智能化電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

車(chē)海洋

（江蘇杭鋼精密鋁業(yè)有限公司，江蘇 溧陽(yáng) 213300）

0 引 言

隨著我國(guó)PLC、單片機(jī)等技術(shù)廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備，電氣設(shè)備的智能化水平得到了質(zhì)的飛躍。智能化電氣設(shè)備不僅給人們的日常生活帶來(lái)了極大便利，而且通過(guò)采用數(shù)學(xué)算法、PLC等技術(shù)，在方便相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行管理的同時(shí)，設(shè)備自身可以分析診斷故障，以便技術(shù)人員快速正確地做出相關(guān)處理，降低故障帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。可以說(shuō)，智能化是電氣設(shè)備的必然發(fā)展趨勢(shì)。

1 智能電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)要求

電氣設(shè)備的智能化主要是電氣設(shè)備的控制系統(tǒng)采用CPU、單片機(jī)等作為芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的監(jiān)測(cè)、控制、故障診斷等操作。電氣設(shè)備的操作簡(jiǎn)單、管理方便，同時(shí)可以將多個(gè)電氣設(shè)備進(jìn)行集中管理。智能化電氣設(shè)備在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用最為突出。由于電力系統(tǒng)中的各個(gè)電氣設(shè)備是在高壓環(huán)境下工作，為了電氣設(shè)備正常穩(wěn)定工作，需要對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，而智能化電氣設(shè)備的特點(diǎn)很好地滿(mǎn)足了需求。例如，繼電保護(hù)裝置、變壓器主保護(hù)裝置、遠(yuǎn)程監(jiān)控、輸電線(xiàn)路故障診斷系統(tǒng)等，都屬于智能化電氣設(shè)備。

智能化電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)主要由現(xiàn)場(chǎng)信息采集、數(shù)據(jù)處理、指令輸出等部分組成。其中，現(xiàn)場(chǎng)信息采集模塊主要是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備的運(yùn)行工況信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理部分主要是對(duì)采集的信息數(shù)據(jù)根據(jù)需求進(jìn)行處理分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。指令輸出主要是操作人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況結(jié)合實(shí)際需要通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作。

2 智能化電氣設(shè)備的特點(diǎn)

智能化電氣設(shè)備可以通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的電氣設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。因此，智能化電氣設(shè)備主要具有以下特點(diǎn)。

2.1 統(tǒng)一的支撐平臺(tái)

智能化電氣設(shè)備可以劃分為支撐平臺(tái)和應(yīng)用軟件兩部分。其中，支撐平臺(tái)主要是指網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫(kù)、報(bào)表系統(tǒng)等；應(yīng)用軟件主要是指操作軟件、現(xiàn)場(chǎng)指令執(zhí)行系統(tǒng)、指令傳輸系統(tǒng)等。隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，目前已經(jīng)可以支撐平臺(tái)和應(yīng)用軟件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，將電氣設(shè)備所有平臺(tái)進(jìn)行集中化，有效地實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一操作界面、維護(hù)修改和管理等功能。

2.2 系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)共享

設(shè)計(jì)時(shí)，電氣設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的共享，同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)允許一些特定的軟件進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，如EXCEL、TXT等。

2.3 基于商用數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)

目前，大多數(shù)智能化電氣設(shè)備的控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)為了提高系統(tǒng)的開(kāi)放性，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)多采用較為常用的商用數(shù)據(jù)庫(kù)。商用數(shù)據(jù)庫(kù)不僅具有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接口，而且與其他系統(tǒng)具有良好的兼容性。

2.4 基于實(shí)時(shí)信息和圖形的系統(tǒng)

智能化電氣設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的信息采集模塊可以對(duì)電氣設(shè)備的運(yùn)行工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將信息傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。控制系統(tǒng)的處理器進(jìn)行處理分析后，將現(xiàn)場(chǎng)的信息和圖像在軟件中給予顯示處理。

3 智能電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)

3.1 操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著微處理器（CPU）功能的不斷強(qiáng)大，絕大多數(shù)情況下，微處理器控制系統(tǒng)中接有多個(gè)子系統(tǒng)，即微處理器需要同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)。CPU在處理多個(gè)任務(wù)時(shí)，需要采用合適的任務(wù)調(diào)度方式。目前，任務(wù)調(diào)度方式主要包括占先式、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)、搶占式以及非占先式。占先式的調(diào)度方式在操作系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛。此方式可以使芯片根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先等級(jí)調(diào)度任務(wù)，使多個(gè)任務(wù)能夠得到及時(shí)處理，從而保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性[1]。

3.2 任務(wù)的劃分和設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在處理任務(wù)時(shí)需要根據(jù)優(yōu)先級(jí)調(diào)度任務(wù)。同樣，在任務(wù)劃分和設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行設(shè)定。智能化電氣設(shè)備任務(wù)劃分和設(shè)計(jì)如圖1所示。所有任務(wù)在CPU中等待處理時(shí)，都處于等待狀態(tài)。當(dāng)被其他任務(wù)、中斷等喚醒后，它將會(huì)轉(zhuǎn)換成就緒狀態(tài)。就緒狀態(tài)是指任務(wù)已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，隨時(shí)可以運(yùn)行。由于進(jìn)行了任務(wù)的優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)，任務(wù)從就緒狀態(tài)到運(yùn)行狀態(tài)還需要經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)審核，而任務(wù)將會(huì)依據(jù)優(yōu)先級(jí)的高低依次進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 智能電氣任務(wù)的劃分和設(shè)計(jì)

3.3 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能化電氣設(shè)備的實(shí)時(shí)性主要依靠系統(tǒng)采用占先式的優(yōu)先級(jí)調(diào)度方式實(shí)現(xiàn)，而傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，這也是采用CPU的嵌入式與傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別。雖然優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)具有較高的優(yōu)先等級(jí)，但是優(yōu)先級(jí)只有任務(wù)需要時(shí)才會(huì)被激活。因此，操作系統(tǒng)在處理任務(wù)時(shí)優(yōu)先級(jí)任務(wù)所需要占用的時(shí)間非常少。嵌入式操作系統(tǒng)信息傳輸過(guò)程中無(wú)法對(duì)優(yōu)先級(jí)任務(wù)進(jìn)行識(shí)別，導(dǎo)致信息在操作系統(tǒng)傳輸中具有不確定性。因此，在嵌入式系統(tǒng)中將優(yōu)先級(jí)較高的任務(wù)設(shè)計(jì)成優(yōu)先通過(guò)，即與CPU任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)一樣，這樣不但可以有效減少信息傳輸?shù)牟淮_定性，而且只有需要時(shí)才激活優(yōu)先級(jí)傳輸。優(yōu)先級(jí)傳輸所占用的時(shí)間較少，可降低傳輸網(wǎng)絡(luò)中一些不必要的響應(yīng)[2]。

集中在嵌入式操作系統(tǒng)中的所有子系統(tǒng)與控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換時(shí)，都采用優(yōu)先級(jí)設(shè)定時(shí)，當(dāng)擁有優(yōu)先級(jí)較高的任務(wù)需要進(jìn)行傳輸交換時(shí)，無(wú)論此時(shí)是否在進(jìn)行傳輸任務(wù)都會(huì)中斷，并立即激活優(yōu)先級(jí)別最高的傳輸任務(wù)，從而降低信息傳輸過(guò)程中的不確定性，有效實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

4 智能電氣設(shè)備在建筑中的應(yīng)用

隨著我國(guó)城市智能化建筑和小區(qū)的建設(shè)增多，人們對(duì)電氣設(shè)備的智能化要求也越來(lái)越高。因此，智能化電氣設(shè)備已經(jīng)在建筑中全面應(yīng)用，尤其是在建筑電氣工程、電氣設(shè)備故障檢測(cè)分析、電氣設(shè)備優(yōu)化等方面發(fā)揮了重大作用。它不僅提高了電氣設(shè)備的自動(dòng)化、智能化管理水平，而且為電氣設(shè)備的精細(xì)化管理、故障檢修、優(yōu)化等提供了便利。

4.1 在建筑電氣工程方面的應(yīng)用

隨著自動(dòng)化和智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，電氣設(shè)備的功能不斷拓展，導(dǎo)致電氣設(shè)備的操作越來(lái)越復(fù)雜。但是，電氣設(shè)備是由高精細(xì)化設(shè)備組成，要求對(duì)設(shè)備進(jìn)行精細(xì)化管理。在建筑電氣工程中，電氣系統(tǒng)的復(fù)雜性，往往會(huì)在這部分頻繁出現(xiàn)故障。為了實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的精細(xì)化管理，減少設(shè)備的故障發(fā)生頻率，需融合計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成電路技術(shù)、智能化技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)建筑電氣工程的電氣設(shè)備進(jìn)行控制管理，從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理[3]。

4.2 在建筑電氣設(shè)備故障檢測(cè)分析方面的應(yīng)用

電氣設(shè)備采用了遙感技術(shù)、傳感技術(shù)等智能化技術(shù)，一旦發(fā)生故障，通過(guò)智能技術(shù)可以及時(shí)進(jìn)行故障檢測(cè)分析，快速檢測(cè)故障發(fā)生的位置以及原因，以幫助技術(shù)人員快速準(zhǔn)確找到故障，并為設(shè)備的維修提供指導(dǎo)。這不僅可以減少電氣設(shè)備的維修時(shí)間，降低電氣設(shè)備因故障而停止工作的時(shí)間，而且提高了電氣設(shè)備的可靠運(yùn)行時(shí)間和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 在建筑電氣設(shè)備優(yōu)化方面的應(yīng)用

智能化技術(shù)在電氣設(shè)備優(yōu)化方面還存在一定優(yōu)勢(shì)。首先，在智能電氣設(shè)備優(yōu)化遺傳算法方面有一定的優(yōu)勢(shì)。其次，智能化電氣設(shè)備的專(zhuān)家系統(tǒng)可以對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行有效控制。通常，為了取得更好效果，將智能化電氣設(shè)備的專(zhuān)家系統(tǒng)與遺傳算法結(jié)合使用。通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等方法，對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，這也是一種比較科學(xué)的方法。通過(guò)主機(jī)的甄別和擴(kuò)展，可以有效提高運(yùn)算速度，進(jìn)而提高電氣設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性[4]。

5 結(jié) 論

我國(guó)的智能化電氣設(shè)備已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍和提升。這些已經(jīng)和電腦技術(shù)相聯(lián)系的電氣設(shè)備，較普通電器更靈敏，大大便利了人們的生活。電氣設(shè)備智能化是專(zhuān)用操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行的結(jié)果，因此我國(guó)科學(xué)家在不斷更新和探究更加有效的智能化設(shè)計(jì)，以便計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)滲透各個(gè)領(lǐng)域，全面實(shí)現(xiàn)各領(lǐng)域的智能化管理。

參考文獻(xiàn)：

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