基于可编程控制器的异步电动机监控系统的设计与实现外文翻译资料

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基于可编程控制器的异步电动机监控系统的设计与实现

Maria G. Ioannides, Senior Member, IEEE

摘要——描述了一种基于可编程逻辑控制器（PLC）技术的感应电机监控与控制系统的实现过程。此外，对于实现速度控制和保护的软硬件的要求已经从感应电机性能测试所获得的结果中得到了证实。PLC将操作参数与用户要求的速度相关联，并在正常运行期间和在跳闸情况下对运行参数进行监控。实验证明，相比于传统的V/F速度调节控制系统，由PLC变频驱动的感应电机控制系统精度更高。PLC的有效控制速度可以提高到95%的同步转速。因此，PLC证明了自己在工业电动驱动控制方面是一个非常灵活和有效的工具。

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

1. 引言

随着机电传动控制技术的发展，使用可编程逻辑控制器（PLC）来实现对电动机的控制已在制造业和自动化方面得到广泛应用。这种技术有很多优点，如降低启动电压，有效控制电机和其他设备。许多工厂在使用PLC控制的自动化流程，来减少生产成本，提高产品质量和可靠性。PLC在其他方面也有应用如在改进的精密数控机床（CNC）上的使用。为了获得准确的工业电气传动系统，有必要使PLC的控制界面与电源转换器，个人电脑接口，和其他电气设备相关联。然而，这使得设备更精密但更复杂、更昂贵。

很少有文章发表关于PLC控制直流电机的。他们报告的模糊控制是在直流电动机/发电机上设置使用一个可编程控制器，来改变电枢电压，并将其纳入到现有的工业可编程控制器的自适应控制器的基础上。同时，其他类型的机器也可与PLC接口。因此，可编程控制器用在五轴转子位置来控制步进电机转向和速度，以减少电路元件的数量，降低成本，提高可靠性。对于开关磁阻电机，作为一种替代可调速交流和直流驱动器的可能，单一的芯片逻辑控制器来控制转矩和速度并采用可编程控制器来实现数字逻辑与功率控制器耦合。

在感应电机领域与PLC有关的文章只有很少几篇被发表。三相异步电动机的控制器采用可编程控制器，可提高功率因数，并保持其在整个控制条件下的电压-频率比恒定。集成电路采用复杂可编程逻辑器件（CPLD）和矢量控制的电压或三相脉宽调制电流调节（PWM）逆变器的整数算法。

感应电机的许多应用除了要求电机控制功能，还要求有具体的模拟和数字输入/输出信号，家庭信号，跳闸信号以及处理开/关/反向等命令的功能。在这种情况下，涉及PLC控制的单元必须被添加到系统的体系结构中。本文提出了一种基于可编程控制器的三相异步电动机监控系统。它描述了所配置的硬件和软件的设计与实现。对异步电动机性能的测试结果表明，在可变负载恒速控制操作方面改进后的效率和精度都有所提高。此外PLC将操作参数与用户要求的速度相关联，并在正常运行期间和在跳闸情况下对运行参数进行监控。

1. PLC作为系统控制器

PLC是一种基于微处理器的控制系统，专为在工业环境下实现自动化过程而设计。它使用一个可编程的内存，用于存储用户的指令，并以此为向导来实现特定的功能，如算术，计数，逻辑，排序和时间。PLC可编程的意义在于能够启动和控制工业设备，当然，为此它也采用了大量的I / O点作为电信号的接口。输入设备和输出设备连接到PLC和控制程序被输入到PLC存储器的过程如图1所示。

在我们的系统中，它通过模拟和数字输入来控制异步电动机输出不同的恒负载运行转速。此外，可编程控制器根据控制程序连续监测输入和动作指令的输出。该可编程控制器系统是由特定的硬件构成模块（模块）组成的模块化类型，它直接插入专用总线：一个中央处理器单元（中央处理器），一个电源单元，输入输出模块，和一个程序终端。这种模块化的方法的优点是初始配置可以扩展为其他未来的应用，如多机系统或计算机连接。

1. 异步电动机控制系统

在图2中，对该实验系统的框图进行了说明。以下配置可从该设置中获得:

1. 用于恒定速度操作的闭环控制系统：具有速度反馈和负载电流的反馈配置。感应电动机由逆变器驱动来驱动可变负载，并且用PLC来控制变频器的V / F输出。
2. 变速操作的开环控制系统：感应电动机由在稳定控制模式下工作的变频器驱动来驱动可变负载，PLC不工作。
3. 标准的变速运行：感应电动机由恒定电压恒定频率的标准三相电源驱动来驱动可变负载。

开环结构b）可以通过通过除去闭环结构a)的速度和负载的反馈来获得。另一方面，如果整个控制系统被旁路操作便得到结构c)。

1. 硬件描述

控制系统被实现和测试的绕线转子感应电动机具有的技术规格在表I中给出，感应电机驱动的直流发电机，来提供一个可变负载。三相电源连接到三相主开关，然后到一个三相热过载继电器中，实现了对电流过载的保护：继电器的输出被连接到整流器，其整流三相电压，并给出一个直流输入至绝缘栅双极晶体管（IGBT）变频器。其技术规范概括于表Ⅱ中。IGBT变频器将直流电压输入到三相电压并输出，这被提供给感应电动机的定子：另一方面，变频器接到基于PLC的控制器上。

表I感应电机技术规范 表II变频器技术规格

该控制器是在PLC的模块化系统上实现。PLC的结构指其内部硬件和软件。作为一个基于微处理器的系统，该PLC系统的硬件设计和构建了以下模块：

bull;中央处理器单元（CPU）;

bull;离散输出模块（DOM）;

bull;离散输入模块（DIM）;

bull;模拟量输出模块（AOM）

bull;模拟输入模块（AIM）

bull; 电源。

PLC配置的其它细节示于表III和IV：

表III PLC组态

表IV PLC模块和I / O指定

一个速度传感器用于速度反馈，一个电流传感器用于负载电流反馈，另一个电流传感器连接到定子电路。因此，该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来实现的。

测速发电机（永磁直流电动机）被用于速度传感，感应电机驱动其轴并产生输出电压，它的幅度正比于旋转速度，极性取决于旋转的方向，从测速发电机发出的电压信号必须与在AIM中指定的电压范围一致（0-5 V直流和200-K内阻），其他PLC外部控制电路所使用的电源一律为24伏直流低电压电源。

为实现手动控制，该方案配备了启动，停止，和跳闸按钮，以及具有前后方向的选择开关。如示于图2所有描述的组件：一个主开关，一个自动三相开关，自动单相开关，三相热过载继电器，负荷自动开关，信号灯（前进，后退，启动，停止，跳闸），按钮（启动，停止跳闸），选择开关（旋转的向前/向后方向），速度选择器，增益选择器，以及被安装在控制面板上的PLC模块和变频器。该程序是从个人计算机PC通过RS232串行接口下载到PLC中的。

1. 软件说明

PLC的编程是基于输入设备的逻辑要求和执行的方案，主要是合乎逻辑，而不是数值计算算法。大多数编程操作都基于一个简单的两态“开或关”的基础上，并这些替代的可能性分别对应于“真或伪”（逻辑格式）和“1或0”（二进制形式），因此，PLC电路继电器的控制系统采用模拟装置的建立提供了一个灵活的可编程方案。

所使用的编程方法是梯形图方法。 PLC的系统提供了一个在主机终端，允许梯形图待开发，检验，测试和诊断，运行的软件工具。首先，在高级别程序写入梯形图。然后，梯形图被转换成二进制指令代码，使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）。每个连续的指令的译码和由CPU执行。 CPU的功能是控制存储器和I / O设备，并根据程序来处理数据。在PLC的每个输入和输出连接点具有用于识别的I / O位的地址。用于与输入，输出相关联的数据的直接表示，并且存储器中的方法是基于PLC存储器被组织成三个区域的

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