外文翻译基于PLC的感应电动机监控系统设计与实现中文版资料.doc

基于PLC感应电动机监控系统设计及实现玛丽亚 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感应电动机监控系统实现方法。同时，介绍了通过对感应电动机性能测量实现其速度控制与保护软件与硬件。在正常操作与出现故障条件下，PLC按照使用者所要求速度运行参数监控系统运行。对由变换器驱动与PLC控制感应电动机系统进行了测试，结果表明及常规V/f控制系统相比，前者在速度调节上具有更高精确性。在高速时，PLC控制感应电机效率达到同步转速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与有效性工具。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广泛应用，可编程控制器（PLCs）也随着工业电子学在电机中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、控制电动机与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减少生产成本与增加产品质量与可靠性49。其他应用包括应用PLCs改进了工作母机计算机数字控制精确度10。为了获得精确工业电气驱动系统，将PLCs及功率变换器、个人计算机（PC）与其他电气设备连接起来是必要1113。然而，这些技术应用，使设备变得更加完善、复杂与昂贵14, 15。很少看到关于PLCs控制直流电动机文章。他们文章都是关于使用PLC改变电枢电压实现直流电动机/发电机组速度控制模糊方法16及基于自校正调节器技术自适应控制装置与现有工业PLC结合17。其它类型设备及PLCs同样也需要连接。因此，使用一个工业PLC在5轴转子位置、方向与速度控制步进电机，简化了电路结构、降低了成本与提高了可靠性18。为了把磁阻电动机转换为可调速度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与速度，并通过PLC与功率控制器执行控制逻辑19。其他应用有：在乘客电梯线性感应电动机控制中，应用PLC实现驱动系统控制与数据获取20；为了监控电源状态与确认破坏电气车间生产干扰，使用两个PLCs确定设备灵敏度等21。在利用PLC控制感应电动机领域只有很少文章发表。他们主要在以下方面：三相感应电动机功率因数控制器利用PLC去改进功率因数与保持它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)与电压整数算法或者三相脉宽调制(PWM)变换器电流/电压调节22。感应电动机很多应用除了需要电机控制函数性之外，还要有多个详细模拟与数字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控制单元必须添加在系统结构中。本文介绍了一个基于PLC三相感应电动机监控系统，描述了系统软件与硬件配置设计与实现方法。依据对感应电动机性能测试获得结果表明：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，在正常操作与出现故障条件下，PLC依据与控制运行参数达到用户所需要设定值并监控感应电机系统运行。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基于微控制器控制系统。它利用可编程存储器内部存储用户指令，执行具体操作，比如：算法、计算、逻辑运算、排序与定时23, 24。可通过编程使PLC判断、触发与控制工业设备。因此，PLC具有及电气信号接口一定数目I/O点。在加工过程中，输入设备与输出设备及PLC相连接，控制程序则下载到PLC存储器中（图1）。PLC输入控制程序输出图1 PLC控制行为在我们应用中，依据模拟与数字输入，PLC输出变化控制感应电机恒定负荷速度操作。同时，PLC不停监控输入与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模块化类型，可以直接插入专用总线：一个中央处理单元（CPU）、电源供给单元、输入输出模块与可编程终端。这样一个模块化处理优点是，随着将来应用可以扩展初始配置、构成多机系统或者及计算机相连等。III感应电机控制系统实验系统结构图见图2。配置如下所述：a) 一个恒速运行闭环控制系统由速度反馈与负载电流反馈组成。由变换器馈送感应电机驱动变动负荷，PLC控制变换器V/f输出。b)一个变速运行开环控制系统。由变换器恒定V/f控制模块馈送感应电机驱动变动负荷。PLC是不工作。c) 标准变速运行。恒定恒压频率标准三相电源馈送感应电机驱动变动负荷。将闭环配置a)去掉速度与负荷反馈后，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与测试，其详细技术说明见表 I。感应电机驱动提供可变载荷直流发电机。三相供电电源及三相主开关连接后及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。继电器输出及整流器相连接。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，变换器及基于PLC控制器相连接。表I 感应电机详细技术说明连接类型/Y输入电压380/660 V AC输入电流0.9 A额定功率输入频率50Hz磁极数目4额定速度1400rpm图 2. 实验系统电气框图表II 变换器详细技术说明输出电压380,460 V AC输出频率输出电流2.5 A输出过载150% 60s电源供给电压380,460-10% V AC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5, 2628。PLC体系结构涉及其内部硬件与软件。作为一个基于微控制器系统，PLC系统硬件利用如下模块设计与装配2937。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其它配置详细资料见表III 与 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，另一个电流传感器及定子电路相连接。因此，通过使用负荷电流传感器、速度传感器与AIM设置闭环系统两个反馈回路。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，并产生及旋转速度成正比电压输出。极性取决于旋转方向。测速发电机输出电压信号必须及指定AIM电压范围相匹配（0-5V DC 200-k 内阻）。其他PLC外部控制电路设计供电电压为24V低压供给。为了人工控制，本方案设计了启动、停止与差错按键，同时还有正向与反向选择开关。如图2所示，所有描述部分：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（正向与反向旋转选择），速度选择器、增益选择器，PLC模块与整流转换器也安装在控制面板上。程序通过个人电脑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逻辑命令，并且程序执行是支配逻辑而不是数字计算机规则系统。大部分编程操作是简单双态“开或关”，这些交替可能性分别及“真或假”（逻辑形式）“1或0”相对。因此，对组建使用模拟设备基于电气电路继电器控制系统，PLCs提供了一个灵活编程选择性。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图 3.主程序流程图表III PLC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、调试与诊断并在主机终端上运行。 首先，用梯形图编写高级程序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功能是控制存储器操作与输入输出设备并依据程序传输数据。将每一个及PLC连接输入输出点作为I/O点统一编址。数据及输入、输出与存储器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）与内部存储器（M）。每一个存储单元可以用%I, %Q, 与 %M直接引用(表 III)。表 IV PLC 模块与 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.速度反馈信号（输入）1. 速度反馈信号（显示）2. 电源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.负荷扭矩信号（显示）4. 速度设定点信号5.load relay 装载继电器6. signal切断按钮信号8. 24VDCPLC程序在主程序中用了一个循环扫描，这样对输入变化进行周期性监视（图3）。程序循环对系统输入进行扫描并把他们状态存储在固定存储器特定区域（输入映像存储器）。梯形图程序就这样循环执行。PLC扫描程序与解释不同梯形网络逻辑以 (1000步)并且最大程序容量是1000步。开发系统主机(PC)通过RS232端口及PLC相连接。主机提供文本编辑、存储、打印与程序操作监控软件环境。程序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上执行二进制目标代码，通过PLC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数据。A. PLC速度控制软件速度控制软件流程图见图4。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Y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变化。同时，作为电机电源变换器也开始执行，并且由PLCs软件控制。没有PLC与控制回路反馈，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与旋转正反方向。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。相应输入信号及DIM相连接，输出信号及DOM相连，如表IV。AIM从定子电流传感器接收差错信号IS、测速发电机速度反馈信号与来自控制面板nsp信号。这样，PLC读取设定速度与电机实际速度。操作者设定速度及电机实际速度差值给出误差信号。如果误差信号不为零，是大或者小，PLC依据CPU计算执行减小或增大变换器Vf，就这样校正了电机速度。NYYNNNYYYNNYNY读取输入：·正向/反向信号·启动信号·速度设定信号nsp·负荷电流IL·定子电流IS·速度反馈信号锁定旋转方向IS<1.0A?nsp<300速度控制模式不启动电机启动电机ISnsp<600速度控制模式ISnsp>1500切断电机N速度控制模式图 5.监控与保护软件流程图执行控制是比例与整型（PI）（也就是错误信号要乘以增益Kp ，综合与添加到所要求得速度）。结果，控制信号传送到DOM并且连接到变换器数字输入去控制V/f变化。首先，操作者通过安装在控制面板上（增益调节）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）。控制面板上第二个显示器指示了来自速度反馈信号计算实际速度。第三个显示器指示了来自负荷电流信号负荷扭矩，以牛顿-米（N*m）表示。他们通信信号输出到AOM（表IV）。B. 监控与保护软件软件流程图见图5。在电机操作过程中，不可能通过改变开关位置使其旋转方向反向。在改变方向前，必须先按下停止按键，使电机停下来。为了保护电机，防止在启动与装载时电流过载，在软件中编写了如下命令。i)正向/反向信号输入到DIM。ii) 速度设定信号nsp，负荷电流IL，定子电流IS与速度反馈信号输入到AIM.iii) 在没有负载IS1.0A时，如果速度调整点低于20%或者nsp<300 r/min，电机将不起动。iv) Nm（40%额定转矩），IS1.3A，速度调整点低于40%或者nsp<600r/min，电机将不启动。v) Nm（额定转矩）IS1.5A并且速度调整点超过100%或者nsp1500r/min，电机进入差错程序。vi) 在所有其它情况下，电机进入速度控制模式，速度控制软件执行如分部分A所述。C. 切断与重启电机软件这个软件流程图如图6所示。 在过载情况下，电机被切断并点亮差错指示灯（黄色）。操作人员必须释放热动继电器并按下差错或停止按键切断差错指示灯。热动继电器设定在电机额定电流1.5A。如果按照这样做，就可以重新启动电机。 操作者可以通过按下停止按键切断电机，实际速度显示设定为0，启动指示灯熄灭，停止指示灯点亮并持续3s。 在驱动系统重启之前，电机切断之后，负载必须立即分离。在切断后3s内，即使按下启动按键，电机也不会启动。VI.结论 N·m）两种不同模型对实验控制系统进行测试，见部分III：a) 感应电机由变换器与PLC控制反馈；b) 变换器馈送感应电机。负荷扭矩与速度范围及所设计PLC软硬件相当，见前面部分所述。在500-1500 r/min范围对速度及转矩性能比较进行了研究，见图7。实验结果显示了配置b)对于不同速度调整点nsp，变速负荷扭矩性能变化。配置a)显示了在01400 r/min 与 0100% 负荷范围内，恒速负荷扭矩性能变化。N读取输入：·停止信号·负荷电流IL·定子电流ILIS速度控制模块Y·点亮差错指示灯·打开自动三相开关·将实际速度显示设0·关闭启动指示灯（绿色）·打开停止指示灯（红色）·打开负荷自动开关·等待3s·关闭差错指示灯（黄色）·释放热继电器·启动电机监控与保护模式然而，在速度高于1400r/min与负荷高于70%范围内，系统在变速变负荷与恒速操作时都不可能保持。因此，当nsp1400r/min 配置a)与b)具有相似扭矩速度响应。这个事实表明了利用PLC软件执行PI 控制对恒速时有效性，比同步低93%。图 6.切断/重启电机软件流程图对不同nsp值效率也作了研究。在图8中，将效率作了规格化显示，作为基本值或1 p.u.由标准网络提供感应电机效率。如图8所描述，结果显示在所有情况下，配置a)比配置b)具有更高效率。同时，在负荷高于70%下操作，标准化效率(pu)>1，意味着PLC控制获得效率比没有PLC控制有标准网络提供380V,50Hz与没有变换器感应电机效率更高。依据图形显示，PLC控制系统效率比标准电机操作提高了10-12%。从理论观点来看，如果我们忽略磁化电流，效率近似值为：s是滑移，RS RR分别是定子与转子线圈阻抗。由图7可以看出，PLC控制系统（a）只有很缓慢滑移，近似于0。在所有速度与载荷条件下，配置a)比配置b）滑移更小。因此，证明了其具有更高效率，尤其是在高速与高频下。在低频时，磁通量增大，因此导致了磁化电流增加，损耗也随之增加。 图9显示了及图7在相同速度与转矩范围内，利用PLC控制变换器定子电压及定子频率特性曲线，定子电压与定子频率之间是常数关系。然而，这种及电机通量相关关系，随着频率由50Hz减少到12Hz，其从8.3增加到11.25，如图10图 7. PLC与变换器速度-扭矩试验性能图 8.在有与没有PLC控制系统每单位效率标准供给电机效率所示。因此，由图7可以看出，有效转矩由50 Hz 100% 减少到20 Hz60%，当电压与频率都增加时，磁通量随着增加同时最大有用转矩减小了。频率定子电压图 9. 有PLC控制变换器定子电压及频率性能曲线。在图11中，绘出了在所有速度与转矩范围内调整器增益Kp 曲线。结果显示，在可变载荷下，Kp 及nsp几乎呈直线变化，但在每个曲线之间有很小位移。频率图 10. 定子电压及定子电流比率速度设定点增益图 11. PLC控制性能系统在利用V/f速度控制闭环系统情况下，呈现出相似动态响应。它瞬态响应性能由于扭矩震动而受到限制，并且这种现象限制了这个系统只能在低速度变化情况下应用。VII.结论由前面描述方案获得成功实验结果表明：PLC可以在有感应电机自动化系统中使用。由变换器驱动与PLC控制感应电机监控系统证明了在恒速变载荷操作下具有更高速度调节精确性。基于PLC控制软件有效性达到同步转速96%。使用PLC控制获得效率比由变换器馈送感应电机开环配置有了增加。尤其是在高速与负载下，PLC控制系统效率及标准网络供给感应电机效率相比提高了10-12%。尽管使用简单速度控制方法，本系统提出：在变化负荷扭矩时恒速；在较宽范围内全扭矩有效；在闭环速度控制方案中很好精确性；较高效率；过载保护；因此，证明了PLC在工业电气驱动应用领域是一个通用性与有效性工具。感谢作者对雅典国家技术大学在经济上与实验系统构建、实验室测试与测量等方面支持表示非常感激！参考文献1 G. Kaplan, “Technology 1992. Industrial electronics,” IEEE Spectr., vol. 29, pp. 4748, Jan. 1992.2 , “Technology 1993. Industrial electronics,” IEEE Spectr., vol. 30, pp. 5860, Jan. 1993.3 A. R. Al-Ali, M. M. Negm, and M. Kassas, “A PLC based power factor controller for a 3-phase induction motor,” in Proc. Conf. Rec. 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Power Electronics Motion Control, Budapest, Hungary, 1990, pp. 975979.玛丽亚 G 劳尔尼兹 (S85M86SM90)毕业于希腊雅典雅典国家技术大学（NTUA）电子工程系。现在，她是NTUA电气驱动器教授。她研究方向包括电子机构控制，可更新能源系统，小型或特种电动机，电磁器件与电动机新材料，ELF-EMFs对人类、环境、影响、人冒险因素与电气动力工业影响。她是许多期刊、会议学报，论著、专利、技术报告与社论作者。她也是希腊政府、欧共体与美国在很多研究项目中首席负责人与顾问。付：外文翻译 电火花加工 电火花加工法对加工超韧性导电材料（如新太空合金）特别有价值。这些金属很难用常规方法加工，用常规切削刀具不可能加工极其复杂形状，电火花加工使之变得相对简单了。在金属切削工业中，这种加工方法正不断寻找新应用领域。塑料工业已广泛使用这种方法，如在钢制模具上加工几乎是任何形状模腔。 电火花加工法是一种受控制金属切削技术，它使用电火花切除（侵蚀）工件上多余金属，工件在切削后形状及刀具（电极）相反。切削刀具用导电材料（通常是碳）制造。电极形状及所需型腔想匹配。工件及电极都浸在不导电液体里，这种液体通常是轻润滑油。它应当是点不良导体或绝缘体。 用伺服机构是电极与工件间保持0.00050.001英寸（0.010.02mm）间隙，以阻止他们相互接触。频率为20000Hz左右低电压大电流直流电加到电极上，这些电脉冲引起火花，跳过电极及工件见不导电液体间隙。在火花冲击局部区域，产生了大量热量，金属融化了，从工件表面喷出融化金属小粒子。不断循环着不导电液体，将侵蚀下来金属粒子带走，同时也有助于驱散火花产生热量。 在最近几年，电火花加工主要进步是降低了它加工后表面粗糙度。用低金属切除率时，表面粗糙度可达20.10vin)。用高金属切除率如高达15in3/h(245.8cm3/h)时，表面粗糙度为1000vin.(25vm)。 需要表面粗糙度类型，决定了能使用安培数,电容,频率与电压值。快速切除金属（粗切削）时，用大电流,低频率,高电容与最小间隙电压。缓慢切除金属（精切削）与需获得高表面光洁度时，用小电流,高频率,低电容与最高间隙电压。 及常规机加工方法相比，电火花加工有许多优点。 1 . 不论硬度高低，只要是导电材料都能对其进行切削。对用常规方法极难切削硬质合金与超韧性太空合金，电火化加工特别有价值。 2 . 工件可在淬火状态下加工，因克服了由淬火引起变形问题。 3 . 很容易将断在工件中丝锥与钻头除。 4 . 由于刀具（电极）从未及工件接触过，故工件中不会产生应力。 5 . 加工出零件无毛刺。 6 . 薄而脆工件很容易加工，且无毛刺。 7 . 对许多类型工件，一般不需第二次精加工。 8 .随着金属切除，伺服机构使电极自动向工件进给。 9 .一个人可同时操作几台电火花加工机床。 10.能相对容易地从实心坯料上，加工出常规方法不可能加工出来极复杂形状。 11.能用较低价格加工出较好模具。12.可用冲头作电极，在阴模板上复制其形状，并留有必须间隙。Electrical discharge machiningElectrical discharge machining has proved especially valuable in the machining of super-tough, electrically conductive materials such as the new space-age alloys. These metals would have been difficult to machine by conventio