基于PLC的异步电动机监控系统的设计与实现
玛丽亚·G.约安尼季斯
高级学者
IEEE
摘要：描述了基于可编程控制器（PLC）技术的感应电机监控系统的实现。 此外，还提供了速度控制和保护的硬件和软件，以及感应电机性能测试结果。 PLC将操作参数与用户要求的速度相关联，并在正常运行和不平衡条件下监控系统。变频器驱动和PLC控制的感应电机系统试验证明，与传统的V f控制系统相比，该系统具有更高的准确性和速度控制。 在高达95％的同步速度下，PLC控制的效率得到提高。 因此，PLC可以提高自动化对电力驱动的有效控制和工业控制。
索引条款：计算机控制系统，电脑监控，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，电压控制。
- 导言
自从电驱动运动控制技术开始出现以来，在制造自动化中引入了可编程逻辑控制器（PLC）和电子电器应用的使用[1]，[2]。 这种用途具有诸如开启时压降较小以及能够以几乎统一的功率因数控制电动机和其他设备的优点[3]。 许多工厂在自动化流程中使用PLC来降低生产成本并提高质量和可靠性[4] - [9]。 其他应用包括由于使用PLC而具有改进的精密计算机数字控制（CNC）的机床[10]。 为了获得精确的工业电力驱动系统，有必要使用与电源转换器，个人计算机和其他电子设备[11] - [13]接口的PLC。 尽管如此，这使设备造型复杂，复杂且昂贵[14]，[15]。
很少有关于PLC控制直流电机的论文。 他们报告了使用PLC改变电枢电压的直流电动机/发电机组的速度控制的模糊方法的实现[16]，以及将基于自调谐调节器技术的自适应控制器并入现有工业 PLC [17]。 此外，其他类型的机器与PLC连接。 因此，工业PLC用于控制步进电机。
在五轴转子位置，方向和速度，减少电路元件数量，降低成本，提高可靠性[18]。 对于开关磁阻电机作为可调速交流和直流驱动器的替代品，一个用于控制转矩和速度的单芯片逻辑控制器使用PLC来实现与功率控制器耦合的数字逻辑[19]。 其他报道的应用涉及用于乘客电梯的直线感应电机，PLC采用PLC来实现对驱动系统和数据采集的控制[20]。 为了监测电能质量并识别扰乱电厂生产的干扰，使用了两台PLC来确定设备的灵敏度[21]。
在带有PLC的感应电机领域只发表了几篇论文。 三相感应电机的功率因数控制器利用PLC改善功率因数，并在整个控制条件下保持其电压频率比恒定[3]。 矢量控制集成电路使用复杂的可编程逻辑设备（CPLD）和整数算法来实现三相脉宽调制（PWM）逆变器的电压或电流调节[22]。
感应电机的许多应用除了电机控制功能外，还需要处理几个特定的模拟和数字I / O信号，主信号，跳闸信号，开/关/反向命令。 在这种情况下，必须在系统结构中增加一个涉及PLC的控制单元。 本文提出了一种基于PLC的三相感应电机监控系统。 它描述了配置的硬件和软件的设计和实施。 感应电动机性能测试结果表明，变负载恒速控制运行时效率提高，精度提高。 因此，PLC将操作参数与用户要求的速度设定点相关联并进行控制，并在正常运行和脱扣条件下监控感应电机系统。
手稿于2002年12月2日收到。TEC-00004-2002。 这项工作得到了雅典国立技术大学的支持。 作者是希腊雅典国立技术大学电气与计算机工程学院15773（电子邮件：mioannid@ece.ntua.gr）。 数字对象标识符10.1109 / TEC.2003.822303
二，PLC作为系统控制器
PLC是基于微处理器的控制系统，专为工业环境中的自动化过程而设计。 它使用一个可编程的存储器来存储面向用户的指令，以实现诸如算术，计数，逻辑，排序和定时等特定功能[23]，[24]。 一个PLC可以被编程来感测，激活和控制工业设备，因此包含了许多I / O点，这些点允许电信号被连接。 过程的输入设备和输出设备连接到PLC，并将控制程序输入到PLC存储器中（图1）。
图1. PLC的控制动作。
在我们的应用中，它通过模拟和数字输入进行控制，并输出异步电机的变化负载恒定速度操作。 此外，PLC连续监视输入并根据控制程序激活输出。 该PLC系统是由特定硬件构件块（模块）组成的模块化类型，可直接插入专用总线：中央处理器单元（CPU），电源单元，输入输出模块I / O和程序终端。 这种模块化方法的优点是，可以扩展初始配置，以用于其他未来应用，例如多机系统或计算机链接。
三，感应电机控制系统
在图2中，说明了实验系统的框图。 以下配置可以从此设置中获得。
- 恒速运行的闭环控制系统，配有速度反馈和负载电流反馈。 感应电机驱动可变负载，由变频器供电，PLC控制变频器输出。
- 一种用于变量速度运算的开环控制系统。 感应电机驱动一个可变负载，并通过恒定控制模式下的逆变器供电。 PLC被禁用。
- 标准的变速操作。 感应电机驱动可变负载，并通过恒压恒频标准三相电源供电。
通过去除速度和负载反馈，可以从闭环配置a）中获得开环配置b）。 另一方面，如果整个控制系统被旁路，则操作c）结果。
四， 硬件描述
该控制系统针对绕线式转子感应电动机进行实施和测试，具有表I中给出的技术规格。该感应电动机具有变负载。 三相电源连接到三相主开关，然后连接到三相热过载继电器，该继电器可防止电流过载。 继电器输出连接到整流器，整流器对三相电压进行整流，并向绝缘栅双极型晶体管（IGBT）逆变器提供直流输入。 表II总结了其技术规格[25]。
IGBT逆变器将直流电压输入转换为三相电压输出，该电压输出提供给感应电机的定子。 另一方面，变频器连接到基于PLC的控制器。
表I感应电动机技术规格
表II逆变器技术规格
图2实验系统的电气图。
该控制器在PLC模块化系统上实现[5]，[26] - [28]。 PLC架构是指其内部的硬件和软件。基于微处理器的系统，PLC系统的硬件设计和建立与以下模块[29] - [37]：
bull;中央处理器单元（CPU）;
bull;离散输出模块（DOM）;
bull;离散量输入模块（DIM）;
bull;模拟量输出模块（AOM）
bull;模拟量输入模块（AIM）
bull;电源。
表III和IV中显示了PLC配置的其他细节。
速度传感器用于速度反馈，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，闭环系统的两个反馈回路通过使用负载电流传感器，速度传感器和AIM进行设置。转速传感器（永磁直流电机）用于速度传感。感应电机机械驱动其轴并产生输出电压，其大小与旋转速度成正比。
极性取决于旋转方向。来自测速发电机的电压信号必须与AIM的指定电压范围（0-5V dc和200 k内部电阻）相匹配。其他PLC外部控制电路采用24 V直流低压电源设计。对于手动控制，该方案配备了启动，停止和跳闸按钮，以及前进和后退方向选择器开关。
如图2所示，所有描述的组件：交换机，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，启动，停止，跳闸），按钮（启动，停止，跳闸），选择开关（向前/向后转向），速度选择器，增益选择器，以及PLC模块和整流器 - 逆变器安装在控制面板中。程序从个人电脑PC和RS232串行接口下载到PLC。
- 软件说明
PLC的编程基于输入设备的逻辑需求，所实现的程序主要是逻辑而不是数字计算算法。 大部分编程操作都是以“开或关”的方式向前进行两种状态，这些替代的可能性分别对应于“trueorfalse”（逻辑形式）和“1or0”（二进制形式）。 因此，PLC为使用模拟设备构建的基于电路继电器的控制系统提供了一种灵活的可编程替代方案。
表III PLC配置
图3.主程序流程图
所用的编程方法是梯形图方法。 PLC系统以运行在主机终端上的软件工具的形式提供设计环境，该设计环境允许开发，验证，测试和诊断梯形图。首先，在高层程序中写入了图表[33]，[34]。然后，梯形图转换为二进制指令代码，以便它们可以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解码和执行。 CPU的功能是控制存储器和I / O设备的操作并根据程序处理数据。 PLC上的每个输入和输出连接点都有一个用于识别I / O位的地址。用于直接表示与输入，输出和存储相关的数据的方法基于以下事实：PLC存储器被组织为三个区域：输入图像存储器（I），输出图像存储器（Q）和内部存储器（M）任何内存位置都直接使用％I，％Q和％M来引用（表III）。
表IV PLC模块和I / O指定
这个程序可以循环扫描到主程序中，使得周期性检查可以作为输入变量（图3）。程序循环通过扫描系统的输入并将它们的状态存储在固定存储器位置（输入图像存储器I）中开始。梯形图程序随后逐行执行。扫描各种格式的命令，从而产生各种格式的输出状态。更新的输出状态存储在固定的存储器位置（输出图像存储器Q）中。保存在存储器中的输出值然后用于在程序扫描的最后同时设置和重置PLC的物理输出。对于给定的PLC，完成一个循环或扫描时间所用的时间为0,18 ms / K（1000步），最大程序容量为1000步。
开发系统包括一台通过RS232端口连接到目标PLC的主机（PC）。主机提供软件环境来执行文件编辑，存储，打印和程序操作监控。开发在PLC上运行的程序的过程包括：使用编辑器绘制源梯形图程序，将源程序转换为二进制目标代码，该代码将在PLC的微处理器上运行，并将目标代码从PC下载到PLC系统通过串行通讯端口。 PLC系统在主动控制机器时处于联机状态，并监控任何数据以检查是否正确操作。
- PLC速度控制软件
在图4中，图示了速度控制软件的流程图。 无论转矩变化如何，该软件都可以调节转速并监控恒速控制。 变频器作为电机的电源执行此操作，同时由PLC的软件控制。如果没有带反馈和PLC的控制回路，变频器不能保持速度恒定。
操作者从控制面板上选择固定点和旋转的前后方向。 然后，通过按下手动启动按钮，电机开始旋转。 如果按下停止按钮，则停止旋转。 相应的输入信号连接到DIM，并将输出信号连接到DOM，如表IV所示。 AIM接收来自定子电流传感器的跳闸信号，来自测速发电机的速度反馈信号以及来自控制面板的信号。通常，该参数读取要求的速度和电机的实际速度。
通过电机转速和电机实际转速的差值给出了误差信号。 如果错误信号不是零，而是正值或负值，则根据CPU执行的计算结果，PLC会减少或增加逆变器，从而修正电机的速度。
图4.速度控制软件流程图
所实施的控制是比例和积分（PI）类型（即，误差信号乘以增益，积分并加上所求出的速度）。因此，控制信号被发送到DOM并连接到逆变器控制变量的数字输入端。首先，操作者 通过安装在控制面板上的旋转电阻（gainadjust）选择增益，并将AIMreceivesitsvoltagedrop作为控制器增益信号（0-10 V）。
使用旋转电阻选择要求的速度，AIM读取此信号。 它的值被发送到AOM并显示在控制面板（speedsetpointdisplay）上。控制面板的另一个显示屏显示从速度反馈信号计算出的实际速度。 第三个显示屏显示由负载电流信号牛顿米（N m）计算的负载扭矩。 它们的相应信号输出到AOM（表IV）。
- 监视和保护软件
在图5中，显示了该软件的流程图。
在电机运行过程中，通过改变开关位置不可能改变旋转方向。 在方向反转之前，必须按下停止按钮。 为了防止电动机在启动和加载过程中出现过载电流，
将以下命令编程到软件中。 i）正向/反向信号输入到DIM。 ii）速度设定值信号，负载电流，定子电流和速度反馈信号输入到AIM。 iii）空载时，如果转速设定值低于20％或r / min，电动机将不会启动。 iv）当增加的载荷超过0.4Nm（额定转矩的40％），并且超过40％或r / min的速度设定点时，电机不会启动。 v）如果负载增加超过1.0N m（额定转矩），并且转速设定值超过100％或r / min，则电动机将关闭过程。 vi）在所有其他情况下，电机进入速度控制模式，速度控制软件按照A小节所述执行。
图5.监视器和保护软件的流程图
- 切断并重新启动电机软件
在图6中，显示了该软件的流程图。
bull;在过载情况下，电机被切断，行程指示灯（黄色）亮起。操作员请释放热继电器，然后通过按下跳闸或按钮来关闭行程灯。其它重新设置电流为1,5A。然后，电机可以再次启动。
bull;操作员按下停止按钮可切断电机：实际速度的显示设置为零，启动灯（绿色）熄灭，制动灯（红色）亮起并保持点亮3秒。
bull;电机切断后，驱动系统重新启动之前，必须立即断开负载。 即使启动按钮被按下，电机在切断后3秒之前也不会启动。
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