基于智能化的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

黃耀華

（江蘇省淮安技師學(xué)院， 江蘇 淮安 223001）

0 引言

運(yùn)用電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠提高電氣工程自動(dòng)化和工程智能水平，還能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化識(shí)別、生產(chǎn)、自動(dòng)化優(yōu)化，提高企業(yè)效益、競(jìng)爭(zhēng)力。利用智能技術(shù)，能夠拓展電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，提高自動(dòng)化功能，創(chuàng)建穩(wěn)定的自動(dòng)化系統(tǒng)。將智能技術(shù)應(yīng)用到電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作流程，提升系統(tǒng)控制器性能，降低運(yùn)行成本，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)

電氣系統(tǒng)有大量的子模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)集中控制和信號(hào)轉(zhuǎn)換，通過(guò)光纖、網(wǎng)絡(luò)等方式傳輸信息，調(diào)整各模塊的運(yùn)行情況，平衡模塊功能，降低環(huán)境干擾，系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要遵循擴(kuò)展性、兼容性和穩(wěn)定性原則[1-2]。

使用智能化電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠改變傳統(tǒng)電氣控制模式，利用智能技術(shù)編寫(xiě)程序，從而降低人工控制時(shí)間和工序，還能夠根據(jù)電腦實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，系統(tǒng)流程如圖1 所示。電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，要求工作人員具備良好的綜合素質(zhì)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)，通過(guò)智能技術(shù)編寫(xiě)程序進(jìn)行智能化控制，才能將智能技術(shù)的作用充分發(fā)揮出來(lái)。人工被電氣設(shè)備智能化操作所替代，在提高工作效率的同時(shí)，降低了人工成本。電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集和傳輸

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中使用智能技術(shù)，促進(jìn)了由人工處理數(shù)據(jù)朝著設(shè)備處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變，提高了設(shè)備自動(dòng)化水平。要想提高自動(dòng)控制水平，首先要保證輸入的信號(hào)數(shù)據(jù)安全、合理、可靠。因此，在收集數(shù)據(jù)的過(guò)程中，要結(jié)合智能測(cè)控技術(shù)和數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)，集中獲取數(shù)據(jù)，通過(guò)提高測(cè)量設(shè)備的測(cè)量精度，全面掌握系統(tǒng)中設(shè)備反饋信號(hào)的內(nèi)容，精準(zhǔn)反饋信息，確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

信息傳輸為雙向傳輸，利用通信設(shè)備和軟件對(duì)信息進(jìn)行接收和傳輸，傳輸流程見(jiàn)圖3。通過(guò)電纜和光纖可實(shí)現(xiàn)電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸，根據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)型、多少和傳輸距離選擇傳輸設(shè)備。在保證傳輸效率的同時(shí)，避免數(shù)據(jù)丟失，提高經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收處理和下發(fā)指令，保證各部件能夠穩(wěn)定運(yùn)行。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)法通過(guò)控制器處理數(shù)據(jù)，要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)[4]。

圖3 信息傳輸流程

2.2 電氣自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)智能電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)時(shí)，重點(diǎn)是將人工智能技術(shù)應(yīng)用到電氣工程控制中，提高電氣系統(tǒng)的控制精度。目前，控制系統(tǒng)中的智能控制技術(shù)包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自學(xué)習(xí)和專(zhuān)家系統(tǒng)等。將此智能控制技術(shù)對(duì)比傳統(tǒng)PID 控制算法，通過(guò)智能技術(shù)對(duì)復(fù)雜非線性問(wèn)題進(jìn)行求解，提高求解精度[5]。圖4 為模糊控制構(gòu)成，根據(jù)模糊邏輯推算規(guī)則和計(jì)算控制系統(tǒng)創(chuàng)建數(shù)字化控制系統(tǒng)。

圖4 模糊控制構(gòu)成

電氣自動(dòng)化控制的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)電力負(fù)荷的監(jiān)控與管理，隨著用電規(guī)模不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)也越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)限電方式對(duì)用電負(fù)荷進(jìn)行管理的方法無(wú)法滿足人們的用電需求，還會(huì)造成設(shè)備損傷。為了滿足新的變化需求，要對(duì)傳統(tǒng)負(fù)荷管理模式進(jìn)行創(chuàng)新。根據(jù)預(yù)案與規(guī)定對(duì)電力供應(yīng)分配進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化編程，通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)提高電力供應(yīng)經(jīng)濟(jì)化和集約化，使電力使用效能得到提高，實(shí)現(xiàn)設(shè)備安全運(yùn)行。通過(guò)信息技術(shù)橋梁作用融合配電系統(tǒng)和負(fù)荷控制系統(tǒng)，為用電單位提供服務(wù)[6]。

2.3 電氣自動(dòng)化通訊方式

通訊系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到電氣自動(dòng)化控制中，主要是因?yàn)殡姎庾詣?dòng)化控制系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量比較大，通訊方式復(fù)雜并且多樣化。在實(shí)際操作中，要結(jié)合用戶的特點(diǎn)選擇適當(dāng)?shù)耐ㄓ嵎绞健ｋ娏Σ块T(mén)利用無(wú)線、有線的方式進(jìn)行通訊，之后再細(xì)化分解。有線通訊主要包括專(zhuān)線和電話線。電話線的通訊成本和可靠性比較低，時(shí)效性差。但是，電話線連接比較方便，被廣泛應(yīng)用到對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較低的配電終端中。利用專(zhuān)線方式通訊可提高通訊的可靠性與安全性，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊。但是，需要額外設(shè)置線路，運(yùn)行成本高，可滿足高實(shí)時(shí)性的配電終端需求。通過(guò)普通電臺(tái)通訊實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷控制和管理，運(yùn)行可靠性差，成本比較低，能夠應(yīng)用到可靠性要求低的配電終端中。高速智能化電臺(tái)通訊效果比較好，傳輸速率比較高，能夠自由選擇路由，還能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)上報(bào)，具有良好的可靠性和安全性。但是，成本比較高，可滿足對(duì)可靠性要求高的配電終端需求[7]。

2.4 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)設(shè)計(jì)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的監(jiān)控模塊，自動(dòng)化控制系統(tǒng)使系統(tǒng)的每個(gè)基站都成為子站。在子站中設(shè)置控制裝置和數(shù)據(jù)檢測(cè)設(shè)備，能夠保證子站設(shè)備檢測(cè)和控制的安全穩(wěn)定性。另外，子站還能夠在大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)中發(fā)送收集的數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)對(duì)接收的子站信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，得到部分環(huán)境信息。通過(guò)智能化監(jiān)控平臺(tái)，傳輸數(shù)據(jù)處理結(jié)果，下達(dá)各子站指令，實(shí)現(xiàn)子站智能化管控。

2.5 PID 和模糊切換控制

PID 控制具有可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到工業(yè)控制中。但是，此控制方法抗干擾能力不足，尤其是在電氣生產(chǎn)系統(tǒng)中具有時(shí)變性、強(qiáng)干擾的特點(diǎn)。此時(shí)，無(wú)法有效創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型，使用自動(dòng)控制算法的效果不好。相反，具備長(zhǎng)期操作經(jīng)驗(yàn)的工作人員能夠利用手動(dòng)方式有效控制系統(tǒng)。模糊控制能夠利用算法處理人工操作經(jīng)驗(yàn)，并有效控制系統(tǒng)。

在PID 和模糊切換控制系統(tǒng)中，PID 控制器能夠得到良好的穩(wěn)態(tài)性能，模糊控制器能夠得到良好的動(dòng)態(tài)性能。系統(tǒng)偏差變化率和偏差值決定PID 和模糊切換控制器輸出的重要參數(shù)，因此，要全面分析此參數(shù)。在系統(tǒng)偏差較小時(shí)候，系統(tǒng)使用PID 控制器。在系統(tǒng)偏差較大時(shí)候，可以使用模糊控制器，在控制器切換過(guò)程中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)準(zhǔn)確控制[8]。

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)連鑄機(jī)程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的測(cè)試。

3.1 PLC 程序設(shè)計(jì)

一般情況下，在程序設(shè)計(jì)前要尋找合適的算法。以中間包車(chē)自動(dòng)行走程序?yàn)槔瑢?duì)PLC 程序的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行分析。

1）控制需求。在連鑄機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中，中間車(chē)要在渣盤(pán)、澆筑和預(yù)熱側(cè)實(shí)現(xiàn)自由行走。通過(guò)接近開(kāi)關(guān)對(duì)硬件系統(tǒng)中的停止工位進(jìn)行檢測(cè)，為了避免損傷到停止位限位開(kāi)關(guān)，設(shè)置了極限位置開(kāi)關(guān)，可精準(zhǔn)控制中間包車(chē)行走定位，如圖5 所示。

圖5 中間包車(chē)行走過(guò)程

2）解決思路。對(duì)中間包車(chē)行走過(guò)程進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)典型變頻器調(diào)速控制電機(jī)的正反型模型。要充分考慮程序中控制電機(jī)起停、旋轉(zhuǎn)方向和速度等控制，實(shí)現(xiàn)變頻器參數(shù)的控制。

3）程序設(shè)計(jì)。PLC 程序設(shè)計(jì)方式多樣化，為了實(shí)現(xiàn)程序的可移植性、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，將包車(chē)行走范圍劃分成為17 個(gè)工位。定義預(yù)熱側(cè)停止位為4，在中間包車(chē)往右運(yùn)行的時(shí)候，離開(kāi)預(yù)熱側(cè)停止位為5。在程序中設(shè)置幅值，通過(guò)掃描周期實(shí)現(xiàn)中間包車(chē)目的地和當(dāng)前位置值的對(duì)比，以對(duì)比結(jié)果決定中間包車(chē)行走范圍和停車(chē)，圖6 為程序流程。

圖6 程序流程

圖6 中的X為程序中中間包車(chē)目的地值，Y為當(dāng)前位置值。當(dāng)X＞Y時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，中間包車(chē)向右運(yùn)行。當(dāng)X＜Y時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，中間包車(chē)左運(yùn)行。當(dāng)X＝Y(jié)時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)運(yùn)行。另外，也可用此方法對(duì)中間包車(chē)的運(yùn)行速度進(jìn)行控制，PLC 程序中的掃描周期能夠?qū)和X進(jìn)行對(duì)比，|X-Y|＜2 時(shí)，為慢速運(yùn)行，|X-Y|＞3時(shí)，為快速運(yùn)行。

3.2 程序調(diào)試

PLC 程序調(diào)試能夠?qū)Τ绦蜻M(jìn)行測(cè)試，查找和修改錯(cuò)誤，包括邏輯效果測(cè)試、語(yǔ)法檢查與輸入輸出檢查等。

1）仿真調(diào)試。利用計(jì)算機(jī)軟件、仿真軟件調(diào)試程序，由于中斷事件與特殊模塊無(wú)法進(jìn)行仿真，故進(jìn)入聯(lián)機(jī)調(diào)試。

2）聯(lián)機(jī)調(diào)試。利用PLC 技術(shù)進(jìn)行調(diào)試，但是沒(méi)有連接實(shí)際設(shè)備。在此過(guò)程中，通過(guò)調(diào)試能夠解決PLC通信和計(jì)算機(jī)的問(wèn)題，下載程序，實(shí)現(xiàn)PLC 實(shí)現(xiàn)操作，對(duì)PLC 數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行查看。

3）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。將工業(yè)場(chǎng)所中的全部設(shè)備都安裝、連線、進(jìn)行調(diào)試，屬于PLC 程序最后調(diào)試。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的工作人員比較多，如果操作不當(dāng)就會(huì)損壞到設(shè)備，因此，要在調(diào)試過(guò)程中，逐漸加電、加載，最終達(dá)到額定的條件。

1）全面檢查地址、接線，保證正確無(wú)誤。

2）檢查模擬量的輸入、輸出，對(duì)模塊設(shè)定的正確性進(jìn)行分析，必要的時(shí)候使用標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)輸入、輸出精度進(jìn)行檢查。

3）檢查測(cè)試指示燈。

4）檢查手動(dòng)動(dòng)作和邏輯控制關(guān)系。

5）實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)工作：在調(diào)試過(guò)程中步步推進(jìn)，直到實(shí)現(xiàn)控制周期。

6）自動(dòng)進(jìn)行工作：在半自動(dòng)調(diào)試后之后觀察工作循環(huán)，保證系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地連續(xù)工作。

7）設(shè)置參數(shù)和模擬量調(diào)試。

8）根據(jù)可靠、正確、省時(shí)的原則修改程序。

9）最后對(duì)異常條件進(jìn)行檢查，分析是否出現(xiàn)無(wú)法避免的非法操作。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)自動(dòng)化控制技術(shù)創(chuàng)建穩(wěn)定性自動(dòng)化系統(tǒng)，能夠有效控制安全事故的發(fā)生率，使系統(tǒng)趨于集成化、一體化，避免系統(tǒng)因故障問(wèn)題而停電，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)準(zhǔn)確控制、安全運(yùn)行。