基于現場總線技術的電氣設備智能控制系統設計

文/李卉

當前，由于常規集散控制系統（DCS）對信號累積的影響不夠顯著，多組電氣設備的運行效率無法有效提升。因此，電氣設備逐漸開始采用以現場總線技術為支撐的智能化控制系統。在硬件方面，智能化控制系統可以通過模擬信號的發送回路，實現對電動機轉速的控制；在軟件方面，智能化控制系統可以采用模糊控制的方法轉換電氣設備信號。此外，本文還通過實驗證明：若采用多組電氣裝置協同工作作為控制條件，以設備的日運轉速率和月運轉速率為指標，則與常規集散控制系統相比，在智能化控制系統下，電氣設備的日運轉速率、月運轉速率分別提高了35.36%和37.21%。

隨著計算機技術的飛速發展，自動化控制技術逐漸在各個行業中推廣開來。自動化控制技術既能對各種工藝、設備的參數進行精確調整，還能有效降低人工、材料消耗，進一步提升生產效率。當前，現場總線技術是自動化領域的前沿技術之一，其可以在計算機網絡中形成一個有效的控制區域，通過微處理器和數據通信等方式，在特定時間內實現多個控制裝置的高效連接。通過該技術，生產廠家可以有效改善電氣設備的運行狀態，提高其工作效率，進而在減少原材料損耗、克服高生產成本難題的同時，實現高精度生產與精準控制的理想效果。簡單來說，現場總線技術的優勢主要有：可利用多個傳送介質來傳送數字信號；單條線路可同時實現對幾十個裝置的控制；兼容常規電纜、光纜、光纖等傳輸媒體，可向需要調整的設備發送數字訊息；以總線為基準，可在不同環境下進行電氣設備的交換，確保用戶集中掌握設備選擇權。

一、電氣設備智能控制系統的硬件設計

筆者基于通信鏈路和控制鏈路的串行特性，將多個信號接收傳感器放置于不同的電子裝置中，以有效縮短信號在主/備用電路中的傳輸時間；同時，筆者還將模擬路徑添加到符合標準的CC-LINK開放式現場總線中，并在位置模塊和裝置變換模塊中的信號發送距離達到最短后，直接將高壓電阻放置到初始電路的接入裝置中。[1]用于傳輸模擬信號的電路設計如圖1 所示。

如圖1 所示，整個信號發送線路共包含兩種級別的切換設備，且這兩種級別的切換設備均可在接收到主要站點發出的信號后，根據信號內容和量級調整轉換燈的狀態和顏色，以此實現對線電壓、線電流的開關控制。在此期間，26V以上的信號電流將自動通過上行線，26V 以下的信號電流則自動通過下行線。在信號轉移時，馬達的轉速會被智能系統控制，以確保主控裝置的相應參數維持在合理范圍之內。

二、電氣設備智能控制系統的軟件設計

（一）用模糊測量方法轉換電氣裝置的信號

在一般情況下，模糊控制方法是從生產實踐中總結出來的。該方法將傳感器的輸出和變化看作是模糊操作產生的誤差，并在此前提下開展模糊推理，其通常對輸出量有一定的要求。因此，在選取輸出量時，筆者首先激發信號，使其根據實際需要完成智能轉化。在電氣設備的運動區域，實際數字輸出信號的數值可用q 來表示。在[0，500]的轉化區間內，筆者基于模糊原理，將量化系數i 添加到方向上（通常，i=5/500=0.01）；在第一次輸入信號后，筆者按時間順序對相關信號進行排列，并將每分鐘同時累計的信號看作是一個集合。隨后，筆者根據以下公式計算出輸入信號的實際值和可變數值。

式中，D 表示兩個類似輸入信號的真實值；DF 表示相似組中的信號改變值；ia 代表每個變量集合的給定區間；qaa則表示在[-50，50]輸出區間內，量化系數模糊處理后的轉換區域。基于此，筆者根據相應轉換間隔重新設置了信號的所屬集合，并按信號變化幅度對其進行排列。最靠近類似信號的變化數值的信號為一組，其他的作為一個整體。當同一條線路上的裝置全部接收到信號后，筆者便能通過對類似數據進行同化或者集中分類，以精確分析電氣設備的運行數據，從而有效減少相同數據在傳輸過程中的疊加次數，進而實現電氣設備的調速驅動。

（二）基于現場總線技術的智能控制變頻傳動

在一般情況下，控制系統可利用現場總線技術來實現轉換。傳統的MCC（電機控制中心）可以直接對需要調速的設備進行變頻控制。其間，其通常會將全部的數字變頻調速裝置與流水線相連接，并在現場總線與基本設備連接后，對轉換后的信號進行數據通信。[2]

此外，考慮到大多數電氣設備在生產和運行過程中會承受較大的負荷，筆者統一調控了調速系統的調速能力，并將每一次的加載倍數控制在2.0；當負荷低于200%時，適當延長同線路設備切換操作的時間。

筆者通過分析不同模擬傳送信號在電動機工作時的轉速，進一步了解了設備運行過程中存在的問題，并對設備變頻器的工作頻率進行科學控制。采用硬件聯機的方式后，筆者對多個模組進行配對，并根據模擬需要提供相應的頻譜轉換能量。隨后筆者發現，當數據交換量較大時，技術人員需要適當增加電纜數量。此外，為滿足不同控制設備的差異化要求，筆者在較小范圍內將電力系統的信號轉換為模擬策略，并采用現場總線技術對生產工藝中的各種設施設備進行分類、匯總和智能控制。

三、實驗結果與分析

（一）準備工作

為了進一步明確本文所述的智能化控制系統能否在后續使用過程中有效降低維修成本，筆者決定采取實驗的方法進行驗證和分析。在前期準備階段，筆者決定將各實驗裝置的運行速度作為參數，然后進行全負載運行實驗。

首先，筆者選取了一條新的生產流程線，并將該實驗線的日常生產量控制在2t 以上，耗電功率控制在45～65kW。同時，該實驗線上的原材料已于2022 年9月全面投入生產，證實了該實驗線具備一定的生產能力。隨后，筆者在開展全負載運行實驗之前，對選定的10組裝置的參數進行了科學設置，具體內容見表1。

表1 10 組實驗裝置參數設定

表2 不同控制系統下設備日/月運行速率結果對比

在本次實驗中，每三組相鄰設備處于同一條生產線，剩余一組電氣設備單獨處于一條生產線，且該組相對獨立的生產線的產量為其他三條生產線產量的總和。結合表1數據可知，受生產線路較長的影響，將OPC 通信設備加入每一個正在運行的電子設備中，可以高效接收來自不同設備發出的信號。基于此，筆者結合變頻傳動和遠程控制的方式，進一步測試了這10 組設備的運行速率。

（二）實驗結果分析

為了比較在相同操作環境下常規集散控制系統與本文設計的控制系統的實際效果，筆者借助MATLAB 軟件驗證了生產模型的可操作性，并測量了實驗線上的設備在日、月兩種周期內的運行速率。經實驗，筆者發現，當功率設定為55kW 時，同一生產線路上的設備運行時間相同，且生產效率均滿足當日生產要求。同時，各實驗裝置的可靠性系數都在99.87以上。這表明，此次實驗所獲取的數據具備較高的精準度。在本次實驗中，筆者在相同時刻對上述流水線進行了6 次實驗，相關測試結果如表2 所示。

由表2 可以看出，本文設計的控制系統的設備日運行速率的最大值為98.67%、月運行速率的最大值為97.42%，整體表現明顯優于常規集散控制系統。經計算，在同等條件下，本文設計的控制系統的日均運行速率分別為98.63%和97.39%。與常規集散控制系統相比，該控制系統的日/月平均運行速率分別高出35.36%和37.21%。這表明，本文所設計的新型控制系統可有效提高電氣設備的運行效能，進而實現對電網的科學調控。

四、結語

綜上所述，本文基于自動化技術探討并設計出一種基于現場總線技術的電氣設備智能化控制系統。該系統突破了傳統單點在線方式的限制，為降低電氣設備生產和后期維修的工作量、實現精準智能化管控奠定了堅實的基礎。