基于和利时PLC的交流电机运行参数监测实验系统设计.pdf

I 业自 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 6 ． 0 2 ． 0 0 5 基于和利时P L C 的交流电机运行参数监测实验系统设计 周 震 四川师范大学 工学院，四川成都 6 1 0 1 0 1 摘要提出了基于和利时L M小型P L C 的实验室环境下的小功率交流电动机运行参数监测实验系统。在 自 制和利时P L C 实验台 的基础上 ，实现了分别以L M 3 1 0 8 K为核心和以L M3 1 0 7 ／ L M3 3 l 7 为核心的两种实验设计方案。能够对小功率交流电动机的三相 相电压、相电流、 功率因数、有功功率、运行转速进行实时测量，具有一定的参考借鉴意义。 关键词运行参数监测 ； 实验系统；L M3 1 0 8 K ；L M 3 1 0 7 ／ L M 3 3 1 7 中图分类号 T P 2 7 4 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 99 4 9 2 2 0 1 60 20 0 1 90 5 De s i g n o f W o r k i n g Pa r a me t e r s M o n i t o r Ex p e r i me n t S y s t e m f o r AC M o t o r s Ba s e d o n Ho l l y S y s P LC ZHOU Zh e n C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g ，S i c h u a n N o r ma l U n i v e r s i t y ，C h e n g d u 6 1 0 1 0 1 ，C h i n a Abs t r a c t I n t h i s a r t i c l e． a wo r k i n g p a r a me t e r s mo n i t o r e x pe rime n t s y s t e m f o r l o w p o we r AC mo t o r s i n l a b ba s e d o n Ho l l y S y s LM P LC i s p r o v i d e d ．T h i s e x p e r i me n t s y s t e m b a s e d o n D I Y Ho l l y S y s P L C e x p e r i m e n t p l a t f o r m，a c c o mp l i s h e s t w o d i f f e r e n t e x p e r i me n t p r o j e c t s w i t h L M 3 1 08 K a n d L M3 1 0 7 ／ LM3 3 1 7 a s c o r e c o n t r o l u n i t r e s p e c t i v e l y ．T h i s e x p e r i me n t s y s t e m i s a b l e t o me a s u r e p a r a me t e r s o f l o w p o we r AC mo t o r s u c h a s p h a s e v o h a g e s ， p h a s e c u r r e n t s ， p o we r f a c t o r ， p o we r a n d s p e e d， wh i c h i s a r e f e r e n c e for o t h e r s ． K e y wo r d s wo r ki n g p a r a me t e r s mo n i t o r ；e x p e r i me n t s y s t e m； LM31 0 8 K ； L M31 0 7 ／ LM3 31 7 0引言 三相交流 电动机在运行过程中 ，对其相关 的 三相交流电参数 以及运行转速进行监 测 ，可 以及 时反映出当前交流电动机的运行状态是否正常 ， 并确定是否需要采取相应的报警或故障保护措 施 。作为国内知名品牌 ，和利时 L M小型机在电能 参数测量领域具有鲜 明的特色 ，在产 品系列 中提 供有专门用 于三相交流 电参数 的测量模块 ，可用 于直接／ 间接测量交流参数 。笔者在前期完成 的 自 制和利时 P L C实验 台的基 础上 ，结合和利时 P L C 模块特点，对实验室环境下星形联结的小功率交 流电动机运行参数监测进行 了研究 ，提出了两种 实验方案 ] 。 1实验系统硬件方案 1 ． 1 L M3 1 0 8 K监测方案 L M3 1 0 8 K C P U本机提供 8 点继 电器型 D O，开 关 容量为 3 A 2 5 0 V A C或 3 A3 0 V D C，电压 型 A I 和A O均为 0 ～ 1 0 V D C输入／ 输 出信号 ，精度 l ％ F S 。交流量的公共端子为 2 M和 3 M，三相 电压 电 流输人信 号范 围0 ～ 1 4 V AC ，精度 I ％F S t 。其端子 示意图如图 1 所示。 L M3 1 0 8 K自带两路模拟量输入通道 ，模拟量 输入范围 0 1 0 V，可以处理交流电动机的运行转 速监测送显 ，但要求额外增加电压互感器和 电流 互感器 以满足对三相交流电压电流的采集 。该监 测系统硬件方案如图 2 所示 。 1 ． 2 L M3 1 0 7 ／ L M3 3 1 7监测方案 L M 3 1 0 7 C P U模块额定工作 电压为 2 2 0 V A C ， 本机 自带 2 4 点数字量 I ／ O，提供 1 4 点 D C 2 4 V输入 和 l 0 点继 电器输 出。该 C P U模 块可以与 L M3 3 1 7 三相交流 电参数采集模块进行扩展连接 ，最大扩 展模块数 4 个 。L M3 1 0 7 C P U模块 的端子排标示如 收稿 日期 2 0 1 5 0 92 5 [二] 二 ] 二 自动化 o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 囹 图 圈 图 图 图 图 圈 图 圈 囵 圈 图 翻 图 囡 圆 圈 翻 图 圈 囝 豳 圜 圈 。 0 0 ’ o ．0 H n 2 o 2 _ 3 3 - 0 - 4 n4 5 0 ． 5 ’ n6 o． 6 - n’ ’ 8点D O 常开继 电器 C P U模块L M3 1 0 8 K 1 0点 D I 2 4 V D C4, If 电 输入 j 栩 电流输 入 __、r _ 、厂 M 0 ． 0 0． 1 0 ． 2 0． 3 0 4 0 5 0 ． 6 0 ． 7 1 ． 0 I I 2M UA UB UC l A l B I C AOAO- ’1． ． ．． ． ．． ． ．|- j 电压测A O VI VI 2 4V D C电源输 入 零序零序系绒 癸 M 2 4 外 V 供D C 输 入 输 入输 入榆 测 输 入 _ 。⋯ ’ r _ 1 门门广 ]厂 n 3M U0 1 0 US RL AI 1 AI 2 AI VOVO 图 园 圈 豳 圈 圈 图 圈 圈 圈 囵 圈 图 圈 豳 圈 圈 圈 翻 圜 圆 圈 翻 圆 圈 霸 圈 豳 图 o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 图1 L M 3 1 0 8 K端子示意图 图2 L M3 1 0 8 K交流电动机运行参数监测方案 o o o o o o o o o o o o o o o o o o I 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 i 1 L 0 ,0 0 ．1 0 ．2 0 ,3 2 L 0 ．4 0 ．5 0 ．6 0 ．7 3 L 1 ．0 1 ． 1 ① N L CPU 模块L M3 1 0 7 1 M 0 ． O 0． 1 0． 2 0． 3 0．4 0． 5 0 ． 6 0 ． 7 2M 1．0 1 。 1 1 ． 2 1．3 1 ．4 1 ． 5 VO VO 口口 口 口口 口 口口 口 口口 口 口口 口 口口 口 口 o o o o o o o o o o o o o O o o o o o 图3 L M3 1 0 7 端子示意图 图3 所示 。 L M 3 3 1 7 模块的主要功能是可以直接对三相 交流 电路 的电压 、电流 进行 采集 ，并具有 l 路过电流继电 器保 护输 出 ，可 以按用 户设 定 实现 过 流保 护 动作 。用 户 还可以根据L M 3 3 1 7 输入区的 数据获得三相的功率 因素及 三 相 的 电 能 消 耗 大 小 。 L M3 3 1 7 模块的端子排标示如 图 4 所示 。 L M 3 3 1 7 三相电压采集端子分别为u A、U B和 周 震基于和利时P L C 的交流电 机运行参数监测实验 系统设计 工业自 ① lA in IA o u t IB in IB o u t lC in IC o u t 三丰 H 交流 屯参数采集模块L M3 3 1 7 UA UB UC UN UN UN 1 L PRT1 图4 L M3 3 1 7 端子示意 图 UC ，额定 电压数 值为 2 2 0 V A C 瞬时过载 1 2 0 ％ 3 0 S ，线性测量 范围是 1 0 ％～ 1 2 0 ％额定 电压 ，测 量精度为 0 ． 5 ％。 L M3 3 1 7三 相 电 流 采 集 端 子 分 别 为 I A i n I A o u t 、I B i n I B o u t 、I C i n I C o u t ，额定电流数 值 为 5 A 瞬 时过 载 2 0 0 ％3 0 S ，线 性测 量 范 围是 1 0 ％～ 2 0 0 ％额 定 电流 ，测 量 精 度 为 0 ． 5 ％。 本 实验 方案 中采用 上 述两种 模块 对交 流 电动机 的三相 交流 电压 、三 相交 流 电流 、功 率 因素及 电能 消耗 等参 数 进行 实 时采 集监 测 ，如 图 5 所 示 。 其 中带有 R S 2 3 2串口通讯 功能的 8 位 L E D数 显模块可 以与 P L C C P U模块进行采集数据的显示 处理 ，是现场设备 最常见 的一种人 机交互界 面 ， 在两种监测方案中均用于数据显示 。 2实验系统功能说明 2 ． 1 L M3 1 0 8 K监测方案说明 1 按下按钮 S B 1 后 ，P L C输 出接通 三相交 流 电动 机综合保护实验 区 K M线 圈 ，能够与 8 位 L E D数显 模块 进行 串行通 讯 ，将 三相 电压 平均 值 、三相 电流平均值 、三相总有功功率 、三相 功 率 因数 、交 流 电动 机 运 行 转 速 分 时 轮 流 显 不。 2 按下按钮 S B 2 后 ，P L C输 出断开三相交 流 电动机综合保护实验 区K M线 圈电源 ，交流 电 动机停止。参数显示清零。 3 在运行过程 中，通过调节磁粉制动器 的 控制 电源输 出电流从小到大调节 ，并观察相关运 行参数的变化。 2 ． 2 L M3 1 0 7 ／ L M3 3 1 7监测方案说明 1 按下按钮 S B 1 后 ，P L C输 出接 通三相交 流 电动机 综合保护实验 区 K M线圈 ，能够与 8 位 L E D数 显模 块进 行 串行 通讯 ，将 三相 电压平 均 值 、三相电流平均值 、三相功率因数 、三相总 电 能消耗分时轮流显示。 2 按下按钮 S B 2后 ，P L C输 出断 开三相交 流 电动 机综 合保 护 实 验 区 K M线 圈电源 ，交 流 电 动 机 停 止 。 参 数 显 示 当 前 累 计 消 耗 电 能 k W h l 0 l 1 ． 电源端 L 吕 ． 8 ． 8 ． 8 ． 昌 昌 昌 8 昌 鲁 昌 昌 吕 8 S 8 昌 昌 8 S 8 昌 l 昌 吕 8 2 8 8 8 8 8 昌 8 8 昌 ，’f C O M 1 ⋯ ⋯ 口c } 。 k L ㈣ I , U o ◇‘l a i n i A o u t I I 8 o t IC i n I c 。 中挂线N c I M o o 0 1 0 ．2 0 3 0 4 0 5 0 6 o 7 t 2 M {0 12’3 1 4 1 5 VO V O 8 ． 8 ． 8 ． 8 ． 1 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 B 8 8 吕 g 8 8 吕 吕 8 g 8 g 吕 8 吕 吕 R S 232出 }j 专 ∞ 0 ci] _ l I l l ， 卜 I -- ．．．．．．． o 0 U L1 0 l ／． _ 一 嘲 6 L 2 o l L 3 O 三相交流 电动机 N o 综合保护实验 u Ib 测 试 按 钮 V ＼ 二 ／ 一 丫 、 W 。 ’ ／ 潲 f乜 输 { I 端 r 图5 L M3 1 0 7 ／ L M3 3 1 7 交流电动机运行参数监测方案 自动化 a L M3 1 0 8 K输入输出配置 图6 L M3 1 0 8 K ／ L M3 3 1 7 输入输出数据区 3 在运行过程中 ，通过调节磁粉制动器的 控制 电源输 出电流从小到大调节 ，并观察相关 运 行参数 的变化。 3实验 系统程序设计 3 ． 1 P L C监测参数说明 在实现上述两种监测方案时 ，P L C程序设 计 i 奏取和转换兰相耄魇和兰枣 曩 电流数僚 b L M3 3 1 7 输入输 出配置 的重 点在 于对各 模块 采集 数据 的读取 和后 续处 理 。在 采 集 数 据 的读 取 处 理 部 分 ，需 要 结 合 L M 3 1 0 8 K模块以及 L M3 3 1 7 模块的输入输 出数据 区的规定 ，并根据相应的数据格式在程序中加以 转换 和处理 ，以适应 串口通信显示相关数据的需 要。L M3 1 0 8 K模块 的输入输出数据格式 、L M3 3 1 7 图7 L M3 1 0 8 K A相电压数据处理程序 周 震基于和利时P L C的交流电 机运行参数监测实验 系统设计 工业自 模 块 的输入输 出数 据格 式如 图 6 所 示 。L M3 1 0 8 K 的 I W2 一 I WI 2 分别对应 U A、U B和 U C，I W8 一 I Wl 2 分别对应 I A、I B和I c ，换算关系均为 1 V对应十 进制数 1 0 0 0 ；I W2 6 对应功率因数 ，码值除以1 0 0 即为0 ～ 1 的功率因数数值；I W2 4 对应三相总有功 功率 ，码 值 范 围一 3 2 7 6 7 ～ 3 2 7 6 7 ，单 位 1 0 m W。 L M3 3 1 7 采集 的三相 电压 电流 中 ，I W2 一 I W6 对 应 U A、U B和 U C ，换 算 关 系为 1 V对 应 十 进 制 数 1 0 ，I W8 一 I W1 2 分别对应 I A 、I B和I c ，换算关系 为 l A对应十进制数 1 0 0 0 。I W1 4 一 I W1 8 分别对应 每相功率 因数 C O S 、C O S 口和 C O S c，换算 关 系为 1 对应 十进制 1 0 0 0 。I W2 2为 A相 电能 低 位 ，I W2 4 为A相电能高位 ，I W2 6 为B 相电能低 位 ，I W2 8 为B相电能高位 ，I W3 0 为 c 相电能低 位 ，I W3 2 为C 相电能高位。电能计算公式为电能 电能高位x 6 5 5 3 5 电能低位 ，每度电能对应十进 制 1 0 0 0 。 3 ． 2 数据处理程序设计 上述 两种实验监测方案 中 ，P L C程序主要包 括两个部分 ，一是根据各模块的输入输出数据 格 式 处 理 转 换 得 到 有 效 测 量 数 据 ；二 是 根 据 R S 2 3 2 串口通信控制的8 位 L E D数码管显示单元 的控制命令格式 ，由P L C轮换发送各待显示数 据 。限于篇 幅 ，在此 仅对 L M3 1 0 8 K的 A相 电压 数值处理 程序进行示例说 明 ，梯形 图程 序如图 7 所示 。 上述 程序 中 V o l t a g e r a t e 为 电压转换 因子 ，定 义 为 实数 常 量 0 ． 0 3 1 1 ，B相 和 C相 电压 处理 与 A相类似。三相电流数值处理程序与三相电压 数 值处 理程序 类 似 。为 了送 显示 需要 ，程 序 中 还要求出三相电压 的平均值 、三相电流的平均 值 。 4结束语 本 实 验 系 统 应 用 L M3 1 0 8 K 和 L M3 1 0 7 ／ L M 3 3 1 7 分别实现了对实验室环境下的小功率交 流 电动 机三相 运行 参数 实 时监测 和显示 ，在此 基 础 上 可 以考 虑 电动 机保 护 需 要进 一 步 拓展 ， 对类 似相 关 系统 的设计 具有 一定 的参考 借鉴 价 值 。 参考 文献 [ 1 ]王晨辉，郭英军，仝浩，等． 基 于AR M和 L i n u x 的嵌 入式异步 电机监测 系统 [ J ]． 仪表技术与传感 器， 2 0 1 1 1 I 6 8 7 0 。7 3 ． [ 2 ]刘小春． 基于MC G S和P L C的电机运行参数监控 系统 设 计[ J ]．自动化 技 术 与应 用 ，2 0 1 0 ，2 9 9 7 3 7 6． 8 6 ． [ 3 ]张涛． 基于P L C的掘进机电机过载反时限保护 [ J ]． 煤矿机械 ，2 0 1 4 ，3 5 7 2 4 5 2 4 6 ． [ 4 ]郑爽 ，田淑梅． 挤压机监测 系统的设计与实现 [ J ]． 农机化研 究，2 0 0 9 1 0 8 5 8 7 ． [ 5 ]牛文茂 ，王晓东． 电机监测保护装置的开发与应 用 [ J ]． 中国新技术新产品，2 0 1 0 2 2 1 - 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