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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[4]–[9]。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[11]–[13]。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1PLC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380/660VAC输入电流1.5/0.9A额定功率0.6kW输入频率50Hz磁极数目4额定速度1400rpm图2.实验系统的电气框图表II变换器详细技术说明输出电压380,460VAC输出频率0.480Hz输出电流2.5A输出过载150%60s电源供给电压380,460-10%VAC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],[26]–[28]。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[29]–[37]。•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（0-5VDC200-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IIIPLC配置可用数目使用数离散输入（%I）328离散输出（%Q）169模拟输入（%AI）87模拟输出（%AQ）86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IVPLC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.CPU1.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12.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24.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.loadrelay装载继电器5.继电器36.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7.24VDC7.变换器数字点8.0VDC8.24VDC9.0VDCPLC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YAIM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