脫毛機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙、說(shuō)明書】
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材料定額匯總表更改文件號(hào)標(biāo)記處數(shù)簽字日期共 頁(yè)產(chǎn)品名稱軸承室總成產(chǎn)品型號(hào)編制/日期產(chǎn)品代號(hào)T0111204.2B審核/日期序號(hào)名 稱圖 號(hào)材 質(zhì)直徑長(zhǎng)數(shù)量重量長(zhǎng)度1軸T0111204.2B.2-140Cr3019211.0661922墊圈T0111204.2B-10Cr18Ni9301520.167303軸套T0111204.2B.2-240Cr352120.31742序號(hào)名 稱圖 號(hào)材 質(zhì)直徑長(zhǎng)數(shù)量重量長(zhǎng)度1甩水盤T0111204.2B-2LY12853010.47730序號(hào)名稱圖 號(hào)材 質(zhì)對(duì)邊寬長(zhǎng)數(shù)量重量長(zhǎng)度1直通螺栓T0120402.2B-345164210.073422嵌件T0120402.2B.3-1Q235-A344510.35445序號(hào)代 號(hào)名 稱 及 規(guī) 格材 料數(shù)量單重總重所屬裝配1GB276-94軸承6304-Z2.2B.22GB1096-79平鍵C6253Cr131.2B.23GB1152-89油杯M6H621.2B.24GB893.1-86孔用擋圈5265Mn2.2B.25GB5783-86螺栓M830不銹鋼16GB93-87墊圈8不銹鋼27GB13871-92單唇油封30527橡膠2.2B.28GB3452.1-92O形圈201.8橡膠1.2B.29T0111204.2B.3-2帶輪ZL104110T0111204.2B.1小脫毛盤尼龍6111T0111204.2B.2-3殼體HT200112T0111204.2A.2-3打毛棒天然橡膠6第 頁(yè)備 注鋸床下料車削加工沖床沖壓加工車削加工備 注車削加工備 注車削加工車削加工備 注哈軸按圖外協(xié)車削加工按圖外協(xié)車削加工按圖外協(xié)車削加工按圖外協(xié)
利用傳感器對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)和保護(hù)
摘要
保護(hù)交流電機(jī)在使用過程中由于過電壓、過電流、超負(fù)荷、過熱、欠電壓對(duì)電機(jī)的損壞,對(duì)于防止工業(yè)事故非常重要。在過去的保護(hù)方式中使用接觸器,電壓、電流繼電器等部件對(duì)異步電機(jī)能進(jìn)行保護(hù)。雖然這種方式能起到一定的保護(hù)作用,然而這種機(jī)械式保護(hù)方式已經(jīng)成為傳統(tǒng)無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的需求。在現(xiàn)代技術(shù)中,出現(xiàn)了通過使用計(jì)算機(jī)和可編程集成電路(PLC)為基礎(chǔ)的保護(hù)電路,這種電路能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械部分對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)。然而,以PIC為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)保護(hù)方式,PIC本身無(wú)法響應(yīng)模擬量參數(shù),需要通過數(shù)??ǎˋDC)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。在本設(shè)計(jì)研究中,采用了一種新的方法,通過使用可編程邏輯控制器(PLC)對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)。在該方法中,所有接觸器、定時(shí)器、繼電器和轉(zhuǎn)換卡都被邏輯基礎(chǔ)電路取代掉。而且,在該系統(tǒng)下,對(duì)電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、溫度等關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警,并能通過屏幕顯示出來(lái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于PLC的保護(hù)方式相對(duì)于基于PIC的計(jì)算機(jī)傳統(tǒng)保護(hù)方式而言,不僅開發(fā)費(fèi)用少、精度高、更安全而且由于加有顯示器,使得監(jiān)測(cè)可視化等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵字:自動(dòng)化設(shè)計(jì), 故障監(jiān)測(cè), 異步電動(dòng)機(jī)保護(hù), 可編程控制
1 引言
現(xiàn)今交流異步電機(jī)做為執(zhí)行機(jī)構(gòu)廣泛用于許多工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。在正常使用情況下,電機(jī)的運(yùn)行安全可靠的。但是當(dāng)遇到不可靠因素的影響時(shí)會(huì)造成電機(jī)損壞,同時(shí)造成工業(yè)生產(chǎn)損失。本文研究的異步電機(jī)故障檢測(cè)技術(shù)是一種快速的電機(jī)故障檢測(cè)技術(shù)。它不僅能保護(hù)電機(jī)本身同時(shí)還能有效避免在工業(yè)生產(chǎn)過程中電機(jī)的損壞造成的意外事故??偟膩?lái)說(shuō)監(jiān)測(cè)技術(shù)按類分可以分為傳統(tǒng)技術(shù)和數(shù)字技術(shù)。
傳統(tǒng)的三相異步電機(jī)的保護(hù)系統(tǒng),由機(jī)械式和電起式結(jié)構(gòu)組成。在以前的傳統(tǒng)保護(hù)方式中純?cè)诤芏嗟娜毕?,由于是機(jī)械形式所以無(wú)法檢測(cè)電路上的故障,如定子線圈的絕緣層順壞。而且,由于機(jī)械設(shè)備需要人為控制,這不僅影響生產(chǎn)效率,而且純?cè)谥僮靼踩[患。
到目前為止,有很多研究人員對(duì)異步電機(jī)的監(jiān)控方式進(jìn)行了研究,并在其研究成果中對(duì)其電機(jī)的保護(hù)方式進(jìn)行了說(shuō)明 。
環(huán)顧該領(lǐng)域技術(shù),目前最為先進(jìn),最為前沿的保護(hù)方式是通過使用計(jì)算機(jī)微處理器技術(shù),對(duì)異步電機(jī)定子故障進(jìn)行檢測(cè)和保護(hù)的數(shù)字式保護(hù)方式。通過對(duì)電機(jī)的損壞原因進(jìn)行詳細(xì),電機(jī)損壞的原因主要包括:包括滾珠軸承的失敗,速度的連鎖效應(yīng),氣隙偏心,轉(zhuǎn)子偏心,轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)、軸承損壞、不平衡的電壓故障,線圈匝間損壞,定子繞組溫度異常,基于微控制器的數(shù)字保護(hù)器損壞。研究發(fā)現(xiàn)影響電機(jī)的參數(shù)較多,如果對(duì)電機(jī)的一兩個(gè)變量進(jìn)行檢測(cè)控制,無(wú)法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的保護(hù)。因此,要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的保護(hù)控制,需要對(duì)多個(gè)量同時(shí)檢測(cè)控制,這使得在學(xué)習(xí)用計(jì)算機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)方式研究帶來(lái)了研究困難。通過測(cè)量獲取電機(jī)的電壓、電流、溫度和速度的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī),最后由計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)分析后進(jìn)行電機(jī)的保護(hù)。這種方式,雖然將所有的電機(jī)參數(shù)都考慮進(jìn)去了,但是由于數(shù)據(jù)采集后需要進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換(ADC),這不僅僅使得檢測(cè)控制設(shè)備變得龐大,同時(shí)也增加了研制成本。
如果通過使用可編程集成電路(PIC)為基礎(chǔ)的保護(hù)系統(tǒng)。雖然在單片機(jī)的幫助下可以通過各種方式對(duì)異步電機(jī)的相電流,相電壓,電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)線圈溫度異常引起的故障進(jìn)行保護(hù),但是卻無(wú)法將這一系列過程通過顯示器顯示出來(lái)。
當(dāng)今,可編程邏輯控制器(PLC)廣泛使用在工業(yè)自動(dòng)化的保護(hù)系統(tǒng)中。在PLC系統(tǒng)中配置有適合直接使用在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的專用的I/O口。通過專用的I/O口,可以將輸入組件,如壓力、水平、溫度傳感器直接連接到系統(tǒng)中。同時(shí)控制線路的驅(qū)動(dòng)組件如接觸器和電磁閥也能直接連接到PLC的輸出端。因此許多工廠通過使用PLC技術(shù),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,不僅減少了生產(chǎn)成本同時(shí)也提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品的合格率。有幾篇論文發(fā)表了關(guān)于用PLC對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。其中講到關(guān)于三相異步電機(jī)功率因素控制方法,通過采用可編程控制器(PLC)在可控制范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)壓調(diào)頻可以實(shí)現(xiàn)提高電機(jī)的功率因素。而且通過使用以可編程控制器(PLC)為基礎(chǔ)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),能通過變頻控制實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)電機(jī)高精度很定轉(zhuǎn)速控制。不僅如此,使用PLC在對(duì)速度進(jìn)行控制的控制系統(tǒng)中,通過對(duì)速度閉環(huán)控制,能很好的實(shí)現(xiàn)橫轉(zhuǎn)速變負(fù)載和恒負(fù)載變轉(zhuǎn)速控制。
下面介紹通過使用基于PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的檢測(cè)和保護(hù)方法。在此方法中通過使用PLC成功解決了異步電機(jī)在操作過程中由異常相電流,相電壓,轉(zhuǎn)速和電機(jī)繞組溫度造成故障。在該系統(tǒng)的研究中,如果僅僅使用可編程控制器(PLC)制作保護(hù)系統(tǒng),其花費(fèi)的成本會(huì)變得很大。但是如果合理選取PLC可以在不額外加入其它的微處理器的情況下,實(shí)現(xiàn)電機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)控制。本文對(duì)這PLC進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。其中第二部分介紹了PLC。第三部分詳細(xì)介紹了系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的硬件,軟件和實(shí)測(cè)結(jié)果。第四部分講述了電機(jī)故障檢測(cè)與保護(hù)的實(shí)驗(yàn)研究。第五部分對(duì)該研究進(jìn)行了總結(jié)。
2 可編程邏輯控制器
可編程控制器(PLC)作為一種小型的計(jì)算機(jī),能實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行自動(dòng)化控制,如控制在工廠組裝生產(chǎn)線上的機(jī)械進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)。同時(shí)也能通過編程方式實(shí)現(xiàn)對(duì)工程設(shè)備進(jìn)行可靠的檢測(cè)控制。這是因?yàn)?,PLC上配置有許多的I/O口,供信號(hào)端口接入,并能夠加載在PLC中存儲(chǔ)器中的程序,實(shí)現(xiàn)通過程序控制各個(gè)部件的輸入輸出。PLC的基本構(gòu)造說(shuō)明如圖1所示。
開關(guān)傳感器
輸入 單元
硬件
輸出繼電器
繼電器電磁閥
程序設(shè)計(jì)器接口
(P C)
圖1 可編程序控制器(PLC)的基本結(jié)構(gòu)
在該保護(hù)設(shè)計(jì)研究中,PLC能夠通過模擬量測(cè)量異步電機(jī)的電流、電壓、溫度和電機(jī)轉(zhuǎn)速。并通過程序不間斷的監(jiān)視這些輸入信號(hào),控制電機(jī)輸出。
西門子s7-200系列224的CPU可編程控制器具有14位數(shù)字輸入/10位數(shù)字輸出地址。內(nèi)置4096字節(jié)的程序存儲(chǔ)器。使用STEP 7—Micro/Win 32軟件編程平臺(tái)。程序清單編輯器(STL)和梯形圖(LAD)輔助設(shè)計(jì)。與電腦下載程序,需要控制調(diào)節(jié)與電腦的波特率。其連線設(shè)定匹配的波特率參照使用手冊(cè)[18]。
模擬模塊通常工作在8位或者12的操作系統(tǒng)下,連接有一個(gè)或者一個(gè)以上的模擬傳感器,主要功能是分析處理模擬信號(hào)。例如,電磁(EM)235模塊12-bit系統(tǒng)在輸入端能連接四個(gè)模擬傳感器,其端口分別表示為A、B、C、D。每個(gè)通道首先對(duì)
圖2模擬和數(shù)字可編程序控制器(PLC)模塊
數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,然后將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。由于PLC智能判斷邏輯信號(hào)無(wú)法直接讀取識(shí)別模擬信號(hào)。所以模擬模塊需要在PLC下處理模擬信號(hào)。在這模擬模塊中,電機(jī)的相電流、相電壓、溫度和電機(jī)轉(zhuǎn)速能通過模擬模塊測(cè)量。如圖2,為可編程序控制器(PLC)的電路元件接線方式。
3 異步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)
3.保護(hù)系統(tǒng)圖
如圖3所示,通過一個(gè)框圖說(shuō)明該保護(hù)系統(tǒng)。其中檢測(cè)裝置包含電流、電壓、轉(zhuǎn)子速度和繞組溫度測(cè)量裝置。其保護(hù)系統(tǒng)可以分為:硬件部分,儀表裝置,軟件部分三大類。這些部件將在下面介紹。
A:硬件
圖3 保護(hù)系統(tǒng)原理說(shuō)明圖
用于保護(hù)系統(tǒng)研究硬件組成:三相異步電機(jī),功率為1.5kw
,轉(zhuǎn)速為2800r /min;三相電壓變壓器,變壓范圍220/5v;三相變流器,電流比1000:1;溫度傳感器,敏感系數(shù)1°/10 mV;編碼器,每轉(zhuǎn)360個(gè)脈沖;積分電路真有效值至直流轉(zhuǎn)換器;西門子S7 CPU 224、200系列PLC。
B:儀表
如圖5所示,在保護(hù)系統(tǒng)中電源部分包含電動(dòng)機(jī)電流、電壓采集卡,變流器和變壓器。運(yùn)算電路包括運(yùn)算放大器,增益電位器和一個(gè)用來(lái)改變電流值過濾器電路。在該系統(tǒng)中,采集卡的輸出端用于接入積分電路真有效值至直流轉(zhuǎn)換器,其結(jié)構(gòu)如圖5。在積分電路真有效值至直流轉(zhuǎn)換器中使用的是AD536A集成電路。AD536A集成電路是一個(gè)完整的單片集成電路,能正確執(zhí)行積分電路真有效值至直流轉(zhuǎn)換。同時(shí)提供系統(tǒng)模塊單元比,這比混合模塊單元更加完善性能更好而且更便宜。而且能通過輸入積分電路包括直流和交流部分直接計(jì)算各種復(fù)雜波形[19]。在圖5中,電位計(jì)和濾波電路,被用在積分電路真有效值至直流轉(zhuǎn)換器改變電流和電壓值。轉(zhuǎn)換后的電流和電壓通過積分電路真有效值至直流轉(zhuǎn)換器移交給PLC的模擬模塊。在系統(tǒng)中,為了測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速,在電機(jī)軸上連接增量式編碼器,其編碼靈敏度為每轉(zhuǎn)360個(gè)脈沖[20],如圖6。在編碼器的末端,利用轉(zhuǎn)換電路將該編碼器輸出經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制(PWM)被轉(zhuǎn)換為直流電壓值,如圖7。
在線圈中使用LM-35傳感器檢測(cè)電機(jī)的溫度。LM-35傳感器是一種線性的傳感器元件,測(cè)量敏感系數(shù)為10mv/1°C [21]。通過測(cè)量獲得的溫度信號(hào)經(jīng)過放大整流之后被輸入到PLC。電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)最大允許環(huán)境溫度為40 ?C,如果超過這個(gè)值,PLC將控制電機(jī)停止運(yùn)行。
圖4 系統(tǒng)總體全圖 圖5 視圖的測(cè)量卡和積分電路真有效值
圖6 連接到電機(jī)軸上的增量式編碼器 圖7 . 將電流轉(zhuǎn)換為電壓的PWM電路
C 軟件設(shè)計(jì)
PLC通過Microwin平臺(tái)下進(jìn)行軟件開發(fā)設(shè)計(jì),方便電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的開發(fā)。PLC系統(tǒng)提供了基于主機(jī)終端的軟件工具軟件開發(fā)環(huán)境,在此環(huán)境能進(jìn)行軟件開發(fā),驗(yàn)證,測(cè)試和系統(tǒng)分析。
首先,由序人員用高級(jí)語(yǔ)言編寫程序。然后,通過軟件轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制指令代碼,最后將程序存儲(chǔ)在RAM中或可擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)中。通過CPU進(jìn)行連續(xù)解碼并執(zhí)行指令。CPU的功能是運(yùn)行存儲(chǔ)器中的程序,并根據(jù)程序控制是控制操作I/O口的讀寫,其中連接在PLC上的每個(gè)輸入輸出I/O口都有唯一的地址用于識(shí)別。其中保護(hù)系統(tǒng)的程序流程圖如圖8。通過程序控制PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出并能將這異步電機(jī)的三相電壓(V1、V2,V3),三相交流電(I1,I3,(12),電機(jī)轉(zhuǎn)度(nr)和溫度(TC)的數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。顯示情況如圖3中所示。
開始
+
讀取輸入和儲(chǔ)存數(shù)
顯示
V1,V2,V3,I1,I2,I3,N5,T6在電腦上
是
V1,V2,V3,I1,I2,I3,Nr=0
否
執(zhí)行梯形程序
否
程序是否在最
大至最小區(qū)間
停止電機(jī),給屏幕報(bào)警信息
是
更新輸出
否
是否電機(jī)停止
停止
是
圖8程序流程圖如圖
圖表1給出了電機(jī)變量及參數(shù)。
PLC軟件總長(zhǎng)度大約是500語(yǔ)句。PLC執(zhí)行每條布爾指令需要0.37μs。因此,每次編譯軟件需要花費(fèi)185μs。通過傳感器能在1s中內(nèi)對(duì)電機(jī)進(jìn)行5000次故障檢測(cè)。根據(jù)控制程序,讀取這寫數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算。
表1電機(jī)變量及參數(shù)圖
變量
符號(hào)
輸入
單元
電壓方面1
V1
模擬模塊1輸入A
伏
電壓方面2
V2
模擬模塊1輸入B
伏
電壓方面3
V3
模擬模塊1輸入C
伏
電流方面1
I1
模擬模塊1輸入D
安培
電流方面2
I2
模擬模塊2輸入A
安培
電流方面3
I3
模擬模塊2輸入B
安培
速度
Nr
模擬模塊2輸入C
轉(zhuǎn)
繞組溫度
Tc
模擬模塊2輸入D
度
電機(jī)瞬態(tài)時(shí)間(連續(xù)不斷的被程序控制的時(shí)間)設(shè)置為100ms。如果瞬態(tài)時(shí)間超過設(shè)置時(shí)間,該程序去控制程序,讓PLC發(fā)送控制電機(jī)電流信號(hào),控制電機(jī)停止運(yùn)行。最后程序運(yùn)行結(jié)果將現(xiàn)實(shí)在屏幕上。當(dāng)程序連續(xù)運(yùn)行時(shí),每200ms更新一次運(yùn)行結(jié)果。軟件中瞬態(tài)時(shí)間和更新時(shí)間可以根據(jù)電機(jī)的負(fù)載和電流情況進(jìn)行更改。
在無(wú)需人的干預(yù)下通過軟件直接將相電壓、相電流、轉(zhuǎn)子速度和電機(jī)溫度顯示在屏幕上。程序?qū)⒃谝?guī)定的范圍內(nèi)運(yùn)行,在允許的范圍內(nèi),不斷采集數(shù)據(jù)。如果沒有讀到新有效值,該程序?qū)⒀h(huán)讀取信號(hào)并計(jì)算,直到讀到新的電壓,電流,速度、溫度(V1、V2、V3,I3、 I1、I2、I3,Tc)。這時(shí)程序?qū)?duì)采集到的三相電壓,三相電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速以及溫度與他們的正常值進(jìn)行比較,如果系統(tǒng)發(fā)生出現(xiàn)任何故障,將通過PLC發(fā)送信號(hào)控制電機(jī)停止運(yùn)行,并將故障信息記錄顯示在屏幕上。當(dāng)一個(gè)未定義系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),電機(jī)停止而沒有任何顯示。如果出現(xiàn)這種情況,數(shù)據(jù)人員仍能描述和創(chuàng)建造成錯(cuò)誤數(shù)據(jù)文檔,并通過數(shù)據(jù)文件能重現(xiàn)歷史故障。如果電機(jī)仍然處于故障中,系統(tǒng)將空電機(jī)不能被重啟,直到故障排除。
4 通過實(shí)驗(yàn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行故障檢測(cè)和保護(hù)
計(jì)算機(jī)借口程序被寫在Winlog軟件的SCADA程序包中。根據(jù)“Modbus”協(xié)議獲取PLC與電腦的端口通信協(xié)議。協(xié)議如下:
通道:1
配置:Modbus RTU
端口:COM1
波特率:19200
停止位:1
數(shù)據(jù)位:8
溢出時(shí)間(ms):1000
查詢暫停(ms):20
如圖9,給出了電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)開發(fā)軟件的目錄。通過實(shí)驗(yàn)開發(fā)研制電機(jī)故障檢查和保護(hù)系統(tǒng),其程序的菜單有6個(gè)按鈕包括start、stop、alarm and reset、groups、ime axis和aspect。
1) Start是用來(lái)啟動(dòng)電機(jī)。
2) Stop時(shí)用來(lái)停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。
3) Alarm and reset是用于當(dāng)電機(jī)處于任何故障時(shí)停止電機(jī)運(yùn)行。
即使電機(jī)轉(zhuǎn)為正常狀態(tài),電機(jī)也不會(huì)自己自動(dòng)啟動(dòng)。要想啟動(dòng)電機(jī),首先要保證重啟按鈕亮著,其次必須人為的點(diǎn)擊重啟按鈕。
groups是用來(lái)人為建立特定需要的圖解圖組。例如,如果用戶想看三相情況的圖形,就能依靠groups按鈕功能將所需要的圖解組合顯示在電腦屏幕上。
4)Time axis是用于調(diào)節(jié)時(shí)間分割。因此,時(shí)間軸可在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時(shí)間,如圖10。
5)Aspect是用于設(shè)置線條的厚度。
圖9 軟件開始板面截圖
電壓和電流的繪制圖表被插入在目錄中。此外,軟件平面還給出了8個(gè)不同的三相電流和電機(jī)電壓狀態(tài)按鈕。也顯示了電機(jī)變量包括三相電壓、三相電流、電機(jī)溫度和電機(jī)轉(zhuǎn)速。
圖10 顯示時(shí)間范圍。
電機(jī)在啟動(dòng)前,要通過鍵盤手動(dòng)輸入電機(jī)運(yùn)行時(shí)三相電壓、三相電流、電機(jī)溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)速允許的最大最小值,只有當(dāng)這些值被輸入后電機(jī)才能被啟動(dòng)。當(dāng)點(diǎn)擊圖標(biāo)motor,屏幕上顯示相應(yīng)的設(shè)置菜單如圖11。電機(jī)選用的電壓電流波形可通過示波器顯示。通過該軟件實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)將在電腦運(yùn)算分析用于電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)軟件的開發(fā)設(shè)計(jì)。此外,計(jì)算機(jī)屏幕每隔200ms新刷一次。
圖11 程序運(yùn)行頁(yè)面截圖。
電機(jī)保護(hù)設(shè)置是基于規(guī)定的控制理論,用于電機(jī)故障檢測(cè)和電機(jī)保護(hù)。
本設(shè)計(jì)通過實(shí)驗(yàn)的方式開發(fā)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。在系統(tǒng)中的溫度傳感器僅用于檢測(cè)定子電流故障,忽視了轉(zhuǎn)子的溫度。在圖表II中顯示可能檢測(cè)出來(lái)的錯(cuò)誤。圖表中, <、>、≥和≤符號(hào)分別代表了I1, I2, I3, V1, V2, V3, nr 和TC在進(jìn)行數(shù)值比較時(shí)小于、大于、大于或等于和小于或等于。星號(hào)(*)表示沒有數(shù)值。N表示該值為標(biāo)準(zhǔn)正常值。該系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄出現(xiàn)的任何故障,并將發(fā)生故障的日期和時(shí)間顯示在屏幕上。當(dāng)警報(bào)解除后,通過按復(fù)位按鈕重新啟動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。如果仍然處于警報(bào)當(dāng)中,按了復(fù)位按鈕系統(tǒng)也不會(huì)被啟動(dòng)。
表2電機(jī)故障各項(xiàng)分析表
故障類型
I1
I2
I3
V1
V2
V3
Nr
Tc
電機(jī)停止或三階段是不存在的
<
<
<
<
<
<
<
*
1相繞組不導(dǎo)電
0
≥N
≥N
N
N
N
≤N
*
2相繞組不導(dǎo)電
≥N
0
≥N
N
N
N
≤N
*
3相繞組不導(dǎo)電
≥N
≥N
0
N
N
N
≤N
*
全部繞組不導(dǎo)電
0
0
0
N
N
N
≤N
*
1階段是從電源切斷
0
≥N
≥N
<
≤N
≤N
N
*
2階段是從電源切斷
≥N
0
≥N
N
<
N
≤N
*
3階段是從電源切斷
≥N
≥N
0
N
N
<
≤N
*
有可能是在1相短路
>
≤N
≤N
*
*
*
<
*
有可能是在2相短路
≤N
>
≤N
*
*
*
<
*
有可能是在3相短路
≤N
≤N
>
*
*
*
<
*
電壓超過1期的上限
≥N
≥N
≥N
>
N
N
N
*
電壓超過2期的上限
≥N
≥N
≥N
N
>
N
N
*
電壓超過3期的上限
≥N
≥N
≥N
N
N
>
N
*
電壓是在階段1和2的上限
≥N
≥N
≥N
>
>
N
N
*
電壓是在階段1和3的上限
≥N
≥N
≥N
>
N
N
N
*
電壓是在階段2和3的上限
≥N
≥N
≥N
N
>
>
N
*
電壓是在階段1,2和3的上限
≥N
≥N
≥N
>
>
>
N
*
電壓低于1期的下限
≤N
≥N
≥N
<
N
N
≤N
*
電壓低于2期的下限
≥N
≤N
≥N
N
<
N
≤N
*
電壓低于3期的下限
≥N
≥N
≤N
N
N
<
≤N
*
電壓低于1和2期的下限
≤N
≤N
≥N
<
<
N
≤N
*
電壓低于1和3期的下限
≤N
≥N
≤N
<
N
<
≤N
*
電壓低于2和3期的下限
≥N
≤N
≤N
N
<
<
≤N
*
電壓低于1,2和3期的下限
≥N
≥N
≥N
<
<
<
≤N
*
有可能是一個(gè)與電動(dòng)機(jī)的通風(fēng)問題
N
N
N
N
N
N
N
>
三個(gè)階段是切斷電機(jī)不起動(dòng)
0
0
0
0<
<
<
<
*
1階段的線圈切斷或三與接線盒的問題
0
>
>
N
N
N
<
*
2階段的線圈切斷或三與接線盒的問題
>
0
>
N
N
N
<
*
3階段的線圈切斷或三與接線盒的問題
>
>
0
N
N
N
<
*
在上表2中,記錄顯示了30種電機(jī)故障時(shí)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。每次檢查都將電機(jī)的三相電壓、三相電流、三相電壓,電機(jī)溫度和電機(jī)轉(zhuǎn)速與正常值進(jìn)行了比較。如果出現(xiàn)任何故障,計(jì)算機(jī)將發(fā)出控制信號(hào)控制電機(jī)停止運(yùn)行。如果出現(xiàn)沒被記錄的故障,電機(jī)仍然會(huì)得到保護(hù)。并且這些故障能被操作人員找到描述出來(lái)。
5 結(jié)論
在這項(xiàng)研究中,新的異步電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)在Gazi大學(xué)機(jī)械電子科學(xué)和能量控制組實(shí)驗(yàn)室(GEMEC)設(shè)計(jì)完成,并在Gazi大學(xué)成功研制出實(shí)物。如圖5,顯示了一個(gè)1.5kw異步電機(jī)與保護(hù)系統(tǒng)的檢測(cè)部件連線圖。實(shí)驗(yàn)證明,基于PLC控制的異步電機(jī)保護(hù)系統(tǒng),能對(duì)電機(jī)出現(xiàn)的各種故障起到保護(hù)作用,如斷相、過/欠流、過/欠壓、三相電壓不平衡、過載、三相電流不平衡、接地錯(cuò)誤和重復(fù)啟動(dòng)。能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)電機(jī)故障,如果出現(xiàn)記錄故障,電機(jī)將會(huì)停止運(yùn)行,并將故障信息報(bào)告顯示在屏幕上。就算發(fā)生沒有被記錄的故障,電機(jī)仍然會(huì)被停止運(yùn)行,之后操作人員可以通過記錄信息找到故障原因。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn),能成功的檢查出這些沒有被記錄故障,并恢復(fù)它們,使電機(jī)正常運(yùn)行。
結(jié)果表明,設(shè)計(jì)人員已經(jīng)成功用異步電機(jī)參數(shù)基于PLC設(shè)計(jì)了可靠的電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。PLC程序的總長(zhǎng)度大約500語(yǔ)句,執(zhí)行每條布爾指令需要0.37μs。因此,每次編譯軟件需要花費(fèi)185μs,通過傳感器能在1s中內(nèi)對(duì)電機(jī)進(jìn)行5000次故障檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明設(shè)計(jì)研究的電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)能成功的對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù),并且由于該設(shè)計(jì)采用的是電子設(shè)備,優(yōu)越于傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備,比其更快更效率。 此外,它不需要任何的轉(zhuǎn)換器件,相對(duì)于基計(jì)算機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)花費(fèi)更少更廉價(jià)。而且,它提供了可視環(huán)境,系統(tǒng)的使用相對(duì)于基于PIC的系統(tǒng)更易操作。最后,該系統(tǒng)包含了電機(jī)各種參數(shù)設(shè)置,使得參數(shù)設(shè)定更加靈活。系統(tǒng)中提供的可視化界面比其它基于PLC的保護(hù)系統(tǒng)更容易學(xué)習(xí)。而且在硬件和軟件不需要做多大變化的情況下,就能將該設(shè)備用于直流電機(jī)的保護(hù)。唯一的難點(diǎn)就是對(duì)編碼器測(cè)量信號(hào)的實(shí)驗(yàn)研究分析。
12
利用傳感器對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)和保護(hù)
摘要
保護(hù)交流電機(jī)在使用過程中由于過電壓、過電流、超負(fù)荷、過熱、欠電壓對(duì)電機(jī)的損壞,對(duì)于防止工業(yè)事故非常重要。在過去的保護(hù)方式中使用接觸器,電壓、電流繼電器等部件對(duì)異步電機(jī)能進(jìn)行保護(hù)。雖然這種方式能起到一定的保護(hù)作用,然而這種機(jī)械式保護(hù)方式已經(jīng)成為傳統(tǒng)無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的需求。在現(xiàn)代技術(shù)中,出現(xiàn)了通過使用計(jì)算機(jī)和可編程集成電路(PLC)為基礎(chǔ)的保護(hù)電路,這種電路能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械部分對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)。然而,以PIC為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)保護(hù)方式,PIC本身無(wú)法響應(yīng)模擬量參數(shù),需要通過數(shù)??ǎˋDC)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。在本設(shè)計(jì)研究中,采用了一種新的方法,通過使用可編程邏輯控制器(PLC)對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)。在該方法中,所有接觸器、定時(shí)器、繼電器和轉(zhuǎn)換卡都被邏輯基礎(chǔ)電路取代掉。而且,在該系統(tǒng)下,對(duì)電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、溫度等關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警,并能通過屏幕顯示出來(lái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于PLC的保護(hù)方式相對(duì)于基于PIC的計(jì)算機(jī)傳統(tǒng)保護(hù)方式而言,不僅開發(fā)費(fèi)用少、精度高、更安全而且由于加有顯示器,使得監(jiān)測(cè)可視化等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵字:自動(dòng)化設(shè)計(jì), 故障監(jiān)測(cè), 異步電動(dòng)機(jī)保護(hù), 可編程控制
1 引言
現(xiàn)今交流異步電機(jī)做為執(zhí)行機(jī)構(gòu)廣泛用于許多工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。在正常使用情況下,電機(jī)的運(yùn)行安全可靠的。但是當(dāng)遇到不可靠因素的影響時(shí)會(huì)造成電機(jī)損壞,同時(shí)造成工業(yè)生產(chǎn)損失。本文研究的異步電機(jī)故障檢測(cè)技術(shù)是一種快速的電機(jī)故障檢測(cè)技術(shù)。它不僅能保護(hù)電機(jī)本身同時(shí)還能有效避免在工業(yè)生產(chǎn)過程中電機(jī)的損壞造成的意外事故??偟膩?lái)說(shuō)監(jiān)測(cè)技術(shù)按類分可以分為傳統(tǒng)技術(shù)和數(shù)字技術(shù)。
傳統(tǒng)的三相異步電機(jī)的保護(hù)系統(tǒng),由機(jī)械式和電起式結(jié)構(gòu)組成。在以前的傳統(tǒng)保護(hù)方式中純?cè)诤芏嗟娜毕荩捎谑菣C(jī)械形式所以無(wú)法檢測(cè)電路上的故障,如定子線圈的絕緣層順壞。而且,由于機(jī)械設(shè)備需要人為控制,這不僅影響生產(chǎn)效率,而且純?cè)谥僮靼踩[患。
到目前為止,有很多研究人員對(duì)異步電機(jī)的監(jiān)控方式進(jìn)行了研究,并在其研究成果中對(duì)其電機(jī)的保護(hù)方式進(jìn)行了說(shuō)明 。
環(huán)顧該領(lǐng)域技術(shù),目前最為先進(jìn),最為前沿的保護(hù)方式是通過使用計(jì)算機(jī)微處理器技術(shù),對(duì)異步電機(jī)定子故障進(jìn)行檢測(cè)和保護(hù)的數(shù)字式保護(hù)方式。通過對(duì)電機(jī)的損壞原因進(jìn)行詳細(xì),電機(jī)損壞的原因主要包括:包括滾珠軸承的失敗,速度的連鎖效應(yīng),氣隙偏心,轉(zhuǎn)子偏心,轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)、軸承損壞、不平衡的電壓故障,線圈匝間損壞,定子繞組溫度異常,基于微控制器的數(shù)字保護(hù)器損壞。研究發(fā)現(xiàn)影響電機(jī)的參數(shù)較多,如果對(duì)電機(jī)的一兩個(gè)變量進(jìn)行檢測(cè)控制,無(wú)法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的保護(hù)。因此,要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的保護(hù)控制,需要對(duì)多個(gè)量同時(shí)檢測(cè)控制,這使得在學(xué)習(xí)用計(jì)算機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)方式研究帶來(lái)了研究困難。通過測(cè)量獲取電機(jī)的電壓、電流、溫度和速度的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī),最后由計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)分析后進(jìn)行電機(jī)的保護(hù)。這種方式,雖然將所有的電機(jī)參數(shù)都考慮進(jìn)去了,但是由于數(shù)據(jù)采集后需要進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換(ADC),這不僅僅使得檢測(cè)控制設(shè)備變得龐大,同時(shí)也增加了研制成本。
如果通過使用可編程集成電路(PIC)為基礎(chǔ)的保護(hù)系統(tǒng)。雖然在單片機(jī)的幫助下可以通過各種方式對(duì)異步電機(jī)的相電流,相電壓,電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)線圈溫度異常引起的故障進(jìn)行保護(hù),但是卻無(wú)法將這一系列過程通過顯示器顯示出來(lái)。
當(dāng)今,可編程邏輯控制器(PLC)廣泛使用在工業(yè)自動(dòng)化的保護(hù)系統(tǒng)中。在PLC系統(tǒng)中配置有適合直接使用在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的專用的I/O口。通過專用的I/O口,可以將輸入組件,如壓力、水平、溫度傳感器直接連接到系統(tǒng)中。同時(shí)控制線路的驅(qū)動(dòng)組件如接觸器和電磁閥也能直接連接到PLC的輸出端。因此許多工廠通過使用PLC技術(shù),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,不僅減少了生產(chǎn)成本同時(shí)也提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品的合格率。有幾篇論文發(fā)表了關(guān)于用PLC對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。其中講到關(guān)于三相異步電機(jī)功率因素控制方法,通過采用可編程控制器(PLC)在可控制范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)壓調(diào)頻可以實(shí)現(xiàn)提高電機(jī)的功率因素。而且通過使用以可編程控制器(PLC)為基礎(chǔ)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),能通過變頻控制實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)電機(jī)高精度很定轉(zhuǎn)速控制。不僅如此,使用PLC在對(duì)速度進(jìn)行控制的控制系統(tǒng)中,通過對(duì)速度閉環(huán)控制,能很好的實(shí)現(xiàn)橫轉(zhuǎn)速變負(fù)載和恒負(fù)載變轉(zhuǎn)速控制。
下面介紹通過使用基于PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的檢測(cè)和保護(hù)方法。在此方法中通過使用PLC成功解決了異步電機(jī)在操作過程中由異常相電流,相電壓,轉(zhuǎn)速和電機(jī)繞組溫度造成故障。在該系統(tǒng)的研究中,如果僅僅使用可編程控制器(PLC)制作保護(hù)系統(tǒng),其花費(fèi)的成本會(huì)變得很大。但是如果合理選取PLC可以在不額外加入其它的微處理器的情況下,實(shí)現(xiàn)電機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)控制。本文對(duì)這PLC進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。其中第二部分介紹了PLC。第三部分詳細(xì)介紹了系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的硬件,軟件和實(shí)測(cè)結(jié)果。第四部分講述了電機(jī)故障檢測(cè)與保護(hù)的實(shí)驗(yàn)研究。第五部分對(duì)該研究進(jìn)行了總結(jié)。
2 可編程邏輯控制器
可編程控制器(PLC)作為一種小型的計(jì)算機(jī),能實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行自動(dòng)化控制,如控制在工廠組裝生產(chǎn)線上的機(jī)械進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)。同時(shí)也能通過編程方式實(shí)現(xiàn)對(duì)工程設(shè)備進(jìn)行可靠的檢測(cè)控制。這是因?yàn)椋琍LC上配置有許多的I/O口,供信號(hào)端口接入,并能夠加載在PLC中存儲(chǔ)器中的程序,實(shí)現(xiàn)通過程序控制各個(gè)部件的輸入輸出。PLC的基本構(gòu)造說(shuō)明如圖1所示。
在該保護(hù)設(shè)計(jì)研究中,PLC能夠通過模擬量測(cè)量異步電機(jī)的電流、電壓、溫度和電機(jī)轉(zhuǎn)速。并通過程序不間斷的監(jiān)視這些輸入信號(hào),控制電機(jī)輸出。
西門子s7-200系列224的CPU可編程控制器具有14位數(shù)字輸入/10位數(shù)字輸出地址。內(nèi)置4096字節(jié)的程序存儲(chǔ)器。使用STEP 7—Micro/Win 32軟件編程平臺(tái)。程序清單編輯器(STL)和梯形圖(LAD)輔助設(shè)計(jì)。與電腦下載程序,需要控制調(diào)節(jié)與電腦的波特率。其連線設(shè)定匹配的波特率參照使用手冊(cè)。
開關(guān)傳感器
輸入 單元
硬件
輸出繼電器
繼電器電磁閥
程序設(shè)計(jì)器接口
(P C)
圖1 可編程序控制器(PLC)的基本結(jié)構(gòu)
圖2模擬和數(shù)字可編程序控制器(PLC)模塊
模擬模塊通常工作在8位或者12的操作系統(tǒng)下,連接有一個(gè)或者一個(gè)以上的模擬傳感器,主要功能是分析處理模擬信號(hào)。例如,電磁(EM)235模塊12-bit系統(tǒng)在輸入端能連接四個(gè)模擬傳感器,其端口分別表示為A、B、C、D。每個(gè)通道首先對(duì)
數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,然后將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。由于PLC智能判斷邏輯信號(hào)無(wú)法直接讀取識(shí)別模擬信號(hào)。所以模擬模塊需要在PLC下處理模擬信號(hào)。在這模擬模塊中,電機(jī)的相電流、相電壓、溫度和電機(jī)轉(zhuǎn)速能通過模擬模塊測(cè)量。如圖2,為可編程序控制器(PLC)的電路元件接線方式。
3 異步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)
圖3 保護(hù)系統(tǒng)原理說(shuō)明圖
如圖3所示,通過一個(gè)框圖說(shuō)明該保護(hù)系統(tǒng)。其中檢測(cè)裝置包含電流、電壓、轉(zhuǎn)子速度和繞組溫度測(cè)量裝置。其保護(hù)系統(tǒng)可以分為:硬件部分,儀表裝置,軟件部分三大類。這些部件將在下面介紹。
A:硬件
用于保護(hù)系統(tǒng)研究硬件組成:三相異步電機(jī),功率為1.5kw,轉(zhuǎn)速為2800r /min;三相電壓變壓器,變壓范圍220/5v;三相變流器,電流比1000:1;溫度傳感器,敏感系數(shù)1°/10 mV;編碼器,每轉(zhuǎn)360個(gè)脈沖;積分電路真有效值至直流轉(zhuǎn)換器;西門子S7 CPU 224、200系列PLC。
B:儀表
如圖5所示,在保護(hù)系統(tǒng)中電源部分包含電動(dòng)機(jī)電流、電壓采集卡,變流器和變壓器。運(yùn)算電路包括運(yùn)算放大器,增益電位器和一個(gè)用來(lái)改變電流值過濾器電路。在該系統(tǒng)中,采集卡的輸出端用于接入積分電路真有效值至直流轉(zhuǎn)換器,其結(jié)構(gòu)如圖5。在積分電路真有效值至直流轉(zhuǎn)換器中使用的是AD536A集成電路。AD536A集成電路是一個(gè)完整的單片集成電路,能正確執(zhí)行積分電路真有效值至直流轉(zhuǎn)換。同時(shí)提供系統(tǒng)模塊單元比,這比混合模塊單元更加完善性能更好而且更便宜。而且能通過輸入積分電路包括直流和交流部分直接計(jì)算各種復(fù)雜波形[19]。在圖5中,電位計(jì)和濾波電路,被用在積分電路真有效值至直流轉(zhuǎn)換器改變電流和電壓值。轉(zhuǎn)換后的電流和電壓通過積分電路真有效值至直流轉(zhuǎn)換器移交給PLC的模擬模塊。在系統(tǒng)中,為了測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速,在電機(jī)軸上連接增量式編碼器,其編碼靈敏度為每轉(zhuǎn)360個(gè)脈沖[20],如圖6。在編碼器的末端,利用轉(zhuǎn)換電路將該編碼器輸出經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制(PWM)被轉(zhuǎn)換為直流電壓值,如圖7。
在線圈中使用LM-35傳感器檢測(cè)電機(jī)的溫度。LM-35傳感器是一種線性的傳感器元件,測(cè)量敏感系數(shù)為10mv/1°C [21]。通過測(cè)量獲得的溫度信號(hào)經(jīng)過放大整流之后被輸入到PLC。電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)最大允許環(huán)境溫度為40 ?C,如果超過這個(gè)值,PLC將控制電機(jī)停止運(yùn)行。
圖4 系統(tǒng)總體全圖 圖5 視圖的測(cè)量卡和積分電路真有效值
圖6 連接到電機(jī)軸上的增量式編碼器 圖7 . 將電流轉(zhuǎn)換為電壓的PWM電路
C 軟件設(shè)計(jì)
PLC通過Microwin平臺(tái)下進(jìn)行軟件開發(fā)設(shè)計(jì),方便電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的開發(fā)。PLC系統(tǒng)提供了基于主機(jī)終端的軟件工具軟件開發(fā)環(huán)境,在此環(huán)境能進(jìn)行軟件開發(fā),驗(yàn)證,測(cè)試和系統(tǒng)分析。
首先,由序人員用高級(jí)語(yǔ)言編寫程序。然后,通過軟件轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制指令代碼,最后將程序存儲(chǔ)在RAM中或可擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)中。通過CPU進(jìn)行連續(xù)解碼并執(zhí)行指令。CPU的功能是運(yùn)行存儲(chǔ)器中的程序,并根據(jù)程序控制是控制操作I/O口的讀寫,其中連接在PLC上的每個(gè)輸入輸出I/O口都有唯一的地址用于識(shí)別。其中保護(hù)系統(tǒng)的程序流程圖如圖8。通過程序控制PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出并能將這異步電機(jī)的三相電壓(V1、V2,V3),三相交流電(I1,I3,(12),電機(jī)轉(zhuǎn)度(nr)和溫度(TC)的數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。顯示情況如圖3中所示。
開始
+
讀取輸入和儲(chǔ)存數(shù)
顯示
V1,V2,V3,I1,I2,I3,N5,T6在電腦上
是
V1,V2,V3,I1,I2,I3,Nr=0
否
執(zhí)行梯形程序
否
程序是否在最
大至最小區(qū)間
停止電機(jī),給屏幕報(bào)警信息
是
更新輸出
否
是否電機(jī)停止
停止
是
圖8程序流程圖如圖
圖表1給出了電機(jī)變量及參數(shù)。
PLC軟件總長(zhǎng)度大約是500語(yǔ)句。PLC執(zhí)行每條布爾指令需要0.37μs。因此,每次編譯軟件需要花費(fèi)185μs。通過傳感器能在1s中內(nèi)對(duì)電機(jī)進(jìn)行5000次故障檢測(cè)。根據(jù)控制程序,讀取這寫數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算。
表1電機(jī)變量及參數(shù)圖
變量
符號(hào)
輸入
單元
電壓方面1
V1
模擬模塊1輸入A
伏
電壓方面2
V2
模擬模塊1輸入B
伏
電壓方面3
V3
模擬模塊1輸入C
伏
電流方面1
I1
模擬模塊1輸入D
安培
電流方面2
I2
模擬模塊2輸入A
安培
電流方面3
I3
模擬模塊2輸入B
安培
速度
Nr
模擬模塊2輸入C
轉(zhuǎn)
繞組溫度
Tc
模擬模塊2輸入D
度
電機(jī)瞬態(tài)時(shí)間(連續(xù)不斷的被程序控制的時(shí)間)設(shè)置為100ms。如果瞬態(tài)時(shí)間超過設(shè)置時(shí)間,該程序去控制程序,讓PLC發(fā)送控制電機(jī)電流信號(hào),控制電機(jī)停止運(yùn)行。最后程序運(yùn)行結(jié)果將現(xiàn)實(shí)在屏幕上。當(dāng)程序連續(xù)運(yùn)行時(shí),每200ms更新一次運(yùn)行結(jié)果。軟件中瞬態(tài)時(shí)間和更新時(shí)間可以根據(jù)電機(jī)的負(fù)載和電流情況進(jìn)行更改。
在無(wú)需人的干預(yù)下通過軟件直接將相電壓、相電流、轉(zhuǎn)子速度和電機(jī)溫度顯示在屏幕上。程序?qū)⒃谝?guī)定的范圍內(nèi)運(yùn)行,在允許的范圍內(nèi),不斷采集數(shù)據(jù)。如果沒有讀到新有效值,該程序?qū)⒀h(huán)讀取信號(hào)并計(jì)算,直到讀到新的電壓,電流,速度、溫度(V1、V2、V3,I3、 I1、I2、I3,Tc)。這時(shí)程序?qū)?duì)采集到的三相電壓,三相電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速以及溫度與他們的正常值進(jìn)行比較,如果系統(tǒng)發(fā)生出現(xiàn)任何故障,將通過PLC發(fā)送信號(hào)控制電機(jī)停止運(yùn)行,并將故障信息記錄顯示在屏幕上。當(dāng)一個(gè)未定義系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),電機(jī)停止而沒有任何顯示。如果出現(xiàn)這種情況,數(shù)據(jù)人員仍能描述和創(chuàng)建造成錯(cuò)誤數(shù)據(jù)文檔,并通過數(shù)據(jù)文件能重現(xiàn)歷史故障。如果電機(jī)仍然處于故障中,系統(tǒng)將空電機(jī)不能被重啟,直到故障排除。
4 通過實(shí)驗(yàn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行故障檢測(cè)和保護(hù)
計(jì)算機(jī)借口程序被寫在Winlog軟件的SCADA程序包中。根據(jù)“Modbus”協(xié)議獲取PLC與電腦的端口通信協(xié)議。協(xié)議如下:
通道:1
配置:Modbus RTU
端口:COM1
波特率:19200
停止位:1
數(shù)據(jù)位:8
溢出時(shí)間(ms):1000
查詢暫停(ms):20
如圖9,給出了電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)開發(fā)軟件的目錄。通過實(shí)驗(yàn)開發(fā)研制電機(jī)故障檢查和保護(hù)系統(tǒng),其程序的菜單有6個(gè)按鈕包括start、stop、alarm and reset、groups、ime axis和aspect。
1) Start是用來(lái)啟動(dòng)電機(jī)。
2) Stop時(shí)用來(lái)停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。
3) Alarm and reset是用于當(dāng)電機(jī)處于任何故障時(shí)停止電機(jī)運(yùn)行。
即使電機(jī)轉(zhuǎn)為正常狀態(tài),電機(jī)也不會(huì)自己自動(dòng)啟動(dòng)。要想啟動(dòng)電機(jī),首先要保證重啟按鈕亮著,其次必須人為的點(diǎn)擊重啟按鈕。
groups是用來(lái)人為建立特定需要的圖解圖組。例如,如果用戶想看三相情況的圖形,就能依靠groups按鈕功能將所需要的圖解組合顯示在電腦屏幕上。
4)Time axis是用于調(diào)節(jié)時(shí)間分割。因此,時(shí)間軸可在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時(shí)間,如圖10。
5)Aspect是用于設(shè)置線條的厚度。
圖9 軟件開始板面截圖
電壓和電流的繪制圖表被插入在目錄中。此外,軟件平面還給出了8個(gè)不同的三相電流和電機(jī)電壓狀態(tài)按鈕。也顯示了電機(jī)變量包括三相電壓、三相電流、電機(jī)溫度和電機(jī)轉(zhuǎn)速。
圖10 顯示時(shí)間范圍。
電機(jī)在啟動(dòng)前,要通過鍵盤手動(dòng)輸入電機(jī)運(yùn)行時(shí)三相電壓、三相電流、電機(jī)溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)速允許的最大最小值,只有當(dāng)這些值被輸入后電機(jī)才能被啟動(dòng)。當(dāng)點(diǎn)擊圖標(biāo)motor,屏幕上顯示相應(yīng)的設(shè)置菜單如圖11。電機(jī)選用的電壓電流波形可通過示波器顯示。通過該軟件實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)將在電腦運(yùn)算分析用于電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)軟件的開發(fā)設(shè)計(jì)。此外,計(jì)算機(jī)屏幕每隔200ms新刷一次。
圖11 程序運(yùn)行頁(yè)面截圖。
電機(jī)保護(hù)設(shè)置是基于規(guī)定的控制理論,用于電機(jī)故障檢測(cè)和電機(jī)保護(hù)。
本設(shè)計(jì)通過實(shí)驗(yàn)的方式開發(fā)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。在系統(tǒng)中的溫度傳感器僅用于檢測(cè)定子電流故障,忽視了轉(zhuǎn)子的溫度。在圖表II中顯示可能檢測(cè)出來(lái)的錯(cuò)誤。
表2電機(jī)故障各項(xiàng)分析表
故障類型
I1
I2
I3
V1
V2
V3
Nr
Tc
電機(jī)停止或三階段是不存在的
<
<
<
<
<
<
<
*
1相繞組不導(dǎo)電
0
≥N
≥N
N
N
N
≤N
*
2相繞組不導(dǎo)電
≥N
0
≥N
N
N
N
≤N
*
3相繞組不導(dǎo)電
≥N
≥N
0
N
N
N
≤N
*
全部繞組不導(dǎo)電
0
0
0
N
N
N
≤N
*
1階段是從電源切斷
0
≥N
≥N
<
≤N
≤N
N
*
2階段是從電源切斷
≥N
0
≥N
N
<
N
≤N
*
3階段是從電源切斷
≥N
≥N
0
N
N
<
≤N
*
有可能是在1相短路
>
≤N
≤N
*
*
*
<
*
有可能是在2相短路
≤N
>
≤N
*
*
*
<
*
有可能是在3相短路
≤N
≤N
>
*
*
*
<
*
電壓超過1期的上限
≥N
≥N
≥N
>
N
N
N
*
電壓超過2期的上限
≥N
≥N
≥N
N
>
N
N
*
電壓超過3期的上限
≥N
≥N
≥N
N
N
>
N
*
電壓是在階段1和2的上限
≥N
≥N
≥N
>
>
N
N
*
電壓是在階段1和3的上限
≥N
≥N
≥N
>
N
N
N
*
電壓是在階段2和3的上限
≥N
≥N
≥N
N
>
>
N
*
電壓是在階段1,2和3的上限
≥N
≥N
≥N
>
>
>
N
*
電壓低于1期的下限
≤N
≥N
≥N
<
N
N
≤N
*
電壓低于2期的下限
≥N
≤N
≥N
N
<
N
≤N
*
電壓低于3期的下限
≥N
≥N
≤N
N
N
<
≤N
*
電壓低于1和2期的下限
≤N
≤N
≥N
<
<
N
≤N
*
電壓低于1和3期的下限
≤N
≥N
≤N
<
N
<
≤N
*
電壓低于2和3期的下限
≥N
≤N
≤N
N
<
<
≤N
*
電壓低于1,2和3期的下限
≥N
≥N
≥N
<
<
<
≤N
*
有可能是一個(gè)與電動(dòng)機(jī)的通風(fēng)問題
N
N
N
N
N
N
N
>
三個(gè)階段是切斷電機(jī)不起動(dòng)
0
0
0
0<
<
<
<
*
1階段的線圈切斷或三與接線盒的問題
0
>
>
N
N
N
<
*
2階段的線圈切斷或三與接線盒的問題
>
0
>
N
N
N
<
*
3階段的線圈切斷或三與接線盒的問題
>
>
0
N
N
N
<
*
圖表中, <、>、≥和≤符號(hào)分別代表了I1, I2, I3, V1, V2, V3, nr 和TC在進(jìn)行數(shù)值比較時(shí)小于、大于、大于或等于和小于或等于。星號(hào)(*)表示沒有數(shù)值。N表示該值為標(biāo)準(zhǔn)正常值。該系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄出現(xiàn)的任何故障,并將發(fā)生故障的日期和時(shí)間顯示在屏幕上。當(dāng)警報(bào)解除后,通過按復(fù)位按鈕重新啟動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。如果仍然處于警報(bào)當(dāng)中,按了復(fù)位按鈕系統(tǒng)也不會(huì)被啟動(dòng)。
在上表2中,記錄顯示了30種電機(jī)故障時(shí)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。每次檢查都將電機(jī)的三相電壓、三相電流、三相電壓,電機(jī)溫度和電機(jī)轉(zhuǎn)速與正常值進(jìn)行了比較。如果出現(xiàn)任何故障,計(jì)算機(jī)將發(fā)出控制信號(hào)控制電機(jī)停止運(yùn)行。如果出現(xiàn)沒被記錄的故障,電機(jī)仍然會(huì)得到保護(hù)。并且這些故障能被操作人員找到描述出來(lái)。
5 結(jié)論
在這項(xiàng)研究中,新的異步電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)在Gazi大學(xué)機(jī)械電子科學(xué)和能量控制組實(shí)驗(yàn)室(GEMEC)設(shè)計(jì)完成,并在Gazi大學(xué)成功研制出實(shí)物。如圖5,顯示了一個(gè)1.5kw異步電機(jī)與保護(hù)系統(tǒng)的檢測(cè)部件連線圖。實(shí)驗(yàn)證明,基于PLC控制的異步電機(jī)保護(hù)系統(tǒng),能對(duì)電機(jī)出現(xiàn)的各種故障起到保護(hù)作用,如斷相、過/欠流、過/欠壓、三相電壓不平衡、過載、三相電流不平衡、接地錯(cuò)誤和重復(fù)啟動(dòng)。能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)電機(jī)故障,如果出現(xiàn)記錄故障,電機(jī)將會(huì)停止運(yùn)行,并將故障信息報(bào)告顯示在屏幕上。就算發(fā)生沒有被記錄的故障,電機(jī)仍然會(huì)被停止運(yùn)行,之后操作人員可以通過記錄信息找到故障原因。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn),能成功的檢查出這些沒有被記錄故障,并恢復(fù)它們,使電機(jī)正常運(yùn)行。
結(jié)果表明,設(shè)計(jì)人員已經(jīng)成功用異步電機(jī)參數(shù)基于PLC設(shè)計(jì)了可靠的電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。PLC程序的總長(zhǎng)度大約500語(yǔ)句,執(zhí)行每條布爾指令需要0.37μs。因此,每次編譯軟件需要花費(fèi)185μs,通過傳感器能在1s中內(nèi)對(duì)電機(jī)進(jìn)行5000次故障檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明設(shè)計(jì)研究的電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)能成功的對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù),并且由于該設(shè)計(jì)采用的是電子設(shè)備,優(yōu)越于傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備,比其更快更效率。 此外,它不需要任何的轉(zhuǎn)換器件,相對(duì)于基計(jì)算機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)花費(fèi)更少更廉價(jià)。而且,它提供了可視環(huán)境,系統(tǒng)的使用相對(duì)于基于PIC的系統(tǒng)更易操作。最后,該系統(tǒng)包含了電機(jī)各種參數(shù)設(shè)置,使得參數(shù)設(shè)定更加靈活。系統(tǒng)中提供的可視化界面比其它基于PLC的保護(hù)系統(tǒng)更容易學(xué)習(xí)。而且在硬件和軟件不需要做多大變化的情況下,就能將該設(shè)備用于直流電機(jī)的保護(hù)。唯一的難點(diǎn)就是對(duì)編碼器測(cè)量信號(hào)的實(shí)驗(yàn)研究分析。
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