電氣自動控制系統(tǒng)分析

史棟元

(齊齊哈爾工程學(xué)院,黑龍江齊齊哈爾,161005)

1 電氣自動控制系統(tǒng)的相關(guān)概述

(1)電氣自動控制系統(tǒng)的概念

電氣自動化系統(tǒng)的最初目的是為特定的工作程序提供操作控制。該系統(tǒng)由兩個(gè)子系統(tǒng)組成：控制器和受控對象，并使用特定的控制設(shè)備來檢測或控制設(shè)備。在組成系統(tǒng)的兩個(gè)子系統(tǒng)中，控制器是控制機(jī)器或控制過程的控制設(shè)備，控制對象是由控制器控制的機(jī)器或操作過程。控制參數(shù)也是系統(tǒng)中的重要概念，并且是實(shí)現(xiàn)控制過程并遵守電氣控制系統(tǒng)的輸入和輸出規(guī)則所需的數(shù)據(jù)參數(shù)。

(2)電氣自動控制系統(tǒng)分類

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，電氣自動化控制系統(tǒng)可分為三類：開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)。根據(jù)任務(wù)它可以分為三類：調(diào)節(jié)系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。基于數(shù)學(xué)模型它們分為兩類：線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)信號它分為兩類：連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)。

(3)電氣自動控制系統(tǒng)性能要求

對電氣系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)的性能有兩個(gè)要求。一種是跟隨輸入，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出與輸入范圍有關(guān)。同時(shí)，更改輸入量會影響輸出結(jié)果。遵循輸入是重要的輸出原理，并且遵循某些參數(shù)，例如數(shù)據(jù)、軌跡和輸入時(shí)間。第二是防干擾。 由于輸出遵循輸入?yún)?shù)，因此第二個(gè)主要性能要求是如何確保輸入的原始參數(shù)，如何避免外部因素的影響，改進(jìn)抗干擾性并在控制過程中確保輸出精度。

2 電氣自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)新思路

(1)實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化電氣信息量監(jiān)控

廠用電保護(hù)器以及MCC和PC控制器可以滿足保護(hù)、測量和高速通信集成的要求。這些將集成到本地以形成專用的ECS，以實(shí)現(xiàn)完整的數(shù)字電氣信息監(jiān)控的目標(biāo)。它為DCS提供了高速實(shí)時(shí)數(shù)字通信接口，DCS以通信軟消息的形式收集和控制與順序控制相關(guān)的電量，并且不使用輔助電纜進(jìn)行硬接線，從而簡化了設(shè)計(jì)和構(gòu)造，并節(jié)省了大量經(jīng)濟(jì)成本。它具有出色的實(shí)時(shí)性能、強(qiáng)大的抗干擾能力以及電廠適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境的優(yōu)勢。人機(jī)界面功能強(qiáng)大，操作控制簡單、方便、靈活。在確保系統(tǒng)和其他技術(shù)指標(biāo)的實(shí)時(shí)性能和可靠性的同時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)具有出色的可維護(hù)性，并確保MTTR指標(biāo)較小。

(2)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

工廠基于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，工業(yè)設(shè)備的操作監(jiān)視和控制在中央控制室的操作員工作站上進(jìn)行。同時(shí)，每個(gè)LCU可以通過觸摸屏和開關(guān)按鈕監(jiān)視和控制控制設(shè)備的操作。單元和開關(guān)鉆/公共單元通過光纖網(wǎng)絡(luò)連接到全廠計(jì)算機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)并由其監(jiān)視。同時(shí)，這些系統(tǒng)的現(xiàn)場控制柜配備了用于設(shè)備現(xiàn)場監(jiān)控的控制開關(guān)和控制按鈕。本實(shí)用新型是一種用于沖孔機(jī)自動瓶蓋的新型機(jī)械，該機(jī)器解決了在沖瓶蓋的制造過程中手動用眼睛和手將沖拼蓋在上下沖頭之間定向的問題?？梢愿鶕?jù)“無人值守”（少量值班人員）的操作模式來設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)，觸摸屏和PLC之間使用標(biāo)準(zhǔn)的開放式高速現(xiàn)場總線技術(shù)（MPD）。為了確保PLC與觸摸屏，本地單元和主機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換安全，最大通信速度為12 Mbps?，F(xiàn)代化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對于擴(kuò)展硬件設(shè)備很有用，并且可以適應(yīng)不斷增長的功能和規(guī)模。

(3)全開放式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)監(jiān)控方式

全開放式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)使用智能I/0模塊作為設(shè)備訪問互聯(lián)網(wǎng)的橋梁，同時(shí)節(jié)省了資金，使用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)分散和開放的發(fā)展趨勢。開放性對于新一代控制系統(tǒng)無疑是重要的。使用開放控制器硬件及其開放配置軟件來替換DCS專用控制器。數(shù)據(jù)連接性以及硬件和軟件可移植性的結(jié)合保留了DCS冗余和配置技術(shù)的優(yōu)勢，以太網(wǎng)和OPc是數(shù)據(jù)連接功能的示例，而PC是開放式硬件和軟件平臺的示例，開放性基于促進(jìn)開放性的標(biāo)準(zhǔn)。

3 閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)

(1)開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)可以理解為系統(tǒng)輸出不影響控制效果，在開環(huán)控制系統(tǒng)中，不需要進(jìn)行相應(yīng)的比較。從當(dāng)前的實(shí)際發(fā)展情況來看，洗衣機(jī)就是一個(gè)非常好的開環(huán)系統(tǒng)例子。洗滌、漂洗和脫水過程是按順序進(jìn)行的，而沒有測量衣物的清潔度。開環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)類似例子是使用基于時(shí)間的信號控制的交通控制系統(tǒng)。這種類型的系統(tǒng)不能測量汽車的實(shí)際流量，雖然不能進(jìn)行測量，但是可以由時(shí)間進(jìn)行控制。由于系統(tǒng)輸出完全不用與參考輸入進(jìn)行比較，因此，各個(gè)參考輸入都有與之對應(yīng)的操作狀態(tài)，而且每個(gè)操作狀態(tài)都是固定的，在這樣的模式下，校準(zhǔn)的精度會直接影響系統(tǒng)的精度。在發(fā)展過程中為了更好的進(jìn)行校準(zhǔn)，并且保證在校準(zhǔn)的過程中數(shù)值不會發(fā)生變化。當(dāng)出現(xiàn)干擾時(shí)，開環(huán)控制系統(tǒng)無法完成配置的任務(wù)。因此，只有當(dāng)輸入和輸出之間的關(guān)系已知并且沒有內(nèi)部或外部干擾時(shí)，才能使用開環(huán)控制。請注意，任何沿時(shí)間軸單向運(yùn)行的系統(tǒng)都是開環(huán)系統(tǒng)。

(2)閉環(huán)系統(tǒng)

閉環(huán)系統(tǒng)簡單來說是指輸出信號直接影響控制功能的系統(tǒng)，除了可以成為閉環(huán)系統(tǒng)以外，還被稱之為反饋控制系統(tǒng)。誤差信號指的是輸入的信號與反饋出的信號之間的差異。直接將誤差信號添加到控制器上，通過這樣的方式能夠有效減少系統(tǒng)誤差，同時(shí)還能使得系統(tǒng)輸出與所需值更加相近。如果站在另外一個(gè)角度進(jìn)行理解，閉環(huán)其實(shí)就是為了減少系統(tǒng)錯(cuò)誤。閉環(huán)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于T型工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。例如：位移跟蹤系統(tǒng)，大部分機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)以及熱水器等等。

4 淺談電氣自動控制系統(tǒng)的功能

(1)監(jiān)測職能

對于電氣設(shè)備來說，最為主要且基本的功能就是監(jiān)控功能，目前絕大部分電氣設(shè)備都具備該功能。監(jiān)控功能之所以會成為主要功能，主要是因?yàn)殡姎庾詣涌刂葡到y(tǒng)的電源是電能。該電能有一個(gè)特點(diǎn)，那就是無法通過肉眼來對其性能進(jìn)行判斷，如果想利用人工的方式進(jìn)行識別則顯得十分不顯示，為了彌補(bǔ)人工存在的不足，監(jiān)視功能應(yīng)運(yùn)而生。監(jiān)視功能最明顯的一個(gè)特征就是系統(tǒng)通過傳感器來對信號進(jìn)行傳輸，同時(shí)利用傳感器來對傳輸?shù)囊暵犘盘栠M(jìn)行監(jiān)視。在監(jiān)視的過程中如果發(fā)現(xiàn)異常，不僅會自動調(diào)整，還會發(fā)出報(bào)警信號。系統(tǒng)還可以提醒員工實(shí)現(xiàn)人機(jī)一體化。在對監(jiān)控功能進(jìn)行研究的過程中，可以將其分為三個(gè)模塊，分別是集中監(jiān)視、遠(yuǎn)程監(jiān)視以及現(xiàn)場監(jiān)視。每種不同的監(jiān)視都具有各自的特點(diǎn)，對于集中監(jiān)視來說，側(cè)重點(diǎn)在集成上，這樣會增加集中監(jiān)控處理器的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，但這種方式便于監(jiān)控和操作。遠(yuǎn)程監(jiān)控需要多種設(shè)備進(jìn)行支持，比較常見的輔助設(shè)備有電纜、電線，輔助設(shè)備的增加也會在一定程度上提高系統(tǒng)維護(hù)的難度。最后就是現(xiàn)場監(jiān)視，對于現(xiàn)場監(jiān)視來說，并不需要太多的設(shè)備作為支持，而且也能減少遠(yuǎn)程干擾的程度，該種方式不僅降低了經(jīng)濟(jì)成本，而且使監(jiān)控方法更加靈活和適用。

(2)保護(hù)功能和測量功能

系統(tǒng)保護(hù)功能能夠從根本上實(shí)現(xiàn)電氣自動化控制系統(tǒng)的操作安全性與穩(wěn)定性，電氣自動化系統(tǒng)與傳統(tǒng)的手動工作模式有著本質(zhì)上的區(qū)別，在進(jìn)行操作的進(jìn)行具體操作的過程中，可能會發(fā)生一些安全隱患。例如，在進(jìn)行電氣操作時(shí)，電路的安全性存在問題，電流與電壓過低。電氣裝置不連續(xù)或者供電不穩(wěn)定。在嚴(yán)重的情況下，設(shè)備故障會導(dǎo)致電氣控制系統(tǒng)癱瘓。同時(shí)，電氣自動控制系統(tǒng)需要基于大型電氣設(shè)備進(jìn)行操作，設(shè)備的高輸出必然意味著無法提供合適的保護(hù)設(shè)備使電氣設(shè)備處于保護(hù)狀態(tài)下運(yùn)行。因此，電氣自動控制系統(tǒng)需要手動或自動及時(shí)采取預(yù)警措施，通過傳輸故障信號實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，并具有足夠強(qiáng)的保護(hù)功能。自動電氣控制系統(tǒng)具有測量功能，該功能具有一定的獨(dú)特性，在進(jìn)行測量的過程中不需要使用相應(yīng)的參數(shù)判斷其準(zhǔn)確性。歷史上，電氣控制系統(tǒng)依靠電氣設(shè)備的手動特性來確定參數(shù)設(shè)置和合理性，或者使用特定的設(shè)備來確定設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，如電壓、電流和功率。目前的自動電子控制系統(tǒng)具有獨(dú)特的測量功能，減輕了工人的負(fù)擔(dān)，對測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有積極的影響。此外，支持測量功能的功能，如參數(shù)調(diào)試功能和參數(shù)合理性設(shè)置功能，正在逐步開發(fā)和利用。

(3)智能功能

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平在不斷進(jìn)步，在未來的發(fā)展過程中，電氣自動控制將會朝著智能化的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)變，目前，智能功能已經(jīng)成為一個(gè)十分重要的發(fā)展領(lǐng)域。在發(fā)展智能化的過程中主要是要積極應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)的操作方式，來實(shí)現(xiàn)自動化。未來自動電控系統(tǒng)將更加智能化，數(shù)字功能更加清晰，減少人工操作，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，獲得強(qiáng)大的控制效果。

(4)自動控制功能

自動控制功能主要是針對啟動和關(guān)閉兩個(gè)環(huán)節(jié)，從根本上來說，自動控制功能主要是起到一個(gè)安全保護(hù)的作用。該系統(tǒng)可以自動檢測系統(tǒng)的運(yùn)行情況，如果系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)異常，該功能會立即對電源進(jìn)行切斷，通過這樣的方式能夠有效避免較為嚴(yán)重的安全事故，同時(shí)還能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。