机械电气专业外文翻译--基于PLC的异步电动机监控系统的设计与应用中文版

中文翻译基于PLC的异步电动机监控系统的设计与应用玛利亚拉安妮德（音译）摘要本文介绍了一种基于可编程控制器(PLC)的异步电动机监测与控制系统。同时，文章介绍了在异步电动机速度控制和保护方面软件及硬件的应用。PLC将电动机的工作参数和正常运转时人员或监测装置的需求速度联系起来。由PLC控制、换向器驱动的异步电动机监控系统在速度调整方面与传统的电压/频率控制系统相比，具有更高的精确度。PLC的控制效率高达同步转速的95。因此，PLC在电力传动装置的工业控制方面是一个用途广泛、高效的工具。关键词：计算机控制系统；计算机监测；电力驱动；异步电动机；运动控制 可编程控制器；变频驱动；电压控制1、简 介自从电力驱动装置的运动控制技术得到应用以来，可编程控制器在自动化制造业中得到了广泛的应用。可编程控制技术的应用带来了许多好处，比如:开机时电压降低值减少、能够控制电机和其他虚拟设备等。许多工厂都将PLC应用到自动化作业当中以降低生产成本、增加产品的质量和可靠性。工厂中其他的比如具有精密计算机数值计算的工具等都归功于PLC的应用。为了得到精密的工业电力驱动系统，非常有必要应用与整流器、个人计算机和其他电力设备有接口的PLC。因此，这就使得设备更加精致、成熟和昂贵。很少有文章介绍关于PLC控制的直流电气设备。他们报道了用PLC改变电枢电压实现对一台直流电动机/发电机速度控制的模糊方法的执行过程，和基于自动调整技术的工业PLC自适应性控制的结合。同时，PLCs还与其他类型的机器有接口。因此，工业PLC被用于控制步进电机在五个滚筒的中心位置的方向和速度，以减少电路元件的数量，降低成本，增强稳定性。作为一种调整直流和交流速度驱动的开关磁阻电机的可行替代方案，来控制扭矩和速度的逻辑控制器用PLC和电源控制装置实现数字逻辑控制。其他的报道有PLC应用到乘客电梯的直线异步电动机控制中，达到了对驱动系统和数据采集的控制。为了监测电力质量、识别出影响电力设备的干扰，通常应用两个PLC来提高设备的灵敏度。很少有文章涉及到PLC控制异步电动机的领域。一个三相异步电动机的功率因数控制器应用PLC以提高其功率因数，并在整个控制过程中保持电压频率比为常数。用矢量控制应用复杂可编程逻辑控制单元的积分电路和电压或脉宽调节的积分运算电路。异步电动机的许多应用除了要求马达控制官能度，而且要求对一些特殊信号的处理，比如：模拟和数字I/O信号，局部信号，解扣信号，开/断/反向按钮信号。在这些情况下，一个应用PLC的控制单元必须加到系统结构当中。本篇文章介绍了一种基于PLC的三相异步电动机监测和控制系统。文章讲述了配套硬件和软件的设计及应用。从异步电动机获得的试验结果显示，在变载恒速控制方面具有高效率、高精度的特点。因此，在异步电动机正常运转或解扣条件下，PLC控制运作参数为人工或内部监视器设定的速度，并将其联系起来。2、PLC系统控制器一个PLC就是一个应用到工业自动化控制过程的微机控制系统。它用一个可编程内存来存储能实现不同功能的用户指令，比如：算术运算、计数器、逻辑运算、排序、定时器等。一个已编程的PLC可以去感应、激活和控制工业设备，因此它包括许多的I/O口，与数字信号连接。输入与输出设备与PLC相连，控制程序被“放”到PLC的存储器中。（如图1）图1 PLC控制原理图在我们的应用当中，它控制模拟量、数字量的输入和输出。同时，PLC不停的监测输入并根据控制程序激活相应的输出。这个PLC系统是由特殊的模块组成的，塞封到原有的元件上：一个中央处理器，一个供电单元，输入输出模块和一个程序端子。这种模块化方法有很多好处，比如：初始化配置可以扩展到其他设备像多机系统或者计算机连接系统。3、异步电动机控制系统图2是实验系统的程序框图。从此框图中我可以得到如下信息：一个恒速控制的闭环控制系统，包括速度反馈和负载反馈。异步电动起驱动一个变化的负载，通过变流器反馈，PLC控制变流器的电压频率输出。图2 实验系统程序框图一个变速控制的开环控制系统。异步电动机驱动一个变化的负载，在恒电压频率控制模式接收来自变流器的反馈信号。PLC此时是不工作的。标准的变速运行。异步电动机驱动一个变化的负载，并接收一个恒定的电压频率反馈。开环系统b）可以由闭环系统a）去掉速度和负载反馈得到。另一方面，如果整个控制系统被旁路，则系统c）动作。4、硬件介绍这个控制系统被用到绕线转子异步电动机的实验和测试当中，表1是它的技术指标。表1 异步电动机技术指标连接类型/Y输入电压380/660V 交流输入电流1.5/0.9A额定功率0.6kW输入频率50HZ电极数目4额定转速1400r/min表2 换流器技术指标输出电压380/660V 交流输出频率0，480HZ输出电流2.5A过载能力15060s电源电压380，46010V交流输入电流3耗散功率46W表3 PLC配置可用已用离散输入（I）328离散输出（Q）169模拟输入（AI）87模拟输出（AQ）86存储器（M）540表4 PLC模块及I/O分配母 板模块1模块2模块3模块4模块5模拟量输入模块数字量输入模拟量输出数字量输出1CPU1速度反馈信号1开始按钮信号1速度反馈信号1线圈12电源2负载电流反馈2停止按钮信号2速度设定信号2运行指示灯3定子电流信号3解扣按钮信号3负载扭矩信号3线圈24速度设定信号4前进开关4换流器频率4停止指示灯5控制器增益5后退开关5负载线圈5线圈36控制器时间常数6解扣按钮信号6定子线圈6解扣指示灯7换流器模拟端口724V直流7换流器数字端80V直流824V直流90V直流这个异步电动机带动一个直流发电机，直流发电机带一个变化的负载R。三相电与一个三相主开关相连，随后与一个三相热过载继电器相连，热过载继电器保护当前的负载。线圈的输出与整流器相连，整流器调整三相电压并给绝缘门双极性晶体管整流器一个直流的电压输入。它的技术指标在表2中列出。这个双极性晶体管整流器把直流电压输入变成三相电压输出，给异步电动机的定子供电。另外，这个整流器还与PLC控制器有接口。此控制器继承到一个PLC模块系统上。PLC的结构参考它的内部的软件和硬件结构。PLC系统硬件有以下模块组成：中央处理单元离散输出模块离散输入模块模拟量输入模块模拟量输出模块电压模块关于PLC配置的其他信息在表3和表4中列出。速度反馈中用到一个速度传感器，负载电流反馈用到一个电流传感器，同时还有一个电流传感器与定子相连。因此，闭环系统的两个反馈回路通过负载电流传感器、速度传感器和模拟量输入模块建立起来。一台永磁直流电机用来测速度。感应电机驱动转轴转动，产生电压输出，电压的大小取决于转轴转动的速度，极性取决于转动的方向。永磁电机输出的电压信号必须与模拟量输入模块的允许电压范围（05V）相匹配。其他的PLC外部控制元件用24V直流电源供电。为了便于人工控制，电路设有开启，关闭，解扣按钮，还有一个方向选择开关。如图2所示，所有的元件都集成到一个控制板，包括：主开关，自动三相开关、自动单相开关、三相热继电器、负载自动开关、信号灯、按钮、选择开关、速度选择器、增益选择器和PLC模块。程序编好后将其从PC机下载到PLC中。5、软件介绍PLC的编程基于输入设备的逻辑需求。大多数的编程设备工作在“开”或“关”两种状态。这就分别与“真/假”和“1/0”相对应。因此，PLC通过编程可以控制模拟量设备的开关回路。常用的编程方法是梯形图。PLC系统提供了一种可以在PC机端子上开发的编程工具。PC机端子允许梯形图程序被编译、试验和模拟。首先，程序被写入梯形图，然后，梯形图将其转成二进制代码，存入只读存储器或可擦除只读存储器。每条指令都被编码并被CPU执行。CPU的功能就是控制存储器和I/O设备的运行，并根据程序对数据进行相应的处理。每个输入输出节点有一个位地址来区分不同的I/O位。数据与相应的输入输出相联系。PLC主程序是一个循环的扫描过程，以使输入变量被定期的检测。循环程序开始时扫描系统的输入设备，并把他们的状态存储到固定的地址。梯形图一梯级一梯级的执行，扫描程序、读取输入的逻辑状态以确定输出口的状态。更新后的输出口状态被存入到相应的地址（输出映象寄存器Q）。在扫描程序结束的时候，寄存器中的输出口的值去置位或复位PLC的物理输出。对于给定的PLC，完成一次扫描的时间为0.18ms/K（1000步），同时，PLC的最大程序容量是1000步。系统的扩展部分包括一台通过RS232口与目标PLC相连的主机。主机提供了软件编辑、保存、打印、程序运行监测的环境。在PLC上运行的程序的开发过程包括：用编辑器画出源梯形图，将源程序转换成可以在PLC的芯片上运行的二进制代码，通过专门的接口从PC机下载源代码到PLC系统中。当它激活对机器和监视器的控制，PLC系统开始工作。6、结 论系统在各种负载运行的过程中被试验。包括对异步电动机速度控制的测验和解扣状态的测验。PLC监测电动机的运行，并将得到的参数和软件设置相对比。一开始，作为参考，监测标准380V电压50HZ电网时直流电动机的性能。然后，试验控制系统在无负载和满载的情况下运行，这两种情况在第三章中已讨论。直流电动机受整流器和PLC控制的反馈；直流电动机受整流器的反馈。负载力矩的范围和与PLC软硬件相关的速度的范围在前面章节已经介绍到。速度随力矩变化的特点在5001500r/min的范围内研究，如下图3所示。结果显示b）不同的负载力矩具有不同的速度选点。a）运行于速度在01400r/min均匀变化，变载在0100均匀变化的情况。然而，在速度高于1400r/min，负载大于70时，系统运行时速度和负载都不是匀速变化，速度不可能稳定在恒定的值。因此，当，不管是a）还是b），他们都有一个相似的速度负载响应曲线。这就说明当速度低于同期的93时，控制恒速的PI调节是高效的。图3 速度扭矩特性曲线我们也研究了不同时的效率。图4规范的标出了效率扭矩的关系。如图4所示，结果显示a）在所有情况下都比b）具有较高的效率。同时，当负载大于70运行时，正常效率大于1，这就意味着PLC控制的效率要比没有plc控制和整流器的标准380V，50HZ电压控制效率高。针对这一点，PLC控制系统的效率与标准的电机驱动的效率增加到1012。从一个理论的点观察，如果我们忽略磁化电流，效率的近似值是：其中，s是降低率，Rs，RR是分别是定子和转子的绕线电阻。从图7中可以看出，PLC控制的系统a）具有很低的降低率，几乎为零。在全速和满载的条件下，a）比b）的降低率要小。因此效率值越高越，特别是在高的速度和频率时。在较低的频率时，磁通增加，磁化电流增加，从而磁损减少。图4 效率扭矩曲线图5 定子电压频率关系图图6 电压频率图图7 设定点速度增益关系图图5所示是PLC控制下在与图3相同的速度和力矩范围内，定子电压定子频率变化情况。对于表7每个速度力矩变化曲线，定子电压和电子频率之间的关系是恒定的。然而，与磁通相关的这种电压频率关系随着频率的降低而从50HZ时的8，3增加到12HZ时的11，25，如图6