基于PLC 工程的機械電氣設備安全控制系統研究分析

陳鼎淇

（國營長虹機械廠，廣西 桂林 541003）

在機械電氣設備運行過程中，最常出現的安全問題包括：設備開關安裝過程中出現誤動操作造成設備運行效果受到影響；設備斷路器結構的裝配及安裝方式不合理，造成設備合閘速度降低，出現觸頭損壞問題；設備安全保護裝置受影響產生拒絕動作；設備中變壓器結構保護絕緣層損壞，出現爆炸事故等[1]。當前，PLC 工程的接線端口通常采用可以拆卸的方式，因此能夠為相關作業人員在完成PLC 編程后，提供更加有效的維修工作方式[2]。本文結合PLC 工程控制裝置，對其控制系統進行優化設計研究。

1 系統硬件設計

為了確保機械電氣設備在運行過程中不會出現上述問題，本文在引入PLC 工程的基礎上，針對其控制系統進行設計研究。將PLC 工程工業控制裝置作為本文控制系統當中的核心硬件，構建如圖1 所示的安全控制系統硬件結構圖。

圖1 安全控制系統硬件結構圖

從圖1 可以看出本文安全控制系統的硬件結構按照功能可分為三個不同層次[3]。其中站控層主要針對各個機械電氣設備應用管理控制站建立，其作用是實現各個控制站通過本文控制系統與設備的連接，依次為運行數據采集和傳輸提供條件，也為各個設備的控制提供場所。通信控制層為本文系統核心硬件層，其主要設備包括通訊管理機和PLC 工程工業級控制裝置。間隔層包含了各類需要進行安全控制的機械電氣設備以及用于實現對設備安全控制的保護裝置和其他智能裝置，為達到理想的安全控制效果。

1.1 PLC 工程工業級控制裝置選型

在綜合考慮生產廠家、結構分類和使用性能等方面后，選擇型號為TSX4956-910 型號PLC 工程工業控制裝置，該型號PLC 裝置的額定電流為180A，額定電壓為350V±15%，殼體防護采用IP56 等級。該型號PLC 裝置應用到對機械電氣設備的保護當中能夠為設備提供多重保護，可實現對機械電氣設備的過熱保護、輸入輸出缺相保護、三相不平衡保護、過載保護等共八大保護功能。還具備更高性能的CPU，可滿足本文安全控制系統的運行需要[4]。在運行過程中TSX4956-910 型號PLC 裝置的電流十分穩定，并且散熱能力強，其自身的安全性足以得到保障。在該型號PLC 裝置當中還安裝了LED 智能顯示屏，可方便操作人員通過顯示屏直接對設備的運行狀態進行查看。

1.2 綜保裝置選型

綜保裝置可直接實現對機械電氣設備的安全保護，針對設備的運行特點，本文選用型號為AM2-V1750 型號的微機保護裝置作為本文系統當中的綜保裝置[5]。該型號保護裝置包含了20 路通道和一個RS485 通訊接口，其中1 路～5 路為交流電流通道；6 路～8 路為電壓通道；9 路～16 路為開關量輸入通道；17路～20 路為開關量輸出通道。表1 為AM2-V1750 型號微機保護裝置技術指標參數對照表。

表1 AM2-V1750 型號微機保護裝置技術指標參數表

除表1 中該型號微機保護裝置技術指標能夠充分滿足本文控制系統的需要外，其針對電氣設備的各類故障問題均能夠在裝置上標出相應的指標，并在系統監測到機械電氣設備存在故障問題時，發出語音報警。在完成對設備的保護后能夠保持故障自鎖狀態，并能夠發出相應的語音報警聲，以此增加安全控制系統的及時性。

2 系統軟件設計

2.1 機械電氣設備運行狀態判斷

由于影響設備運行狀態的程度不同，對其造成影響的程度也不同。因此，在遵循狀態反應精準度的原則下，對設備運行狀態判斷因素進行選擇[6]。考慮到各個判斷因素的重要程度，將其劃分為一級判斷因素和二級判斷因素兩類。其中，一級判斷因素主要包括機械電氣設備運行因素、檢修因數和停運因素；二級判斷因素主要包括歷史檢修數據、負載程度、短路斷路、操作過壓等。考慮到不同因素數據的變化與機械電氣設備運行狀態之間的關系存在正向和反向兩種，因此針對存在正向相關關系的因素得出其運行狀態判斷依據公式為：

公式（1）中，T 表示為機械電氣設備運行狀態參數；Pn表示為設備運行過程中的實測數據；P0表示為設備對應指標下的允許值；Pmax表示為設備對應指標下的允許最大值；t 表示為影響程度系數。根據上述公式，計算得出與設備運行狀態正向相關的運動狀態參數。假設χ 表示為機械電氣設備的狀態閾值，當T>χ 時，則說明此時被控制的機械電氣設備的運行狀態為故障運行狀態；當T<χ 或T=χ 時，則說明此時被控制的機械電氣設備的運行狀態為正常運行狀態。再針對存在反向相關關系的因素得出其運行狀態判斷依據公式為：

公式（2）中，T'表示為機械電氣設備運行狀態參數；Pmin表示為設備對應指標下的允許最小值。根據上述公式（2），計算得出與設備運行狀態反向相關的運動狀態參數。同樣按照上述方式，將計算結果與閾值進行對比，以此實現對機械電氣設備運行狀態的判斷。

2.2 機械電氣設備模糊PID 控制

應明確模糊PID 控制屬于控制過程中的一種綜合控制方法，控制過程的基本思想是基于計算機技術的應用，通過模擬神經元的方式，實現對前端的有效控制，但大多被控對象是需要遵循某種控制原則的，因此，控制的結果具有一定隨機性與模糊性[7]。而要在此過程中確保控制行為的有效，應當從信息接口與輸入端進行信息的模糊化表達。信息在經過模糊端被傳輸時，可以推理機將進行信息值的實際化處理，此時后端將調用知識接口進行信息規則的制定，當信息與知識庫內某個信息匹配成功后，可直接按照知識庫內既定的控制模式，進行控制量的轉化，轉化后輸出控制的實際量，以此作為模糊PID 控制的結果。在控制過程中，其流程可用如下公式表示：

公式（3）中，u（t）表示為模糊PID 控制輸出值；K 表示為比例系數；e（t）表示為控制過程中產生的誤差值。根據上述公式計算，將其輸出結果作為控制參數，實現對機械電氣設備的安全控制。但在實際應用中，大部分導入的信息無法與知識庫中的內容進行對接，因此，需要對信息進行對接過程中偏差值的分析，通過偏差分析后，得到一個具體的數值P，P 被導入控制器中。此時控制器中的規則將根據實際規則進行參數的在線調整，調整后的參數屬于一個模糊量，而執行機構將根據輸入模糊量參數進行控制量的求解。可在計算前進行設備運行過程中靜態誤差的消除，避免靜態誤差過大造成的設備運行振蕩與信號偏差。綜合上述分析，實現對機械電氣設備的模糊PID 控制，完成本文系統軟件功能的開發。

3 兩種控制系統應用效果分析

結合本文以上論述，從硬件和軟件兩方面實現對安全控制系統的理論設計，為了驗證該系統的實際應用效果，選擇將傳統基于FPGA 的控制系統作為對照組，將本文設計系統作為實驗組，并通過設置對照條件的方式，對兩種控制系統的應用效果進行對比分析。選擇將某工業生產企業當中常見的機械電氣設備作為研究對象，已知該設備常見的安全故障問題包括過載、堵轉等，本文選擇將機械電氣設備的堵轉作為兩種控制系統需要進行控制的安區前問題。通過人為方式對機械電氣設備進行堵轉，并觀察兩種控制系統的運行情況。為了實現對兩種控制系統的對比，選擇利用示波器裝置對兩種系統控制下的機械電氣設備運行過程中電流的變化情況進行記錄，再利用計時裝置對兩種控制系統的反應時間記錄，并將兩組記錄的數據結果繪制成表2 所示。

表2 實驗組與對照組控制系統應用效果對比表

從表2 記錄的數值結果可以看出，實驗組控制系統在對設備出現運行堵轉安全問題進行控制時，能夠確保設備的運行電流始終控制在16.23A 上下波動，并且波動范圍不超過±0.02A，而對照組控制系統在對設備出現運行堵轉安全問題進行控制時，其電流值發生了較大的變化，設備的運行穩定性沒有得到有效保障。從兩種控制系統的反應時間可以看出，在發現機械電氣設備出現運行堵轉的問題時，本文控制系統的反應時間均在25ms 以內，而傳統控制系統的反應時間在40ms～60ms 范圍內。因此，通過上述實驗能夠進一步證明，本文設計的安全控制系統在實際應用中能夠實現對機械電氣設備安全問題的有效控制，在發現設備存在安全問題時，可以在第一時間對其進行合理控制，從而保證設備的穩定運行，避免安全問題對周圍及設備本身造成影響。通過實驗也能夠證明，引入PLC工程工業級控制裝置后，控制系統的應用性能得到充分提升，為機械電氣設備的運行提供技術條件。

4結論

通過本文上述論述，在明確機械電氣設備存在的常見安全問題后，在此基礎上對其從硬件和軟件兩方面進行設計，并提出一種以PLC 工程工業級控制裝置為核心結構的安全控制系統。將該安全控制系統與傳統基于FPGA 的控制系統進行對比實驗，進一步驗證了新的控制系統具有更理想的控制效果。將該控制系統應用到對機械電氣設備的安全控制當中，能夠對設備出現故障的第一時間對其運行狀態進行判斷，并通過模糊PID 控制對設備安全問題進行處理，以此確保設備始終保持穩定的狀態運行。但由于研究能力有限，本文提出的控制系統在實際應用中雖然能夠提高設備的運行穩定性，但在控制過程中，系統需要完成較多的計算操作任務，因此控制效率還需要進一步優化。在后續的研究中將把這一問題作為重點研究方向，從而不斷提高控制系統的應用性能。