和数字输入和输出控制不同的恒定负载的异步电动机的运行速度。此外，PLC根据控制程序连续监测输入和激活输出。

这是特定的硬件模块，直接插入一个专有总线：中央处理器单元（CPU），电源

PLC

控制程序

输入

输出

图1 PLC的控制动作

供应器，输入输出模块I / O，程序终端组成的组合式PLC系统。这种模块化的方法，可以扩大将来的扩展，如多机系统或计算机的连接。

三 异步电机控制系统

实验系统框图如图2所示。系统配置可由下列步骤进行。

a）恒定转速的闭环控制系统，由速度反馈和负载电流反馈系统构成。感应电机驱动变量的负载，信号由变频器送入，PLC控制变频器的V / f输出。

b）一个开环变速操作控制系统。异步电机驱动变量负载。

c）标准变速操作。异步电动机驱动变量负载，接收恒定的电压恒定频率标准的三相电源供给。

闭环系统b）去掉速度和负载反馈可得到开环系统a）。另一方面，如果整个控制系统是迂回的，c）系统可以实现。

四 硬件描述

该绕线式异步电机实施和测试控制系统的技术规格在表一给出。异步电动机驱动直流发电机，它提供了一个变量负载R。三相电源连接到主三相开关，然后是三相热过载继电器，它提供了对电流过载的保护。继继电器输出连接到整流器，来矫正三相电压，并给绝缘栅双极晶体管（IGBT）变频器一个直流输入。其技术规范[25]总结在表二。 IGBT变频器将直流电压转换为三相电压输出，提供给异步电动机的定子。另一方面，变频器连接到PLC控制器。

表一 异步电动机技术规格

表二 逆变器技术规格

这种控制器由PLC的模块化系统实施。[5],[26]-[28] PLC的体系结构是指其内部的硬件和软件。作为一个基于微处理器的系统，PLC系统的硬件设计和建造以下模块[29] - [37]：

bull;中央处理器（CPU），

bull;离散输出模块（DOM）

bull;离散输入模块（点心）

bull;模拟量输出模块（AOM）的

bull;模拟输入模块（AIM）

bull;电源。

PLC配置的其他详情载于表三和四。

图2 实验系统的电气原理图

速度传感器用于速度反馈，电流传感器，电流传感器用于负载电流反馈，第二个电流传感器连接到定子电路[32]。因此，两个闭环系统反馈回路是由负载电流传感器，速度传感器，和AIM安装而成。
测速器（永磁直流电动机）用于速度感应。感应电机驱动机械轴和产生输出电压，其中电压的大小与旋转速度成正比。极性取决于旋转方向。测速发电机的电压信号，必须与AIM指定的电压范围（0-5伏直流和200 - 内部阻力）符合。其他PLC外部控制电路的设计，使用24 V DC电源的低电压。

因为手动控制，系统中配置了启动，停止和急速跳闸按钮，还有向前向后方向选择开关。图2给出了所有组成：一个主开关，一个自动单项开关，一个三相热继电器，一个负载自动开关，信号灯（向前，向后，启动，停止，跳闸），按钮（启动，停止，跳闸），选择开关（向前向后旋转），一个速度选择器，一个增益选择器，还有PLC模块和整流逆变器也放置在控制面板上。程序从个人主机上通过RS232总线下到PLC中。

扫描循环

控制模式

扫描输入 存储输入

停止模式

梯形图执行:

速度控制软件

保护软件

关闭/重启电机软件

数据更新

图3. 主程序流程图

表3 PLC结构配置

五 软件描述

PLC程序是依据输入设备的逻辑要求，程序与其说是体现数字计算法则不若说主要是体现了逻辑性。许多编制的程序是直接工作在“开或关”两种状态，并且它们这种交替的形式分别是与“真或假”（逻辑形式）和“1或0”（二进制形式）对应的。因此，PLC提供了灵活的可编程选择形式给用模拟设备建立的电路传输控制系统。编程是采用梯形图方法。PLC提供了在主机终端可以运行的基于软件的设计环境，它可以将梯形图调出，修改，测试和诊断。首先，高级程序是用梯形图来表示。然后，梯形图转化成二进制命令形式，因此它就可以保存到随机存储器（REM）或可擦可编程存储器（EPROM）。每一个正确的指令都被CPU解码和执行。CPU的功能就是控制存储器和I/O设备，依照程序来处理数据。每一个PLC上的输入输出连接点都一个地址，用来识别输入输出位。输入输出数据和存储器之间的直接联系是以下面的结构为基础的：PLC的存储器分为三个区：输入映像区（I），输出映像区（Q），和内存（M）。任何存储区都直接用%I，%M，%Q调用（表III）。PLC程序在主循环程序中采用循环扫描，如对输入变量的周期检查。程序先开始扫描系统输入，然后将它们的状态存储到固定存储区（输入映像区I）。接下来梯形图程序也一行行执行。

扫描程序，处理梯形行各种逻辑运算来决定输出状态。最新的输出状态保存到固定存储区（输出映像区Q）。输出数据保存在存储器中，然后在本次程序扫描的最后设置或是重置输出设备。对于给定的PLC，完整的扫描一次所用的时间或是扫描时间是0.18ms/k(1000步)，最大的程序容量是1000步。扩展系统由主机通过232总线连接PLC组成。主机给程序文档编辑，保存，打印和程序执行监控提供了软件环境。PLC执行程序的过程包括：编辑员画出源梯形程序，将源程序转变成二进制命令形式，这样它可以在PLC的微处理器中执行并通过连续传输端口从PC中下载到PLC系统。当PLC系统处于对机器的实时控制时，PLC系统是在线的且监控所有数据确保正确的运行。

表4 PLC模块和I/O设定

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