淺談電氣工程自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用

蘭州工業(yè)學(xué)院 秦 雯

一、電氣工程的自動(dòng)化管理控制概述

隨著自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，電氣工程控制系統(tǒng)也日新月異，成為引起人們很大興趣的一個(gè)領(lǐng)域。它的研究目標(biāo)是用機(jī)器，通常為傳動(dòng)控制系統(tǒng)、電腦等，盡可能地代替人的體力活動(dòng)，并且爭(zhēng)取在這些方面最終改善并超出人的能力，其研究領(lǐng)域及應(yīng)用范圍十分廣泛。例如人工智能、PLC控制系統(tǒng)、智能機(jī)器人等等。早期電氣控制應(yīng)用都是以繼電器作為自動(dòng)控制系統(tǒng)。隨著時(shí)代的發(fā)展，科技產(chǎn)品也開(kāi)始講求便利化，在追求高效率的時(shí)代，眾多產(chǎn)品都趨于自動(dòng)化，而現(xiàn)代機(jī)械功能的精密度越來(lái)越高，取而代之的就是現(xiàn)在最廣泛使用的PLC可編程控制器。可編程控制器(Programmable Controller)是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的。早期的可編程控制器稱(chēng)作可編程邏輯控制器，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC。在60年代，電氣設(shè)備生產(chǎn)流水線的自動(dòng)控制系統(tǒng)基本上都是由繼電器控制裝置構(gòu)成的。當(dāng)時(shí)電氣設(shè)備的每一次改型都直接導(dǎo)致繼電器控制裝置的重新設(shè)計(jì)和安裝。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，電氣設(shè)備型號(hào)更新的周期越來(lái)越短，這樣，繼電器控制裝置就需要經(jīng)常地重新設(shè)計(jì)和安裝，十分費(fèi)時(shí)、費(fèi)工、費(fèi)料，甚至阻礙了更新周期的縮短。為了改變這一現(xiàn)狀，1969年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制出第一臺(tái)PLC，并在美國(guó)通用汽車(chē)自動(dòng)裝配線上試用，獲得了成功。可編程控制器簡(jiǎn)稱(chēng)PLC，其特色為可利用軟件程序來(lái)取代傳統(tǒng)電氣控制的配線工作，直接把控制電路的階梯圖(Ladder diagram)轉(zhuǎn)換成PLC程序，鍵入可編程控制器內(nèi)即可執(zhí)行，省去了配線的麻煩，并在偵錯(cuò)、更改設(shè)計(jì)上能夠更加方便，并且更有彈性。

二、電氣工程自動(dòng)化控制的技術(shù)構(gòu)成

(一)PLC技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用趨勢(shì)

自PLC可編程邏輯控制器做為電氣工程控制核心以來(lái)，穩(wěn)定度及系統(tǒng)有效率大為提升，隨著機(jī)器設(shè)備的精細(xì)化，PLC也隨著軟硬件的改變可以設(shè)計(jì)出更復(fù)雜的機(jī)電整合系統(tǒng)，系統(tǒng)的復(fù)雜程度往往不是過(guò)去所能相比擬的，一但系統(tǒng)發(fā)生故障就是原始設(shè)計(jì)人員也要耗費(fèi)一段時(shí)間來(lái)進(jìn)行修護(hù)工作，而如何在最短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)故障原因并且立刻維修完成，迅速恢復(fù)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，已是目前大多數(shù)第一線維修人員面對(duì)復(fù)雜的機(jī)電整合控制中最大的挑戰(zhàn)。利用傳統(tǒng)電路、程序分析及臨場(chǎng)反應(yīng)雖可在現(xiàn)場(chǎng)完成故障排除，對(duì)一個(gè)正在商業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)的自動(dòng)化電氣設(shè)備所耗掉時(shí)間成本也相當(dāng)可觀，如果故障情況輕微又碰上人力吃緊就會(huì)降低整個(gè)維修品質(zhì)，也容易造成維護(hù)人員疲于奔命。工廠內(nèi)自動(dòng)化電氣設(shè)備常常關(guān)系到生產(chǎn)成本及出貨時(shí)間的準(zhǔn)確性，工廠管理者對(duì)電氣設(shè)備的妥善率自然會(huì)較為重視，尤其在發(fā)生故障時(shí)會(huì)要求維修人員在最短的時(shí)間內(nèi)完修并加入生產(chǎn)行列，因此一套有效的監(jiān)控系統(tǒng)除了提供運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)即時(shí)監(jiān)控外；還必須能提供故障維修建議、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)數(shù)等達(dá)到損害預(yù)防及快速恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)功能。

(二)PLC控制器的設(shè)備構(gòu)成

PLC(Programmable Logic Controller)為可編程控制器，是一種可以將外部控制指令隨時(shí)載入儲(chǔ)存器內(nèi)儲(chǔ)存與執(zhí)行，并且具有微處理功能的數(shù)字電子設(shè)備。PLC內(nèi)部是由CPU、儲(chǔ)存器、輸入界面、輸出界面以及電源供應(yīng)模塊、指令載入模塊、輸入模塊、輸出模塊等單元組合而成。系統(tǒng)匯流排將CPU、儲(chǔ)存器、輸入、輸出界面連接在一起，且輸入模塊、輸出模塊、指令載入、載出模塊也通過(guò)輸入、輸出界面，與系統(tǒng)匯流排連接。應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)所生產(chǎn)的PLC，可以使用嵌入式方式，將所需的個(gè)別模塊予以組合使用，擴(kuò)充性比價(jià)好，用途廣泛。PLC各單元的功能如下。一是CPU(中央處理器)，其內(nèi)部包含CU、ALU、暫存器三大部分。其中的指令解碼器是負(fù)責(zé)將儲(chǔ)存在儲(chǔ)存器內(nèi)的程序指令解碼成控制信號(hào)，來(lái)決定各單元模塊的工作狀態(tài)，屬于PLC的總指揮。而算數(shù)及邏輯運(yùn)算單元(ALU)專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)“加、減、乘、除”的算術(shù)運(yùn)算及“AND、OR、NOT”等邏輯運(yùn)算。暫存器是CPU內(nèi)部的儲(chǔ)存器，可以暫時(shí)存放運(yùn)算的結(jié)果，等待下一次運(yùn)算。二是儲(chǔ)存器，一般的RAM或EEPROM，是存放程序指令及資料的地方。三是輸入、輸出界面，其屬于輸入模塊、輸出模塊、指令載入、載出模塊與系統(tǒng)匯流排的連接元件。各單元如下：輸入模塊來(lái)連結(jié)輸入元件，例如：按鈕開(kāi)關(guān)、極限開(kāi)關(guān)、SENSOR等；可獲取輸入元件的動(dòng)作信號(hào)，經(jīng)由輸入界面送入儲(chǔ)存器內(nèi)，提供CPU處理使用的電路。輸出模塊是用來(lái)連結(jié)輸出元件，例如：電磁閥、指示燈、電磁開(kāi)關(guān)等；將資料匯流排的內(nèi)容經(jīng)由輸出界面送出后，以輸出模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)輸出元件。指令載出、載入模塊可將程序指令在PLC的儲(chǔ)存器與書(shū)寫(xiě)器或電腦之間相互傳輸。由內(nèi)部使用差動(dòng)放大模式的通信界面，能消除雜訊干擾，提高傳輸距離。因此，若以電腦為程序編輯工具，必須通過(guò)RS-232與RS-422的轉(zhuǎn)換器才能順利傳送資料。

三、電氣工程自動(dòng)化管理的PLC技術(shù)應(yīng)用的對(duì)策建議

PLC系統(tǒng)導(dǎo)入的不只是狹義的新技術(shù)應(yīng)用，而是一種全新的分工合作及服務(wù)導(dǎo)向的概念。電氣工程在引進(jìn)PLC系統(tǒng)時(shí)，必須先行考量企業(yè)本身及與其合作的相關(guān)單位的信息應(yīng)用成熟度是否成熟到可以在該架構(gòu)一起使用此信息技術(shù)。

(一)分層次構(gòu)建PLC系統(tǒng)的構(gòu)架

第一層：實(shí)體層(Physical Layer)。不同的介質(zhì)有不同的特性，所以0與1的數(shù)字資料在傳送之前，可能會(huì)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，將數(shù)字資料轉(zhuǎn)換成光脈沖或電脈沖以便于傳輸，這些轉(zhuǎn)換及傳輸工作便是由實(shí)體層負(fù)責(zé)。第二層：鏈結(jié)層(Data Link Layer)。鏈結(jié)層協(xié)定會(huì)在傳送資料時(shí)，同時(shí)進(jìn)行連線同步化，使傳送與接收雙方達(dá)到同步，并確保資料傳送的正確性。鏈結(jié)層另一個(gè)功能“偵錯(cuò)”，當(dāng)接收端收到資料后會(huì)先檢查資料的正確性，檢查錯(cuò)誤的方法有許多種最常用的方法是傳送端對(duì)于即將送出的資料，先經(jīng)過(guò)特殊演算法產(chǎn)生一個(gè)CRC(Cyclic Redundancy Check)碼，并將CRC碼同資料一起傳送出去，接收端收到資料后執(zhí)行同樣的演算法，并得到CRC碼。將這個(gè)CRC碼與資料內(nèi)的CRC碼做比較便可得知資料在傳送時(shí)是否完整無(wú)誤。第三層：網(wǎng)絡(luò)層(Network Layer)。網(wǎng)絡(luò)上成千上萬(wàn)的用戶(hù)，如何將資料正確的傳送到對(duì)方的電腦中，就必須依靠網(wǎng)絡(luò)裝置獨(dú)一無(wú)二的位址，網(wǎng)絡(luò)層在這里就扮演定址及傳送路徑選擇功能的角色。第四層：傳輸層(Transport Layer)。將傳送資料切成一小段一小段的資料，并加以制訂每段資料的先后順序序號(hào)，以便于接收端在重組資料時(shí)的依據(jù)。傳輸層另一功能為控制資料流量，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸資料堵塞時(shí)，此時(shí)傳輸層便通知傳送端要求停止傳送資料，待網(wǎng)絡(luò)順暢后再通知傳送端繼續(xù)傳送資料。第五層：會(huì)議層(Session Layer)。會(huì)議層主要負(fù)責(zé)雙方網(wǎng)絡(luò)正式傳輸前的所遵循的規(guī)則，如使用全雙工或半雙工模式、如何開(kāi)始及如何結(jié)束或是參數(shù)的傳輸?shù)取５诹鶎樱罕磉_(dá)層(Presentation Layer)。由于接收到的資料為傳送端的內(nèi)碼，因此有可能與接收端的內(nèi)碼定義不同，會(huì)發(fā)生傳送資暸與接收器顯示資料不同，因此表達(dá)層是將接收來(lái)的資料轉(zhuǎn)換成與系統(tǒng)相同的內(nèi)碼定義，現(xiàn)今大多數(shù)電腦是以ASCII(American Standard Code for Information Intercjange)但早期也有使用EBCDIC(Extended Binary Coded Decimal Interchanage Code)，于是這兩者間的電腦通訊就會(huì)發(fā)生不兼容的現(xiàn)象。表達(dá)層還具有壓縮及解壓縮、加密與解密的功能，壓縮及解壓縮可以使資料縮小并加快傳輸，加密及解密則可保障資料在傳輸?shù)倪^(guò)程中安全。第七層：應(yīng)用層(Application Layer)。第七層直接提供檔案的傳輸(FTP)、電子郵件(e-Mail)、網(wǎng)頁(yè)瀏覽(WWW)等服務(wù)，在這一層執(zhí)行大多是成套的應(yīng)用程序。

(二)構(gòu)建多元化的標(biāo)準(zhǔn)

一是電氣工程生命周期信息標(biāo)準(zhǔn)化，信息得以共享利用，有效減少信息重復(fù)建置的情形，并提供開(kāi)發(fā)電氣工程相關(guān)產(chǎn)業(yè)電腦應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)環(huán)境，全面提升產(chǎn)業(yè)信息化程度；二是借助信息基礎(chǔ)電氣工程刺激市場(chǎng)機(jī)制，帶動(dòng)電氣工程相關(guān)產(chǎn)業(yè)信息化作業(yè)流程改造，提升產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)；三是建立一個(gè)公開(kāi)、透明的工作環(huán)境，提供整合共享資料庫(kù)及標(biāo)準(zhǔn)交換界面，使工程信息得以互通共享，降低工程成本；四是經(jīng)由報(bào)表及標(biāo)準(zhǔn)界面整合，避免廠商必須針對(duì)不同業(yè)主開(kāi)發(fā)不同的管理及維護(hù)軟件的弊端，以降低廠商經(jīng)營(yíng)成本；五是經(jīng)由電子投招標(biāo)系統(tǒng)，節(jié)省文件制作相關(guān)費(fèi)及廠商交通往返投標(biāo)所耗費(fèi)的成本。總體而言，就電氣工程行業(yè)的特征來(lái)看，電氣工程從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、營(yíng)運(yùn)及管理維護(hù)等方面的專(zhuān)業(yè)分工界面多且復(fù)雜，若不能有效通過(guò)信息化與標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)整合并管理生命周期中的各種工程信息，易造成各工程單位各行其是、信息重復(fù)建置、浪費(fèi)資源、降低效率、進(jìn)而影響工程品質(zhì)。企業(yè)規(guī)模相對(duì)于其他產(chǎn)業(yè)信息化的程度較低，內(nèi)部信息人才及設(shè)備均呈現(xiàn)出不足的狀況，對(duì)信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)的了解與普及程度較低。因此，為使利用信息水平提升，加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力及提升工程品質(zhì)，建構(gòu)完整的電氣工程行業(yè)信息化系統(tǒng)，來(lái)強(qiáng)化推動(dòng)電氣工程產(chǎn)業(yè)信息化及信息化的能力，是一項(xiàng)刻不容緩的工作。

(三)考慮與原有電氣工程信息系統(tǒng)元件的整合性

在電氣工程自動(dòng)化管理控制中，用戶(hù)端的系統(tǒng)程序與服務(wù)提供者的應(yīng)用服務(wù)器之間必須能夠以PLC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)作溝通，彼此都可以用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)格式的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)信息來(lái)包裝要傳遞的信息與資料，同時(shí)也要能解讀其所收到的信息封包。但因PLC系統(tǒng)服務(wù)元件的引用及呼叫程序可能會(huì)因開(kāi)發(fā)環(huán)境、工具軟件及使用作業(yè)平臺(tái)的不同而出現(xiàn)整合上的問(wèn)題，這方面的問(wèn)題須特別注意。目前PLC系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用上的實(shí)例仍未有完整的測(cè)試及使用經(jīng)驗(yàn)，因此有很多在安全性及服務(wù)元件使用性上的問(wèn)題并沒(méi)有充分的使用經(jīng)驗(yàn)資料可供參考。信息服務(wù)廠商仍專(zhuān)注在技術(shù)整合的工作，以求讓各個(gè)平臺(tái)上的PLC系統(tǒng)的服務(wù)元件能夠順利地的互相溝通運(yùn)作。因此，企業(yè)在選擇PLC系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境平臺(tái)或是決定將PLC系統(tǒng)的技術(shù)導(dǎo)入電氣工程PLC系統(tǒng)時(shí)，除了考量本身技術(shù)開(kāi)發(fā)的成熟度外，還需考量這樣的高新技術(shù)與目前PLC系統(tǒng)整合的困難為何。

[1]李金泉.淺談電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及對(duì)策[J].China's Foreign Trade,2010(24).

[2]霍廣勇,周雄偉,徐廣玲,楊新.接地電阻的測(cè)量與異常現(xiàn)象的分析[J].沙漠與綠洲氣象,2009(S1).

[3]邱雪君.淺議電力系統(tǒng)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化[J].黑龍江科技信息,2010(33).

[4]唐清海.縣級(jí)供電企業(yè)人力資源管理存在的問(wèn)題及對(duì)策[J].科技信息(學(xué)術(shù)版),2006(03).