基于PLC的機械設(shè)備電氣安全控制方法

王 進，王 笑，韓晨霞

(神木職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 神木 719300)

0 引言

隨著我國工業(yè)生產(chǎn)水平的進步，工業(yè)技術(shù)發(fā)展越來越迅速，不斷提升了工業(yè)生產(chǎn)的效率[1-2]。其中，機械設(shè)備的使用是提升工作效率的關(guān)鍵。但由于生產(chǎn)流程復(fù)雜，機械設(shè)備電氣安全問題易出現(xiàn)。電氣自動化控制作為技術(shù)門類眾多的綜合性技術(shù)，是檢測機械設(shè)備電氣安全、確保設(shè)備正常運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為此，該領(lǐng)域研究者針對機械設(shè)備電氣安全控制進行了很多研究，并取得了一定成果。文獻[3]提出帶有量化的信息物理系統(tǒng)安全控制；文獻[4]提出面向惡意攻擊的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)信息物理協(xié)調(diào)防御方法；文獻[5]提出馬爾可夫信息物理系統(tǒng)拒絕服務(wù)攻擊安全控制方法。由于上述方法未能在安全控制前依據(jù)預(yù)防控制結(jié)果制定安全控制原則，導(dǎo)致上述方法在開展安全控制時，機械設(shè)備的電壓裕度值高、線路容載越限程度高以及控制時間長，存在一定局限性。

為解決上述安全控制方法中存在的問題，提出基于PLC的機械設(shè)備電氣安全控制方法。

1 機械設(shè)備電氣安全控制模型

1.1 機械設(shè)備電氣安全控制指標確定

1.1.1 獲取設(shè)備裕度目標

依據(jù)機械設(shè)備發(fā)生故障時的負荷轉(zhuǎn)供能力的大小，確定機械設(shè)備裕度[6]目標函數(shù)，表示為

(1)

minfy為建立的最小裕度目標函數(shù)；Qfh為機械設(shè)備的電氣負荷容量；ΔQmin為設(shè)備中供電路徑最小裕度。

計算過程中，設(shè)備供電路徑最小裕度值若為非正數(shù)值，則可將其設(shè)定為最小正數(shù)，以此對目標函數(shù)實施懲罰，從而確定函數(shù)最優(yōu)解。

對機械設(shè)備來說，裕度目標函數(shù)值越小，說明設(shè)備負荷與ΔQmin之間對比值越小，設(shè)備路徑的均衡化程度越高。

1.1.2 電壓目標函數(shù)

機械設(shè)備的電壓水平是反映設(shè)備電氣傳輸質(zhì)量安全的重要環(huán)節(jié)。在預(yù)防控制時，需要將機械設(shè)備[7-8]電壓穩(wěn)定較高水平上，并設(shè)定相關(guān)電壓閾值區(qū)間對其進行約束，過程表示為

(2)

Usx為機械設(shè)備的最高電壓閾值；Udx為機械設(shè)備的最低電壓閾值；minfdy為建立的電壓目標函數(shù)。

機械設(shè)備在預(yù)防控制時，若電壓出現(xiàn)越界現(xiàn)象，將上式中的分母調(diào)節(jié)為極小正數(shù)，以此對電壓目標值實施懲罰，擴大電壓目標值，削弱目標競爭力。

1.1.3 機械設(shè)備損耗目標

基于上述分析結(jié)果可知，機械設(shè)備在預(yù)防控制時，不僅要保障設(shè)備電氣的安全性，同時還要保障設(shè)備經(jīng)濟運行，由此可制定機械設(shè)備有功損耗目標，并將其作為機械設(shè)備預(yù)防控制目標，過程表示為

minfsh=minPsh

(3)

minfsh為機械設(shè)備的有功損耗目標函數(shù)；Psh為設(shè)備有功損耗。

1.1.4 目標整合

基于上述獲取的機械設(shè)備各項目標函數(shù)值，整合獲取機械設(shè)備預(yù)防控制[9]的綜合目標函數(shù)，過程表示為

minfzh=min(ζfsh+υfy+ωfdy)

(4)

minfzh為整合目標函數(shù)；ζ、υ、ω分別為各個目標函數(shù)的權(quán)重向量值。

1.1.5 機械設(shè)備電氣出力極限計算

機械設(shè)備安全風(fēng)險指標獲取過程表示為

αfx=yi0×Psh

(5)

αfx為機械設(shè)備安全風(fēng)險指標;yi0為相移裕度。依據(jù)上述計算結(jié)果對機械設(shè)備的預(yù)估故障嚴重程度進行排序，電氣安全風(fēng)險[10]系數(shù)越小，說明機械設(shè)備可能出現(xiàn)的故障就越嚴重。

機械設(shè)備發(fā)電機節(jié)點出力的比例系數(shù)為

(6)

φi為獲取機械設(shè)備發(fā)電機節(jié)點出力的比例系數(shù)；hi為發(fā)電機節(jié)點；m為總數(shù)量；zhi為預(yù)防控制指標向量；ΔmaxPyg為機械設(shè)備的最大有功出力。通過式(6)計算結(jié)果，獲取設(shè)備最佳有功出力極限，即

[Pgli+φiΔmaxPyg,Pgli+φiΔminPyg]

(7)

φiΔmaxPyg、φiΔminPyg分別為機械設(shè)備的極限有功出力；Pgli為機械設(shè)備i部分的極限發(fā)電功率。

1.2 機械設(shè)備電氣控制模型設(shè)計

依據(jù)上述獲取的各項指標，建立機械設(shè)備的預(yù)防控制模型，表達式為

(8)

δm為機械設(shè)備預(yù)防控制模型；min[fzh(x0,x)]為預(yù)防控制方程。最后通過控制方程求解，實現(xiàn)機械設(shè)備的預(yù)防控制,控制流程如下所述：

a.提取機械設(shè)備電氣安全運行指標，獲取機械設(shè)備出力極限，分析機械設(shè)備故障模式。

b.計算預(yù)估故障風(fēng)險指標系數(shù)，剔除干擾程度較低的故障數(shù)據(jù)。

c.計算機械設(shè)備電機節(jié)點以及參與的指標，確定電機組合出力比例。

d.依據(jù)機械設(shè)備出力極限以及各項目標函數(shù)建立機械設(shè)備安全控制模型。

e.對模型方程進行求解，依據(jù)模型求解結(jié)果實現(xiàn)機械設(shè)備電氣控制，提高設(shè)備電氣安全控制。

2 基于PLC的安全控制實現(xiàn)

在上述設(shè)計的機械設(shè)備電氣安全控制模型基礎(chǔ)上，為提升機械設(shè)備電氣安全，引入PLC單值模型，完成機械設(shè)備電氣安全控制。

設(shè)定待控制對象的單值模型卷積方程式為

(9)

νi(i=1，…，M)為設(shè)備時間脈沖系數(shù)；γ(k)為卷積系數(shù)；M為脈沖數(shù)量；a(k)為常數(shù)項；j(k)為設(shè)備卷積方程。機械設(shè)備輸出結(jié)果為

(10)

由于單值模型預(yù)測輸出值與時間設(shè)備電氣輸出之間存在誤差，需要依據(jù)模型實際預(yù)測誤差校正處理，獲取機械設(shè)備待控制對象的第l步預(yù)測輸出，過程為

jl(k+l)=jn(k+l)+σ[j(k)-jn(k)]

(11)

jl(k+l)為機械設(shè)備的電氣閉環(huán)輸出；jn(k+l)為開環(huán)輸出值；σ為機械設(shè)備電氣實際預(yù)測值。

依據(jù)上述結(jié)果獲取機械設(shè)備電氣安全控制加權(quán)性能指標[11-13]，得

(12)

δτ為機械設(shè)備的電氣加權(quán)控制指標；ε為性能參數(shù)；η為加權(quán)系數(shù)；r2(k)為設(shè)備加權(quán)項。

依據(jù)上述PLC單值模型[14-15]進行機械設(shè)備電氣安全控制時，在k時刻改變模型控制量，可完成機械設(shè)備的電氣安全控制。

在此基礎(chǔ)上，獲取設(shè)備階躍響應(yīng)時間，以此實現(xiàn)機械設(shè)備的電氣安全控制，即

T(s)=(K/G+1)·λ-ιs

(13)

T(s)為控制器的傳遞函數(shù)；K為機械設(shè)備的電氣靜態(tài)增益；ι為滯后時間系數(shù)；λ為傳遞系數(shù)；G為設(shè)備脈沖數(shù)量。

3 實驗分析

3.1 實驗方案設(shè)計

為驗證上述安全控制方法的整體有效性，需要進行實驗研究。實驗中以某工廠的機械電氣設(shè)備為研究對象，對該設(shè)備的電氣安全進行有效控制。分別采用基于PLC的機械設(shè)備電氣安全控制方法(本文方法)、帶有量化的信息物理系統(tǒng)安全控制(文獻[3]方法)、馬爾可夫信息物理系統(tǒng)拒絕服務(wù)攻擊安全控制(文獻[5]方法)進行測試。

3.2 實驗結(jié)果分析

3.2.1 裕度提升效果測試

在樣本機械設(shè)備電氣安全控制過程中，電壓裕度值提升結(jié)果能夠側(cè)面證明控制方法的控制性能。在機械設(shè)備電氣安全控制過程中，電壓裕度值越高，說明該安全控制方法的控制性能越差，電壓裕度值越低，說明安全控制方法控制性能越好。采用本文方法、文獻[3]方法以及文獻[5]方法對電氣安全控制時，測試3種方法控制下電壓裕度提升情況，測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同控制方法電壓裕度值測試結(jié)果

由圖1可知，電壓節(jié)點幅值的增加會提升電壓裕度值測試結(jié)果。本文方法經(jīng)過安全控制后測試出的電壓裕度值低于文獻[3]方法及文獻[5]方法的電壓裕度值，且能夠在電壓節(jié)點幅值增長至一定規(guī)模時，將電壓裕度值穩(wěn)定在固定范圍內(nèi)。這主要是由于本文方法在機械電氣安全控制前，設(shè)置控制模型，能夠有效控制電壓裕度的提升范圍。

3.2.2 越限情況測試

隨機選定1組機械設(shè)備，設(shè)定該設(shè)備線路極限容載量為208 A，測試3種控制方法控制后線路超限情況，測試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，測試次數(shù)增加會提升線路的容載量。本文方法在測試線路容載時，測試出的容載量位于固定極限容載范圍內(nèi)，而文獻[5]方法在測試次數(shù)為300時，線路容載就超出極限容載量，文獻[3]方法也在測試次數(shù)為400時，超出極限容載。由此可知，本文方法在安全控制時，能夠?qū)⒃O(shè)備的線路容載固定在極限容載范圍內(nèi)，說明該控制方法的控制性能優(yōu)于其他2種控制方法。

圖2 不同控制方法線路越載情況測試結(jié)果

3.2.3 控制時間測試

在安全控制過程中，控制時間越短，說明控制效果越好，反之則越差。測試上述3種控制方法的安全控制時間，測試結(jié)果如表1所示。

表1 不同控制方法的控制時間測試結(jié)果

由表1可知，隨著電壓節(jié)點數(shù)量的不斷增加，3種算法的安全控制時間均呈直線上升趨勢，其中，本文算法安全控制時間在3種控制方法中最低。由此可證明，本文算法受到設(shè)備電壓節(jié)點數(shù)量的影響比較小，安全控制方法具備有效性。

4 結(jié)束語

隨著機械設(shè)備構(gòu)造越來越復(fù)雜，機械設(shè)備的電氣安全控制變得愈加重要。針對傳統(tǒng)電氣安全控制方法中存在的問題，提出基于PLC的機械設(shè)備電氣安全控制方法。該方法依據(jù)設(shè)備控制指標構(gòu)建電氣安全控制模型，并依據(jù)PLC單值模型完成控制器設(shè)計，實現(xiàn)機械設(shè)備的電氣安全控制。實驗結(jié)果表明，采用本文方法可有效提升機械設(shè)備的電氣安全性。