電氣設(shè)備自動化技術(shù)應(yīng)用探究

【關(guān)鍵詞】電氣設(shè)備；自動化技術(shù)；PID控制；性能評估

引言

在電氣工程中，電氣自動化技術(shù)發(fā)揮著十分重要的作用。工業(yè)4.0浪潮興起，電氣設(shè)備自動化系統(tǒng)早已發(fā)生深刻變革，不再是簡單的機械替代品，而是發(fā)展為感知、決策與執(zhí)行三位一體的智能綜合體[1]。這些系統(tǒng)借助尖端控制算法與智能傳感網(wǎng)絡(luò)這對核心技術(shù)組合，一方面有效保障生產(chǎn)效率與穩(wěn)定性，另一方面又顯著削減能耗與運行成本。放眼來看，智能制造與電氣自動化的深度融合催生出眾多應(yīng)用新場景。計算機視覺識別技術(shù)具有精準(zhǔn)的識別能力，遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)打破空間限制，故障預(yù)測性維護(hù)提前防范風(fēng)險。這些技術(shù)正逐步改變工業(yè)生產(chǎn)的傳統(tǒng)模式[2]。電氣自動化技術(shù)正穩(wěn)步發(fā)展，從簡單參數(shù)控制邁向數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能決策新階段，為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了有力支撐。

一、電氣設(shè)備自動化技術(shù)基礎(chǔ)

（一）電氣設(shè)備自動化的技術(shù)架構(gòu)

電氣設(shè)備自動化系統(tǒng)構(gòu)建于四層架構(gòu)之上：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、控制層和應(yīng)用層。感知層如同系統(tǒng)五官，遍布各類傳感器采集數(shù)據(jù)，傳感技術(shù)日新月異，大幅提升了采集精準(zhǔn)度。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)與協(xié)議適配。居中的控制層是系統(tǒng)核心所在，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）與分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）在此協(xié)同運作[3]。頂層應(yīng)用層則提供界面交互與高級功能支持。

評估自動化系統(tǒng)性能，關(guān)鍵指標(biāo)包括響應(yīng)時間、控制精度、故障檢測率及系統(tǒng)可靠性[4]。可靠性指標(biāo)尤顯重要，常通過平均無故障時間（Mean Time Between Failures，MTBF）與平均修復(fù)時間雙指標(biāo)來衡量。表1匯總了各類自動化系統(tǒng)性能參數(shù)，便于直觀對比。

電氣設(shè)備自動化系統(tǒng)的控制算法是實現(xiàn)高精度控制的關(guān)鍵。PID控制是最基礎(chǔ)的控制算法，其控制輸出由比例項、積分項和微分項組成，如公式（1）所示：

u（t）=Kpe（t）+Ki∫t0e（τ）dτ+Kdde（t）dt（1）

其中，u（t）為控制器輸出，e（t）為系統(tǒng)誤差，Kp、Ki和Kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。

PID控制參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整對控制系統(tǒng)性能具有決定性影響。在實際應(yīng)用中，電氣設(shè)備自動化系統(tǒng)往往面臨負(fù)載擾動、外部環(huán)境變化及設(shè)備老化等復(fù)雜因素，傳統(tǒng)PID控制難以兼顧系統(tǒng)的響應(yīng)速度與穩(wěn)定性。因此，在多個工業(yè)場景中逐漸引入更為智能化的控制算法以增強系統(tǒng)適應(yīng)性與魯棒性[5]。

（二）電氣設(shè)備自動化關(guān)鍵技術(shù)分析

電氣設(shè)備自動化的核心技術(shù)有傳感技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)、通信技術(shù)與人工智能技術(shù)。新型傳感器拓寬了數(shù)據(jù)采集疆域，提升了精度。振動分析技術(shù)通過頻譜解析實現(xiàn)故障早期預(yù)警[6]，公式（2）揭示了信號功率譜密度與頻率、觀測時間的關(guān)系：

P（f）=limT→

SymboleB@1T∫T2-T2x（t）e-j2πftdt2（2）

其中，P（f）為信號x（t）的功率譜密度，f為頻率，T為觀測時間。

控制技術(shù)版圖上，自適應(yīng)控制、魯棒控制與智能控制各有千秋。自適應(yīng)控制可實時識別系統(tǒng)參數(shù)變化并自動調(diào)整控制策略，適用于模型不確定性較大或系統(tǒng)動態(tài)特性變化頻繁的場合，如變載荷電機控制與熱工過程調(diào)節(jié)。相比之下，魯棒控制強調(diào)控制系統(tǒng)在不確定性與干擾下的穩(wěn)定性和性能保障，常見于對安全性與穩(wěn)定性要求極高的關(guān)鍵設(shè)備[7]。

在通信技術(shù)方面，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速推進(jìn)帶來了協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)與基礎(chǔ)設(shè)施的深度變革。時間敏感網(wǎng)絡(luò)提供精確的時間同步與流量調(diào)度，使工業(yè)以太網(wǎng)具備實時通信能力，廣泛應(yīng)用于多軸聯(lián)動、運動控制等高實時性場景[8]。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)則引入可編程性和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潇`活配置能力，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源按需分配與集中管理。而5G通信的高帶寬、低時延和廣連接能力則為遠(yuǎn)程工業(yè)監(jiān)控、增強現(xiàn)實輔助維修和分布式控制系統(tǒng)提供了可靠保障，加快了工業(yè)場景的邊緣計算部署和遠(yuǎn)程操作實踐。

數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能分析技術(shù)成為提升電氣設(shè)備運行效率和可靠性的重要手段。大數(shù)據(jù)平臺通過采集、存儲和分析設(shè)備運行數(shù)據(jù)，能提前識別設(shè)備異常趨勢，實現(xiàn)“預(yù)測性維護(hù)”，顯著降低設(shè)備停機時間與運維成本。深度學(xué)習(xí)在設(shè)備視覺檢測、故障圖像識別和語音交互控制等領(lǐng)域表現(xiàn)出超越傳統(tǒng)算法的識別準(zhǔn)確率和泛化能力，推動自動化系統(tǒng)從“感知—分析—決策”一體化閉環(huán)邁向更高級別的智能自主運行體系。

二、電氣設(shè)備自動化技術(shù)應(yīng)用案例

（一）電力系統(tǒng)自動化應(yīng)用

電力系統(tǒng)是電氣設(shè)備自動化技術(shù)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一。變電站自動化系統(tǒng)基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)了保護(hù)、測量和控制功能的一體化。智能變電站采用了三層架構(gòu)，將傳統(tǒng)銅纜替換為光纖通信網(wǎng)絡(luò)。

智能配電網(wǎng)自動化是另一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。饋線自動化系統(tǒng)能自動檢測配電網(wǎng)故障并進(jìn)行隔離和恢復(fù)供電，表2列出了配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)實施效果。

典型案例是某省級電網(wǎng)的調(diào)度自動化系統(tǒng)升級項目。該項目采用了三位一體架構(gòu)，實現(xiàn)了電網(wǎng)運行監(jiān)控和調(diào)度計劃等功能的一體化管理。系統(tǒng)引入D5000調(diào)度平臺，大幅提升了數(shù)據(jù)處理能力和系統(tǒng)響應(yīng)速度。

能量管理系統(tǒng)是電力自動化領(lǐng)域的核心組成部分。它借助狀態(tài)估計與最優(yōu)潮流計算，確保電網(wǎng)運行既穩(wěn)定可靠又經(jīng)濟高效。電網(wǎng)安全分析背后的仿真技術(shù)，本質(zhì)上是解微分代數(shù)方程組的過程，其核心數(shù)學(xué)模型的表達(dá)如公式（3）所示：

x·=f（x，y，u，t）

0=g（x，y，u，t） （3）

其中，x·表示狀態(tài)變量隨時間的變化率，x為狀態(tài)變量向量，y為代數(shù)變量向量，u為控制變量向量，f和g為非線性函數(shù)向量，t為時間。

在實際應(yīng)用中，能量管理系統(tǒng)不僅僅是監(jiān)控平臺，更是融合高級決策與優(yōu)化功能的智能核心。通過狀態(tài)估計功能，系統(tǒng)可實時獲取整個電網(wǎng)的運行狀態(tài)，剔除測量誤差，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性；而最優(yōu)潮流計算則依據(jù)電價、負(fù)荷、發(fā)電能力等多重約束條件，動態(tài)優(yōu)化發(fā)電計劃與潮流分布，兼顧經(jīng)濟性與安全性。仿真技術(shù)作為支撐系統(tǒng)決策的重要工具，采用“微分-代數(shù)”混合模型刻畫電網(wǎng)中動態(tài)過程與約束關(guān)系，既可進(jìn)行短時動態(tài)穩(wěn)定分析，也可模擬極端工況對系統(tǒng)安全的影響。

（二）工業(yè)自動化應(yīng)用

工業(yè)領(lǐng)域是電氣自動化技術(shù)的主戰(zhàn)場。化工行業(yè)尤為突出，其自動化系統(tǒng)偏愛DCS架構(gòu)，靠冗余設(shè)計確保高可靠性。在危險工況下，這一設(shè)計的價值無可估量。

某乙烯廠自動化改造項目極具有代表性。該項目對裂解裝置實施全流程控制，基礎(chǔ)控制與先進(jìn)過程控制并行。圖1展示的裂解爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰呈現(xiàn)了整體設(shè)計。

項目落地后，裂解爐性能顯著提升。溫控精度從±5℃提升±1℃，帶動乙烯產(chǎn)率增長2.3%，能耗下降4.5%。預(yù)測性維護(hù)則是重要技術(shù)手段，計劃外停機時間大幅減少75%，這在連續(xù)生產(chǎn)中意義重大。

鋼鐵熱軋線的多層控制架構(gòu)支撐起自動化應(yīng)用。廣義模型預(yù)測控制技術(shù)精準(zhǔn)優(yōu)化軋制參數(shù)，成效顯著，板厚精度大幅提高40%，合格率高達(dá)99.8%。

汽車廠焊裝線上，軟PLC控制機器人大軍，效率提高35%，焊接一次合格率達(dá)99.5%。且其焊接動作精準(zhǔn)度極高，達(dá)到了較高的工藝水平。

三、電氣設(shè)備自動化系統(tǒng)性能評估與優(yōu)化

（一）自動化系統(tǒng)性能評估方法

評估自動化系統(tǒng)需兼顧技術(shù)與經(jīng)濟兩方面。技術(shù)面有四種特性：功能完備性、響應(yīng)特性、穩(wěn)定性和安全性；經(jīng)濟面主要靠投資回報率（Return on Investment，ROI）和總擁有成本兩個指標(biāo)衡量。ROI的計算如公式（4）所示：

ROI=收益-投資成本投資成本×100%（4）

實操中，電力系統(tǒng)自動化回本期3～5年，工業(yè)自動化更快，2～4年見效。

可靠性分析有兩大重要方法：故障類型與影響分析（Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA）和故障樹分析（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）。FMEA能夠識別系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障模式及影響；FTA則從故障結(jié)果反向追溯原因，分析可能的組合。兩者結(jié)合使用，為系統(tǒng)可靠性提供了有效保障。

運行數(shù)據(jù)分析是評估的重要手段。大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)異常趨勢。

（二）自動化系統(tǒng)優(yōu)化策略

優(yōu)化自動化系統(tǒng)要從硬件、軟件和運維三方面著手。硬件優(yōu)化核心是提升計算與通信能力，分布式架構(gòu)與邊緣計算有效破除了性能瓶頸，實際項目中常見盲目追求高配置而忽視架構(gòu)合理性，導(dǎo)致投入與效果不成正比。

軟件優(yōu)化離不開算法優(yōu)化這個主角。控制算法和數(shù)據(jù)處理算法不到位，系統(tǒng)潛能難以發(fā)揮。架構(gòu)優(yōu)化則是未雨綢繆之舉，面向服務(wù)架構(gòu)和微服務(wù)架構(gòu)為系統(tǒng)帶來更強擴展性和維護(hù)性。良好的軟件設(shè)計能大幅減輕后期維護(hù)負(fù)擔(dān)，這一點在項目初期常被忽略。

運維優(yōu)化是系統(tǒng)長期穩(wěn)定的守護(hù)者。預(yù)測性維護(hù)通過數(shù)據(jù)分析嗅出潛在問題，遠(yuǎn)程診斷讓專家足不出戶解決故障。某電網(wǎng)公司借此將年均故障時間從26小時減至7小時，有效降低了一線人員工作強度。

安全優(yōu)化是系統(tǒng)的必備防護(hù)。網(wǎng)絡(luò)隔離、訪問控制和入侵檢測構(gòu)成基礎(chǔ)安全措施，深度防御策略則打造多層次防護(hù)體系。在網(wǎng)絡(luò)威脅日益增長的今天，安全性已成為評判系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵指標(biāo)，尤其在關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域。

結(jié)語

文章深入探析了電氣設(shè)備自動化技術(shù)及其實踐應(yīng)用全貌。實證數(shù)據(jù)顯示，多層級架構(gòu)的自動化系統(tǒng)給電力和工業(yè)領(lǐng)域帶來了顯著突破。電網(wǎng)側(cè)自動化應(yīng)用讓故障檢測準(zhǔn)確率提高14.7%，同時供電修復(fù)時長大幅縮短88.9%；而在車間一線，自動化技術(shù)推動生產(chǎn)精度提高了80%，設(shè)備停機故障時間顯著縮減75%。深入分析技術(shù)本質(zhì)，系統(tǒng)性能的評估與優(yōu)化研究明確指出，科學(xué)合理的架構(gòu)設(shè)計配合精準(zhǔn)維護(hù)策略，相互促進(jìn)，共同保障著自動化系統(tǒng)運行的長久穩(wěn)定性。這一點在實際工程中往往被忽略，卻是決定系統(tǒng)性能上限的關(guān)鍵因素。

參考文獻(xiàn)：

[1] 常秀萍.自動化系統(tǒng)中的計算機遠(yuǎn)動控制技術(shù)分析[J].集成電路應(yīng)用，2025，42（02）：224225.

[2] 陳浩，海雪微，溫哲人，等.電氣工程自動化技術(shù)在電力系統(tǒng)運行中的應(yīng)用[J].光源與照明，2025（01）：234236.

[3] 王文新.機械電氣設(shè)備自動化調(diào)試技術(shù)應(yīng)用探究[J].中國設(shè)備工程，2024（16）：221223.

[4] 劉加琨，張奇.機械電氣設(shè)備自動化調(diào)試技術(shù)研究與應(yīng)用優(yōu)化[J].中國設(shè)備工程，2024（11）：211213.

[5] 侯明冉.自動化調(diào)試技術(shù)在機械電氣設(shè)備管理中的應(yīng)用探索[J].中國設(shè)備工程，2025（11）：6870.

[6] 吳琦瑋.自動化調(diào)試技術(shù)在機械電氣設(shè)備管理中的應(yīng)用研究[J].造紙裝備及材料，2023，52（12）：106108.

[7] 彭衛(wèi)生.機械電氣設(shè)備自動化調(diào)試技術(shù)研究與應(yīng)用優(yōu)化[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2023，59（05）：210212.

[8] 羅康.機械電氣設(shè)備自動化調(diào)試技術(shù)研究與應(yīng)用優(yōu)化[J].造紙裝備及材料，2022，51（08）：1618.