基于PLC 工程的機(jī)械電氣設(shè)備安全控制系統(tǒng)研究分析

陳鼎淇

（國(guó)營(yíng)長(zhǎng)虹機(jī)械廠，廣西 桂林 541003）

在機(jī)械電氣設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，最常出現(xiàn)的安全問(wèn)題包括：設(shè)備開(kāi)關(guān)安裝過(guò)程中出現(xiàn)誤動(dòng)操作造成設(shè)備運(yùn)行效果受到影響；設(shè)備斷路器結(jié)構(gòu)的裝配及安裝方式不合理，造成設(shè)備合閘速度降低，出現(xiàn)觸頭損壞問(wèn)題；設(shè)備安全保護(hù)裝置受影響產(chǎn)生拒絕動(dòng)作；設(shè)備中變壓器結(jié)構(gòu)保護(hù)絕緣層損壞，出現(xiàn)爆炸事故等[1]。當(dāng)前，PLC 工程的接線端口通常采用可以拆卸的方式，因此能夠?yàn)橄嚓P(guān)作業(yè)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(jié)合PLC 工程控制裝置，對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了確保機(jī)械電氣設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)上述問(wèn)題，本文在引入PLC 工程的基礎(chǔ)上，針對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。將PLC 工程工業(yè)控制裝置作為本文控制系統(tǒng)當(dāng)中的核心硬件，構(gòu)建如圖1 所示的安全控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖1 安全控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

從圖1 可以看出本文安全控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)按照功能可分為三個(gè)不同層次[3]。其中站控層主要針對(duì)各個(gè)機(jī)械電氣設(shè)備應(yīng)用管理控制站建立，其作用是實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制站通過(guò)本文控制系統(tǒng)與設(shè)備的連接，依次為運(yùn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸提供條件，也為各個(gè)設(shè)備的控制提供場(chǎng)所。通信控制層為本文系統(tǒng)核心硬件層，其主要設(shè)備包括通訊管理機(jī)和PLC 工程工業(yè)級(jí)控制裝置。間隔層包含了各類需要進(jìn)行安全控制的機(jī)械電氣設(shè)備以及用于實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備安全控制的保護(hù)裝置和其他智能裝置，為達(dá)到理想的安全控制效果。

1.1 PLC 工程工業(yè)級(jí)控制裝置選型

在綜合考慮生產(chǎn)廠家、結(jié)構(gòu)分類和使用性能等方面后，選擇型號(hào)為T(mén)SX4956-910 型號(hào)PLC 工程工業(yè)控制裝置，該型號(hào)PLC 裝置的額定電流為180A，額定電壓為350V±15%，殼體防護(hù)采用IP56 等級(jí)。該型號(hào)PLC 裝置應(yīng)用到對(duì)機(jī)械電氣設(shè)備的保護(hù)當(dāng)中能夠?yàn)樵O(shè)備提供多重保護(hù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械電氣設(shè)備的過(guò)熱保護(hù)、輸入輸出缺相保護(hù)、三相不平衡保護(hù)、過(guò)載保護(hù)等共八大保護(hù)功能。還具備更高性能的CPU，可滿足本文安全控制系統(tǒng)的運(yùn)行需要[4]。在運(yùn)行過(guò)程中TSX4956-910 型號(hào)PLC 裝置的電流十分穩(wěn)定，并且散熱能力強(qiáng)，其自身的安全性足以得到保障。在該型號(hào)PLC 裝置當(dāng)中還安裝了LED 智能顯示屏，可方便操作人員通過(guò)顯示屏直接對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行查看。

1.2 綜保裝置選型

綜保裝置可直接實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械電氣設(shè)備的安全保護(hù)，針對(duì)設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)，本文選用型號(hào)為AM2-V1750 型號(hào)的微機(jī)保護(hù)裝置作為本文系統(tǒng)當(dāng)中的綜保裝置[5]。該型號(hào)保護(hù)裝置包含了20 路通道和一個(gè)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(kāi)關(guān)量輸入通道；17路～20 路為開(kāi)關(guān)量輸出通道。表1 為AM2-V1750 型號(hào)微機(jī)保護(hù)裝置技術(shù)指標(biāo)參數(shù)對(duì)照表。

表1 AM2-V1750 型號(hào)微機(jī)保護(hù)裝置技術(shù)指標(biāo)參數(shù)表

除表1 中該型號(hào)微機(jī)保護(hù)裝置技術(shù)指標(biāo)能夠充分滿足本文控制系統(tǒng)的需要外，其針對(duì)電氣設(shè)備的各類故障問(wèn)題均能夠在裝置上標(biāo)出相應(yīng)的指標(biāo)，并在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到機(jī)械電氣設(shè)備存在故障問(wèn)題時(shí)，發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警。在完成對(duì)設(shè)備的保護(hù)后能夠保持故障自鎖狀態(tài)，并能夠發(fā)出相應(yīng)的語(yǔ)音報(bào)警聲，以此增加安全控制系統(tǒng)的及時(shí)性。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)判斷

由于影響設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的程度不同，對(duì)其造成影響的程度也不同。因此，在遵循狀態(tài)反應(yīng)精準(zhǔn)度的原則下，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)判斷因素進(jìn)行選擇[6]?？紤]到各個(gè)判斷因素的重要程度，將其劃分為一級(jí)判斷因素和二級(jí)判斷因素兩類。其中，一級(jí)判斷因素主要包括機(jī)械電氣設(shè)備運(yùn)行因素、檢修因數(shù)和停運(yùn)因素；二級(jí)判斷因素主要包括歷史檢修數(shù)據(jù)、負(fù)載程度、短路斷路、操作過(guò)壓等?？紤]到不同因素?cái)?shù)據(jù)的變化與機(jī)械電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)之間的關(guān)系存在正向和反向兩種，因此針對(duì)存在正向相關(guān)關(guān)系的因素得出其運(yùn)行狀態(tài)判斷依據(jù)公式為：

公式（1）中，T 表示為機(jī)械電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)；Pn表示為設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；P0表示為設(shè)備對(duì)應(yīng)指標(biāo)下的允許值；Pmax表示為設(shè)備對(duì)應(yīng)指標(biāo)下的允許最大值；t 表示為影響程度系數(shù)。根據(jù)上述公式，計(jì)算得出與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)正向相關(guān)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)。假設(shè)χ 表示為機(jī)械電氣設(shè)備的狀態(tài)閾值，當(dāng)T>χ 時(shí)，則說(shuō)明此時(shí)被控制的機(jī)械電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)為故障運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)T<χ 或T=χ 時(shí)，則說(shuō)明此時(shí)被控制的機(jī)械電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)為正常運(yùn)行狀態(tài)。再針對(duì)存在反向相關(guān)關(guān)系的因素得出其運(yùn)行狀態(tài)判斷依據(jù)公式為：

公式（2）中，T'表示為機(jī)械電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)；Pmin表示為設(shè)備對(duì)應(yīng)指標(biāo)下的允許最小值。根據(jù)上述公式（2），計(jì)算得出與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)反向相關(guān)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)。同樣按照上述方式，將計(jì)算結(jié)果與閾值進(jìn)行對(duì)比，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的判斷。

2.2 機(jī)械電氣設(shè)備模糊PID 控制

應(yīng)明確模糊PID 控制屬于控制過(guò)程中的一種綜合控制方法，控制過(guò)程的基本思想是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)模擬神經(jīng)元的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)前端的有效控制，但大多被控對(duì)象是需要遵循某種控制原則的，因此，控制的結(jié)果具有一定隨機(jī)性與模糊性[7]。而要在此過(guò)程中確?？刂菩袨榈挠行В瑧?yīng)當(dāng)從信息接口與輸入端進(jìn)行信息的模糊化表達(dá)。信息在經(jīng)過(guò)模糊端被傳輸時(shí)，可以推理機(jī)將進(jìn)行信息值的實(shí)際化處理，此時(shí)后端將調(diào)用知識(shí)接口進(jìn)行信息規(guī)則的制定，當(dāng)信息與知識(shí)庫(kù)內(nèi)某個(gè)信息匹配成功后，可直接按照知識(shí)庫(kù)內(nèi)既定的控制模式，進(jìn)行控制量的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后輸出控制的實(shí)際量，以此作為模糊PID 控制的結(jié)果。在控制過(guò)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(shù)；e（t）表示為控制過(guò)程中產(chǎn)生的誤差值。根據(jù)上述公式計(jì)算，將其輸出結(jié)果作為控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械電氣設(shè)備的安全控制。但在實(shí)際應(yīng)用中，大部分導(dǎo)入的信息無(wú)法與知識(shí)庫(kù)中的內(nèi)容進(jìn)行對(duì)接，因此，需要對(duì)信息進(jìn)行對(duì)接過(guò)程中偏差值的分析，通過(guò)偏差分析后，得到一個(gè)具體的數(shù)值P，P 被導(dǎo)入控制器中。此時(shí)控制器中的規(guī)則將根據(jù)實(shí)際規(guī)則進(jìn)行參數(shù)的在線調(diào)整，調(diào)整后的參數(shù)屬于一個(gè)模糊量，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)將根據(jù)輸入模糊量參數(shù)進(jìn)行控制量的求解。可在計(jì)算前進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中靜態(tài)誤差的消除，避免靜態(tài)誤差過(guò)大造成的設(shè)備運(yùn)行振蕩與信號(hào)偏差。綜合上述分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械電氣設(shè)備的模糊PID 控制，完成本文系統(tǒng)軟件功能的開(kāi)發(fā)。

3 兩種控制系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

結(jié)合本文以上論述，從硬件和軟件兩方面實(shí)現(xiàn)對(duì)安全控制系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)，為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，選擇將傳統(tǒng)基于FPGA 的控制系統(tǒng)作為對(duì)照組，將本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)組，并通過(guò)設(shè)置對(duì)照條件的方式，對(duì)兩種控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行對(duì)比分析。選擇將某工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)當(dāng)中常見(jiàn)的機(jī)械電氣設(shè)備作為研究對(duì)象，已知該設(shè)備常見(jiàn)的安全故障問(wèn)題包括過(guò)載、堵轉(zhuǎn)等，本文選擇將機(jī)械電氣設(shè)備的堵轉(zhuǎn)作為兩種控制系統(tǒng)需要進(jìn)行控制的安區(qū)前問(wèn)題。通過(guò)人為方式對(duì)機(jī)械電氣設(shè)備進(jìn)行堵轉(zhuǎn)，并觀察兩種控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種控制系統(tǒng)的對(duì)比，選擇利用示波器裝置對(duì)兩種系統(tǒng)控制下的機(jī)械電氣設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中電流的變化情況進(jìn)行記錄，再利用計(jì)時(shí)裝置對(duì)兩種控制系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間記錄，并將兩組記錄的數(shù)據(jù)結(jié)果繪制成表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組控制系統(tǒng)應(yīng)用效果對(duì)比表

從表2 記錄的數(shù)值結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)組控制系統(tǒng)在對(duì)設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行堵轉(zhuǎn)安全問(wèn)題進(jìn)行控制時(shí)，能夠確保設(shè)備的運(yùn)行電流始終控制在16.23A 上下波動(dòng)，并且波動(dòng)范圍不超過(guò)±0.02A，而對(duì)照組控制系統(tǒng)在對(duì)設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行堵轉(zhuǎn)安全問(wèn)題進(jìn)行控制時(shí)，其電流值發(fā)生了較大的變化，設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性沒(méi)有得到有效保障。從兩種控制系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間可以看出，在發(fā)現(xiàn)機(jī)械電氣設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行堵轉(zhuǎn)的問(wèn)題時(shí)，本文控制系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間均在25ms 以內(nèi)，而傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間在40ms～60ms 范圍內(nèi)。因此，通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻M(jìn)一步證明，本文設(shè)計(jì)的安全控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)械電氣設(shè)備安全問(wèn)題的有效控制，在發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在安全問(wèn)題時(shí)，可以在第一時(shí)間對(duì)其進(jìn)行合理控制，從而保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，避免安全問(wèn)題對(duì)周圍及設(shè)備本身造成影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)也能夠證明，引入PLC工程工業(yè)級(jí)控制裝置后，控制系統(tǒng)的應(yīng)用性能得到充分提升，為機(jī)械電氣設(shè)備的運(yùn)行提供技術(shù)條件。

4結(jié)論

通過(guò)本文上述論述，在明確機(jī)械電氣設(shè)備存在的常見(jiàn)安全問(wèn)題后，在此基礎(chǔ)上對(duì)其從硬件和軟件兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，并提出一種以PLC 工程工業(yè)級(jí)控制裝置為核心結(jié)構(gòu)的安全控制系統(tǒng)。將該安全控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)基于FPGA 的控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了新的控制系統(tǒng)具有更理想的控制效果。將該控制系統(tǒng)應(yīng)用到對(duì)機(jī)械電氣設(shè)備的安全控制當(dāng)中，能夠?qū)υO(shè)備出現(xiàn)故障的第一時(shí)間對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，并通過(guò)模糊PID 控制對(duì)設(shè)備安全問(wèn)題進(jìn)行處理，以此確保設(shè)備始終保持穩(wěn)定的狀態(tài)運(yùn)行。但由于研究能力有限，本文提出的控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中雖然能夠提高設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性，但在控制過(guò)程中，系統(tǒng)需要完成較多的計(jì)算操作任務(wù)，因此控制效率還需要進(jìn)一步優(yōu)化。在后續(xù)的研究中將把這一問(wèn)題作為重點(diǎn)研究方向，從而不斷提高控制系統(tǒng)的應(yīng)用性能。