基于智能化的電氣自動化控制系統(tǒng)的設計和實現

黃耀華

（江蘇省淮安技師學院， 江蘇 淮安 223001）

0 引言

運用電氣自動控制系統(tǒng)能夠提高電氣工程自動化和工程智能水平，還能夠實現自動化識別、生產、自動化優(yōu)化，提高企業(yè)效益、競爭力。利用智能技術，能夠拓展電氣控制系統(tǒng)設計思路，提高自動化功能，創(chuàng)建穩(wěn)定的自動化系統(tǒng)。將智能技術應用到電氣自動化控制系統(tǒng)中，能夠簡化系統(tǒng)的設計和操作流程，提升系統(tǒng)控制器性能，降低運行成本，具有明顯的優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)的設計架構

電氣系統(tǒng)有大量的子模塊，能夠實現集中控制和信號轉換，通過光纖、網絡等方式傳輸信息，調整各模塊的運行情況，平衡模塊功能，降低環(huán)境干擾，系統(tǒng)設計主要遵循擴展性、兼容性和穩(wěn)定性原則[1-2]。

使用智能化電氣自動化控制系統(tǒng)能夠改變傳統(tǒng)電氣控制模式，利用智能技術編寫程序，從而降低人工控制時間和工序，還能夠根據電腦實現自動控制，系統(tǒng)流程如圖1 所示。電氣自動化控制系統(tǒng)較為復雜，要求工作人員具備良好的綜合素質和專業(yè)知識，通過智能技術編寫程序進行智能化控制，才能將智能技術的作用充分發(fā)揮出來。人工被電氣設備智能化操作所替代，在提高工作效率的同時，降低了人工成本。電氣自動化控制系統(tǒng)結構如圖2 所示。

圖2 電氣自動化控制系統(tǒng)的功能設計

2 系統(tǒng)的詳細設計

2.1 數據采集和傳輸

在自動控制系統(tǒng)中使用智能技術，促進了由人工處理數據朝著設備處理數據轉變，提高了設備自動化水平。要想提高自動控制水平，首先要保證輸入的信號數據安全、合理、可靠。因此，在收集數據的過程中，要結合智能測控技術和數據采集設計，集中獲取數據，通過提高測量設備的測量精度，全面掌握系統(tǒng)中設備反饋信號的內容，精準反饋信息，確保設備穩(wěn)定運行[3]。

信息傳輸為雙向傳輸，利用通信設備和軟件對信息進行接收和傳輸，傳輸流程見圖3。通過電纜和光纖可實現電氣自動控制系統(tǒng)數據的傳輸，根據數據類型、多少和傳輸距離選擇傳輸設備。在保證傳輸效率的同時，避免數據丟失，提高經濟效益。通過控制器對數據進行接收處理和下發(fā)指令，保證各部件能夠穩(wěn)定運行。在實際運行過程中，無法通過控制器處理數據，要對數據進行存儲[4]。

圖3 信息傳輸流程

2.2 電氣自動化控制設計

在設計智能電氣自動化控制系統(tǒng)時，重點是將人工智能技術應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)中的智能控制技術包括神經網絡、自學習和專家系統(tǒng)等。將此智能控制技術對比傳統(tǒng)PID 控制算法，通過智能技術對復雜非線性問題進行求解，提高求解精度[5]。圖4 為模糊控制構成，根據模糊邏輯推算規(guī)則和計算控制系統(tǒng)創(chuàng)建數字化控制系統(tǒng)。

圖4 模糊控制構成

電氣自動化控制的目標是實現對電力負荷的監(jiān)控與管理，隨著用電規(guī)模不斷擴大，系統(tǒng)也越來越復雜，傳統(tǒng)限電方式對用電負荷進行管理的方法無法滿足人們的用電需求，還會造成設備損傷。為了滿足新的變化需求，要對傳統(tǒng)負荷管理模式進行創(chuàng)新。根據預案與規(guī)定對電力供應分配進行優(yōu)化，實現精細化編程，通過自動化技術提高電力供應經濟化和集約化，使電力使用效能得到提高，實現設備安全運行。通過信息技術橋梁作用融合配電系統(tǒng)和負荷控制系統(tǒng)，為用電單位提供服務[6]。

2.3 電氣自動化通訊方式

通訊系統(tǒng)被廣泛應用到電氣自動化控制中，主要是因為電氣自動化控制系統(tǒng)終端節(jié)點數量比較大，通訊方式復雜并且多樣化。在實際操作中，要結合用戶的特點選擇適當的通訊方式。電力部門利用無線、有線的方式進行通訊，之后再細化分解。有線通訊主要包括專線和電話線。電話線的通訊成本和可靠性比較低，時效性差。但是，電話線連接比較方便，被廣泛應用到對實時性要求比較低的配電終端中。利用專線方式通訊可提高通訊的可靠性與安全性，從而實現實時通訊。但是，需要額外設置線路，運行成本高，可滿足高實時性的配電終端需求。通過普通電臺通訊實現電力負荷控制和管理，運行可靠性差，成本比較低，能夠應用到可靠性要求低的配電終端中。高速智能化電臺通訊效果比較好，傳輸速率比較高，能夠自由選擇路由，還能夠實現主動上報，具有良好的可靠性和安全性。但是，成本比較高，可滿足對可靠性要求高的配電終端需求[7]。

2.4 監(jiān)控系統(tǒng)設計

通過大數據分析技術設計電氣自動化控制系統(tǒng)的監(jiān)控模塊，自動化控制系統(tǒng)使系統(tǒng)的每個基站都成為子站。在子站中設置控制裝置和數據檢測設備，能夠保證子站設備檢測和控制的安全穩(wěn)定性。另外，子站還能夠在大數據處理平臺中發(fā)送收集的數據，大數據處理平臺對接收的子站信息數據進行分析整理，得到部分環(huán)境信息。通過智能化監(jiān)控平臺，傳輸數據處理結果，下達各子站指令，實現子站智能化管控。

2.5 PID 和模糊切換控制

PID 控制具有可靠性高、穩(wěn)定性強的特點，被廣泛應用到工業(yè)控制中。但是，此控制方法抗干擾能力不足，尤其是在電氣生產系統(tǒng)中具有時變性、強干擾的特點。此時，無法有效創(chuàng)建數學模型，使用自動控制算法的效果不好。相反，具備長期操作經驗的工作人員能夠利用手動方式有效控制系統(tǒng)。模糊控制能夠利用算法處理人工操作經驗，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，因此，要全面分析此參數。在系統(tǒng)偏差較小時候，系統(tǒng)使用PID 控制器。在系統(tǒng)偏差較大時候，可以使用模糊控制器，在控制器切換過程中實現系統(tǒng)準確控制[8]。

3 系統(tǒng)的實現

根據連鑄機程序設計，實現系統(tǒng)的測試。

3.1 PLC 程序設計

一般情況下，在程序設計前要尋找合適的算法。以中間包車自動行走程序為例，對PLC 程序的設計過程進行分析。

1）控制需求。在連鑄機生產過程中，中間車要在渣盤、澆筑和預熱側實現自由行走。通過接近開關對硬件系統(tǒng)中的停止工位進行檢測，為了避免損傷到停止位限位開關，設置了極限位置開關，可精準控制中間包車行走定位，如圖5 所示。

圖5 中間包車行走過程

2）解決思路。對中間包車行走過程進行分析，設計典型變頻器調速控制電機的正反型模型。要充分考慮程序中控制電機起停、旋轉方向和速度等控制，實現變頻器參數的控制。

3）程序設計。PLC 程序設計方式多樣化，為了實現程序的可移植性、模塊化和標準化，將包車行走范圍劃分成為17 個工位。定義預熱側停止位為4，在中間包車往右運行的時候，離開預熱側停止位為5。在程序中設置幅值，通過掃描周期實現中間包車目的地和當前位置值的對比，以對比結果決定中間包車行走范圍和停車，圖6 為程序流程。

圖6 程序流程

圖6 中的X為程序中中間包車目的地值，Y為當前位置值。當X＞Y時，電機正轉，中間包車向右運行。當X＜Y時，電機反轉，中間包車左運行。當X＝Y時，電機停轉運行。另外，也可用此方法對中間包車的運行速度進行控制，PLC 程序中的掃描周期能夠對Y和X進行對比，|X-Y|＜2 時，為慢速運行，|X-Y|＞3時，為快速運行。

3.2 程序調試

PLC 程序調試能夠對程序進行測試，查找和修改錯誤，包括邏輯效果測試、語法檢查與輸入輸出檢查等。

1）仿真調試。利用計算機軟件、仿真軟件調試程序，由于中斷事件與特殊模塊無法進行仿真，故進入聯機調試。

2）聯機調試。利用PLC 技術進行調試，但是沒有連接實際設備。在此過程中，通過調試能夠解決PLC通信和計算機的問題，下載程序，實現PLC 實現操作，對PLC 數據和狀態(tài)進行查看。

3）現場調試。將工業(yè)場所中的全部設備都安裝、連線、進行調試，屬于PLC 程序最后調試。在現場調試的工作人員比較多，如果操作不當就會損壞到設備，因此，要在調試過程中，逐漸加電、加載，最終達到額定的條件。

1）全面檢查地址、接線，保證正確無誤。

2）檢查模擬量的輸入、輸出，對模塊設定的正確性進行分析，必要的時候使用標準儀器對輸入、輸出精度進行檢查。

3）檢查測試指示燈。

4）檢查手動動作和邏輯控制關系。

5）實現半自動工作：在調試過程中步步推進，直到實現控制周期。

6）自動進行工作：在半自動調試后之后觀察工作循環(huán)，保證系統(tǒng)能夠準確無誤地連續(xù)工作。

7）設置參數和模擬量調試。

8）根據可靠、正確、省時的原則修改程序。

9）最后對異常條件進行檢查，分析是否出現無法避免的非法操作。

4 結語

通過自動化控制技術創(chuàng)建穩(wěn)定性自動化系統(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)因故障問題而停電，實現系統(tǒng)準確控制、安全運行。