TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 8, August 201 4, pp. 5766 ~ 5773   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i8.624 7          5766     Re cei v ed Ma rch 4, 2 014;  Re vised  Ma y 21, 2014; Accepted June 5,  2014   PLC Scada Based Fault Identification and Protection for  Three Phase In duction Motor       L .  Ve n k a t es an * 1 ,  S. Kanagav a lli 2 ,   P.R. Aarthi 3 ,  K.S. Yamuna 4   1 Departme n t of PED, Sona Co lleg e  of T e chnolo g y , Sa lem, T a mil Nadu, India   2,4 Department of EEE, Sona Coll eg e of T e c hno log y , Sa le m,  T a mil Nadu,  India   3 Departme n t of EIE, Ne w  Prin ce Shri Bhav an i Coll eg e of En gin eeri ng a nd  T e chnolog y, C hen nai, T a mil  N a du , In d i a  *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : venkatesa n .c ontrol@ gma il.c o m 1 , kanaga nc hal a@gm ail.co m 2 ,  jeh o vah aar@ g mail.com 3 , y a m una.so na@ gm ail.com 4       A b st r a ct                  T o d a y  overvolta ge, over current, overl oad, ov er  temper ature, and u nder  vo ltage ar e the mos t   commonly  occ u rred  pro b l e ms in  prot ection  circuits   of i n ductio n   mot o r. W e  us ual ly  desi gn Pr otect i o n   circuits w i th co mp on ents suc h  as ti mers, co ntactors an d c u rrent rel a ys. In ord e r to red u ce the  mec han ica l   compo nents  u s age w e  pr efer  to use Pers on al Co mput er ( P C) an d Progr ammabl e L ogi c Contro ller (P LC) .   In this  met hod   Inductio n   moto rs current, vo ltage, S p e ed, te mp eratur e va lu es a nd fa ult oc curred  history  a r e   mo nitor ed in P C  w i th an Alar m Messa ge d u r ing fau l t  occur r ence. PLC- ba sed protecti on  meth ods ar e costs   less, provi des  hig her accur a c y  w i th safe mode of  o perati on w hen co mpare d   w i th the other protecti o n   system s.     Ke y w ords :  fau l t Identificatio n,  inducti on  moto r (IM) prot ection, progra mmab l e contro l contr o ller (P LC)     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion    In  many  Indu strial appli c ati ons we use AC  i ndu ction   Motors a s  Actuators. F ault  occu rs  in t h is  ca se  whe n  w e  a p p ly  more  st re ss  on it .   We  can e a sily  av oid Initial Fau l ts on Indu ction  motor by  Various M onitoring method s. T w o type s  of  Monitori ng te chni que s are  the  con v entional   and the  digital  techniq u e s .  Monitori ng  Device s  can  b e  a rra nge d fo r mo nitori ng t he th ree  ph a s e In du ction   motor  by  usin g Ele c tri c al  and  Me chani cal  Units. On Mot o r  we  will u s e   sen s o r s for  sen s in g  stator  insul a tion f a il ure s . Man y   rese arche r s  h a ve expe ri me ntally tested  t he Pe rform a nce  of In du ction  Motor  by mo nitoring  p r o c e ss.  In  this pa per,  S C ADA i n terfaced  wit h  PL C i s  u s e d  to m onitor the   values of the  v o ltage s,  cu rrents, tempe r a t ures,  and  sp eed  of  t he th ree p hase in d u ction  moto r. In   this  pape r ,   fo r  con s ide r ing  all the v a riabl es  of the mot o r  w e   u s e   a n   anal og-to -d igital  con v ersi on  (AD C )  ca rd.    By Using Microcontroller t here a r e vari ous  so lution i dentified to trouble s h oot erro rs o n   the cu rre nts, voltages,  sp eed, and the  windi ng temp eratu r e s  of an Inductio n  M o tor in op erat ing   mode  [3]. Re cently  o n  con t rol circuits  p r og ramm able   logi c controll er (PLC) are  widely used  i n   indu strial  aut omation  sy stems. T h e  in put te mp erat ure  sen s ors mod u le s  can b e  di re ct ly  con n e c ted to  the input an d the output comp one nts  su ch a s  co ntactors, rel a ys and sol enoi d   valves are  co nne cted to ou tput ports o n  PLC [7].   In PLC al so  we  can  achi eve fault ide n tifica tion a s  we d o  with   Micro controller. PIC  appli c ation  can b e  repla c ed e a sily by  PLC  Cont rol.  In  this  p ape r is cha p ter  II we discu s s  a bout  the PLCs .  c h apter III presents  P r otec tion Sys t em  implemented  details of Sy s t em, Elec tronic  Circuits and   PLC  softwa r e. Cha p ter I V  Experimen tal Analysi s  setup of IM fa ult detectio n   and  prote c tion. Th e resea r ch is  finally con c lu ded in Chapt er V.      2.  Programmable Logic Con t roller   A PLC  C ontr o lle r  is   u s e d  for  a u tomati on  processe s to  sen s e, acti v a te, a n d   control  indu strial  eq uipment.  A  PLC  h a s  a  n u mbe r  of  I/O  port s  w h i c h  allo ws  ele c tri c al  sign als  to  be  interf ace d . Th e  basi c   st ru cture of  the  PLC  is  sho w n  in  Figure 1.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     PLC Sca da Base d Fault Identification a nd Prot e c tion  for Thre e Phase …  (L.Ven kate san )   5767     Figure 1. Basic Structu r e o f  PLC                                   In this resea r ch  we  use PL C to me asure  IM  the curre n t, voltage, temperature,  speed via  Analog Input.  Also we  can  contin uou sly monito r the in puts an d co ntrol the sig nal  [6].  For Expe rime ntal analy s is  Siemen s S7-200 PL C m o dule  with 14/ 10 digital i n p u t/ output   addresse s wi th CPU 224  sample  (14 ∗ DI 24 V dc/10 ∗ DO 24  V dc) is p r ef erred. STEP 7— Micro/Win 3 2  prog ram m er  wa s use d  to Rea d /Wri te p r og ram in PL C. We ca n use ladde r diag ram  (LAD) p r og ra mming lan g u age s. PLC la dder  pro g ram  is develo ped  and loa ded i n  to PLC me mory   throug h RS2 32-RS48 5 Cable. While   the  p r og ram   prep ared fo r tran sferring   to PLC f r om  the   comp uter, the  most impo rta n t point is we  need to u s e  same  bau d rate betwe en t he PLC a nd t h e   comp uter.   For  readi ng  analo g  sig nal  as PL C'S in put we  nee d  to use  an a nalog m odul e. Analog   module s  u s u a lly available  with 8 or 12  bit syst ems.  Inputs a r e ex pre s sed a s  A, B, C, and D in   the Analog  module. O n ly word  can  be proc e s se d by each  chann el, so  Analog data  are   pro c e s sed first, and then,  they are tra n sformed  int o  digital data .  Analog me asu r em ent si gnal s  can not be di rectly read b y  an PLC si nce it se n s e s  only logi c  sign als. So  analo g  mod u l e is  need ed for  sensi ng the fo ur an alog  sig nal input s. T he pha se  cu rre nts a nd th e voltage s, the  temperature,  and the spee d of motor va lues a r e the  analo g  sig nal s mea s u r ed  with this an al og  module. Fig u re 2, sho w s th e Analog an d  digital PLC module.           Figure 2. Analog and  Digita l PLC Modul e       3.  Protectio n Sy stem of Induction M o tor       The Th ree  p hase indu ctio n motor  prot ection  ci rcuit  layout is  sh own i n  Figu re 3. The  measurement  ca rd  con s i s ts of the  cu rre n t tran sf orm e r, the voltage  tran sform e r,  the roto r  spe ed  is me asure d   by an en co d e r, an d wi ndi ng temp er atu r e i s  me asured by the te mperature  Se nso r   [4].       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  576 6 –  5773   5768     Figure 3. Protection Syste m  Layout      3.1. Sy stem     The protectio n  system u s e d  here  con s i s ts  of an 1.5kW/280 0r/min  three - ph ase Indu ction  motor. A Li n ear te mpe r at ure  se nsor  with ratio  of 1 0 mV for  ea ch 1° C in crea sing  tempe r a t ure,  and  we  u s e  i n creme n tal e n co der  with 3 60 p u lse p e r  revolution  for sp eed  me asurem ent, a  true  RMS to DC  Conversion  ca rd and S7 200  serie s  PL C. System Proto t ype is sho w n  in Figure 4.           Figure 4. Hardwa re Ci rcuit (mea su rem e nt card  and RMS to DC Co nversi on card )       3.2. Electronic Circuits    Thre e Pha s e  current & Voltage tran sf orme r are used in Prote c tion mea s u r e m ent ca rd   circuits to m easure th e Indu ction Mot o r curr ent & voltages a s  sho w n in F i gure 5 [9]. In  Measuri ng card we use  Op Amp, Gain Potentio me ter and filter circuit to cha nge the pre s ent  value. RMS to DC  Co nversion  card  receives  sig nal f r om thi s   Mea s ureme n t card a s   sho w n  i n     Figure 4.   An Increme n tal en cod e r  conne cted  on  motor  shaft t o  mea s u r e th e sp eed  of th e motor,  as  sh own in   Figure 5.  Co n v ersio n   circuit  sh own in  Fig u re  6  will  con v ert the s e P W N si gnal  to  DC  voltage. LM-35 Tem p e r at ure  se nso r  i s  pla c e d  on  motor  coil s is u s ed  to  mea s ure th e   temperature  of the motor.  The  LM -35 sensor can pro duce  10  mV voltages per 1°C  [2 1].  On PLC  Analog m o d u le inp u t re ceive s  the  coil tempe r at ure.  Whe n   motor  coil  reache s ove r  the   pre s crib ed  coil tempe r atu r e th en PL C co ntrol  will   automatically stop  the  Runnin g  moto r to  prevent da ma ge to Coil Burn/Overloa din g .    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     PLC Sca da Base d Fault Identification a nd Prot e c tion  for Thre e Phase …  (L.Ven kate san )   5769       Figure 5. Three Phase IM with Increme n tal Encod e r          Figure 6. PWM to DC Vo ltage Conversi on Circuit       The AD5 36A  directly gen erate s  the tru e  RM S value  of any input waveform  containin g   AC and  DC  comp one nts  [19]. For ch a nging the  cu rre nt & voltages valu es o n  RMS to DC   conve r si on  we used Pote ntiometers a nd filter  circu i ts. PLC Inp u t module  re ceives  conve r t ed  curre n t & voltage value s  from RMS to DC Co nversion  card.      3.3. PLC Soft w a r e   On  PL C software we go with  L adde r p r og rammi ng method  fo r  p e rformi ng co ntrol  ta sks.   After creating  the L add er  p r og ram  we  ca n ru n a nd  pe rform  simulati on te st on  software  an d the n   prog ram  can  be downloa d ed in to PLC's memo ry. Flow ch art of the prog ram is  sho w n in Fig u re  7.  The softwa r e  data are three ph ase volt age s ( V 1,  V 2,  V 3), three p hase current s ( I 1,  I 2,   I 3), spe ed ( nr ), and tempe r ature ( TC ) of the IM, as sh own in Fig u re  7.  The m o tor tra n sie n t time i s   100m s  whi c h   is  cont rolled   continuo usly  b y  the PL C p r o g ram.  whe n  the transie nt time is gre a ter tha n  the def ined  time, then p r og ram shifts to execute the  control pro c e dure to se nd  Stop Control  sign al, and  the motor is sto pped when it receives  sign al  from the PL C [7]. Results  are  displayed  at the en d. T r an sient  and  rene w time s  on softwa r e  can  be ch ang ed  whe n  motor l oad chan ge s.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  576 6 –  5773   5770     Figure 7. Flowchart of the  Software  Dev e lope d       Table 1         No w the software directly  display s  the  pha se volta ges, the p h a s e  curre n ts, the roto r  spe ed, and t he motor te mperature o n  the PLC in terfaced. Fro m  these dat a's only tole rance   values will  b e  de cid ed. T he p r og ram   continue s to  run until data's are withi n   specified limits. If  there i s  n o  v a lue to  rea d , then p r og ra m will  re st art ed to read  a nd calculate t he ne w volta ges,  curre n ts,  spe ed, an d temp eratu r e  ( V 1  , V 2  , V 3  , I 1  , I 2  , I 3  , nr ,  and   Tc  ). Wh en fault  occu rs,  t he  prog ram  com pare s  th e th ree p h a s e vol t ages, th re e  pha se  cu rren ts, sp eed,  an d tempe r atu r e   with their set values, an d the motor i s  stopped by  re ceiving a  sto p  control sig n a l from the PLC  with an error  messag es o n  pc. When a n  undefined fa ult occu rs, the motor stop s without givi ng   any descri p tion. From the  databa se  file  we can see the histo r y  of probl em s occurred. Prote c tion  circuit de sig n ed for th e mo tor allo ws the  motor to b e   started  agai n  only if error i s  re ctified on t h e   motor. Re set  button ca n be  activated onl y after trouble s ho oting the  probl em s on the motor.       4. Experimental An aly s is Setup of I M   Fault De te ction and Pr otec tion   SCADA  Win  log Softwa r e  is  used fo r i n terfaci ng P C   with the  PLC.  We  use  Modb u s   proto c ol for  communi catio n  betwe en PC and PL C a s  sh own belo w :      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     PLC Sca da Base d Fault Identification a nd Prot e c tion  for Thre e Phase …  (L.Ven kate san )   5771 Cha nnel: 1   Config uratio n :  Modbus  RT U Port: COM 1   Baud rate: 19 200   Stop bit: 1  Data bit: 8  Time out (m s): 1000   Query pa use (ms): 20           Figure 9. View of SCADA  Scre en on P C        The SCA D A  softwa r e di sp lay is sh own i n  Figu re 9. T o  identify and  to prevent th e motor  from faults, the softwa r e was devel ope d  base d  on the  following  con d itions.   a)  To start the  motor START  Icon is u s ed.   b)  To stop the m o tor STOP Icon is u s ed.   c)  Duri ng Moto r Failure Mo d e  we can u s e Alarm and  reset o p tion  to stop the   Motor. In thi s  when failure condition i s   rectified, the  motor  will not start again  automatically, we need to  start the mot o r  by re set the icon follo wed by clicking  the start icon.   d)  Time axis  is  us ed to set the time s c a le as s h own in Figure 10.   e)  As pec t  is  us ed to s e t line thick n ess .   Voltages a nd  the curre n ts a r e sh own in Grap h win d o w .           Figure 10. Di splay of Time  Rang e       Before  sta r t runnin g  the  In ductio n  Moto r  we  nee d to  man ually en ter the  minim u m a n d   maximum val ues  of the vo ltage, the current, the  tem peratu r e, a n d  the speed. A fter enteri ng  all  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  576 6 –  5773   5772 values, th e  motor i s  th en  rea d y for sta r ting [14].  When th e moto r icon i s   cli c ked o n , the m enu   sho w n  in Fi g u re  11 i s   disp layed o n  the  scree n . Th e  waveforms of  cu rrents an d  voltage s  can  be   see n  on the o scill osco pe. Rule -ba s e d  control me th od ology is u s ed  to detect the fault on the IM.          Figure 11. Screen sh ot of Prog ram Pag e       The SCA D A Software m o nitors  wh en  motors is in  runnin g  co ndit i on. The tem peratu r e  sen s o r   wa s  use d  only fo r finding  stato r  current fa ults. Possible   detecta ble fa ults a r e give n in  Table 2 [2].      Table 2. Type s of Fault on  Thre e Phase Inductio n  Motor     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     PLC Sca da Base d Fault Identification a nd Prot e c tion  for Thre e Phase …  (L.Ven kate san )   5773 5. Conclusio n   In this exp e r imental  re se arch impl em ent ed o n  p r otection  syst em for th ree  pha se  Inductio n  Mo tor. The  p r op ose d  PL C-co ntrolled  p r ote c tive relay d eals with  the  mo st impo rt ant  types of these failure s, which a r e  sum m ari z ed  a s  the pha se lo st, t he over/undercu rrent, the  over/und er voltage, the  u nbala n ce of  sup p ly vo ltag es, the  ove r l oad, the  un b a lan c e  of ph ase   curre n ts, the grou nd fault, and the exce ssive  repe at e d  startin g . When a fault is  occurre d  duri ng  IM is runnin g ,  alarm message di splaye d on PC  SCADA Scre en  and PLC  will  stop the mo tor .   Whe n  an un d e fined fault o c curs, the mo tor stop s with out giving an y description.    The re sult s showed that a  reliable PL C-ba sed  p r ote c tion sy stem inclu d ing all  variable s   of the three - p hase IMs a n d  operators ha ve been d e ve loped. In ad di tion, it does n o t requi re a n y   conve r si on  card, an d the r efore, cost s l e ss than  a co mputer-ba s e d  prote c tion method.  Mo reover,  it provide s  a  visual e n viro nment, which  make s th e system mo re  use r-fri endly t han a PI C-b a s ed   rotectio n m e thod. Fin a lly, being  flexible  in the  range  setting s,   co nsid erin g all   motor va riabl es  together,  eli m inating th e  co nversion   card, an d p r oviding  a vi sual  environ ment ma ke   th e   prop osed p r o t ection sy ste m  better than  ot her PLC-b a se d prote c ti on syste m s  studied.       Referen ces   [1]  Venkates an L,  Arulmozh i y al  R, Janartha n an AD.  Si mul a tion a ppr oac h on step sp eed co ntrol o f   Inductio n  Moto r using  La b Vi ew .  Computer  Commun i cati on a nd Info rm atics (ICCCI). Internatio na l   Confer ence  on , 4-6 Jan. 201 3 .   Doi 10.11 09/I CCCI.20 13.64 662 83.   [2]  Venkates an L,   Janartha n a n  AD, PR Aarthi, Arulmo zhi y a l   R. Speed co ntrol of ind u ction  motor via pi c   control l er us in g la b vi e w .  Advanc ed M a terials  Rese ar ch Jour na l . T r ans  T e ch Publ icatio ns,   S w itz e rla nd. d o i:10.4 0 2 8 / w ww . sci entific .n et /AMR 768.35 9 201 3; 768: 35 9 - 363.   [3]  M Benb ouz id,  M Vieir a , C T h e y s.  In ducti on  motor’s fau l t d e tection  an d l o calizati on  usi n g stator curr ent  adva n ce d sign al proc essin g  techn i qu es.  IEEE Trans. Power Electron. , 199 9; 14(1): 14 –22 .  [4]  W A  F a rag, MI Kamel. Micro p rocess or-bas ed pr otecti on  s y stem for three-p hase i n d u c tion motor s   Electr. Mach. Power Syst. , 19 99; 27: 45 3–4 6 4 .  [5]  R Bay i ndir, I Sefa. Novel approac h b a se d o n  microco n troll e r to onl ine  pr otection  of ind u ction mot o rs.   Energy C onver s. Manage. , 20 07; 48(3): 8 50– 856.   [6]  MG Ioannid e s. Desig n  and i m pleme n tatio n  of PL C-base d  monitori ng c ontrol s y stem for inducti o n   motor.   IEEE Trans. Energy Convers. , 200 4; 19(3): 46 9– 476 .  [7]  AR Al-Ali, MM Negm, M Kassas.  A PLC bas ed pow er facto r  controll er for a 3-ph ase in du ction motor.   Proc. Conf. Re c. IEEE  Ind. Appl., 2000; 2: 10 65– 10 72.   [8]  Yassin e  Maou che, Moham ed  El Kamel Oumaamar, Moh a med Bo uch e rma, Abdelm a le k Khezzar.   A  Ne w  Ap proac h  for Broken Ba r F ault Detecti on in T h ree-P hase Ind u ctio n  Motor Using I n stantan eo us  Po w e r   Mon i tori ng und er Lo w   Slip   Ra ng e.  Internati ona l J our nal  of El ectrica l  an d C o mp uter  Eng i ne eri n g   (IJECE).  2014;  4(1): 52-63, ISSN: 2088- 87 08 . DOI   10.11591 /ijece.v4 i 1.4 6 1 1 .  [9]  Xi ng- pin g  LIU.  Desig n  of As ync h ro nous M o to r Soft Starting a nd Sav i n g  Energ y  C ontr o l Bas ed o n   PLC.  T E LKOMNIKA Indon e s ian J ourn a l  o f  Electrical E n gin eeri n g . 2014; 12(3): 1751-1757. DOI:  http://dx . doi. o rg/10.11591 /telkomnika.v12i3.4540.  [10]  R Raj e n d ran,  Dr N Dev a raj a n.   A Comp arat ive Perform anc e Ana l ysis  of T o rqu e  Co ntrol  Schemes for   Inductio n  Moto r Drives.  Intern ation a l Jo urna l  of Pow e r Electronics an d Dri v e System (IJP EDS) . 2012;   2(2): 177- 19 1. ISSN: 2088-8 6 9 .  [11]  Z i chen g Li, Z h oup ing Y i n, Yo ulu n  Xio ng, Xin z hi Li u.   Rotor  Spee d an d Sta t or  Resistanc e Identificati o n   Scheme  for S ensor less I n d u ction  Motor   Drives.  T E LK OMNIKA Indo nesi an J our na l of E l ectric a l   Engi neer in g . 2013; 11( 1): 503-512. DOI: 10. 11591/telk omnika .v11i1.1865.   [12]  Shash i dh ara  S M , Sang ames w a ra  P R a ju.  F P GA  Based  Embed de d S ystem Dev e lo p m ent for  Rol lin g   Beari ngs F a ult  Detecti on  of Inducti on M o tor .   Internatio na l Journ a l of  Re c onfig urab le  an d E m b edd e d   System s (IJRE S ) . 2013; 2(3): 127~134. ISSN: 2089-48 64. DOI: 10.11591/ijres.v2i3.4746.  [13]  Mihai  Iacob,  Cristina  Anit a  Beja n, Gheo rghe-D a n i el  A ndre e scu. Su pervis o r y  Co n t rol an d D a t a   Acquis i tion L a b o rator y .  T e lfor Journ a l . 20 10; 2(1).  [14]  Ravi Masa nd,  Dee p ika Ja d w ani, Abh i sh ek Sahu.  PLC a n d  SCADA base d  F ault Diag nosi s  of Inductio n   Motor.  Internat ion a l Jo urna l of Digita l  App l i c ation & C ont empor ary rese arch (IJDACR) . 2014; 2(6) :   ISSN: 2319-4 8 63.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.