基于PLC的钢管缩颈机设计毕业设计.doc

机电工程学院毕业设计（论文）参考文献译文设计题目: 基于PLC的钢管缩颈机设计 译文题目: 基于PLC感应电动机的控制检测系统的设计与实现 专业班级： 机制F1008 学生姓名： 文兵 学 号： 201048050706 译文出处： 希腊雅典国立科技大学 附 件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 指导教师评语： 签名： 年 月 日附件1：外文资料翻译译文基于PLC感应电动机的控制监测系统的设计与实现玛丽亚，高级会员，IEEE 摘要：本文是关于一个基于可编程逻辑控制器感应电动机（PLC）系统技术的监测和控制的实现的描述，和应用速度控制和保护的硬件及软件对感应电动机性能的测试的结果的描述。同时也说明了PLC相关的操作参数是用户请求的速度和监控系统中正常运行条件下的参数，电机驱动系统的逆变器的感应试验中通过PLC控制证明高精度调速相比常规调速控制系统提高了控制效率，而且提高PLC控制的效率在高速度高达95%的时候会同步速度。因此PLC证明了自己是一个非常灵活的工具，在工业和有效的电气传动控制领域。 关键词：计算机控制系统，计算机化监测，电力驱动，电机，运动控制，可编程逻辑控制器（PLC），变频驱动器，电压控制。引言在电气机械中使用可编程逻辑控制器（PLC）以及电力电子技术，使电气传动的运动控制技术成为可用，而且这些技术已经应用到了自动化自造中 1 ， 2 。本文提供了诸如打开并控制电机时降低电压的优势和应用PLC控制汽车和其他设备的能力和一种几乎统一的功率因数 3 。许多工厂在使用自动化的PLC过程中，降低了生产成本和提高了质量和可靠性 4 9 。包括由于PLC的 10 利用控制（CNC）计算机数值提高机床的加工精度。为了获得准确的工业电力驱动系统，利用PLC与个人电脑，和其他电气设备 11 13 的功率转换器接口是必要的。然而这使得设备更复杂更昂贵 14 ， 15 。根据发表的几篇关于PLC控制直流电机的论文。他们报告了用PLC来改变电枢电压 16 的模拟方法对直流电动机/发电机实现转速控制，自校正自适应控制器技术应用到现有的工业PLC 17 。还有其他类型的机器接口与PLC。采用工业PLC控制步进电机轴的转子，方向和速度，减少电路部件的数量，提高可靠性 18 。，采用PLC控制转矩和转速的单芯片逻辑控制器实现数字逻辑化与驱动控制 19 使磁阻开关电动机在交流调速和直流驱动成为一种可能。，用PLC实现对电梯的感应电动机驱动系统的控制和数据采集 20 。电能质量监测和识别消除电厂生产的干扰，两个PLC的应用确定了设备的灵敏度21等。 但是发表关于感应电机和PLC的只有几篇论文，例如三相功率因数控制器感应电机利用PLC来提高功率因数和为了保持其电压频率比在整个常数控制条件 3 。利用复杂可编程逻辑器件（CPLD）矢量控制集成电路和整数算法对三相电压或脉冲宽度调制（PWM）逆变器 22 进行电流调节。感应电机的许多应用程序需要一些具体的数字处理和模拟I/O信号，家里的信号，跳闸信号，上/下/反向命令实现电机控制功能。在这种情况下，一个控制单元包括PLC必须添加到系统结构中。本文提出了一种基于PLC三相感应电动机的监控和控制系统。它描述了所配置的硬件和软件设计的实现。试验结果表明，感应电动机的性能提高和增加变载荷精度需要恒速控制操作。因此，PLC与相关控制的操作参数对速度设定点在用户请求和感应电机系统监视器在正常运行和跳闸条件下得到的。PLC作为系统的控制器PLC是以微处理器为基础的控制系统，为在工业环境中实现自动化过程设计。它使用一个用户内部存储的可编程存储器的取向来实现特定的功能，如指令计算，计数，逻辑，排序，和定时 23 ， 24 。PLC可编程序通过激活可控制工业设备，因此，采用了大量的I / O点，电信号接口。输入设备和输出设备连接到PLC，控制程序输入到PLC存储器。（图1）图1 PLC的控制作用 在我们的应用程序中，恒速运行的感应电动机它通过模拟数字输入控件输出负载。同时，PLC根据控制程序的连续监测输入来激活输出。PLC系统是模块式的特定的硬件模块（模块），它直接插入一个专有的总线：一个中央处理器（CPU），电源供应单元，输入输出模块的I / O，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。感应电机、控制系统在图2中，是实验系统的框图说明。以下配置可从此安装程序。A）为恒速运行的闭环控制系统，配置速度反馈和电流反馈。异步电机变负荷，是由逆变器供给，以及PLC控制逆变器输出的。 B） 变速运行的一个开环控制系统。异步电机变负荷和在恒定的控制方式下传送，逆变器。PLC是灭活。C）标准可变速度操作。感应电机驱动可变负载和来自一个常数三相电源电压恒定频率标准开环配置B）可从闭环配置）去除速度和负载的反馈。另一方面，如果整个操作c）结果控制系统是绕过。图2 实验系统的电气原理图硬件描述 控制系统测试一个转子感应电机的伤口，其技术规格在表一已经给出。感应电动机驱动的直流发电机供应可变荷载。三相电源连接是一种三相主开关，三相热过载继电器，它提供电流过载保护。继电器输出连接到整流器，三相电压对绝缘栅双极晶体管（IGBT）逆变器进行直流输入。其技术规格 25 总结在表II。IGBT逆变器将直流输入电压的三相电压输出，并提供给感应电动机的定子。另一方面，逆变器连接到PLC控制器。该控制器系统实现PLC模块化 5 ， 26 28 。PLC的结构是指其内部硬件和软件。作为一个基于微处理器的系统，PLC系统的硬件设计建立如下模块 37 29 ： 中央处理器（CPU）； 离散输出模块（DOM）； 离散量输入模块（DIM）； 模拟输出模块（AOM） 模拟量输入模块（目的） 电源。PLC其他配置的细节都显示在表III和IV。 速度传感器用于速度反馈，电流传感器用于负载电流反馈，和另一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设置使用负载电流传感器，速度传感器，和目标传感器。 测速发电机（永磁直流电动机）用于速度传感。感应电机驱动轴输出电压的产生，它的大小是和旋转速度成比例的。它的极性取决于旋转方向。测速发电机的电压信号必须匹配指定目的电压范围为（5V0直流和200-K内阻）。其它的PLC的外部控制电路采用24 V的直流低压供电设计。 该控制为手动控制，该方案具有启动，停止，和运行按钮，以及一个向前和向后的方向选择开关。如图2所示，所有的描述组件：主开关，自动三相开关，自动单相开关，三相热过载继电器，负载自动切换开关，信号灯（前，落后，启动，停止，运行），按钮（启动，停止，行程），一个选择器开关（旋转的向前/向后方向），一个速度选择器，增益选择器，以及PLC模块和一个整流器逆变器安装在控制面板上。程序下载到PLC与个人计算机PC和一个RS232串行接口中。表1感应电机的技术规范表2逆变器的技术规格图3 主程序的流程图表3 PLC组态表4PLC的I/O模块及设计软件说明 PLC的编程是基于设备输入的逻辑要求和其程序的实现主要是通过对数性而非数值计算。大多数的编程在操作工作的基础上分为“上下”简单的两态，这些可能对应“真或假”（形式逻辑）和“1或0”（二进制形式）。因此，可以通过提供一个灵活的可编程的设备替代采用模拟电路继电控制系统建立的设备。 PLC的编程方法是梯形图法。在设计环境中PLC系统提供了主机端软件运行工具这使得梯形图被开发，验证，测试，与诊断。首先，高层次的程序是用梯形图， 33 ， 34 ，然后，将梯形图转换成二进制指令代码以便他们可以存储在随机存取存储器（RAM）中或可编程只读存储器（EPROM）中。每一个连续的指令先解码并由CPU执行。CPU的功能是控制存储器和根据程序数据分配I/O设备。每个输入和输出PLC连接点已用于识别一个地址I / O点。数据能够用于直接表示与输入，输出相关的记忆是源于PLC内存的三个区域：输入影像记忆（I），输出影像记忆（Q），和内部存储器（M）。任何内存位置都能被直接使用%I, %Q,和%M（表3）。 PLC程序采用循环扫描，在主程序循环例如，定期检查输入的变量（图3）。把在固定的内存位置的存储状态（输入图像I的记忆）输入到系统中，程序就会开始循环扫描。然后执行程序的阶梯梯级。通过扫描程序，求解不同梯形逻辑级，确定其输出状态。把最新的输出存放在固定的内存位置（输出影像Q的记忆）。输出值保存在存储器中是用来设置复位同时扫描最后PLC的物理输出程序。对于给定的PLC，完成时间是一个周期或扫描的时间是0，18毫秒/K（1000步）但最大的程序容量是1000步。开发的系统由上位机（PC）通过RS232端口连接到PLC。主机计算机提供软件进行文件编辑，存储，打印，和程序运行监控。开发PLC执行程序的过程包括：使用编辑器来绘制源梯形图程序，将源程序的二进制目标代码通过串口通信端口在PLC的微处理器中运行和从PLC系统中下载目标代码。PLC系统在线时正确的操作主动机器的控制检查和监控所有数据。A. PLC速度控制软件在图4中，说明了控制速度的软件流程图。软件调节速度和监视速度，控制转矩的变化。同时它是由PLC软件控制使转化为电机执行供电的单逆变器反馈和PLC。从控制面板上，操作员选择设定速度和旋转的向前/向后的方向。然后，手动启动按钮，电机开始旋转。如果停止按钮被按下，然后电机停止转动。其相应的输入信号连接到输出信号到DOM 如表IV传感器的目的是接收定子的电流信号，测速发电机的速度反馈信号，和控制面板的信号。在这种方式下，PLC读取所要求的转速和电机的实际速度。由于运营商与实际要求的速度之间的差异使电机的转速产生了误差信号。如果误差信号不为零，是积极或消极的，然后PLC根据CPU的计算进行了逆变器的增加或减少，因此，电机的速度是对的。PLC实施的控制是比例积分（PI）式（即，误差信号乘以增益，集成，并添加到请求的速度）。得到一个结果，控制信号发送到DOM和连接的控制器数字输入频率的变化。在开始时，操作员利用旋转电阻器安装在选择增益控制面板上（增益调节）接收其电压降作为控制器增益信号（010 V）。所请求的速度使用旋转电阻选择和并读取这一信号。它的值发送到AOM并在控制面板上显示（速度设定点显示）。速度反馈信号在另一个控制面板上显示实际转速。三分之一在显示负载电流信号（N M）。相应的信号输出至AOM（表四）。图5 软件监控和保护的流程图B.监测和保护软件 在图5中，是这个软件的流程示意图。电机运行过程中，通过改变开关位置是不可能改变其转动方向的。要使方向反转，停止按钮必须按。电机启动和加载都有过载电流保护，下面的命令对软件进行编程。一）前进/后退信号输入到DIM。二）设定速度信号，定子负载电流，速度反馈信号的输入。三）在无负载的情况下，如果速度设定点较低超过20%r/min，电机不能启动。四）在增加的负荷超过0，4 NM（40%额定扭矩），和给定值低于40%或Rmin时，电机不能启动。五）如果负载增加超过1 .0N.M（额定扭矩）如果速度设定点超过100%或1500rmin，电机进入截止程序。六）在所有其它情况下，电机进入速度控制模式和速度控制软件的执行如A中描述C.截断并重新启动电机软件 在图6中，是这个软件的流程图。 在过载情况下，切断电机和点燃的灯（黄色）。操作员必须释放热继电器，然后必须关掉跳闸手推或停止按钮。热继电器设置为电机额定电流1，5A，即可又启动发动机了。 电机可以由运营商切断停止按钮：这时的实际速度的显示设置为零，该启动指示灯（绿色）关闭，并停止灯（红色）变成持续闪烁3秒 电动机切断负载必须立即断开，在驱动器启动系统启动之前。即使电机不能启动前3秒过后截止启动按钮。六、结果该系统的测试过程中的操作和负载变化包括对异步电机的速度控制性能试验和在运行的情况下的测试。根据PLC软件监控电机的运行和相关参数。首先，从一个标准的380V供电的感应电动机作为性能参考，50 Hz的网络测定。然后，实验控制系统在无负荷和满负荷之间（1，0N. M）操作具有两个不同的模式，在第三节中描述到： a）由变频器和PLC控制的异步电动机；b）由逆变器供电的感应电动机。通过先前的描述部分在负载转矩和速度的范围内对应PLC设计的硬件和软件。 该系统研究了在速度5001500 r/min时的转矩特性范围，如图7所示。结果表明，配置b）与不同的变速操作在不同的转速设定值的负载转矩特性。配置一个）以恒定速度改变负荷运行转矩特性的速度范围01400 r / min和0100%。然而，在速度高于范围1400 r/min负荷高于70%，系统操作变速变负荷和恒定的速度无法保存。因此，大于等于1400Rmin的配置a）和b）有一个类似的转矩响应速度。这事实表明，PI通过软件与PLC控制的实现恒速是有效的在速度低于93%的时候。 图6 截止重启电机软件流程图 图7 PLC和变频器的实验速度转矩特性图系统为不同值的效率也进行了研究。在图8中，效率是归一化，用作基础值或标准值1。该网络提供了异步电机的效率。如图8所示，结果表明配置a）在所有的情况下具有比配置b有更高的效率). 同时，在运行负载高于70%时，效率归一化，效率高于效率感应电机的标准380-v时即可采用PLC控制操作，50赫兹网络没有PLC的控制和无逆变器。据此图，PLC控制系统的电机运行效率比标准提高到1012%。从理论的角度来看，如果目前我们忽视了磁化，对于效率就是一个近似值分别是滑移定子和转子绕组电阻。正如从图7可以看出，该系统）具有非常低的滑移值，几乎为零。在所有速度和负载条件下，配置a) 具有比b滑移值小），因此配置更高的价值效率是有道理的，尤其是在高的速度和频率。在较低的频率，磁通量增加，因此，在励磁电流增加时损失就增加。图9显示了定子电压与定子频率具有相同的PLC控制变频器特点和在图7的范围内的速度和扭矩。图7中每一个速度转矩特性，关系定子电压和定子频率之间是恒定的。不过这种关系，对应于电机磁链，从8.0频率的降低而效率增加，3在50赫兹升到11，25对应12赫兹，如图10所示。因此，可以看出从图7，其中可用的扭矩从100%减小在50赫兹到60%在20赫兹，当电压和频率降低，具有减少磁通会增加最大扭矩的特性。图8无单位的PLC控制系统的效率标准提供的电机效率图图9 定子电压与PLC的逆变器频率特性控制图10 定子电压 定子频率图11 PLC控制的特点 调节器的所有速度和扭矩增益范围绘制在图11中。结果表明，它提供了一个负载变化几乎呈线性变化和小位移之间的特征。该系统提出了一种类似的动态响应和速度控制闭环系统。瞬态特性是由于转矩 32 振荡限制了系统的应用，此过程只需要慢速度的变化。七。结论 从先前获得成功的实验结果描述方案说明PLC可以用于在自动化系统的感应电动机。由逆变器驱动的感应电动机控制系统采用PLC控制监测，证明了在恒定的速度运行时其调速精度高。PLC的有效性使基础的控制软件令人满意的高达96%程度。采用PLC控制相比得到的效率，增加了逆变器异步电机供电的开环结构。具体而言，在高转速情况下， PLC控制系统与提供的标准感应电机的配置网络相比效率提高到1012%。尽管速度控制方法简单，这系统介绍了：恒定速度和负载转矩的变化；最大扭矩可在较宽的转速范围；很好的精度闭环速度控制方案；效率更高；过载保护。因此，PLC在工业电气驱动应用中是一种灵活和有效的控制工具。谢词感谢学校在经济上的支持，感谢希腊雅典国立科技大学建设的该实验系统。从而进行实验室试验和测量。参考文献 1 卡普兰，“工业电子技术1992。，”IEEE谱，29卷，4748页，1992年1月。 2 工业电子技术1993。，”IEEE谱，30卷，58页60页，1993年1月。 3 A. 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